Развитие программных продуктов позволяет в более широком объеме использовать имитационные исследования, которые к тому же обладают значительной наглядностью при обосновании тех или иных технических решений. Поэтому способ оценки эффективности  основан на имитационном исследовании структурных схем системы автоматического управления параметрами процесса. В качестве программного средства предлагается VisSim – пакет компонентного визуального моделирования фирмы VisualSolutions, предназначенный для разработки и моделирования динамики непрерывных, дискретных и гибридных систем и является одним из наиболее ярких представителей систем, реализующих концепцию структурного моделирования [1].

В качестве критерия оценки эффективности системы управления выбирается интегральная оценка качества – определенный интеграл по времени  от некоторой функции управляемой величины у(t), а чаще сигнала ошибки e(t):

Подынтегральная функция f₀выбирается таким образом, чтобы интеграл лучше характеризовал качество системы и проще выражался через коэффициенты передаточной функции замкнутой системы. Чтобы интеграл был сходящимся, в функцию f₀  вводят не абсолютные значения у(t) или e(t), а их отклонения от конечных, установившихся значений. Интегральная оценка учитывает как величину динамических отклонений, так и длительность их существования. Поэтому чем меньше оценка, тем лучше качество процесса управления [2].

Рассматриваемое исследование основывается на предварительном анализе технологических особенностей процесса и математическом моделировании элементов системы и объекта управления. В качестве примера в статье рассматривается технологический процесс рекуперации серы.

Процесс предназначен для превращения (рекуперации) сероводородсо­держащих газов, поступающих с производства сероуглерода, в элементарную серу. Технологически исследуемый процесс состоит из двух стадий: терми­ческой и каталитической. Процесс рекуперации серы протекает в топке котла-утилизатора (Рисунок 1) при температуре реакционной среды от 1200 до 1300 °C и давле­нии не более 0.4 кгс/см².

Рисунок 1. Функциональная схема процесса

Топка котла-утилизатора состоит из форкамеры и основной камеры горения. Форкамера представляет собой цилиндрический аппарат со сталь­ным кожухом, изнутри футерованный огне­упорным кирпичом. Подача серо­водородсодержащих газов и воздуха произ­водится аксиально в торцевую часть форкамеры. Здесь происходит предвари­тельное смешивание поступа­ющих газов и их частичное окисление в среде воздуха. Устройство основной камеры горения аналогично устройству фор­камеры. Подача сероводородсо­держащих газов и (или) метана в основную камеру горения производится тангенциально по четырём вводам в конфузор между форкамерой и основной камерой горения, туда же поступает воздух, предварительно пройдя через кожух печи и нагревшись. Здесь происходит окончательное смешивание и сжигание сероводородсодержащих газов при недостатке воздуха до двуокиси серы. Суммарный объёмный расход сероводородсодержащих газов в форка­меру и основную камеру горения не должен превышать 6000 м³/ч, при этом объёмный расход воздуха должен быть не более 15000 м³/ч [3].

Основным показателем эффективности процесса рекуперации серы является температура реакционной среды в основной камере горения, кото­рая для оптимального протекания окисления сероводородсодержащих газов должна быть в диапазоне от 1200 до 1300 °C. Вторым показателем эффектив­ности является мольное соотношение «сероводород – двуокись серы» на вы­ходе из каталитической стадии процесса. При оптимальном процессе горения мольное соотношение должно быть равным два к одному. Третьим показате­лем эффективности являются энергетические затраты на осуществление про­цесса, которые включают расход воздуха: 15000 м³/ч, расход сероводородсо­держащих газов: 6000 м³/ч и расход метана: 650 м³/ч.

В первую очередь рассматривается возможность регулирования основного показателя эффективности – температуры реакционной среды. С технической точки зрения эта возможность существует, так как существует широкий вы­бор средств автоматизации температуры. Для регулирования температуры присутствуют три канала внесения регулирующих воздействий: линия по­дачи воздуха, линия подачи сероводородсодержащих газов и линия подачи метана.

Для регулирования температуры выбирается линия подачи воздуха. Управление температурой по линии подачи сероводородсодержащих газов невозможно из-за особенностей рас­сматриваемого технологического про­цесса, так как целью производства является не рекуперация заданного объёма элементарной серы, а переработка всех газов, поступающих с процесса син­теза сероуглерода. Регулирование температуры по линии подачи метана вно­сит изменения в процесс окисления сероводородсодержащих газов и, следо­вательно, приводит к изменению состава реакционной среды, что в свою очередь оказывает негативное воздействие на протекание каталитической стадии процесса рекуперации серы.

Поэтому для поддержания основного показателя эффективности – тем­пературы реакционной среды  –  выбирается одноконтурная система регулиро­вания температуры реакционной среды на выходе из основной камеры горе­ния топки котла-утилизатора, путём изменения степени открытия клапана на линии подачи воздуха (Рисунок 2).

Рисунок 2. Функциональная схема одноконтурной системы регулирования

В программном средстве VisSim рассматриваемая структурная схема одноконтурной системы регулирования представлена на рисунке 3, а графическая зависимость интегральной оценки качества от параметра настройки в системе управления – на рисунке 4. Анализ зависимости показывает, что наилучшее качество управления достигается при численном значении коэффициента пропорциональности равного 7.

Рисунок 3. Одноконтурная система регулирования реализованная в программном средствеVisSim

Рисунок 4. Графическая зависимость интегральной оценки качества от параметра настройки в системе управления

 Однако выбранная система регулирования температуры реакционных газов не обеспечивает требуемого качества, если объект обладает запаздыва­нием. Топка является инерционным объектом, так как в момент пуска уста­новки большая часть тепла, выделенного в результате протекания химиче­ских реакций, расходуется на нагрев поверхности топки котла-утилизатора. При работе установки в номинальном режиме тепло излучаемое внутренней поверхностью топки вносит погрешность в отклик температуры на измене­ние расхода и калорийности потока сероводородсодержащих газов, а также на изменение расхода метана. Несмотря на то, что топка котла-утилизатора обладает самовыравниванием, она является объектом с запаздыванием. Величина которого, зависит от коэффициента теплоотдачи, площади внут­ренней поверхности топки, материала по­верхности топки и её массы. В объект поступают возмущения, которые одноконтурная система не может устранить. Эти возмущения можно устранить до системы используя систему стабилизации воздуха. Однако не надо забывать про основной показатель эффективности – температуру реакционной среды на выходе из основной ка­меры горения топки котла-утилизатора.

Поэтому к рассмотрению принимаетсядвухконтурная система регулиро­вания температуры реакционной среды с коррекцией по расходу воздуха (рисунок 5).

Рисунок 5. Функциональная схема двухконтурной системы регулирования

В такой системе регулирование расхода воздуха сделает этот расход постоян­ным, но на все остальные возмущения реагировать не будет, а регу­лирование температуры реакционной среды будет реагировать на все внеш­ние возму­щения, в том числе на калорийность потока сероводородсодержа­щих газов и на расходы подводимых газов.

В программном средстве VisSim реализуемая структурная схема двухкон­турной системы регулирования температуры представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Двухконтурная система регулирования реализованная в программном средстве VisSim

Анализ моделирования показывает, что в случае двухконтурного регулирования качество управления ухудшается, увеличивается колебательность и длительность протекания переходного процесса, численное значение интегральной оценки больше (I_с = 651439)по сравнению с системой регулирования с обратной связью (I_с = 196999).

Рассмотренная двухконтурная система регулирования температуры реакционной среды на выходе из основной камеры горения топки обеспечи­вает требуемое качество регулирования, если изменения расхода воздуха не носят частый и резкий характер. Если изменения расхода вносят большие возмущения в процесс, то можно использовать систему регулирования тем­пературы реакционной среды с компенсацией расхода метана. Принцип работы такой системы заключается в следующем: изменение расхода воздуха приводит к изменению кинетики протекания реакций в топке и соответ­ственно температуры реакционных газов на выходе из основной камеры горения.

Рисунок 7.Функциональная схема системы регулирования с компенсатором

Рисунок 8. Система регулирования с компенсатором реализованная в программном средстве VisSim

 Это возмущение будет устраняться регулятором основного контура. Приток метана будет корректироваться до тех пор, пока не будет установ­лено заданное соотношение метан/воздух. Контролировать соблюдение этого соотношения при изменении расхода метана будет DIN компенсатор. Причём компенсация будет по возмущению, так как изменение расхода метана не будет допускаться в объект. Следовательно, данная система поддерживает на заданном уровне три показателя эффективности: температуру реакционной среды на выходе из основной камеры горения топки котла-утилизатора; про­изводительность топки, на которую влияет расход метана; снижение энерге­тических затрат путём контроля расхода воздуха. Функциональная схема системы регулирования температуры реакционной среды в результате ис­пользования DIN регулятора представлена на Рисунке 7.

В программном средстве VisSim реализуется структурная схема системы регулирования температуры на основании DIN-регулятора на рисунке 8, величина интегральной оценки качества составляет I_с = 194195.

Таким образом, на основании проведенных исследований с использованием предложенного способа оценки эффективности системы автоматического управления технологическими параметрами процесса можно сделать вывод, что наибольшей эффективностью обладает комбинированная система динамической компенсации. Увеличение надежности современных средств микропроцессорной техники, которые в настоящее время используются для осуществления управления технологическими процессами на отечественных предприятиях, вполне позволяет реализовывать системы управления с более сложной структурой, чем распространённые системы с обратной связью.

В тоже время, предложенный способ может быть использован в качестве лабораторного комплекса при изучении дисциплин «Теория автоматического управления», «Автоматизированные системы управления», «Автоматизация технологических процессов и производств» для студентов технических ВУЗ(ов).