CN107407917A - 一种使用过渡数据控制过程设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于使用控制器控制过程设备中的过程的方法。所述方法包括：接收涉及与所述过程相关的第一过程变量的过程数据；根据第一稳态和第二稳态之间的第一过程变量的过程数据，确定与过渡相关的至少一个关键性能指标的第一值；将至少一个关键性能指标的确定的第一值与至少一个关键性能指标的阈值进行比较；和基于比较，确定用于更改过程变量的设定点的校正因子，以用于控制过程。

Description

一种使用过渡数据控制过程设备的方法
技术领域
本发明涉及控制系统和工业自动化。更具体地，本发明涉及利用过渡数据来控制过程。
背景技术
通常在诸如水泥工业、造纸工业、冶金过程工业的制造过程工业中，某些过程跨越一定时间跨度可生产多种等级的产品。例如，在纸张的制造中，通过更改相关的过程变量，一段时间内可生产多种等级的纸张。术语“等级”表示一组产品规格，诸如片材重量、片材厚度、片材亮度、片材颜色等。在其中最初配置成生产一种规格的片材的生产线被过渡到生产另一种规格的片材的过程被称为等级变化或过渡。
常规地，根据控制原理，这种过渡被定义为由于在过程的操作点或参数中的显著转变引起的过程的输出参数的变化。与设备中的多个控制器和其它装置对接的设备控制装置导致的操作点转变或变化。具体地，设备控制系统使连续过程的多种功能性构件的可操作设定点自动化，以确保根据由等级变化或过渡标示的新产品规格生产产品。
虽然良好地建立并且通过常规控制系统有效且高效地执行稳态中过程的控制，但是当这种控制系统被用来控制有多个过渡的过程时，其呈现不足够的性能。
因此，需要有能够有效地控制有一个或多个过渡的过程的系统和方法。
发明内容
在一个方面，本发明公开使用控制器控制过程设备中的过程的方法。过程设备包括一个或多个现场装置。
在第一时刻时，过程处于第一稳态中，在该稳态中控制器在第一操作范围内控制过程。在第二时刻时，过程处于第二稳态中，在该稳态中控制器在第二操作范围内控制过程。在第一时刻和第二时刻之间，过程经历第一稳态和第二稳态之间的过渡。
方法包括：接收来自至少一个现场装置的涉及与过程相关的第一过程变量的过程数据；根据第一稳态和第二稳态之间的至少一个现场装置的过程数据，确定与过渡相关的至少一个关键性能指标的第一值；将至少一个关键性能指标的确定的第一值和与至少一个关键性能指标相关的阈值进行比较；和基于比较确定要校正的过程变量的校正因子。
在一个实施例中，方法进一步包括：接收与过程相关的第二过程变量的过程数据；将第一过程变量的过程数据和第二过程变量的过程数据与过渡模型进行比较。
在一个实施例中，至少一个关键性能指标是下者中的一个：过渡开始和过渡结束之间的时期、过渡中的过调量的百分比、过渡中的振荡数、过渡梯度。在又一个实施例中，至少一个关键性能指标基于下者中的一个或多个的加权平均值：过渡开始到过渡结束之间的时期、过渡中的过调量的百分比、过渡中的振荡数、过渡梯度。
在另一方面，一种用于控制过程设备中的过程的系统。系统包括：一个或多个现场装置；控制器，其可操作地联接到一个或多个现场装置，以基于一个或多个预定的设定点控制过程；历史数据库，其配置成存储历史过程数据；和服务器，其通信联接到控制器和历史数据库。
服务器配置成：接收来自至少一个现场装置的涉及与过程相关的一个或多个过程变量的过程数据；根据第一稳态和第二稳态之间的第一过程变量的过程数据，确定与过渡相关的至少一个关键性能指标的第一值；将至少一个关键性能指标的确定的第一值和与至少一个关键性能指标相关的阈值进行比较；和基于比较至少一个关键性能指标的第一值和阈值，确定要校正的过程变量的校正因子，以用于控制过程设备中的过程。
附图说明
图1示出根据本发明的多个实施例用于使用控制器控制过程设备中的过程的系统。
图2示出根据本发明的多个实施例的用于一系统的方法，所述系统用于使用控制器控制过程设备中的过程，和
图3示出跨越一定时间跨度的三个过程变量的过程数据。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考附图，附图形成详细描述的一部分且其中以说明的方式示出可实践的特定实施例。足够详细地描述这些实施例，使得本技术领域的那些技术人员能够实践本实施例，且将要理解的是，可利用其它实施例，且在不脱离本实施例的范围的情况下，可进行逻辑的、机械的、电学的以及其它的改变。因此，以下详细的描述不被认为是限制性意义的。
图1示出用于在过程设备中使用控制系统110的控制器115控制过程的系统100。控制器115连接到多个现场装置(130、140和150)，用于基于控制器115中存储的设定点控制过程设备的滚压和干燥区段160。多个现场装置(130、140和150)包括定位于区段160的多个区域中的一个或多个传感器(在图中示为传感器130和传感器140)，用于测定与过程相关的过程变量。这些过程变量在本文中被称为测定的过程变量。控制器115接收来自传感器130和140的涉及一个或多个过程变量的测定结果，用于调节滚压和干燥区段160中的过程。
此外，多个现场装置包括一个或多个促动器(在图中示为阀150)，促动器调节涉及区段160中的过程的物理参数。包括阀150的一个或多个促动器可操作地联接到控制器115。基于来自传感器的测定结果和设定点，控制器115操作一个多个促动器以调节滚压和干燥区段160中的过程。
另外，控制器115经由通信信道175通信联接到服务器120。控制器115将来自现场装置的一个或多个过程变量的测定结果传输到服务器120。服务器120配置成接收来自控制器115的一个或多个过程变量(也称作过程数据)的测定结果，并确定过程数据中的第一稳态、第二稳态以及在第一稳态和第二稳态之间的过渡。然后服务器120根据过程数据确定与过渡相关的至少一个关键性能指标的第一值。随后，服务器120将至少一个关键性能指标的确定的第一值和与至少一个关键性能指标相关的阈值进行比较，并基于比较至少一个关键性能指标的第一值和与至少一个关键性能指标相关的阈值，确定用于更改要校正的过程变量的校正因子，以控制过程设备中的过程。
在一个实施例中，在确定校正因子之后，服务器120将校正因子发送到控制器115，控制器115因而基于建议的校正因子校正待校正的相应的过程变量的设定点。在另一个实施例中，服务器120将涉及要被校正的过程变量的校正因子发送到上游装置或下游装置以采取必要的调节措施。
此外，控制系统110包括历史数据库170。历史数据库170配置成存储历史过程数据。服务器120利用历史数据以确定与至少一个关键性能指标相关的阈值。在一个实施例中，服务器120分析多个过程变量的历史过程数据。服务器120识别第一稳态和第二稳态之间的多个过渡，确定与根据多个过渡确定的至少一个关键性能指标相关的统计参数或统计代表值(诸如平均值)，且对确定的统计代表值设定阈值，其中在本示例中，确定的统计代表值为确定的平均值。
在一个实施例中，服务器120配置成接收来自第二现场装置的第二过程变量的过程数据。然后服务器120将第一过程变量的过程数据和第二过程变量的过程数据与过渡模型进行比较，以确定要校正的过程变量。在一个实施例中，过渡模型是多元主成分分析模型，其用来通过识别是第一变量还是第二变量还是第一变量和第二变量的组合导致过渡反常，从而确定要校正的过程变量。服务器120通过利用第一过程变量和第二过程变量的历史过程数据建立过渡模型。在一个实施例中，服务器120根据历史过程数据确定多个过渡。然后服务器120根据多个过渡确定各个过渡的至少一个关键性能指标。基于至少一个关键性能指标，服务器120选择一组过渡，其至少一个关键性能指标的值高于或低于所需的特定阈值。服务器120利用这些选择的过渡期间的过程数据来建立过渡模型。这些方面在图2的描述中进一步得到解释。
本领域的技术人员要注意的是，虽然附图示出系统100的一种配置，但是多种其它的配置是可行的，且对于本领域的技术人员而言是常规上已知的。例如，在一个实施例中，服务器120直接或间接地连接(经由I/O接口或中继接口)到一个或多个现场装置，用于接受过程数据。在一个实施例中，历史数据库170是服务器120的一部分。
类似地，本领域的技术人员要注意的是，以上用来解释系统的统计方法仅仅是说明性的，且可由多个常规上已知的统计方法替代。例如，主成分分析模型可由回归模型、偏最小二乘法(PLS)模型替代。
图2示出根据本发明的多个实施例，使用控制器115控制过程设备中的过程的方法200。下面详细描述本方法，并使用在图3中示出的以下过程数据的示范性曲线图解释本方法：过程变量基础重量(示于曲线图310中)、过程变量卷轴(reel)湿度(示于曲线图320中)、过程变量胶料(size)湿度(示于曲线图330中)。
在第一时刻时，过程处于第一稳态，在该稳态中，控制器115在第一操作范围内控制过程。本文中的术语“稳态”指一段时间，其中过程变量是一致的或大致一致的，即，处于一定段或一定范围的阈值内。参考图3，可看到的是，过程处于第一稳态，直到时刻T1，因为所有的三个示范性过程变量(基础重量、卷轴湿度和胶料湿度)是相对稳定的。
在第二时刻时，过程处于第二稳态，在该稳态中，控制器115在第二操作范围内控制过程。在第一稳态和第二稳态之间，改变来自滚压和干燥区段160的过程的最终产品的等级。因此，更改控制器115的操作点。因此，过程经历第一稳态和第二稳态之间的过渡。
类似地，参考图3，可看到的是，在时刻T2时，过程已经稳定且处于第二稳态中，因为在T2之后，所有的三个示范性过程变量(基础重量、胶料湿度和卷轴湿度)是相对稳定的。基于过程变量基础重量、胶料湿度和卷轴湿度的值的变化速率，服务器120确定在时刻T1和时刻T2之间已经发生过渡。
在步骤210，服务器120接收来自第一现场装置的涉及与过程相关的第一过程变量的过程数据。服务器120通过控制器115连续地接收现场装置(130、140和150)的过程数据
继续上述的示例，服务器120连续地接收与基础重量、胶料湿度和卷轴湿度相关的过程数据。服务器120针对三种过程变量连续地确定各变量的变化速率或梯度。直接地在T1之后或在T1时，过程变量卷轴湿度和胶料湿度的值的变化速率高于预定的阈值，且因此服务器120确定过渡已开始。类似地，在T2时，所有过程变量的变化速率低于预定的阈值，且因此，服务器判定过渡已结束。
在步骤220，服务器120根据第一过程变量的过程数据确定与过渡相关的至少一个关键性能指标的第一值。本文中，关键性能指标指表示在过程变量中所看到的过渡的轮廓(profile)的分值或等级。例如，关键性能指标包括但不限于：过渡时间(即，从第一稳态转到第二稳态所花费的时间)、过调量的百分比、光滑度指数、在至少一个过程变量的过程数据中看到的振荡数等。在一个实施例中，由服务器120通过在从第一过程变量的过程数据中看到的第一稳态的结束时刻与第二稳态的开始时刻之间拟合二次方程路径，并然后通过量化过渡期间第一过程变量相对于二次方程路径的偏差，确定光滑度指数。类似地，通过在第一稳态的结束时刻和第二稳态的开始时刻之间使用N次方程路径，可量化第一过程变量的偏差。
当在一个或多个过程变量的过程数据中观察过渡时，根据一个或多个过程变量的过程数据计算关键性能指标的一个或多个值。
继续上述的示例，服务器120根据T1和T2之间的基础重量、卷轴湿度和胶料湿度的相应的过程数据，计算基础重量、胶料湿度和卷轴湿度的过调量的百分比的值。
在步骤230，服务器120将至少一个关键性能指标的确定的第一值和与至少一个关键性能指标相关的阈值进行比较。继续上述的示例，服务器120将过调量的百分比的三个第一值与过调量的百分比的阈值进行比较。
在一个实施例中，至少一个关键性能指标基于下者中的一个或多个的加权平均值：过渡开始和过渡结束之间的时期、过渡中的过调量的百分比、过渡中的振荡数、过渡梯度。
在步骤250，基于上述的比较，服务器120确定用于更改控制器中存储的过程变量的设定点的校正因子，以用于控制过程设备中的过程。继续上述的示例，当在所有三个过程变量中的过调量的百分比的三个第一值大于与过调量的百分比相关的阈值时，基于三个第一值和三个阈值之间的差异，服务器120计算由控制器使用的过程变量的设定点的校正因子。
在一个实施例中，服务器120配置成接受第二过程变量的过程数据。然后，服务器120将在第一稳态和第二稳态之间的第一过程变量的过程数据和第二过程变量的过程数据与过渡模型进行比较。当有一个或多个过程变量时，服务器120配置成使用过渡模型确定过渡中各过程变量的影响。
继续上述的示例，通过使用由基础重量、胶料湿度和卷轴湿度这三个变量的历史过程数据生成的多元过渡模型执行主成分分析，服务器120确定基础重量、胶料湿度和卷轴湿度对T1和T2之间的过渡的影响。
在一个实施例中，服务器120配置成使用一个或多个过程变量的离线过程数据执行上述的方法，其中，在连续操作的情形下跨批量操作或跨预定的一段时间而从现场装置获取所述过程数据。服务器120利用上述的变化速率来确定一个或多个变量的过程数据中的多个稳态和多个过渡。在检测到所有的稳态之后，服务器120将彼此相似的所有稳态聚集成组或群。然后服务器120计算过渡矩阵图。
过渡图是一个矩阵，其显示了在任何两个非聚集稳态之间发生的过渡次数。 在每个稳态和另一个稳态之间发生的过渡次数被计数并存储为过渡矩阵中的单元要素。然后，服务器120考虑具有大量过渡(大于预定阈值)的那些稳态之间的过渡。因此，服务器120将上述的方法应用于所选择的过渡。
本发明允许在过渡期间利用过程数据用于有效且高效的过程控制。通过监测过渡的等级，系统100可相应地调节过程。
该书面描述使用示例(包括最佳模式)来描述本文的主题，并且还使本领域的技术人员能够制作和使用该主题。主题的可专利性范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这种其它示例具有不异于权利要求的文字语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质差异的等同的结构要素，则这种其它示例旨在处于权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种用于使用具有控制器(115)的控制系统(110)控制过程设备中的过程的方法(200)，所述过程设备具有一个或多个现场装置(130、140和150)，所述过程包括第一稳态、第二稳态和在所述第一稳态与所述第二稳态之间的过渡，在所述第一稳态中，所述控制器(115)在第一操作区域内控制所述过程，在所述第二稳态中，所述控制器(115)在第二操作区域内控制所述过程，所述方法借助于所述控制系统(110)而包括：
(i)接收来自至少一个现场装置的涉及与所述过程相关的第一过程变量的过程数据；
(ii)根据所述第一稳态和所述第二稳态之间的所述第一过程变量的所述过程数据，确定至少一个关键性能指标的第一值，其中所述至少一个关键性能指标表示所述过渡的轮廓；
(iii)将所述第一值与对应于所述至少一个关键性能指标的第一阈值进行比较，其中根据来自所述第一过程变量的历史过程数据的一个或多个过渡，计算所述第一阈值；和
(iv)基于比较所述至少一个关键性能指标的第一值和所述第一阈值，确定要校正的过程变量的校正因子，以用于控制所述过程设备(100)中的过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
(i)接收来自第二现场装置的第二过程变量的过程数据；
(ii)通过将所述第一过程变量的过程数据和所述第二过程变量的过程数据与过渡模型(125)进行比较，确定要校正的过程变量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个关键性能指标为下者中的一个：过渡开始和过渡结束之间的时期、过渡中过调量的百分比、过渡中的振荡数、过渡梯度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个关键性能指标为基于下者中的一个或多个的加权平均值：过渡开始和过渡结束之间的时期、过渡中的过调量、过渡中的振荡数、过渡梯度。
5. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
(i)将所述校正因子传输到所述控制器(115)，和
(ii)通过所述校正因子更改要校正的过程变量的设定点。
6.一种用于控制过程设备中的过程的系统(100)，所述过程包括第一稳态、第二稳态和在所述第一稳态与所述第二稳态之间的过渡，所述系统包括：
(i)一个或多个现场装置(130、140和150)；
(ii)控制器(115)，其可操作地联接到所述一个或多个现场装置，以控制过程；
(iii)历史数据库(170)，其配置成存储与一个或多个过程变量相关的历史过程数据；和
(iv)服务器(120)，其通信联接到所述控制器和所述历史数据库(170)，所述服务器(120)配置成：
a. 接收来自至少一个现场装置的涉及与所述过程相关的第一过程变量和第二过程变量的过程数据；
b. 根据所述第一稳态和所述第二稳态之间的所述第一过程变量和所述第二过程变量的至少一个的过程数据，确定与过渡相关的至少一个关键性能指标的第一值；
c. 将所述至少一个关键性能指标的确定的第一值和与所述至少一个关键性能指标相关的阈值进行比较；和
d. 基于比较所述至少一个关键性能指标的所述第一值和所述阈值，确定要校正的过程变量的校正因子，以用于控制所述过程设备(100)中的所述过程。
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