DE10251192A1 - Method for monitoring of continuous technical process esp. for chemical reaction, involves on-line measurement of process variables such as concentration of educts and products at input and output of process - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines kontinuierlichen verfahrenstechnischen Prozesses zur Durchführung einer chemischen Reaktion, bei dem mittels Datenvalidierung Prozesskenngrößen, z.B. Umsatz und Selektivität, welche als Regelgrößen dienen, berechnet werden.The invention relates to a method for surveillance a continuous process engineering process to carry out a chemical reaction, in which process parameters, e.g. Sales and selectivity which serve as control variables, be calculated.
Zur Überwachung eines verfahrenstechnischen Prozesses werden im Betrieb fortlaufende Messungen diverser Prozessgrößen, wie Durchfluss, Konzentration, Temperatur und Druck, durchgeführt. Nicht alle gewünschten Größen sind jedoch einer direkten Messung zugänglich bzw. sind nur unter hohem technischen Aufwand messbar. Außerdem unterliegen die Messungen grundsätzlich sowohl systematischen als auch statistischen Messfehlern. Werden die gemessenen Größen zur Regelung bzw. Überwachung des Prozesses verwendet, so sind hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Messungen gestellt, da die Messungen sonst den Zustand des Prozesses nur ungenügend beschreiben, was zu Fehlinterpretationen und damit zu fehlerhafter Regelung des Prozesses führen kann. Eine regelmäßige Wartung und Eichung der Messgeräte ermöglicht es zwar, eine hohe Genauigkeit zu erzielen. Trotz hoher Genauigkeit genügen die gemessenen Werte jedoch nicht der Massen- und/oder Energiebilanz des Prozesses. Um den verfahrenstechnischen Prozess dennoch anhand von nicht direkt messbaren Kenn- bzw. Qualitätsgrößen, wie Umsatz und Selektivität, überwachen zu können, müssen bei deren Berechnung die Messwerte so angepasst werden, dass sie die Massen- und/oder Energiebilanz und gegebenenfalls weitere Randbedingungen erfüllen. Diese Methode der Anpassung von Messwerten unter Randbedingungen wird als Datenvalidierung (Englisch: data reconciliation) bezeichnet. Ein Überblick über die Methode der Datenvalidierung findet sich z.B. in C.M. Crowe, Data reconciliation – progress and challenges, J. Proc. Cont., Vol. 6, No. 2/3, 89–98, 1996. Für die Anwendung dieser Methode in verfahrenstechnischen Prozessen gibt es zahlreiche kommerzielle Softwareprodukte, unter anderem ADVISOR® der Firma Aspentech, DATACON® der Firma Simsci (Invensys-Gruppe), RTO+® von MDC Technology, SIGMAFINE® der Firma OSI SOFT sowie VALI® der Firma Belsim.To monitor a process engineering process, continuous measurements of various process variables such as flow, concentration, temperature and pressure are carried out during operation. However, not all desired sizes are accessible for direct measurement or can only be measured with great technical effort. In addition, the measurements are fundamentally subject to both systematic and statistical measurement errors. If the measured variables are used to control or monitor the process, high demands are placed on the accuracy of the measurements, since the measurements otherwise only insufficiently describe the state of the process, which can lead to misinterpretations and thus incorrect control of the process. Regular maintenance and calibration of the measuring devices make it possible to achieve high accuracy. Despite the high accuracy, the measured values do not meet the mass and / or energy balance of the process. In order to be able to monitor the process engineering process on the basis of parameters or quality parameters such as sales and selectivity that cannot be measured directly, the measurement values must be adjusted when they are calculated so that they meet the mass and / or energy balance and, if necessary, other boundary conditions. This method of adapting measured values under boundary conditions is known as data reconciliation. An overview of the method of data validation can be found, for example, in CM Crowe, Data reconciliation - progress and challenges, J. Proc. Cont., Vol. 6, No. 2/3, 89-98, 1996. There are numerous commercial software products for the application of this method in process engineering processes, among others ADVISOR ® from Aspentech, DATACON ® from Simsci (Invensys group), RTO + ® from MDC Technology, SIGMAFINE ® from OSI SOFT and VALI ® from Belsim.
Bei der Anwendung der Datenvalidierung auf einen verfahrenstechnischen Prozess zur Durchführung einer chemischen Reaktion werden mit Hilfe eines Prozessmodells, welches die chemische Reaktion beschreibt, und eines mathematischen Optimierungsalgorithmus Schätzwerte für gemessene Prozessgrößen bestimmt, die die Bilanzgleichungen des Prozessmodells erfüllen, wobei gleichzeitig die Messfehler der gemessenen Prozessgrößen minimiert werden. Die Lösung des Optimierungsproblems besteht darin, eine Gütefunktion, z.B. anhand einer Messreihe, unter Randbedingungen des Prozesses zu minimieren. Die Gütefunktion ist im allgemeinen Falle eine Maximum-Likelihood-Schätzfunktion. Für den Fall einer Gaußschen Normalverteilung der Fehler wird die Gütefunktion aus der Summe der gewichteten Fehlerquadrate gebildet.When applying data validation on a process engineering process to carry out a chemical reaction using a process model which describes the chemical reaction, and a mathematical optimization algorithm estimates for measured Process variables determined, which meet the balance equations of the process model, with the measurement errors of the measured process variables minimized become. The solution of the optimization problem is to use a quality function, e.g. based on a To minimize the series of measurements under the boundary conditions of the process. The quality function is a maximum likelihood estimator in general. For the Case of a Gaussian The normal distribution of the errors is the quality function from the sum of the weighted Error squares formed.
Es ist daher entscheidend, das Fehlerverhalten der Messungen zu kennen, um eine Annahme über ihre Verteilungsfunktion und deren Parameter machen zu können. Dazu werden als Gewichtsfaktoren für die Messfehler die a priori geschätzte Genauigkeit des jeweiligen Messinstruments, welche sich beispielsweise aus Erfahrungswerten oder aus Herstellerangaben ergibt, verwendet.It is therefore critical the failure behavior know the measurements to make an assumption about their distribution function and to be able to make their parameters. For this purpose, the a priori estimated Accuracy of the respective measuring instrument, which for example derived from empirical values or from manufacturer's information.
Weiterhin ist für die Datenvalidierung wichtig, fehlerhafte Messgeräte oder eine mögliche Drift der Messgeräte aufgrund von Alterung, schlechter Wartung, unregelmäßiger Eichung, o.dgl. zu berücksichtigen.Furthermore, incorrect data is important for data validation Measuring device or a possible one Drift of the measuring devices due to aging, poor maintenance, irregular calibration, or the like. to consider.
Neben der Annahme einer geeigneten Fehlerverteilungsfunktion ist auch die Wahl und Parametrierung des verwendeten Prozessmodells entscheidend. Als Prozessmodell können einfache Bilanzmodelle sowie komplexe verfahrenstechnische Modelle eingesetzt werden. Die Modelle können sowohl stationär als auch dynamisch sein. Je nach Art des verwendeten Prozessmodells, d.h. je nach dem, ob lineare oder nichtlineare Randbedingungen vorliegen, werden zur numerischen Lösung des Opti mierungsproblems lineare oder nichtlineare Optimierungsalgorithmen, wie z.B. ein SQP-Algorithmus (SPQ: sequential quadratic program), verwendet. In Spezialfällen ist auch eine analytische Lösung des Optimierungsproblems möglich.In addition to adopting a suitable one Error distribution function is also the choice and parameterization of the process model used. As a process model, simple Balance models as well as complex procedural models are used become. The models can both stationary be dynamic as well. Depending on the type of process model used, i.e. depending on whether there are linear or nonlinear boundary conditions to the numerical solution linear or non-linear optimization algorithms of the optimization problem, such as. an SQP algorithm (SPQ: sequential quadratic program), used. In special cases is also an analytical solution of the optimization problem possible.
Aus der
Nachteilig bei der Anwendung der Datenvalidierung in verfahrenstechnischen Prozessen nach dem Stand der Technik ist die unzureichende bekannte Genauigkeit der Mess- und Schätzwerte der gemessenen Prozessgrößen, z.B. Durchfluss, Konzentration, Temperatur und Druck oder andere von der Zusammensetzung der Edukt- und Produktströme abhängige Größen wie pH-Wert, Dichte o.dgl., sowie der ermittelten Prozesskenngrößen, z.B. Umsatz, Selektivität, Trennleistung eines Apparates, insbesondere einer Destillationskolonne, Energieverbrauch, energetischer Wirkungsgrad. Grund hierfür ist unter anderem die oben erwähnte Änderung der Fehler über die Zeit aufgrund von Alterung, Eichung oder schlechter Wartung.A disadvantage of the application of data validation in process engineering processes according to the prior art is the insufficient known accuracy of the measured and estimated values of the measured process variables, e.g. flow, concentration, temperature and pressure or other variables dependent on the composition of the educt and product streams, such as pH -Value, density or the like, as well as the determined process parameters, for example conversion, selectivity, separation performance of an apparatus, in particular a distillation column, energy consumption, energy efficiency. One reason for this is the above-mentioned change in errors over time due to aging, calibration or poor maintenance.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Überwachung eines verfahrenstechnischen Prozesses zur Durchführung einer chemischen Reaktion bereit zu stellen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll ein Verfahren gefunden werden, mit dessen Hilfe Prozesskenngrößen, wie Umsatz und Selektivität, welche als Regelgrößen in dem verfahrenstechnischen Prozess dienen, mit höherer Genauigkeit bestimmt werden können.Object of the present invention is a method of surveillance a process engineering process for carrying out a chemical reaction to provide, which does not have the disadvantages mentioned. In particular, a method is to be found by means of which process parameters, such as Sales and selectivity which as controlled variables in the process engineering process, determined with greater accuracy can be.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.According to the invention, the object is achieved by the features of claim 1.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Überwachung eines kontinuierlichen verfahrenstechnischen Prozesses, welches wenigstens die folgenden Schritte umfasst:
- a) Online-Messung mehrerer Prozessgrößen, insbesondere der Konzentration von Edukten und Produkten am Eingang und Ausgang des kontinuierlichen verfahrenstechnischen Prozesses, und arithmetische Mittelung über im Wesentlichen konstante Zeitintervalle ΔT1 von 10 Sekunden bis 60 Minuten, wobei die Anzahl der gemessenen Prozessgrößen größer ist als die zur Beschreibung des Prozesses mit Hilfe eines Prozessmodells minimal notwendige Anzahl,
- b) Berechnung einer oder mehrerer Prozesskenngrößen, insbesondere des Umsatzes, aus den unter a) gemessenen Prozessgrößen mittels Datenvalidierung für jedes Zeitintervall ΔT1 unter Annahme einer Fehlerverteilung der Messwerte und unter Verwendung des Prozessmodells sowie unter Verwendung einer momentanen Genauigkeit zur Gewichtung der gemessenen Prozessgrößen,
- c) Verwendung der unter b) berechneten Prozesskenngröße zur Regelung des verfahrenstechnischen Prozesses, wobei die Prozesskenngröße als Regelgröße dient,
- d) Berechnung einer aktuellen Genauigkeit in Zeitintervallen ΔT4 von 10 bis 30 Stunden der innerhalb eines Zeitintervalls ΔT2 von 10 bis 30 Stunden nach a) gemessenen Prozessgrößen mittels Datenvalidierung gleichzeitig für jedes Zeitintervall ΔT3 von 1 bis 60 Minuten innerhalb des Zeitintervalls ΔT2, wobei das Zeitintervall ΔT4 größer oder gleich dem Zeitintervall ΔT2 und das Zeitintervall ΔT3 größer oder gleich dem Zeitintervall ΔT1 ist und die gemessenen Prozessgrößen in dem Zeitintervall ΔT3 arithmetisch gemittelt werden,
- e) Verwendung der unter d) berechneten aktuellen Genauigkeit als momentane Genauigkeit für die Gewichtung der gemessenen Prozessgrößen unter b).
- a) Online measurement of several process variables, in particular the concentration of starting materials and products at the entrance and exit of the continuous process engineering process, and arithmetic averaging over essentially constant time intervals ΔT 1 from 10 seconds to 60 minutes, the number of measured process variables being greater than the minimum number required to describe the process using a process model,
- b) calculation of one or more process parameters, in particular the turnover, from the process variables measured under a) by means of data validation for each time interval ΔT 1 , assuming an error distribution of the measured values and using the process model and using an instantaneous accuracy for weighting the measured process variables,
- c) use of the process parameter calculated under b) to regulate the process engineering process, the process parameter serving as a controlled variable,
- d) calculation of a current accuracy in time intervals ΔT 4 of 10 to 30 hours of the process variables measured within a time interval ΔT 2 of 10 to 30 hours according to a) by means of data validation simultaneously for each time interval ΔT 3 of 1 to 60 minutes within the time interval ΔT 2 , wherein the time interval ΔT 4 is greater than or equal to the time interval ΔT 2 and the time interval ΔT 3 is greater than or equal to the time interval ΔT 1 and the measured process variables are arithmetically averaged in the time interval ΔT 3 ,
- e) Use the current accuracy calculated under d) as the current accuracy for weighting the measured process variables under b).
Der kontinuierliche verfahrenstechnische Prozess im Sinne der vorliegenden Erfindung dient zur Durchführung einer chemischen Reaktion. Dabei kann es sich um eine ein- oder mehrstufige Reaktion handeln mit oder ohne Rückführung von Teilströmen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um Reaktionen, die in einer bestimmten Reaktionszeit unvollständig ablaufen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform läuft neben der erwünschten Hauptreaktion mindestens eine unerwünschte Nebenreaktion ab, so dass eine hohe Selektivität bezogen auf die Hauptreaktion für die Wirtschaftlichkeit des Prozesses entscheidend ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der verfahrenstechnische Prozess in der katalytischen Oxidation von Ethylen zu Ethylenoxid, bei der die Oxidation von Ethylen zu Kohlendioxid und Wasser als unerwünschte Nebenreaktion auftritt.The continuous process engineering process in the sense of the present invention serves to carry out a chemical reaction. It can be a single or multi-stage Act with or without feedback from Partial streams. In a preferred embodiment The invention relates to reactions that take place in a particular Response time incomplete expire. In a further preferred embodiment, runs alongside the desired Main reaction at least one undesirable side reaction, so that high selectivity based on the main reaction for the economics of the process is crucial. In a particularly preferred embodiment The invention of the process engineering process is the catalytic Oxidation of ethylene to ethylene oxide, in which the oxidation of Ethylene to carbon dioxide and water occur as an undesirable side reaction.
Welche Prozessgrößen zur Online-Messung gewählt werden, hängt vom jeweiligen Prozess, d.h. von dem Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion, und des zur Beschreibung des Prozesses verwendeten Prozessmodells ab. Es handelt sich dabei um direkt messbare Größen, mit denen der Zustand des Prozesses beschrieben werden kann. Entscheidende Voraussetzung für die Datenvalidierung ist, dass die Anzahl der gemessenen Größen redundant ist, d.h. dass der Prozess aufgrund der Messungen überbestimmt ist. Erst die Redundanz erlaubt die Anpassung der Messwerte unter Minimierung ihrer Fehler. Vorzugsweise werden die Konzentration von Edukten und Produkten am Eingang und Ausgang des Prozesses und/oder der pH-Wert und/oder die Dichte und/oder der Druck und/oder die Temperatur und/oder der Durchfluss der Eduktströme und Produktströme online gemessen.Which process variables are selected for online measurement depends on respective process, i.e. of the process of performing a chemical reaction, and that used to describe the process Process model. These are directly measurable quantities, with to which the state of the process can be described. decisive requirement for The data validation is that the number of measured quantities is redundant is, i.e. that the process is overdetermined based on the measurements is. Only the redundancy allows the measured values to be adjusted under Minimizing their mistakes. Preferably the concentration of educts and products at the entrance and exit of the process and / or the pH and / or the density and / or the pressure and / or the temperature and / or the Flow of the educt flows and product flows measured online.
Mit Hilfe der Datenvalidierung werden entsprechend der in im Wesentlichen konstanten Zeitintervallen ΔT1 von 10 Sekunden bis 60 Minuten arithmetisch gemittelten Messwerte Prozesskenngrößen berechnet, d.h. die Berechnung erfolgt möglichst zeitnah zur Messung der Prozessgrößen. Diese Kenngrößen sind nicht direkt messbare Größen, sondern können nur anhand der gemessenen Prozessgrößen und eines Prozessmodells ermittelt werden. Vorzugsweise werden als Prozesskenngrößen Umsatz und/oder Selektivität bestimmt. Alternative Prozesskenngrößen sind z.B. der aktuelle Wirkungsgrad eines Trennapparates, beispielsweise einer Destillationskolonne, der Verschmutzungsgrad eines Apparates oder der energetische Wirkungsgrad eines Prozesses oder eines Apparates.With the help of the data validation, process parameters are calculated in accordance with the measured values arithmetically averaged in substantially constant time intervals ΔT 1 from 10 seconds to 60 minutes, ie the calculation is carried out as soon as possible for the measurement of the process variables. These parameters are not directly measurable variables, but can only be determined on the basis of the measured process variables and a process model. Turnover and / or selectivity are preferably determined as process parameters. Alternative process parameters are, for example, the current efficiency of a separation apparatus, for example a distillation column, the degree of contamination of an apparatus or the energy efficiency of a process or an apparatus.
Bevor die gemessenen Werte in die Datenvalidierung eingehen, werden sie auf ihre Gültigkeit überprüft, um Ausreißer zu eliminieren. Dazu werden die Messwerte einer Plausibilitätsprüfung anhand eines oberen und unteren Grenzwertes sowie anhand ihrer Änderung in Abhängigkeit von der Zeit unterworfen. Obere und untere Grenzwerte für zulässige Messwerte ergeben sich beispielsweise aus Betriebserfahrungen. Eine weitere Möglichkeit zur Ausreißererkennung ist eine a posteriori Ausreißererkennung, d.h. eine Ausreißererkennung nach Durchführung der Datenvalidierung. Dabei wird ein Vergleich der berechneten Messfehler mit den vorher zur Gewichtung der Messfehler verwendeten Genauigkeiten der Messgeräte vorgenommen. Ist der berechnete Messfehler für einen Messwert deutlich größer als die zu erwartende Genauigkeit, handelt es sich hierbei mit hoher Wahrscheinlichkeit um einen Ausreißer und die Datenvalidierung kann erneut ohne diesen Messwert durchgeführt werden.Before the measured values in the Data validation, they are checked for their validity, for outliers to eliminate. For this purpose, the measured values are based on a plausibility check an upper and lower limit and based on their change dependent on subject to time. Upper and lower limit values for permissible measured values result from operational experience, for example. Another possibility for outlier detection is a posteriori outlier detection, i.e. an outlier detection after implementation data validation. This is a comparison of the calculated measurement errors with the accuracies previously used to weight the measurement errors of the measuring devices performed. Is the calculated measurement error for a measured value significantly larger than that expected accuracy, this is a high probability an outlier and the data validation can be carried out again without this measured value.
Das Optimierungsproblem der Datenvalidierung
kann mathematisch wie folgt beschrieben werden (Gleichung 1):
wobei Φ die Gütefunktion, ei,k der
Messfehler der Messgröße i am
Messgerät
k, xi der validierte Wert der Messgröße und x m / i,k der
Messwert der Messgröße,
Die momentane Genauigkeit
Als Fehlerverteilungsfunktion kommen
diverse statistische Verteilungen in Frage, wie z.B. die häufig auftretende
Gaußsche
Normalverteilung oder auch eine bimodale Verteilung. Für den Fall
einer Gaußschen
Normalverteilung erfolgt die Anpassung bei der Datenvalidierung
nach der Methode der kleinsten Quadrate, d.h. die Summe der gewichteten Fehlerquadrate
wird wie folgt minimiert (Gleichung 2):
Hierin ist Φ die Gütefunktion,
ei,k der Messfehler der Messgöße i am
Messgerät
k, xi der validierte Wert der Messgöße und x m
/ i,k der
Messwert der Messgöße,
Das verwendete Prozessmodell ist bevorzugt eine stationäre oder dynamische Massenbilanz oder eine stationäre oder dynamische Massen- und Energiebilanz.The process model used is preferably a stationary one or dynamic mass balance or a stationary or dynamic mass and energy balance.
Wird ein stationäres Prozessmodell verwendet, so ist die Frequenz zur Berechnung der Prozesskenngößen durch die Zeitkonstante des Prozesses gegeben. Als Maß für die Zeitkonstante kann beispielsweise die Zeit dienen, die benötigt wird, bis der Messwert einer Prozessgöße am Ausgang des Prozesses, z.B. des Reaktors, nach Änderung einer Einflussgöße, z.B. der Einlaufmenge, auf die Hälfte des neuen stationären Wertes angestiegen ist.If a stationary process model is used, the frequency for calculating the process parameters is finished given the time constant of the process. As a measure of the time constant, for example serve the time it takes until the measured value of a process variable at the output of the process, e.g. of the reactor, after change an influencing factor, e.g. of the intake quantity, to half of the new stationary Value has risen.
Die mittels Datenvalidierung ermittelten Prozesskenngößen werden zur Regelung des verfahrenstechnischen Prozesses eingesetzt. Dabei dienen sie als Regelgrößen, indem der ermittelte Wert als Istwert der Kenngröße behandelt wird.The determined using data validation Process parameters used to control the process engineering process. there they serve as control variables by the determined value is treated as the actual value of the parameter.
In Zeitintervallen von ΔT4 von 10 bis 30 Stunden, vorzugsweise 24 Stunden, wird ebenfalls mittels Datenvalidierung eine aktuelle Genauigkeit der innerhalb eines Zeitintervalls ΔT2 von 10 bis 30 Stunden gemessenen Prozessgrößen gleichzeitig für jedes Zeitintervall ΔT3 von 1 bis 60 Minuten innerhalb des Zeitintervalls ΔT2, wobei das Zeitintervall ΔT4 größer oder gleich dem Zeitintervall ΔT2 und das Zeitintervall ΔT3 größer oder gleich dem Zeitintervall ΔT1 ist. Dazu werden die gültigen Messwerte zunächst innerhalb des Zeitintervalls ΔT2 in Intervallen ΔT3 von 1 bis 60 Minuten arithmetisch gemittelt. Anschließend erfolgt eine Datenvalidierung gleichzeitig für jedes Zeitintervall ΔT3 innerhalb des Intervalls ΔT2. Dabei wird dasselbe Prozessmodell sowie dieselbe Fehlerverteilung zugrundegelegt wie bei der Datenvalidierung zu einem einzelnen Zeitpunkt in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ferner wird die Annahme gemacht, dass die aktuelle Genauigkeit im Intervall ΔT2 konstant ist, d.h. der Zeitraum ΔT2 ist so gewählt, dass sich die aktuelle Genauigkeit der Messgeräte nicht signifikant, z.B. nicht mehr als 0.5%, ändert. Die aktuelle Genauigkeit σi,k im Sinne der vorliegenden Erfindung ist im Falle der Gaußschen Normalverteilung die Standardabweichung der Messwerte bzw. bei einer bimodalen Verteilung wird die momentane Genauigkeit durch die Standardabweichung, der Ausreißerwahrscheinlichkeit und dem Verhältnis der Standardabweichung von Messfehler und Ausreißer beschrieben.In time intervals of ΔT 4 of 10 to 30 hours, preferably 24 hours, a current accuracy of the process variables measured within a time interval ΔT 2 of 10 to 30 hours is also simultaneously for each time interval ΔT 3 of 1 to 60 minutes within the time interval ΔT by means of data validation 2 , wherein the time interval ΔT 4 is greater than or equal to the time interval ΔT 2 and the time interval ΔT 3 is greater than or equal to the time interval ΔT 1 . For this purpose, the valid measured values are first arithmetically averaged within the time interval ΔT 2 in intervals ΔT 3 of 1 to 60 minutes. Subsequently, data validation takes place simultaneously for each time interval ΔT 3 within the interval ΔT 2 . The same process model and the same error distribution are used as in the data validation at a single point in time in step b) of the method according to the invention. Furthermore, the assumption is made that the current accuracy in the interval .DELTA.T 2 is constant, ie the period of time .DELTA.T 2 is chosen so that the current accuracy of the measuring devices does not change significantly, for example not more than 0.5%. The current accuracy σ i, k in the sense of the present invention is the standard deviation of the measured values in the case of the Gaussian normal distribution or, in the case of a bimodal distribution, the instantaneous accuracy is determined by the standard deviation, the outlier probability and the ratio of the Standard deviation of measurement errors and outliers described.
Die aktuelle Genauigkeit wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels Datenvalidierung gleichzeitig in jedem Intervall ΔT3 innerhalb eines Intervalls ΔT2 bestimmt. Das Optimierungsproblem lautet dabei wie folgt (Gleichung 3): wobei wiederum Φ die Gütefunktion, eij,k der Messfehler der Messgröße i am Messgerät k zum Zeitpunkt j,xij der validierte Wert der Messgröße i am Messgerät k zum Zeitpunkt j, x m / i,j,k m Messwert der Messgröße i am Messgerät k zum Zeitpunkt j, σi,k die aktuelle Genauigkeit der Messrgöße i am Messgerät k und h die Gleichungen des Prozessmodells bezeichnet.The current accuracy is determined using the method according to the invention by means of data validation simultaneously in each interval ΔT 3 within an interval ΔT 2 . The optimization problem is as follows (Equation 3): where in turn Φ the quality function, e ij, k the measurement error of the measured variable i on the measuring device k at the time j, x ij the validated value of the measured variable i on the measuring device k at the time j, xm / i, j, km measured value of the measured variable i on the measuring device k at time j, σ i, k denotes the current accuracy of the measured variable i on the measuring device k and h denotes the equations of the process model.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die so ermittelte aktuelle Genauigkeit direkt als momentane Genauigkeit zur Gewichtung der Fehler in der Datenvalidierung nach Schritt b) eingesetzt.In a first preferred embodiment The current accuracy thus determined becomes direct in the method as the current accuracy for weighting the errors in the data validation used after step b).
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
wird die momentane Genauigkeit
Für die Konstante a gilt dabei: 0 < a < 1.For the constant a applies: 0 <a <1.
Die Konstante a kann beliebig klein gewählt werden. Ihre Wahl hängt von dem Zeitintervall ΔT2 ab. Bevorzugt wird a im Bereich von 0,01 bis 0,5 gewählt.The constant a can be chosen arbitrarily small. Your choice depends on the time interval ΔT 2 . A is preferably chosen in the range from 0.01 to 0.5.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die zur Überwachung des verfahrenstechnischen Prozesses dienenden Prozesskenngrößen nicht unter der Annahme einer a priori geschätzten Genauigkeit bestimmt werden müssen. Die Prozesskenngrößen, beispielsweise Umsatz und Selektivität, können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens um mindestens 1% genauer berechnet werden als unter Verwendung der a priori geschätzten Genauigkeit, wodurch die Regelung des Prozesses einer geringeren Unsicherheit unterliegt. Im Falle der Berechnung der Selektivität als Prozesskenngröße kann dies beispielsweise bedeuten, dass die Selektivität nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit 70,5% +/– 1% angegeben werden kann im Vergleich zu der Selektivität unter Verwendung der a priori geschätzten Genauigkeit, die mit 70% +/– 2% bestimmt wird. Da die Prozesskenngrößen als Regelgrößen dienen, verbessert das erfindungsgemäße Verfahren die Anlagenwirtschaftlichkeit.The advantage of the method according to the invention is that for monitoring process parameters not serving the process engineering process determined on the assumption of an accuracy estimated a priori Need to become. The Process parameters, for example Turnover and selectivity, can using the method according to the invention be calculated at least 1% more accurately than using the estimated a priori Accuracy, thereby regulating the process of a lesser Uncertainty is subject. In the case of the calculation of selectivity as a process parameter this means, for example, that the selectivity after the method according to the invention with 70.5% +/- 1% can be specified in comparison to the selectivity under Use of the a priori estimated Accuracy determined with 70% +/- 2% becomes. Since the process parameters as Control variables serve improves the method according to the invention the plant economy.
Da die aktuelle Genauigkeit der einzelnen Messgeräte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus den Messungen selbst bestimmt wird, spiegelt sie den aktuellen Zustand des Messgerätes, d.h. seine Genauigkeit und die Verteilung seiner Messwerte, wider. Andererseits erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine ereignisgesteuerte Wartung der verwendeten Messgeräte, da die momentane Genauigkeit eines Messgeräts im Verhältnis zu der bestimmungsgemäßen Genauigkeit des Gerätes als Indikator für den Wartungszustand verwendet werden kann. Unter der bestimmungsgemäßen Genauigkeit eines Messgerätes kann sowohl die beste in der Vergangenheit beobachtete momentane Genauigkeit als auch die aus Herstellerangaben a priori geschätzte Genauigkeit verstanden werden.Because the current accuracy of each measuring device after the inventive method is determined from the measurements themselves, it reflects the current one Condition of the measuring device, i.e. its accuracy and the distribution of its measurements. On the other hand, the method according to the invention allows event-controlled Maintenance of the measuring devices used, since the current accuracy of a measuring device in relation to the intended accuracy of the device as an indicator of the maintenance condition can be used. Under the intended accuracy of a meter can be both the best instantaneous observed in the past Accuracy as well as the accuracy estimated a priori from the manufacturer's information be understood.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sie den Wartungsaufwand für das Berechnungsprogramm, mit dem die Datenvalidierung durchgeführt wird, reduziert, da Änderungen in der Genauigkeit von Messgeräten, z.B. aufgrund von Austausch, Kalibrierung oder Ausfall, nicht manuell vorgenommen werden müssen, sondern automatisch erkannt und optimal berücksichtigt werden, da sie direkt in die Datenvalidierung einfließen.Another advantage of the invention lies in the fact that the maintenance effort for the calculation program, with which the data validation is carried out is reduced because of changes in the accuracy of measuring devices, e.g. due to exchange, calibration or failure, not done manually Need to become, but automatically recognized and optimally taken into account because they are direct flow into the data validation.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand des
in
Bei dem verfahrenstechnischen Prozess handelt
es sich um die katalytische Oxidation von Ethylen zu Ethylenoxid
gemäß Reaktion
1:
Mit Hilfe der Datenvalidierung werden
die Prozesskenngrößen Umsatz
U1 der Hauptreaktion und Umsatz U2 der Nebenreaktion bestimmt, woraus sich
die Selektivität
S wie folgt ergibt (Gleichung 5):
Die Kenntnis der Umsätze und der Selektivität erlaubt die Regelung des Prozesses, wobei die Selektivität als Regelgröße dient und der mittels Datenvalidierung errechnete Wert als der Istwert der Regelgröße betrachtet wird. Gesteuert wird hiermit u.a. die Temperaturführung der Reaktion.Knowledge of sales and selectivity allows the process to be controlled using selectivity as the control variable and the value calculated using data validation as the actual value considered the controlled variable becomes. This controls, among other things. the temperature control of the Reaction.
Als Prozessgrößen werden die Konzentrationen
der vier Komponenten Ethylen, Sauerstoff Ethylenoxid und Kohlendioxid
jeweils am Eingang und am Ausgang des Reaktors mit Hilfe eines Massenspektrometers
in Intervallen von maximal 1 min und eines Gaschromatographen in
Intervallen von maximal 8 min gemessen. In Intervallen ΔT1 von 2 min werden die Messwerte arithmetisch
gemittelt. Mit insgesamt 4 Messungen für jede Komponente ist der Prozess für die Ermittlung
der Umsätze überbestimmt.
Das Einlesen
Für
die Datenvalidierung
Sowohl in der Datenvalidierung
Die Berechnung der Umsätze U1 und U2 sowie der
Selektivität
S erfolgt mittels Datenvalidierung nach b) in Intervallen ΔT1 von 2 min in einem direkt auf dem Prozessleitsystem
implementierten Berechnungsprogramm
Zur Berechnung
Die Prozesskenngrößen Umsatz U1 und U2 sowie Selektivität S konnten nach diesem Verfahren mit einer um 0,5 bis 1% höheren Genauigkeit berechnet werden als unter Verwendung einer a priori bekannten Genauigkeit der Messgeräte aus Herstellerangaben.The process parameters conversion U 1 and U 2 and selectivity S could be calculated with this method with a 0.5 to 1% higher accuracy than using an a priori known accuracy of the measuring devices from the manufacturer's information.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2002151192 DE10251192A1 (en) | 2002-11-04 | 2002-11-04 | Method for monitoring of continuous technical process esp. for chemical reaction, involves on-line measurement of process variables such as concentration of educts and products at input and output of process |
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DE2002151192 DE10251192A1 (en) | 2002-11-04 | 2002-11-04 | Method for monitoring of continuous technical process esp. for chemical reaction, involves on-line measurement of process variables such as concentration of educts and products at input and output of process |
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---|---|---|---|---|
DE102007046864A1 (en) | 2007-09-28 | 2009-04-09 | Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG | Measured value plausibility and quality evaluating method for e.g. control circuit, involves forming and evaluating derivative of measured value according to time, where measured value is compared with predefined warning limit value |
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2002
- 2002-11-04 DE DE2002151192 patent/DE10251192A1/en not_active Withdrawn
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