CN106575282B - 用于先进过程控制的云计算系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于在用于先进过程控制（APC）的云计算系统（110）中执行管理和诊断功能的系统和方法。基于云的APC管理计算机（112）从APC控制计算机（150）检索（606）操作过程数据（444），并在APC系统上执行迭代步骤测试（608）。迭代步骤测试修改操作过程数据的至少一个测试参数（448），并标识由于该测试参数的修改而导致的对操作过程数据的一组其余参数的改变。APC管理计算机从迭代步骤测试确定（610）至少一个过程变量（443），并且基于该过程变量生成（614）至少一个过程模型（352、354、356）。APC管理计算机将该过程模型发送（620）到APC控制计算机。
Description
技术领域
所公开的实施例涉及与工业硬件设备一起使用的计算机，并且更具体地涉及在用于先进过程控制的云计算系统中执行管理和诊断功能。
背景技术
处理设施通常使用过程控制系统来管理。处理设施可以包括制造工厂、化工厂、原油精炼厂、矿石处理厂和纸或纸浆制造厂。这些工业通常使用连续过程和流体处理。过程控制系统通常管理电机、阀、传感器、计量器和其他工业装备在处理设施中的使用。
先进过程控制是指在工业过程控制系统内实现的一系列技术和科技。除了基本过程控制之外，通常还部署先进过程控制。基本过程控制利用过程自身来设计和构建，以促进基本操作、控制和自动化要求。
例如，一种已知的先进过程控制技术是多变量模型预测控制（MPC）。MPC标识独立和依赖的过程变量及它们之间的动态关系。MPC使用基于矩阵数学的控制和优化算法来同时控制多个变量。
发明内容
提供本发明内容以介绍下面在包括所提供的附图的具体实施方式中进一步描述的以简化形式的所公开概念的简要选择。本发明内容不旨在限制所要求保护的主题的范围。
所公开的实施例认识到先进过程控制（APC）工程通常是复杂的且需要专门知识的任务，并且随着APC控制器的安装基础的增加以及通常APC工程师的缺乏，存在针对高效地使用APC工程师的时间的需要，因此需要减少旅行时间并使得能够实现远程能力。在工业中，也存在迫使集中化事物以便于维护和高效控制——单元级集中化到工厂级集中化以高效使用人力和工具。此外，过程控制诊断和维护正在成为服务业务，随其而来的是针对安全数据传输的需要。
用于通常涉及利用比例积分微分（PID）控制器调谐的过程的APC的已知模型文件缺乏在上下文中可用的维护历史，这导致来自工程师的大量努力以解决问题，从而有时重做相同的解决方案。所公开的实施例通过分离APC控制和APC管理之间的责任来解决该问题，其中控制层能力被推送到L2，其中操作者功能在L3（不同级别）处，并且还包括APC控制的维护记录、资产健康数据和其他信息，这使得能够提供更高效且更好的工程过程诊断。
所公开的实施例包括在APC系统中执行管理和诊断功能的方法。该方法包括提供通过通信设备通信耦合到APC控制计算机的云计算系统。云计算系统包括具有连接到存储设备的处理器的APC管理计算机，该存储设备具有存储数据收集模块和步骤测试模块的非暂时性机器可读存储介质。APC管理计算机被编程为实现数据收集模块和步骤测试模块，从而使APC管理计算机从APC控制计算机检索操作过程数据并在APC系统上执行迭代步骤测试。迭代步骤测试修改操作过程数据的至少一个测试参数，并标识由于该测试参数的修改而导致的对操作过程数据的一组其余参数的改变。从迭代步骤测试确定至少一个过程变量，并且基于该过程变量生成至少一个过程模型。该过程模型被发送到APC控制计算机。
一个公开的实施例包括用于在APC环境中执行管理和诊断功能的系统。该系统包括通过通信设备通信地耦合到APC控制计算机的云计算系统。云计算系统包括APC管理计算机。APC管理计算机包括连接到存储设备的处理器，该存储设备具有存储数据收集模块和步骤测试模块的非暂时性机器可读存储介质。APC管理计算机被编程为实现数据收集模块和步骤测试模块，从而使APC管理计算机从APC控制计算机检索操作过程数据并在APC系统上执行迭代步骤测试。迭代步骤测试修改操作过程数据的至少一个测试参数，并标识由于该测试参数的修改而导致的对操作过程数据的一组其余参数的改变。APC管理计算机从迭代步骤测试确定至少一个过程变量，并基于该过程变量生成至少一个过程模型。APC管理计算机将该过程模型发送到APC控制计算机。
附图说明
图1A是根据示例实施例的与若干企业通信的示例云计算系统的框图。
图1B是根据示例实施例的示例APC系统的框图。
图2是根据示例实施例的示例APC管理计算机的框图。
图3是根据示例实施例的APC管理计算机的计算机可读存储介质的内容的示例图示。
图4是根据示例实施例的示例APC控制计算机的框图。
图5是根据示例实施例的示例维护记录数据库的框图。
图6是根据示例实施例的示出APC系统中的步骤测试和模型生成的示例方法中的步骤的流程图。
图7是根据示例实施例的示出APC系统中的诊断测试的示例方法中的步骤的流程图。
图8是根据示例实施例的示出针对若干企业对APC模型进行标准检查（benchmark）的示例方法中的步骤的流程图。
具体实施方式
参照附图描述所公开的实施例，其中遍及附图使用相同的附图标记来指定类似或等同的元件。附图未按比例绘制，并且提供它们仅为了图示某些公开的方面。以下参照示例应用来描述若干所公开的方面以用于说明。应当理解，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对所公开的实施例的完全理解。
然而，相关领域的普通技术人员将容易认识到，本文所公开的主题可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法来实践。在其他情况下，未详细示出公知的结构或操作以避免模糊某些方面。本公开不由所图示的动作或事件的次序所限制，因为一些动作可以以不同的次序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，并不需要所有图示的动作或事件来实现根据本文所公开的实施例的方法。
所公开的实施例提供了用于在APC环境中执行管理和诊断功能的方法、系统和计算机程序产品。根据所公开的实施例，云计算系统通过通信设备通信地耦合到APC控制计算机。云计算系统包括APC管理计算机。APC管理计算机包括连接到存储设备的处理器，该存储设备具有存储数据收集模块和步骤测试模块的非暂时性机器可读存储介质。APC管理计算机被编程为实现数据收集模块和步骤测试模块，从而使APC管理计算机从APC控制计算机检索操作过程数据并在APC系统上执行迭代步骤测试。迭代步骤测试修改操作过程数据的至少一个测试参数，并标识由于该测试参数的修改而导致的对操作过程数据的一组其余参数的改变。APC管理计算机从迭代步骤测试确定至少一个过程变量，并基于该过程变量生成至少一个过程模型。APC管理计算机将该过程模型发送到APC控制计算机。
图1A图示了与包括企业1 102、企业2 104和企业3 106（统称为企业102-106）的若干公司或企业通信的示例云计算系统110的框图。每个企业可以是生产商品或服务的单独公司或实体。如图1A中所示，云计算系统110包括APC管理计算机112，其与维护记录数据库114通信，该维护记录数据库114包含企业102-106中的每个的维护记录。
图1B图示了与企业1 102相关联的示例APC系统100的框图。虽然未示出，但是企业2 104和企业3 106可以均具有其自身的APC系统。如图1B中所示，APC系统100包括经由安全通信设备L4 120与一个或多个APC控制计算机150和152通信的云计算系统110。安全通信设备L4 120可以安全地发送和接收经加密的通信。云计算系统110可以连接或联网到附加的APC控制计算机。云计算系统110还包括APC管理计算机112。
企业1 102包括位于过程设施160内的APC控制计算机150和152。APC控制计算机150和152与过程设施160内的工业控制设备170、172、174、176（170-176）通信。APC控制计算机150和152经由通信设备L3 122与工业控制设备170-176通信。过程设施160可以是制造工厂、化工厂、原油精炼厂、矿石处理厂或纸制造厂，其使用连续处理来生产一种或多种材料。在一个实施例中，工业控制设备170-176可以是处理设施160内的泵、电机、仪表阀、传感器、计量器、秤和其他工业装备。
图2图示了APC管理计算机112的示例框图，在其内可以执行一组指令224和/或算法225，从而使APC管理计算机112执行本文所讨论的方法、过程、操作、应用或方法论中的任何一个或多个。
APC管理计算机112包括一个或多个处理器202，诸如中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）或两者、主存储器204和静态存储器206，它们经由可以表示数据总线和地址总线的系统总线208彼此通信。处理器202可以运行或执行一个或多个过程203。主存储器204可以存储用于由处理器202执行的指令224和/或算法225。APC管理计算机112还包括被示出为输出设备/视频显示单元210的输出设备和信号生成设备218（例如，扬声器），其连接到系统总线208。APC管理计算机112还具有诸如字母数字输入设备212（例如，键盘）的输入设备和光标控制设备214（例如，鼠标），其连接到系统总线208。网络接口设备220被示出为连接到外部通信网络226以使得能够实现与系统总线208的通信。
诸如硬盘驱动器或固态驱动器之类的存储设备216连接到系统总线208并与其通信。存储设备216包括机器可读介质222，在其上存储一组或多组软件，诸如体现本文描述的方法或功能中的任何一个或多个的指令224和/或算法225。指令224和/或算法225在其由APC管理计算机112执行期间还可以完全或至少部分地驻留在主存储器204内和/或处理器202内。主存储器204和处理器202还包含机器可读介质。指令224和/或算法225还可以经由网络接口设备220通过网络226被发送或接收。
虽然机器可读介质222在示例实施例中被示出为单个介质，但是术语“机器可读介质”应当被认为包括存储一组或多组指令的单个介质或多个介质（例如，集中式或分布式数据库，和/或相关联的高速缓存和服务器）。术语“机器可读介质”还应被认为包括能够存储、编码或携带用于由计算机系统执行的一组指令的任何介质，并且所述指令使计算机系统执行本发明的各种实施例中所示的方法中的任何一个或多个。因此，术语“机器可读介质”应被视为包括但不限于固态存储器、光学和磁性介质以及载波信号。
参照图3，示出了存储在存储设备216内的机器可读介质222的示例内容。机器可读介质222可以存储用于由处理器202执行的指令224和/或算法225。操作系统（O/S）340也存储在机器可读介质222中。O/S 340管理资源并为APC管理计算机112提供公共服务。
机器可读介质222还包括APC管理模块302和APC诊断模块304。APC管理模块302是管理APC系统100内的先进过程控制功能和操作的软件程序。APC诊断模块304是检测和诊断APC系统100内的问题的软件程序。APC监视和数据收集模块310是收集并存储来自APC控制计算机150和152的操作过程数据326的软件程序。APC建模模块312是从操作过程数据生成过程模型的软件程序。APC模型文件350存储由APC建模模块312生成的过程模型，诸如过程模型1 352、过程模型2,354和过程模型3 356。APC历史文件314是APC系统100内的先前数据、模型、功能和操作的数据库。
机器可读介质222还包括APC标准检查模块316。APC标准检查模块316是分析和比较企业102-106之间的各种APC模型的软件程序。APC分析模块318是分析APC系统100内的功能和操作的软件程序。模式匹配算法320是将由APC诊断模块304所检测的错误状况与存储在维护记录数据库114中的维护记录进行匹配的算法。APC益处研究模块322是分析APC系统100内的APC模型352-356的操作的益处的软件程序。模型修改和历史改变文件328是随时间对APC系统100内的模型和设置发生的改变的数据库。
机器可读介质222还包括资产模型模块330。资产模型模块330是对APC系统100内的物理资产进行建模的软件程序。加密/解密模块332是加密和解密云计算系统110（APC管理计算机112）和APC控制计算机150、152之间的通信以便提供安全通信的软件程序。APC步骤测试模块334是使用操作过程数据326在APC系统100上执行迭代步骤测试的软件程序。
图4图示了诸如APC控制计算机150之类的APC控制计算机的示例框图。APC控制计算机150包括诸如CPU、GPU或两者的一个或多个处理器402和主存储器404。诸如硬盘驱动器或固态驱动器之类的存储设备416连接到处理器402并与处理器402通信。存储设备416包括机器可读介质422，在其上存储有一组或多组软件，诸如体现本文描述的方法或功能中的任何一个或多个的指令424和/或算法425。
机器可读介质422还存储APC应用440，该APC应用440是在APC控制计算机150上执行的软件应用程序。APC过程模型442存储已经从APC管理计算机112接收的过程模型，诸如过程模型1 352。APC过程模型442还存储在过程模型1 352中使用的过程模型变量（过程变量）443。APC操作过程数据444包括参数446和测试参数448。在过程设施160内的操作期间收集APC操作过程数据444。加密/解密模块450是对APC控制计算机150和APC管理计算机112之间的通信进行加密和解密以便提供安全通信的软件程序。
转向图5，示出了维护记录数据库114的示例框图。维护记录数据库114包括存储维护记录540的机器可读介质522。维护记录540包含关于在过程设施160内的装备上执行的修改、修复操作和维护的数据和信息。
图6是示出用于APC系统100中的步骤测试和模型生成的示例方法600中的步骤的流程图。参照图1-6，方法600可以经由由APC管理计算机112内的处理器202对指令224和/或算法225的执行并且具体地通过由处理器202对APC管理模块302、APC监视和数据收集模块310、APC建模模块312、加密/解密模块332和APC步骤测试模块334的执行来实现。方法600在开始框处开始，并进行到框602。在框602处，处理器202配置基于云的APC管理计算机112，并发起APC管理模块302、APC监视和数据收集模块310、APC建模模块312、加密/解密模块332和APC步骤测试模块334。
处理器202建立经由云计算系统110和通信设备L3 120与APC控制计算机150和152的安全通信（框604），并从APC控制计算机150和152检索APC操作过程数据444，并将所接收的操作过程数据存储到存储设备216作为操作过程数据326（框606）。在框608处，处理器202在APC系统100上执行迭代步骤测试。迭代步骤测试修改APC操作过程数据444的至少一个测试参数448，并标识由于该测试参数的修改而导致的对操作过程数据的一组其余参数446的改变。对每个过程参数或变量重复或迭代该测试。
步骤测试被用于理解一个过程参数或变量对其他过程参数或变量的影响。步骤测试可以标识APC系统中的多个过程参数和变量之间的相互作用。步骤测试还可以被用于理解整个过程动态，并协助调谐开环和闭环控制回路。在APC系统中，步骤测试改变参数和变量用于确定对所有受控变量的影响和达到稳态过程的时间。变量从当前操作点在正方向和负方向二者上移动以观察过程响应。在操纵参数和变量中收集的数据拟合到（fit to）算法，以便生成最佳表示围绕所测试的操作条件的当前过程操作的动态模型。
处理器202从迭代步骤测试确定至少一个过程模型变量443（框610）。处理器202确定步骤测试是否已经完成（框612）。响应于步骤测试未完成，方法600返回到框608以继续步骤测试。响应于步骤测试完成，处理器202基于过程模型变量443生成至少一个过程模型（模型1 352）（框614）。过程202经由APC建模模块312的执行生成过程模型。对过程模型352进行测试（框616），以便针对任何错误进行检查并确保模型的正确操作。响应于模型测试失败，方法600返回到框608以重复步骤测试。响应于模型测试通过，处理器202将一个或多个过程模型352-356发送到APC控制计算机150，在其中模型被存储在APC过程模型442中以供使用。
处理器202触发过程模型352-356在APC控制计算机150上的安装（框622）。过程模型352-356的安装可以包括使APC控制计算机150将模型352-356用在执行APC应用440中。处理器202存储对APC历史文件314的任何模型和设置改变（框624）。在框626处，处理器202生成APC活动和历史的报告。然后，方法600结束。
方法600虑及在APC系统100中执行管理和诊断功能的系统和方法。APC步骤测试模块334和APC建模模块312对操作过程数据326执行迭代步骤测试，从迭代步骤测试确定过程模型变量443，并基于过程变量生成过程模型352-356。过程模型被发送到APC控制计算机150和152以在过程设施160中使用。
图7是示出用于APC系统100中的诊断测试的示例方法700中的步骤的流程图。参照图1-5和7，方法700可以经由由APC管理计算机112内的处理器202对指令224和/或算法225的执行并且具体地通过由处理器202对APC诊断模块304和APC建模模块312的执行来实现。方法700在开始框处开始并进行到框702。在框702处，处理器202配置基于云的APC管理计算机112，并发起APC诊断模块304和APC建模模块312。
处理器202建立经由云计算系统110和通信设备L3 120与APC控制计算机150和152的安全通信（框704），并从APC历史文件314检索数据（框706）。在框708处，处理器202使用来自APC历史文件314的数据执行APC模型352-356的诊断测试。处理器202确定APC模型352-356是否可接受或已经通过诊断测试（框709）。响应于诊断测试通过，方法700结束。响应于诊断测试未通过，处理器202生成至少一个新的APC模型或APC模型设置APC模型352-356中的一个或多个（框710）。
处理器202在输出设备/视频显示器210上向过程操作者或工程师显示新的模型设置（框712），并从过程操作者或工程师接收用于批准新的模型设置的输入（框714）。处理器202确定新的模型设置是否已经被过程操作者、技术人员或工程师批准（框716）。响应于新的模型设置未被过程操作者、技术人员或工程师批准，方法700返回到方法600（图6）的框608以重复迭代步骤测试。响应于新的模型设置被过程操作者、技术人员或工程师批准，处理器202存储新的模型设置以对修改和历史改变文件328进行建模（框718）。处理器202将新的模型和/或模型设置发送到APC控制计算机150、152，在其中模型被存储在APC过程模型442中以供使用（框720）。处理器202触发在APC控制计算机150、152上安装新的模型或模型设置（框722）。在框724处，处理器202生成APC活动和历史的报告。然后，方法700结束。
图8是示出针对若干企业对APC模型进行标准检查的示例方法800中的步骤的流程图。参照图1-5和8，方法800可以经由由APC管理计算机112内的处理器202对指令224和/或算法225的执行并且具体地通过由处理器202对APC标准检查模块316的执行来实现。方法800在开始框处开始并进行到框802。在框802处，处理器202配置基于云的APC管理计算机112并发起APC标准检查模块316。处理器202针对多个企业102-106从存储设备216检索APC过程模型352-356、操作过程数据326以及模型修改和历史改变文件328（框804）。处理器202使用过程模型、操作过程数据以及模型设置和改变来执行标准检查分析（框806），以便比较企业102-106中的每个之间的过程模型和操作过程数据。处理器202在输出设备/视频显示器210上显示标准检查分析的结果（框808）。处理器202生成标准检查分析的结果的报告（框810）。然后，方法800结束。方法800的标准检查分析可以从若干不同企业当中标识最佳实践、模型和操作以在过程设施中使用。
虽然上面已经描述了各种公开的实施例，但是应当理解，它们仅仅作为示例而不是限制来呈现。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以根据本公开对本文所公开的主题做出许多改变。另外，虽然特定特征可以关于若干实现中的仅一个公开，但是这样的特征可以与其他实现的一个或多个其他特征进行组合，如对于任何给定或特定应用可能期望和有利的。
如本领域技术人员将理解的，本文所公开的主题可以体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例（包括固件、驻留软件、微代码等）或将软件和硬件方面进行组合的实施例的形式，其在本文中通常都可以被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本公开可以采取体现在任何有形表达介质（其具有在介质中体现的计算机可用程序代码）中的计算机程序产品的形式。
可以利用一个或多个计算机可用或计算机可读介质的任何组合。计算机可用或计算机可读介质可以是例如但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置或设备。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽列表）将包括非暂时性介质，包括以下：具有一个或多个电线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或闪速存储器）、便携式压缩盘只读存储器（CDROM）、光学存储设备或磁性存储设备。
Claims (9)
1.一种用于在先进过程控制（APC）环境中执行管理和诊断功能的系统，所述系统包括：
通过第一通信设备（120）通信地耦合到至少一个APC控制计算机（150）的云计算系统（110）；
所述云计算系统包括APC管理计算机（112）；所述APC管理计算机包括连接到第一存储设备（216）的第一处理器（202），所述第一存储设备（216）具有存储数据收集模块（310）和步骤测试模块（334）的第一非暂时性机器可读存储介质（222），并且所述APC管理计算机被编程为实现所述数据收集模块和所述步骤测试模块，从而使所述APC管理计算机：
从所述APC控制计算机检索（606）操作过程数据（444）；
在所述APC环境上执行迭代步骤测试（608），其中所述迭代步骤测试修改所述操作过程数据的至少一个测试参数（448），并标识由于所述测试参数的修改而导致的对所述操作过程数据的一组其余参数的改变；
从所述迭代步骤测试确定（610）至少一个过程变量（443）；
基于所述过程变量生成（614）至少一个过程模型（352、354、356）；以及
将所述过程模型发送（620）到所述APC控制计算机。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据收集模块和所述步骤测试模块使得还使所述APC管理计算机：
测试（616）所述过程模型；以及
响应于所述过程模型通过所述测试（618），将所述过程模型发送到所述APC控制计算机。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据收集模块和所述步骤测试模块还使所述APC管理计算机：
测试（616）所述过程模型；以及
响应于所述过程模型未通过所述测试（618），使用所述操作过程数据重复所述执行所述迭代步骤测试（608）。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据收集模块和所述步骤测试模块还使所述APC管理计算机：
触发（622）所述APC控制计算机安装所述过程模型。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据收集模块和所述步骤测试模块还使所述APC管理计算机：
将所述过程模型和改变存储（624）到模型修改和设置改变文件（328）。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一存储设备还存储APC诊断模块（304），并且所述APC诊断模块还使所述APC管理计算机：
从APC历史文件检索（706）多个APC历史数据（314）；
对所述APC历史数据执行诊断测试（708）；
基于所述诊断测试生成（710）至少一个新的过程模型设置352；
显示（712）所述新的过程模型设置；
确定（716）所述新的过程模型设置是否已被批准；
响应于确定所述新的过程模型设置已被批准，将所述新的过程模型设置发送（720）到所述APC控制计算机。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述APC诊断模块还使所述APC管理计算机：
将所述过程模型和所述新的过程模型设置存储（718）到所述APC历史文件。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述APC诊断模块还使所述APC管理计算机：
响应于确定所述新的过程模型设置尚未被批准，重复执行所述迭代步骤测试（608）。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一存储设备还存储APC标准检查模块（316），并且所述APC管理计算机被编程为实现所述APC标准检查模块，从而使所述APC管理计算机执行：
针对多个企业（102、104、106）中的每个检索（804）所述过程模型（352、354、356）和所述操作过程数据（326）；
使用所述过程模型和所述操作过程数据执行（806）标准检查分析，以便在所述企业之间比较所述过程模型和所述操作过程数据；以及
显示（808）所述标准检查分析的至少一个结果。
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