專利名稱：用于確定儲料罐內的物質特性的多層建模的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及過程控制系統的發明，更具體地，涉及用于確定無混合器的批處理罐內的流體物質特性的多層建模技術的實現。
背景技術：
過程控制系統例如在化學、石油或其他過程中使用的過程控制系統一般包括通信地耦接到至少一個主機或操作員工作站并通過模擬、數字或組合的模擬/數字總線通信地耦接到一個或多個現場設備的一個或多個過程控制器和輸入/輸出(I/O)設備。現場設備， 可以是，例如，閥、閥定位器、開關和變送器(例如，溫度、壓力和流速傳感器)。該些現場設備在過程中執行例如打開或者關閉閥的過程控制功能以及測量過程控制參數。過程控制器接收表示現場設備所做的過程測量的信號，處理該信息以實現控制例程，并且生成控制信號，該控制信號通過總線或者其他通信線被發送至現場設備以控制操作的運轉。以此方式， 過程控制器可以經由總線和/或其他通信鏈路來執行并協調使用現場設備的控制策略。可使來自現場設備和控制器的控制信息可用于由操作員工作站(例如，基于處理器的系統)執行的一個或多個應用(例如，軟件例程、程序等)，以使操作員能夠施行關于過程的所需的功能，例如查看過程的當前狀態(例如，通過圖形用戶接口)、評估過程、更改過程的操作(例如，通過視覺對象圖)，等等。很多過程控制系統還包括一個或多個應用站 (例如，工作站)。一般來說，這些應用站使用通過局域網(LAN)通信地耦接到控制器、操作員工作站和過程控制系統內的其他系統的個人計算機、筆記本或類似物來實現。每個應用站可以包括圖形用戶接口，其顯示包括過程變量值、與過程關聯的質量參數值的過程控制信息、過程故障檢測信息、和/或過程狀態信息。涉及批處理的過程控制系統通常以各種數量的階段或步驟作為一個批次來處理一些通用的原始物質或給料進行以生產產品。批處理的一個或多個步驟或階段可在諸如處理罐、反應器或其他類型的處理設備的相同設備中執行。給料從各種例如儲料罐的其他罐和其他反應器中在批處理的不同階段被注入反應器中。來自耦接到儲料罐和反應器的現場設備和控制器的過程信息對由操作員工作站執行的、一個或多個應用可用以確保操作員能夠執行關于批處理的所需的功能。為控制批處理產品的質量，精確理解在過程中的每一階段發生了什么是很重要的。理解在過程的不同階段從儲料罐被供給至各種處理罐的給料的特性是考慮確定最終產品質量的一個因素。例如，給料可根據包含來源、季節、年齡、存儲條件等多種因素而具有不同的特性。對給料特性沒有清楚的理解，控制最終批處理產品的質量將很困難。例如，給料的特性的任何改變，即使在可接受的范圍內，都能夠影響最終批處理產品的反應器操作和
質量參數。在一些過程中，當給料被抽出罐并注入反應器時，當為了為給料獲取均勻的特性， 給料被傳遞到儲料罐時，給料被混合。在紊流條件下，通過對流和紊流擴散來混合。擴散可以由不同設備產生攪拌罐、噴射混合器和超聲波混合器。在給料混合的過程中，還可以通過測量儲料罐的注入濃度、注入流、抽出流和儲料罐水平(或重量)來實現儲料罐抽出濃度的連續計算。使用混合給料的過程還假定完全的混合。批處理操作通常不使用混合給料。通常周期性的由卡車或反應器裝載批處理中的儲料罐而不使用混合器來混合給料。附加的給料的傳遞可以伴隨著分析數據，該分析數據允許批處理至少說明將被添加到前一給料的注入給料。然而，當儲料罐移除時，將添加更多的給料。注入給料可能包含與舊給料輕微不同的特性。在無混合器的儲料罐內，當新給料被添加到舊給料時，將產生一定量的給料的層化或“分層”。除了分層外，由于自然發生的紊流和其他因素也將產生一定量的層間的混合，但儲料罐內無混合器的話，完全混合是不可能的。因此，在給料離開儲料罐后，很難預測注入到批處理反應器的抽出給料的精確特性。
發明內容
在使用無混合器儲料罐的批處理控制系統中，可以建模儲料罐抽出給料的特性來更精確地控制批處理的質量。模型不需要對注入或抽出流量進行測量或假定最佳混合。而是，改進模型可以假定注入到儲料罐的給料因連續對流、裝載中的紊流或其他因素而仍具有帶有一些混和的分層。該模型可以包含描述到該模型中的注入物質的儲料罐分層(或層)的特性的映射。對于儲料罐注入給料的每個新裝載，模型層將改變并且給料被抽出到反應器的層(即，該層包含抽出給料)可以根據新裝載的特性進行更新。在一些實施例中，該模型可以包含多個階段。例如，這些階段可以包含通過將舊給料層的給料特性應用到新給料層來建模罐，根據儲料罐水平測量來建立抽出層，計算儲料罐平均特性，以及計算抽出層的出口特性以及重新計算平均罐特性。可以獨立或順序執行這些階段。在其他實施例中，確定過程控制工廠的無混合器的儲料罐內的給料物質特性可以包括將前一給料層的給料特性值應用到新給料層，基于與罐出口相關聯的儲料罐水平測量來建立抽出層，以及計算所述儲料罐內的總給料量的給料特性的平均值。還可以計算所述抽出層的混合因子，以及可以基于所述給料特性的平均值和所述混合因子來計算所述抽出層的抽出給料特性值。所述抽出層內的給料與所述儲料罐內的其他給料部分混合。在其他實施例中，用于計算或確定批處理的無混合器的儲料罐內的抽出給料物質特性的方法包括計算儲料罐內的總給料量的給料特性值的平均值。所述總給料量可以包含新給料層內的給料。該方法進一步包括確定罐內所述新給料層的位置和抽出層的位置。所述新給料層的位置和抽出層的位置分別相應于儲料罐的入口和出口。該方法還可以包括基于混合因子來計算抽出給料特性值。所述混合因子可以包含實驗得出的給料特性值的值減去無混合的給料特性值與完全混合的給料特性值減去所述無混合的給料特性值的比值的離散圖的最佳匹配的回歸線的斜率。在其他實施例中，一種計算機裝置可以確定過程控制工廠的無混合器的儲料罐內的給料物質特性。所述裝置包含存儲在其上的、包含若干例程的計算機實施應用的計算機可讀存儲器。例如，第一例程可以檢測到儲料罐的新給料傳遞以及第二例程可以以相應于該新給料傳遞的給料特性值更新數據結構。第三例程可以計算儲料罐內的總給料量的給料特性值的平均值，其中總給料量包含新給料層內的新給料傳遞。第四例程可以確定罐內的所述新給料層的位置和抽出層的位置，而第五例程可以基于抽出層的混合因子計算抽出給料特性值，所述混合因子包含在此描述的最佳匹配的回歸線的斜率。
圖IA示出了可以被用于實現過程的、具有控制器與現場設備的過程控制網絡的示意圖；圖IB示出了包括示例性運行管理系統和多層建模模塊的過程控制系統的示例性框圖；圖2示出了用于包含過程變量和質量變量的一個示例性批次的數據結構；圖3示出了用于包含過程變量和各自的質量變量的多個示例性批次的數據結構；圖4示出了用于多層建模以確定儲料罐內的物質特性的儲料罐；圖5示出了組織儲料罐物質特性數據的數據結構；圖6A示出了用于與多層建模一起使用以確定儲料罐內的物質特性的復合功能塊；圖6B示出了圖6A所示的復合功能塊的功能塊視圖；圖7A示出了用于計算混合因子的數據；圖7B示出了圖7A中數據的離散圖；圖8示出了在時間上的輸入和抽出特性值的圖表；圖9示出了描述用于確定儲料罐內的物質特性的多層建模的方法和系統的流程圖；圖10示出了可以被用于實現在此描述的、用于確定儲料罐內的物質特性的多層建模的示例性方法和系統的示例性處理器系統的框圖。
具體實施例方式在此描述的示例方法和裝置可以用于過程控制系統，以提供過程中的流體物質特性，使得在過程發生或正在進行時操作員能夠修正過程故障。例如，在此描述的方法和裝置可以與2009年8月11日公開的美國專利申請號No. 12/538，995中所描述的運行管理系統 (OMS) 一起使用，在此引用其全部內容。能夠響應于儲料罐抽出的流體物質特性來執行過程修正。進一步地，通過確定無混合器的儲料罐的抽出的流體物質特性和調整批處理的下游反應器和其他過程，在此描述的示例性方法和裝置可以用于修正產品質量。在此描述的過程控制系統可以包含批處理系統、連續處理系統、自動系統、和/或制造系統中的任何類型。圖IA示出了示例性過程控制系統10，包括連接到數據歷史記錄12以及一個或多個主工作站或計算機13(其可以是任意類型的個人計算機、工作站等)的過程控制器11， 每個主工作站或計算機13具有顯示屏14。控制器11還通過輸入/輸出(I/O)卡沈和觀被連接到現場設備15-22，并且可以運行以使用現場設備15-22實現批處理的一個或多個批次運行。數據歷史記錄12可以是任意所需類型的數據收集單元，其具有任意所需類型的存儲器以及任意所需的或已知的用于存儲數據的軟件、硬件或固件。數據歷史記錄12可以與工作站13中的一個分離(如圖IA所示)，或者是工作站13中的一個的一部分。控制器 11，其可以是例如Emerson Process Management所售的DeltaV· 控制器，通過例如以太網連接或任意其他所需的通信網絡23被通信地連接到主計算機13以及數據歷史記錄12。控制器11采用與例如標準4-20毫安設備和/或諸如F0UNDATI0N Fieldbus協議、HART1 協議、WirelessHART 協議等的任何智能通信協議相關聯的任意所需的硬件和軟件而被通信地連接到現場設備15-22。 現場設備15-22可以是任意類型的設備，諸如傳感器、閥、變送器、定位器、等，而 I/O卡26和28可以是符合任意所需通信或控制器協議的任意類型的I/O設備。在圖IA所示的實施例中，現場設備15-18是通過模擬線或組合的模擬與數字線與I/O卡26通信的標準4-20毫安設備或者HART設備，而現場設備19-22是諸如FOUNDATION FieIdbus現場設備的智能設備，其采用Fieldbus通信協議通過數字總線與I/O卡28通信。當然，現場設備 15-22可以符合任意其他所需的一個或多個標準或協議，包括將來開發的任意標準或協議。
控制器11包括實現或監控一個或多個過程控制例程(存儲在存儲器32中)的處理器30，其可以包括控制環路，并且與設備15-22、主計算機13以及數據歷史記錄12通信， 從而以任意所需的方式控制過程。應當注意，如果需要，在此所述的任意的控制例程或模塊可以具有由不同的控制器所實現或執行的部分。類似地，在此所述的將要在過程控制系統 10中實現的控制例程或模塊可以采用任意的形式，包括軟件、固件、硬件等。可以以任意所需的軟件格式實現控制例程，諸如采用面向對象編程、采用梯形邏輯、時序功能圖、功能塊圖、或者采用任意其他的軟件編程語言或設計范例。類似地，控制例程可以被硬式編碼到， 例如一個或多個EPROM、EEPR0M、專用集成電路(ASIC)、或者任意其他硬件或固件元件中。 因此，可以配置控制器11用于以任意所需的方式實現控制策略或控制例程。在一些實施例中，控制器11采用通常所稱的功能塊來實施控制策略，其中每一功能塊是總體控制例程的對象或者其他部分(例如子例程)，并且與其他功能塊(通過被稱為鏈接的通信)協同運行以在過程控制系統10中實現過程控制環路。功能塊通常實施輸入功能、控制功能或輸出功能中的一種以在過程控制系統10中執行一些物理功能，該輸入功能是諸如與變送器、傳感器或其他過程參數測量設備相關聯的功能，該控制功能是諸如與實施PID、模糊邏輯等控制相關聯的功能，該輸出功能是控制諸如閥的一些設備的運行的功能。當然，還存在有混合的以及其他類型的功能塊。功能塊可以被存儲在控制器11中并被其執行，這通常是在這些功能塊被用于，或者關聯于標準4-20毫安設備以及諸如HART設備的一些類型的智能現場設備的情況中，或者在這些功能塊可以被存儲在現場設備本身并由其實現，這能夠是有關Fieldbus設備的情況中。正如圖IA的分解的塊40所示，控制器11可以包括一些如例程42與44所示的單環控制例程，以及如果需要的話，可以實現一個或多個先進控制環路，諸如控制環路46所示的多個/輸入-多個/輸出控制例程。每個這種環路通常被稱為控制模塊。單環控制例程42與44被示出為采用單個輸入/單個輸出模糊邏輯控制塊以及分別被連接到適合的模擬輸入(Al)與模擬輸出(AO)功能塊的單個輸入/單個輸出PID控制塊來執行單環控制，這些控制塊可以關聯于諸如閥的過程控制設備、諸如溫度和壓力變送器的測量設備、或者過程控制系統10中的任意其他的設備。先進控制環路46被示出為包括通信地連接到一個或多個AI功能塊的輸入以及通信地連接到一個或多個AO功能塊的輸出，然而先進控制塊 48的輸入與輸出可以被連接到任意其他所需的功能塊或控制元件以接收其他類型的輸入并提供其他類型的控制輸出。先進控制塊48可以是模塊預測控制(MPC)塊、中樞網絡建模或控制塊、多變量模糊邏輯控制塊、實時優化塊等中的任何類型，或者可以是可適應地整定的控制塊等。可以理解，圖IA所示的功能塊，包括先進控制塊48，能夠由控制器11執行，或者替代地，能夠位于諸如工作站13中的一個或者甚至現場設備19-22中的一個的其他處理設備中并由其執行。此外，如在圖IA中所示，一個或多個過程分析例程50可以由過程控制系統10的各種設備存儲并執行。雖然過程分析例程50被示出為存儲在一個或多個計算機可讀存儲器52中以在工作站13的處理器M上被執行，例程50可以替代地被存儲并執行在其他設備中。每個過程分析例程50被通信地耦接到諸如控制例程42、44、46的一個或多個控制例程，和/或被耦接到數據歷史記錄12以接收一個或多個所測量的過程變量測量。每個過程分析例程50可以被用于開發統計過程模型并根據該模型來分析進行中的或在線批處理。 分析例程50還可以向諸如批次操作員的用戶顯示關于在線或進行中批次的信息，如同過程控制系統10所實現的一樣。在一些實施例中，過程分析例程50可以包括用以確定在此描述的來自無混合器的儲料罐的給料輸出的物質特性的例程。圖IB是示出了過程控制環境100另一示例的框圖，該過程控制環境100包括運行管理系統(0MQ 102，其又被稱為過程監控與質量預測系統(PMQ。OMS 102位于包括過程控制系統106的工廠104中。示例性工廠104可以是任意類型的制造設施、過程設施、自動化設施、和/或任意其他類型的過程控制結構或系統。在一些示例中，工廠104可以包括位于不同位置的多個設施，并且盡管圖IB的工廠104被示出為包括過程控制系統106，工廠104 還可以包括附加的過程控制系統。過程控制系統106，其通過數據總線110被通信地耦接到控制器108，該過程控制系統106可以包括任意數量的用于實現過程功能的現場設備(例如，輸入和/或輸出設備)，該過程功能諸如執行過程中的物理功能或進行過程變量的測量。現場設備可以包括任意類型的過程控制組件，該過程控制組件能夠接收輸入、生成輸出、和/或控制過程。例如，現場設備可以包括諸如閥、泵、風扇、加熱器、冷卻器、和/或混合器的輸入設備以控制過程。附加地，現場設備可以包括諸如溫度計、壓力計、濃度計、液位計、流量計、和/或氣體傳感器的輸出設備來測量過程內或部分過程內的過程變量。輸入設備可以從控制器108接收指令以執行一個或多個指定的命令并引起過程改變。此外，輸出設備測量過程數據、環境數據、和/或輸入設備數據并將所測量的數據作為過程控制信息發送給控制器108。這種過程控制信息可以包括相應于來自每個現場設備的所測量的輸出的變量的值(例如，所測量的過程變量和/或所測量的質量變量)。在圖IB示出的示例中，控制器108可以通過數據總線110與過程控制系統106中的現場設備通信，其可以被耦接到過程控制系統106中的中間通信組件。這些通信組件可以包括現場接線盒以將命令區中的現場設備通信地耦接到數據總線110。附加地，通信組件可以包括調度柜來組織到現場設備和/或現場接線盒的通信路徑。此外，通信組件可以包括I/O卡以從現場設備接收數據并將數據轉換為能夠被示例性控制器108所接收的通信媒介。這些I/O卡可以將來自控制器108的數據轉換為能夠被相應的現場設備處理的數據格式。在一個示例中，可以采用Fieldbus協議或其他類型的有線和/或無線通信協議(例如 Profibus協議、HART協議等)實現數據總線110。圖IB的控制器108管理一個或多個控制例程，從而管理過程控制系統106中的現場設備。控制例程可以包括過程監控應用程序、報警管理應用程序、過程趨勢和/或歷史應用程序、批處理和/或活動管理應用程序、統計應用程序、流視頻應用程序、先進控制應用程序等。此外，控制器108可以將過程控制信息轉發給OMS 102。控制例程可以被實現來確保過程控制系統106制造指定量的在一定質量閾值內的所需產品。例如，過程控制系統 106可以被配置成在批次結束時制造產品的批次系統。在其他的示例中，過程控制系統106 可以包括不斷地制造產品的連續過程制造系統。來自于控制器108的過程控制信息可以包括相應于所測量的、來源于過程控制系統106中現場設備的過程和/或質量變量的值。在其他示例中，OMS 102可以將過程控制信息中的值解析為相應的變量。所測量的過程變量可以關聯于過程控制信息，該過程控制信息來源于測量部分過程和/或現場設備特性的現場設備。所測量的質量變量可以關聯于過程控制信息，該過程控制信息有關測量與已完成產品的至少一部分相關聯的過程的特性。例如，過程工廠可以在在流體中形成一定濃度的化學制品的罐或反應器中進行化學反應。在這種示例中，流體中化學制品的濃度可以是一種質量變量。流體的溫度和流體流入罐的速率可以是過程變量。通過過程控制建模和/或監控，OMS 102可以確定罐中流體的濃度是建立在罐中流體的溫度以及流入反應器的流體(例如，給料)流速的基礎上的。因此，不僅濃度是質量變量，流體流速與流體溫度都會作用于或者影響濃度的質量。換言之， 所測量的過程變量作用于或者影響所測量的質量變量的質量。OMS 102可以使用統計處理來確定每個過程變量對質量變量的影響和/或作用的程度。附加地，OMS 102可以建模和/或確定關聯于過程控制系統106的所測量的過程變量和/或質量變量之間的關系。所測量的過程和/或質量變量之間的這些關系可以形成一個或多個經計算的質量變量。經計算的質量變量可以是一個或多個所測量的過程變量、 所測量的質量變量、和/或其他經計算的質量變量的多變量的和/或線性代數的組合。此外，OMS 102可以由所測量的過程變量、所測量的質量變量、和/或經計算的質量變量的組合確定總體質量變量。總體質量變量可以相應于整個過程的質量確定和/或可以相應于過程的所產生的產品的預測的質量。圖IB的OMS 102包括分析處理器114，其使用描述建模、預測建模、和/或優化來生成關于過程控制系統106狀態和/或質量的反饋。分析處理器114可以被通信地耦接到建模由工廠104執行的過程的各種特性的一個或多個建模模塊115。分析處理器114可以檢測、確定、和/或診斷過程運行故障并預測任意故障對關聯于過程控制系統106所產生的產品的質量的質量變量和/或總體質量變量的影響。此外，分析處理器114可以通過統計地和/或邏輯地將質量和/或過程變量組合到關聯于過程的總體質量的總體質量變量來監控過程的質量。分析處理器114然后可以將為總體質量變量計算的值和/或關聯于其他質量變量的值與各自閾值進行比較。這些閾值可以建立在在過程中的不同時間的總體質量變量的預定的質量限度的基礎之上。例如，如果關聯于過程的總體質量變量超過閾值一段時間，則所預測的所產生的產品的最終質量可能不能達到與最終產品相關聯的質量度量。建模模塊115的一個示例包含給料特性建模模塊115，其建模在此描述的無混合器的儲料罐內的物質特性。如果總體質量變量和/或任意其他質量變量偏離各自閾值，則分析處理器114可以在過程觀察圖和/或過程變化圖中生成故障指示，其顯示被解釋的和/或未被解釋的與總體質量變量相關聯的偏差(或變化)，和/或可以顯示產生該過程故障的變量。示例性分析處理器114通過提供使得操作員能夠生成可以顯示所測量的過程變量、所測量的質量變量、和/或經計算的質量變量等的當前和/或過去值的過程質量圖(例如，組合圖、迷你圖、過程偏差圖、變量趨勢圖、圖像等)的功能來管理分析，以確定一個或多個過程故障的起因。此外，分析處理器114在過程運行時生成這些圖形，并且當OMS 102接收附加的過程控制信息時，分析處理器114不斷地更新和/或重新計算關聯于每個圖形的多變量統計。分析處理器114可以通過計算過程變量和/或質量變量相對于總體質量變量或者引起故障的質量變量的分布來生成分布圖。過程和/或質量變量的分布可以被顯示為被解釋的和/或未被解釋的每一變量的偏差，以及關聯于總體質量的偏差和/或關聯于故障的質量變量的分布。此外，示例性分析處理器114可以為任意被選定的過程和/或質量變量生成變量趨勢圖，該變量可能具有大于預定閾值的偏差。變量趨勢圖可以顯示關聯于過程的一段時間上的變量的值，該值有關于之前過程中類似時間上的變量值。通過生成分布圖和/或變量趨勢圖，分析處理器114還可以識別可行的對過程的修正以解決所檢測到的故障。通過提供具有相關聯的帶有當前值的偏差(例如標準偏差)的歷史記錄圖的重疊，變量趨勢圖可以幫助操作員確定過程故障的起因。分析處理器114還可以生成質量預測圖以確定，如果實現的話，一個或多個修正對于過程總體質量的作用。如果一個或多個修正將總體質量維持或改善到指定的閾值內， 則分析處理器114可以指示OMS 102實現一個或多個修正。替代地，分析處理器114可以向控制器108發送指令以實現過程的一個或多個修正。進一步地，一旦確定關聯于總體質量變量和/或任意其他質量變量的故障，示例性分析處理器114可以生成迷你圖。迷你圖可以包括有關于每個變量的平均值和/或標準偏差的在指定時間(例如，關聯于過程故障的時間)上的過程和/或質量變量的值。附加地，迷你圖可以包括指出關聯于每個過程和/或質量變量的優先值的火花線。從迷你圖上， 示例性分析處理器114可以使得操作員能夠確定和/或選擇一個或多個對過程的修正操作和/或確定任意的修正是否將改進過程以使得總體質量變量被預測在指定限度內。示例性OMS 102通過在線數據處理器116管理過程控制數據的訪問和控制，該過程控制數據包括過程偏差圖、分布圖、變量趨勢圖、質量預測圖、和/或迷你圖。附加地，在線數據處理器116向過程控制操作員提供訪問以查看過程控制數據、變化和/或更改過程控制數據、和/或生成用于過程控制系統106中的現場設備的指令。圖IB的工廠104包括通過局域網1 (LAN)通信地耦接到在線數據處理器116的路由120和本地工作站122。此外，示例性路由120可以將工廠104中的任意其他的工作站(未示出)通信地耦接到LAN 124和/或在線數據處理器116。路由120可以無線地和 /或通過有線連接通信地耦接到其他工作站。路由120可以包括任意類型的無線和/或有線路由，作為連接到LAN 124和/或在線數據處理器116的訪問集線器。可以采用任意所需的通信媒介與協議實現LAN 124。例如，LAN 1 可以基于硬線或無線以太網通信方案。然而，也可以使用任意其他適合的通信媒介和協議。此外，盡管示出了單個LAN，但是可以使用一個以上的LAN和工作站122中適合的通信硬件來在工作站 122與各自的類似工作站(未示出)之間提供足夠的通信路徑。LAN 124還可被通信地耦接到防火墻128。該防火墻1 根據一個或多個的規則來確定來自遠程工作站130和/或132的通信是否被允許接入工廠104。示例性遠程工作站130和132可以向未處于工廠104內的操作員提供到工廠104中的資源的訪問。遠程工作站130和132通過廣域網(WAN) 134被通信地耦接到防火墻128。示例性工作站122、130和/或132可以被配置為觀察、更改、和/或修正過程控制系統106中的一個或多個的過程。例如工作站122、130和/或132可以包括用戶接口 136， 其編排和/或顯示由OMS 102生成的過程控制信息。例如，用戶接口 136可以從OMS 102接收所生成的圖形和/或圖表，或者替代地，接收用于生成過程控制圖形和/或圖表的數據。 一旦在各個工作站122、130和/或132中接收圖形和/或圖表數據，用戶接口 136可以生成相對較易為操作員所理解的圖形和/或圖表138的顯示。圖IB中的示例示出了具有用戶接口 136的工作站132。然而，工作站122和/或130可以包括用戶接口 136。用戶接口 136可以提醒過程控制操作員注意過程控制系統106和/或工廠104中的任意其他的過程控制系統中的任意過程控制故障的發生。此外，用戶接口 136可以引導控制操作員通過分析過程來確定過程故障的源頭并且預測過程故障對所產生的產品質量的影響。用戶接口 136可以在過程進行時向操作員提供過程控制統計信息，由此使得操作員能夠對過程進行調整以修正任意的故障。通過修正過程中的故障，操作員可以保持所產生的產品的質量。通過示例性的OMS 102，示例性用戶接口 136可以顯示檢測、分析、修正操作、以及質量預測信息。例如，用戶接口 136可以顯示過程概覽圖表、過程偏差圖、迷你圖、分布圖、 可變趨勢圖、和/或質量預測圖(例如，圖形138)。一旦觀察這些圖形138，操作員可以選擇附加的圖形138來觀察多變量和/或統計過程信息以確定過程故障的起因。附加地，用戶接口 136可以顯示用于修正過程故障的、可行的操作。用戶接口 136可以之后允許操作員選擇一個或多個修正操作。一旦選定修正，用戶接口 136可以將修正發送到OMS 102，然后，OMS 102再向控制器108發送指令，以在過程控制系統106中做出適合的修正。圖IA的示例性工作站122、130和/或132可以包括任意的計算設備，其包括個人電腦、筆記本電腦、服務器、控制器、個人數字助理(PDA)、微型計算機，等等。可以采用任意的適合的計算機系統或處理系統(例如，圖10的處理器系統P10)來實現工作站122、130 和/或132。例如，可以采用單個處理器的個人電腦、單個或多個處理器的工作站等來實現工作站122、130和/或132。示例性過程控制環境100被提供來示出系統的一種類型，下文中更具體描述的示例性的方法及裝置可以被有利地在其中使用。然而，如果需要的話，在此所述的示例性的方法及裝置可以被有利地使用在復雜度高于或低于圖IA中所示的示例性過程控制環境100 和/或過程控制系統106的其他系統中，和/或被使用在結合過程控制活動、企業管理活動、通信活動等使用的系統中。
圖2描繪了用于示例性批次(例如，批次#1)的數據結構200，其包括所測量的變量202和經計算的質量變量204。示例性數據結構200也可以包含總體質量變量(未示出)，且通過測量或觀測，可以在批次結束時獲得該總體質量變量。批處理是產品制造的一個類型，在此產品制造類型中，在由例程控制的一個或多個位置并行地創建較大量的產品和/或產品的部分。該例程可以包含一個或多個過程階段，而每一階段包含一個或多個操作，且每一操作包含一個或多個時相。當在此描述的示例方法和裝置指的是批處理時，可以實現任何類型的過程。示例性所測量的變量202包含所測量的過程和/或質量變量。例如，變量Pl相應于流體的流速(例如，過程變量)，而變量P2相應于流體的濃度(例如，質量變量)。結合批處理批次#1顯示所測量的變量202。批處理發生在沿t-軸顯示的時間周期里(例如，時間)。附加地，圖2中的批處理包含8個所測量的變量。然而，在其他的示例中，批處理可包含更少或更多的所測量的變量。圖2還示出了一些所測量的變量202與批處理期間的僅有的一些次數相關。例如， 變量Pl與從這批的起點到這批的中點相關。因此，如果變量Pi與流體的流速相關聯，那么流體將只在該批次的起點到中點的批處理期間流動。中點之后，該批次將不可再利用流體流量，因此，變量Pl與越過中點的批處理不關聯。相反，變量P4與整個批處理都關聯。示例性經計算的質量變量204關聯與整個批處理或可能關聯于批處理的特定的時相或階段。經計算的質量變量204可為所測量的變量202和/或其他質量變量204之間的多變量的、統計的、和/或代數的關系的結果。例如，質量變量Ql 204可相應于批處理中所產生的產品的成分質量。成分質量Ql為一質量變量，因為其在過程控制系統106中是不可直接測量的。相反，根據所測量的變量202 P1、P3、P4和P7的多變量的組合，可以建模和 /或確定成分質量Ql。因此，如果成分質量Ql超過預定閾值，則所測量的變量Pl、P3、P4和 P7中的任何一個和/或所測量的變量P1、P3、P4和P7的組合都將可成為偏差的促成因素。圖3顯示了數據結構300，其可用于包含過程變量302和各自的質量變量304的一系列示例性批次。這些批次(例如，批次1-7)示出了批處理包含了以串行順序被執行的階段(例如，階段1-4)。例如，階段1可以相應于批次中化學物質或其他給料的組合和混合，而階段2相應于批次中該些混合后的化學物質的處理。這些階段可更進一步的被細分為操作、時相和/或層次。附加地，經計算的質量變量306在每一批次中相應于所測量的變量 302。圖4顯示了示例性儲料罐400，該儲料罐可被用于如圖3所述的批處理中的某一階段，(例如，階段1)。如上詳述，為儲料罐400中的給料402確定給料抽出特性可以有助于故障檢測和批處理產品的質量。在一些實施例中，可以通過運行管理系統(OMS)的給料特性建模模塊115 (圖1B)執行用于確定給料抽出特性的功能、指令、方法。當這個過程是在線的，用于補充過程監控、故障檢測、質量預測和過程控制，僅列舉了一些潛在的在線應用時，可以實施在此描述的、用于確定給料特性的計算。也可以通過用于補充或驗證在線建模離線過程、開發在主成分分析(PCA)中的檢測模型、偏最小二乘法分析等實施在此描述的、用于確定給料特性的計算。無混合器的儲料罐400包含給料402被傳遞到儲料罐400的入口 404和給料402 被從儲料罐400運出從而進入工廠另一組件中(例如，反應器407或其他組件)的出口 406。如圖4所示，儲料罐400可以包含入口 404和出口 406的不同配置。例如，儲料罐400可以包含頂部入口 404a、中部入口 404b或底部入口 4(Mc和頂部出口 406a、中部出口 404b或底部出口 4(Mc的任何組合。當然，圖4所述的入口 404和出口 406是用于示出通常的區域， 入口 404和出口 406可以被放置在罐400上。雖然入口 404和出口 406可以被放置在儲料罐400內的任何點，以完成給料402到儲料罐的來回傳遞，在此所述的方法可以包含底部出口 406c的默認位置。給料402到儲料罐400被來回傳遞的情形可以確定流類型，且該類型可導致儲料罐400內的給料402的各種傳遞的混合的程度。例如，當儲料罐400包含底部入口 4(Mc和頂部出口 406a時，可以假定高程度的混合并且流類型可被描述為“完全混合”。然而，當儲料罐400包含頂部入口 40 和底部出口 406c時，可以假定低程度的混合并且流類型可被描述為“塞狀流”。塞狀流可描述出口環境，在該環境里，給料以最小的混合狀態并且每次被從儲料罐400的底部的層內抽取。在入口 404和出口 406被放置在儲料罐400內的同一點時(伴隨著一些給料傳遞時，由儲料罐400內的給料402的數量所引起的一些偏差)，流類型可被描述為“短路”。當流類型沒有完全混合時，一旦新給料被傳遞到罐400，將會產生給料402的某種程度的層化或分層。在離散的時間間隔上的到儲料罐400的給料傳遞可以創建具有在各層間的給料混合的一些程度的各種傳遞的層次或“層”。參照圖4，給料傳遞可導致按照從最舊傳遞408到最近傳遞416來排列的層。因此，當儲料罐400當前具有給料402的五個離散傳遞時，儲料罐400包含了給料402的五個層，其如圖4中的分層408、410、412、414和416 所指出。由不同的傳遞之間的各種濃度和其他不同所導致的化學、物理和其他反應可引起給料分層408-416的輕微混合。例如，因儲料罐移動、入口和出口移動、流量等引起的儲料罐400內的給料的移動可造成混合的發生。儲料罐400的給料402的每一次的傳遞可以包含多個物質特性。圖5顯示了數據結構500的示圖，該數據結構500可以被通信地耦接到給料特性建模模塊115，并且被用于存儲儲料罐400內當前具有的給料402的特性502。特性502可以包括物理、化學和其他給料特性的值504，其包括pH平衡、反應度、毒性、濃度、密度、分子量和粘度，僅列舉了一些。給料402每次傳遞的特性可以被包含在從給料供應商處接收的數據里，其也可通過接收器的分析來確定或通過其他合適的方法，可被傳遞到運行管理系統(0MQ 102。數量特性 506包含表示所傳遞的給料的體積、重量、或數量的值。數量特性506可被用于與儲料罐的物理特性(例如，儲料罐容量、內部尺寸、存儲體積限制等等)相結合，從而來確定其他的測量值，例如，儲料罐內每一給料層的大概位置，各層之間的混合區域的大概位置，等等。時間特性508指示出何時給料被傳遞到儲料罐。時間特性也可被用來確定給料的其他特性。例如，一些給料類型的特性502可能會以已知的方法隨時間而變化。當給料的特殊層陳化時， 可以更改陳化層的特性值504從而反映任何已知的改變。類似地，由于各層中的給料的不同的化學和物理特性，混合可能會隨著時間而增大。同樣地，在此所描述的混合因子可以變化來反映由于陳化、混合和其他因素所引起的變化。在一些實施例中，數據結構500可以被實現為棧數據結構，其反映儲料罐內的給料層位置以及相對于入口 404和出口 406的位置。例如，當出口在默認底部位置406c (圖 4)并且入口在頂部位置40 時，此時數據結構可以被實現為“先進先出”(FIFO)棧，其中最舊給料傳遞最先被從罐里抽出，而最新給料傳遞最后被從罐里抽出。類似的，當出口在默認底部位置406c并且入口也在底部位置404c時，此時數據結構可以被實現為“先進后出”(FILO)棧，其描述了以下配置，即最舊給料傳遞最后被從罐里抽出，而最新給料傳遞最先被從罐里抽出。當出口在默認底部位置406c并且入口在中間位置404b時，可以使用FIFO 和FILO棧方法的混合。棧500可以被實現為矩陣、鏈表或其他類型的已知數據結構。在操作中，可以更新棧500以反映罐400內的給料402的物理狀態。例如，當新給料402被傳遞到罐400時，使用一個或多個程序指令將一系列特性502壓入到棧500。如果一個層被完全地從罐內移除，則其他程序指令可以從棧內“彈出”已移除特性。其他指令可以實現指針510以指示哪個層是激活的或當前正被從罐400內抽出(S卩，抽出層)。例如， 在塞狀流配置的罐400中，抽出層一直是層408，直到層408被移除，然后層510成為激活的。在該例子中，指針510將一直指示“層1”的特性，直到層1被移除。一旦移除，層1的特性將從棧內彈出，并且先前層2的特性將假定位置處于棧頂(S卩，層1)。當棧500被實現為FIFO棧，指針510將指向棧500頂部(例如“頂部”或“取數”指令)的一系列特性。在操作中，當一個層被從罐400內移除時，指針510將被切換到將被抽出的下個層。當罐400 內的入口 404和出口 406的位置要求FIFO棧500的實現，指針510將相應于最舊層，如由時間特性508所指示的那樣，直到數量506從罐400內移除，然后指針510將被切換到下一最舊層，然后重復。給料特性建模模塊115可被配置為復合功能塊以與OMS 102 一起使用來確定被從無混合器的儲料罐400抽出到反應器407或其他過程工廠實體的給料402的特性。圖6A示出了用于確定給料特性的復合功能塊600的例子。圖6B示出了復合功能塊600的功能塊視圖650的例子。功能塊視圖650將被呈現在用戶接口應用中，以圖形地呈現過程控制系統100的任何方面并修正或控制功能塊600或過程控制系統100的其他任何方面。在一些實施例中，用戶接口是De 1 taV Contro 1 Studiο 應用。回到圖6A，復合功能塊600可包含一個或多個功能塊，比如計算塊604和其他功能塊。復合功能塊600可以限定罐特性計算塊604并包含多個限定給料特性502的參數和包含儲料罐400設計中的偏差的其他參數。 因此復合功能塊600可以被通信地耦接到棧數據結構500。進一步地，復合功能塊可以被配置，來自動地或通過用戶接口來更新棧500。在一些實施例中，參數包含描述儲料罐400當前給料層或水平608的總數目的外部參數(比如罐內給料的總體積)、到儲料罐400的給料入口 610(比如頂部、中間、底部) 的點、和描述儲料罐400內的各層混合程度的混合因子612。混合因子612可包括從0到1 的取值，其中0意味著無混合而1意味著完全混合。通常，當罐400被配置為在底部的給料出口和在中間或頂部入口位置404a的入口時，塞狀流罐的混合因子將大于0。此外，當罐 400被配置為在底部的給料出口和在底部入口位置404c的入口時，塞狀流罐的混合因子將接近于0。混合因子612可以被用于為整個罐400或為罐內每一層或層次或為層的組合描述給料的一個或多個特性的混合情況。數據參數還可以包括多個外部輸入參數，其用于描述罐400內的特定水平的給料 402的輸入特性614，以及外部出口特性616，其用于描述在出口 406的水平的給料層(即， 抽出層)的特性。給料輸入特性614和出口特性616可以包括指示給料化學、物理和其他特性的多個值(例如，PH平衡、反應度、毒性、濃度、密度、分子量等)。輸入特性614可包含當給料被輸入到儲料罐400時測量或假定的值，而出口特性616可包含針對正被從儲料罐 400抽出的給料層而由罐特性計算塊604計算的值。如上所述，參照圖5，復合功能塊600可以自棧500訪問輸入特性614。雖然圖6A示出了七個輸入和出口特性616，但是可能有更少或更多數目的特性。其他塊可包含添加塊618以指示被添加到儲料罐的給料的量(例如重量、體積或其他被添加到儲料罐內的特定層的給料的量的測量)和日期/時間塊620包含描述特定給料層被添加到儲料罐400的日期和時間的值。功能塊可包含輸出參數622，其用于指示罐內的總給料的每個被追蹤的特性的平均值，以及包含棧指針輸出624，其用于指示哪個給料層當前正被從罐400內抽出和指針 510的當前位置。罐特性計算塊604可以包含一個或多個被處理器執行的指令或公式，以用于基于輸入特性614和其他上述數據確定出口特性616。在一些實施例中，當給料402的新傳遞被輸入到儲料罐時，棧500被更新并且新給料特性被“壓入”到棧500內。例如，更新棧可包含添加一新系列特性到棧500，增加水平塊608以說明添加一定數量的給料506和新層 512，設置在外部輸入參數618上的添加，以反應包含在新傳遞中的給料506的量，以及設定在外部輸入參數620上的日期/時間以反應該新添加的時間508。罐特性平均值將由計算塊604計算并且新平均值被應用到輸出參數622以說明新給料的添加。然后，基于該新平均值、相應于給料被抽出的給料水平的給料特性和混合程度612，罐特性計算塊604確定將從罐400內抽出的給料的出口特性616。經計算的出口特性然后被保存到復合功能塊600。罐特性計算塊604可包含用于確定出口特性616的若干指令，正如后續公式描述的。通常，出口 406c處的每一給料抽出特性的值假定等于被傳遞到罐400的特定特性的值 (即，抽出特性)。可由計算塊604調整抽出特性以說明由給料傳遞所引起的、可以在各給料層間發生的混合。其中已知混合因子m，抽出特性P，和罐內特性的平均值A，則出口特性的值Q可被描述為Q= (1-m) P+mA(公式1)其中m是塊612中限定的混合因子，其描述整個罐內的一個或多個特性混合的程度，P是當其傳遞到罐400時沒有混合特性的值，以及A是當給料被傳遞到罐時所記錄的罐 400內的特性的平均值。例如罐400被配置為包含三個流體層的塞狀流包含pH為4. 2的第一(底部)層、包含PH為4. 6的第二(中間)層、和包含pH為4. 1的第三(頂部)層。 塞狀流罐被配置為從第一層抽出給料并且罐的混合因子是0. 2。當罐平均pH是4. 3時，pH 的出口特性值將等于(1-0. 2) (4. 2) + (0. 2) (4. 3)或 4. 22。考慮到公式1，如果由實驗測量(即，Aab)確定Q的值，并且已知抽出特性的值P 和罐內的特性的平均值A，則確定混合因子m是可能的。雖然可直接由公式1得到混合因子 612 (m)的最佳值，但混合因子612還可以由最佳匹配的回歸線的斜率限定的最小二乘法來確定，其被描述為Q-P = (A-P) m(公式2)由回歸線的斜率確定混合因子612(m)可被描述為“最小二乘法”，因為離散圖的最佳匹配的回歸線的斜率是(Q-P) vs. (A-P)
(公式3)由回歸線的斜率確定混合因子是有益的，因為不依賴于在通常回歸線公式中所示的常量偏移
權利要求
1.一種用于確定過程控制工廠的無混合器的儲料罐內的給料物質特性的方法，所述方法包括將前一給料層的給料特性值應用到新給料層； 基于與罐出口相關聯的儲料罐水平測量來建立抽出層； 計算所述儲料罐內的總給料量的給料特性的平均值； 計算所述抽出層的混合因子；以及基于所述給料特性的平均值和所述混合因子來計算所述抽出層的抽出給料特性值； 其中所述抽出層內的給料與所述儲料罐內的其他給料部分混合。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，基于與罐出口相關聯的儲料罐水平測量來建立抽出層包括更新棧。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述罐出口包括塞狀流。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，基于與罐出口相關聯的儲料罐水平測量來建立抽出層包括確定所述儲料罐內的所述新給料層的位置。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，如果所述新給料層位于頂部位置或中間位置，則所述抽出層的所述抽出給料特性值將基于所述儲料罐內的總給料量的水平。
6.如權利要求4所述的方法，其特征在于，如果所述新給料層位于底部位置，則所述抽出層的所述抽出給料特性值包含所述新給料層的所述給料特性值。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括以經計算的抽出給料特性值更新數據結構。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合因子包含離散圖的最佳匹配的回歸線的斜率。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述離散圖包含實驗得出的給料特性值 (Qlab)減去無混合的給料特性值(P)與完全混合的給料特性值(A)減去所述無混合的給料特性值⑵的比值。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，計算抽出給料特性值(Q)包括 Q = (l-m)P+mA其中m包含所述混合因子，P包含無混合的給料特性值，以及A包含所述給料特性值的所述平均值。
11.一種用于計算批處理的無混合器的儲料罐內的抽出給料物質特性的方法，所述方法包括計算儲料罐內的總給料量的給料特性的平均值，所述總給料量包含新給料層內的給料；確定所述罐內的所述新給料層的位置，所述位置相應于所述儲料罐的入口位置； 確定所述罐內的抽出層的位置，所述抽出層相應于所述儲料罐的出口位置； 基于對包含實驗得出的給料特性值Oilab)減去無混合的給料特性值(P)與完全混合的給料特性值(A)減去所述無混合的給料特性值(P)的比值的離散圖的最佳匹配的回歸線的斜率來計算抽出給料特性值所述混合因子。
12.如權利要求11所述的計算抽出給料物質特性的方法，其特征在于，所述儲料罐是塞狀流儲料罐。
13.如權利要求11所述的計算抽出給料物質特性的方法，其特征在于，所述入口位置包括頂部位置、中間位置和底部位置中的一個。
14.如權利要求11所述的計算抽出給料物質特性的方法，其特征在于，所述出口位置包括頂部位置，中間位置和底部位置中的一個。
15.如權利要求11所述的計算抽出給料物質特性的方法，其特征在于，計算抽出給料特性值(Q)包括Q = (1-m)P+mA其中m包含所述斜率，P包含所述無混合的給料特性值，A包含所述給料特性值的平均值。
16.如權利要求11所述的計算抽出給料物質特性的方法，其特征在于，所述給料特性值包含PH平衡、反應度、毒性、濃度、密度、分子量和粘性中的一個或多個。
17.如權利要求11所述的計算抽出給料物質特性的方法，其特征在于，斜率值為0相應于完全無混合的給料特性，并且斜率值為1相應于完全混合的給料特性。
18.如權利要求11所述的計算抽出給料物質特性的方法，其特征在于，所述罐內的多個其他給料層對所述抽出層的影響包含對抽出層i的混合因子Hii的指數修正 idWij — mxe 1其中1包含由于多個其他層的影響而先前被修正的、若干給料層，i包含受所述影響的應用層i，i+1的索引，1,1 ^ η，η包含所述儲料罐內的現有的、若干個其他給料層。
19.一種用于確定過程控制工廠的無混合器的儲料罐內的給料物質特性的計算機裝置，所述計算機裝置包含具有存儲在其上的計算機實施應用的計算機可讀存儲器，所述應用包含 第一例程，其檢測到儲料罐的新給料傳遞；第二例程，其以相應于所述新給料傳遞的給料特性值更新數據結構并計算所述儲料罐內的總給料量的給料特性值的平均值，所述總給料量包含新給料層內的新給料傳遞； 第三例程，其確定所述罐內的所述新給料層的位置和抽出層的位置；以及第四例程，其基于所述抽出層的混合因子來計算抽出特性值(Q)，所述混合因子包含實驗得出的給料特性值(Qlab)減去無混合的給料特性值(P)與完全混合的給料特性值(A)減去所述無混合的給料特性值(P)的比值的離散圖的最佳匹配的回歸線的斜率。
20.如權利要求19所述的計算機裝置，其特征在于，所述第二例程包含更新棧。
21.如權利要求19所述的計算機裝置，其特征在于，如果所述新給料層位于頂部位置或中間位置，則第四例程包含所述抽出層的、基于所述儲料罐內的總給料的水平的抽出給料特性值。
22.如權利要求19所述的計算機裝置，其特征在于，如果所述新給料層位于底部位置， 則第四例程包含所述抽出層的抽出給料特性值，所述抽出層的抽出給料特性值包含所述新給料層的所述給料特性值。
23.如權利要求19所述的計算機裝置，其特征在于，所述儲料罐是塞狀流儲料罐。
24.如權利要求19所述的計算機裝置，其特征在于，計算所述抽出給料特性值(Q)的所述第四例程包括Q = (1-m)P+mA其中m包含所述斜率，P包含所述無混合的給料特性值，以及A包含所述給料特性值的所述平均值。
25.如權利要求19所述的計算機裝置，其特征在于，所述給料特性值包含PH平衡、反應度、毒性、濃度、密度、分子量和粘性中的一個或多個。
26.如權利要求19所述的計算機裝置，其特征在于，斜率值為0相應于完全無混合的給料特性并且斜率值為1相應于完全混合的給料特性。
全文摘要
本發明公開了用于確定儲料罐內的物質特性的多層建模的方法和系統。在使用無混合器的儲料罐的批處理控制系統中，可以建模儲料罐抽出給料的特性來更精確地控制過程的質量。模型不需要對注入或抽出流量進行測量或假定最佳混合。而是，改進模型可以假定注入到儲料罐的給料因連續對流、裝載中的紊流或其他因素而仍具有帶有一些混和的分層。該模型可以包含描述到該模型中的注入物質的儲料罐分層的特性的映射。對于儲料罐注入給料的每個新裝載，模型層將改變并且給料被抽出的層可以根據所述新裝載的特性進行更新。
文檔編號G05B13/04GK102354105SQ20111013825
公開日2012年2月15日 申請日期2011年5月23日 優先權日2010年5月21日
發明者C·J·沃里克, T·L·布勒文斯, W·K·沃爾茲尼斯 申請人:費希爾-羅斯蒙特系統公司