专用的控制

自己动手的基于模型的控制

当监管控制无法完成作业时,您无法找到一个现成的APC包,您唯一的选项可能是建立自己的。这并不容易,但可以做到,好的可以使世界变得差异。

由彼得韦尔德兰德 2013年3月13日

在某些情况下,传统的法规控制可能无法最优地运行过程,而您的公司管理层可能想尝试一些先进过程控制(APC)的变体。虽然在这一框架下有各种各样的子组,但一种常见的方法是模型预测控制(MPC),也称为基于模型的控制。该方法采用一个连接相关参数的过程数学模型。

建立这样一个模型首先要了解原料转化为最终产品时实际发生了什么。这包括化学反应、能量平衡、反应时间等。对于某些流程,可以购买可以添加到控制系统中的现有流程模型。这个过程越常见,你就越有可能买到现成的。例如,有许多植物从玉米提炼乙醇,而且从一个地方到另一个地方有基本的相似之处,所以有多个可用的模型平台。

但是,如果您的需求更专门化,则可能无法使用预打包的解决方案。在这些情况下,一种选择是创建自己的流程模型来驱动DCS。这种项目不适合胆小的人,但同时也不是不可能的。那些参与过此类项目的人认为,成功的最关键因素是对过程的深入了解和对单个工厂的经验。

决定策略

大多数应用于运行中的工厂的模型使用的是实际的历史数据和基本的化学计量关系。Maverick Technologies的技术总监Chad Harper说:“有两种不同的心态。“首先,你可以使用一个配方场景,在这个场景中,过程可能是如此确定,一些首要原则的方法可以结合在一起,让你到达你想要的地方。另一种方法是使用第一原则应用推断的属性来查看植物中的关键变量,并利用植物数据进行回归过程。你要找的是真正的植物动态模型。我们已经做了两个。”

哈珀警告说,无论哪种情况,该模型都必须适应特定的工厂,因为每个工艺单元都有自己的操作特性。他补充道:“即使你能够在一个稳定的环境中建模,你也很难说,‘这是我想要的数据。走吧!’过程动力学、闭环控制行为和无颠簸激活都必须考虑在内。”

这种方法可能基于给定情况下可用的信息和资源,有效地利用您必须处理的内容。罗克韦尔自动化(Rockwell Automation)信息软件和流程业务高级产品经理里克•斯奈德(Ric Snyder)表示:“有些人喜欢建立实证模型,因为他们有很多数据。另一些人喜欢基于方程的模型,因为他们有一些化学工程知识或可用的第一性原理模型。对于建立模型本身,有很多人们可以使用的动态识别工具,所以一旦你确定了一个特定的工具,你有了数据,建立模型或从数据中回归参数并不是特别困难,更重要的是判断我需要什么输入,我认为我可以预测什么输出。在这方面,一定程度的化学工程知识和背景是至关重要的,以获得良好的模型。它更多的是定义模型结构应该是什么,以及与之相关的东西是什么。”

先模拟吗?

创建模型的一种方法是首先使用流程模拟器来测试假设。当模拟器工作时,你可以看到它是多么密切地跟随实际的工厂操作,反之亦然。

MathWorks工业自动化行业营销经理托尼•列侬(Tony Lennon)表示:“在流程工厂,你没有尝试和错误的奢侈。”“一个工厂经理的真正工作是确保产品被运送出去,同时处理安全问题,设备损坏,停机等等。模拟是做出好的设计和实施决策的一种手段,所以当你去找工厂经理时,你可以展示你用模拟做了什么,重现错误,然后说,‘我们需要尝试这个,’然后解释为什么你认为它会成功。”

列侬警告说,模拟不能在真空中创造,而必须反映特定植物环境的现实。他补充说:“如果你要使用模拟工具,你必须对你的工厂目前发生的情况进行建模。”“如果你还没有这样做,那就不要继续,因为你还没有捕捉到工厂的真实动态。最有效的方法是将某些系统识别过程中的实际过程数据与某些第一性原理模型相结合。”

处理问题

每个工艺单元都有其特点。即使所有的设备都能正常工作,仍然存在干扰、非线性因素和瓶颈,给作业者带来挑战。一个有效的模型应该能够通过包含一些反馈元素来考虑未建模的干扰。

“我在炼油厂的催化重整器上完成了几种辛烷值控制的实施例,”Harper说。“有一个分析仪,但它在火车上约45分钟,所以它计算了基于各种变量的改革者出来的辛烷值,包括饲料速率,饲料股的质量以及其他几件事。基于模型的控制器在一家炼油厂成功,可能正在做出各种原油库存,甜,酸,并且仍然骑在那些。但这是一个非常复杂的模型,因为它涵盖了所有不同的场景,一切都通过模型本身回归。需要一些时间来建立正确的和一系列工作,但如果你能做到,那么你就创造了一个异常有价值的控制器。这可能是植物可以制造的最佳投资回报之一。“

模拟可以作为诊断工具,显示理论和实际设备性能特征的分歧。列侬说,理想的世界可以指出现实世界的缺陷:“如果工厂按照每天生产一定产能的正确设计,瓶颈将出现在物理系统中。你有8。管道,通过控制阀和热交换器的流量是有限的。假设你在一个工厂的启动阶段,你期望每天有一定的产量,当你达到稳定状态时,你没有达到。每次你尝试加速时,系统就会开始出现动态不稳定。您可以使用流程模型来研究您实际是如何控制系统的。在这种情况下,如果你已经正确地完成了工厂的物理尺寸,我会相信你在控制系统中做了一些错误的事情。也许你的一些控制元件或现场仪器不能正常工作。在那里你可以比较来自真实工厂的数据和模拟工厂给出的数据。 If everything is sized properly for that level of output, you need to go back to the control system to see why you’re not able to reach your desired output.”

只和你的人一样好

虽然基于模型的控制器可以非常成功地运行是没有争议的,但如果你要创建自己的控制器,它们只会与你所拥有的工作人员一样好。就像您可能尝试的许多改进一样,如果您的工程师不了解正在发生的事情,那么无论您的工具多么复杂,您都不能指望一个积极的结果。列侬解释说:“提出一个模拟模型确实需要对实际过程的一定程度的经验。”“我们不能取代经验。我们可以提供很棒的工具,让有经验的人说,‘我们知道,一旦这个罐子装满了,你就不能再往里面放了。’你不能用经验换取软件包。”

斯奈德对此表示赞同:“良好的实践知识和经验是无可替代的。没有人能在一夜之间甚至一两年内成为货币政策委员会的权威。虽然里面有很多数学和科学知识,但仍然有很多艺术知识。很多事情都是通过实践来学习的。”

以热水器为例

这是一个简单的演示:考虑一个燃气,50加仑的热水器,你可能在家里。大多数设计都很简单,具有恒温器,响应于出口处的水温,打开和关闭固定燃烧器。更复杂的设计可能使用PID控制器,该PID控制器可以响应出口温度作为关键过程变量来调制燃烧器。如果您需要对出口温度的关键控制,这种方法可能不会有效。随着坦克的大容量,该过程可能会缓慢,因为可能需要很长时间才能改变那种大量水的温度。例如,说入口温度下降20°F。当出口处的传感器识别变化时,罐中的温度可能显着下降。

一种方法可能是创建流程模型。以下是我们需要持续量化或衡量的几个主要因素:

  • 出水温度,这是我们主要的工艺变量
  • 入口水温,确定温度有多少变化
  • 流量,它决定了热量的体积
  • 燃烧器输出,这是一个功能的天然气供应和我们唯一的控制努力
  • 罐的传热能力,这是非线性的,因为存在固定的表面积,并且
  • 通过罐的墙壁进行热量损失。

流程模型量化所有这些关系,只要可以测量每个变量,性能应该是可预测的。如果流量为2GPm,并且从入口到出口的温度变化为100°F,我们可以计算我们所需要的热量,因此可以计算出气量。可以建立在计算中的非线性元件,例如罐捕获通过侧面的热量和损失的能力。随着这些变量移动,模型应响应并保持出口温度稳定。如果我们做得很好,那么能够更准确地比简单的监管控制更准确地响应更改和跟踪设定值。

Peter Welander是一个内容经理控制工程pwelander@cfemedia.com

关键概念:

  • 先进的过程控制可以帮助监管控制不充分的情况。
  • 使用数学工具创建流程模型可以帮助控制器运行,并作为诊断工具。
  • 您的模型的准确性及其控制能力在很大程度上取决于您人民的技能。

上网:

了解有关所提及的公司的更多信息:
www.mathworks.com
www.mavtechglobal.com
www.rockwellautomation.com.

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