改進位造廠運行的在線模塊化參數化和連續線性規劃的製作方法

2023-10-24 04:58:12 4

專利名稱：改進位造廠運行的在線模塊化參數化和連續線性規劃的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於基本優化製造環境內的工廠運行的系統和方法。
背景技術：
製造設施，尤其是高度工藝密集的製造環境，採用基於計算機的測試設備系 統，所述測試設備系統控制設施運行。這種系統一般使用表示整個設施的穩態的基本原 理控制模型(fondamenta卜principles control model)。因此，只有當整個設施處於穩態時， 才能夠參數化或校準設施運行狀況的控制模型。典型的製造設施運行的主要目標是在儘可能多的運行時間內，在最佳或者接近 最佳的條件下運行。基本原理控制模型是在優化工作中使用的主要工具。所述優化一 般是在設施的各個單元內工藝條件發生變化時，或者在設施外部的營業狀況(例如，價 格、原材料的供應、半成品/成品的需求)發生變化時，通過重複或一再重複基本原理控 制模型來找出最佳或者基本最佳的運行條件來實現的。由於每次重複控制模型時，必須 解算計算密集的、大規模的非線性程序，因此優化費時。與在設施中實際測量的變量的 有限數目相比，由於模型內的未知變量和方程式的數目更大，因此基於非線性程序的控 制模型的解算還難以理解。從而，當控制模型不能收斂時，調試控制模型會非常費時， 不然的話是無益的。於是，需要簡化控制模型的參數化和優化，以降低與控制製造設施工藝相關的 運行成本。

發明內容
提供用於基本優化製造環境內的工廠運行的方法和系統。在至少一個具體實施 例中，製造環境可被分離成兩個或更多個單獨模塊，其中每個單獨模塊包含基於基本原 理的模型，其中全體單獨模塊代表整個製造環境。當每個單獨模塊達到穩態時，該模塊 可被獨立參數化，其中在參數化期間，可向至少一個單獨模塊提供模塊間數據流，以及 其中參數化的輸出包括每個單獨模塊的單獨的校準的穩態模型。從每個參數化模塊可得 到降階模型，降階模型可被組合以提供設施的降階模型。隨後可以求解設施的降階模 型，以提供改進的或者新的運行條件或運行條件目標。在至少一個另外的具體實施例中，所述方法包括把製造環境分成兩個或更多個 單獨模塊，其中每個單獨模塊包含基於基本原理的模型，其中全體單獨模塊代表整個制 造環境；使每個單獨模塊參數化，其中參數化的輸出包括該模塊的單獨的校準的穩態模 型；使每個單獨模塊線性化，以提供多個線性化模塊，其中使每個單獨模塊線性化包括 產生每個單獨模塊的增益矩陣，其中每個線性化模塊包含設施的一個部分的降階線性模 型；組合多個線性化模塊以提供設施的降階模塊，其中組合多個線性化模塊包括卷積每 個線性化模塊的增益矩陣；根據設施的降階模塊確定一組運行條件目標；和改變製造環 境內的一個或多個運行條件。


為了能夠詳細理解所列舉的本發明的特徵，參考實施例，可更詳細地說明下面 簡要總結的本發明，附圖中圖解說明了所述實施例中的一些實施例。不過，應注意附圖 僅僅圖解說明本發明的一些實施例，因此不應被視為對本發明範圍的限制，因為本發明 允許其它同樣有效的實施例。圖1描述用於按照所述一個或多個實施例進行在線優化的典型計算機系統。圖2是按照所述一個或多個實施例，基本優化製造環境內的工廠運行的流程 圖。
具體實施例方式下面提供詳細的說明。每個附加的權利要求限定一個獨立的發明，從侵權的 觀點來看，所述獨立的發明被認為包括在權利要求中明確說明的各個元素或限定的等同 物。取決於上下文，下面對「發明」的所有引用在一些情況下僅僅指的是一些具體實施 例。在其它情況下，將認為對「發明」的引用指的是在一個或多個權利要求(但不一定 是所有權利要求)中陳述的主題。下面將更詳細地說明每個發明，包括具體實施例、變 形和示例，不過本發明並不局限於這些實施例、變形或示例，包括這些具體實施例、變 形和示例是為了使本領域的技術人員在結合本專利中的信息和可公開獲得的信息和技術 的時候，能夠實現和使用本發明。圖1描述適合於按照一個或多個實施例，進行在線優化的典型計算機系統。計 算機5可包括中央處理器10、輸入裝置或鍵盤30和監視器50。計算機5還可包括存儲 器20，以及另外的輸入和輸出裝置，比如滑鼠40、麥克風60和揚聲器70。除了其它用 途之外，滑鼠40、麥克風60和揚聲器70還可用於通用存取和語音識別或指令。監視器 50可以是觸敏監視器，起輸入裝置以及顯示裝置的作用。計算機系統5可以經網絡接口 80，與資料庫77、一個或多個其它資料庫或存儲 裝置79、傳感器和執行器75、和/或網際網路連接。這裡使用的術語「傳感器」指的是用 於測量工藝中的變量，並把測量結果傳給控制系統的裝置。這裡使用的術語「執行器」 是指能夠響應來自控制系統的信號，影響所述工藝的裝置。例證的執行器可以包括但不 限於閥門、變阻器、電動機和開關。應明白朮語「網絡接口」並不表示局限於僅僅使用 乙太網連接的接口，相反指的是所有可能的外部接口(有線的或無線的)。另外應明白數 據庫77、一個或多個其它資料庫或存儲裝置79、和/或傳感器和執行器75並不局限於利 用網絡接口 80與計算機5連接，可以利用足以在計算機5與資料庫77、一個或多個其它 資料庫或存儲裝置79、和/或傳感器和執行器75之間創建通信通路的任何手段，與計算 機5連接。例如，在一個或多個實施例中，資料庫77可以藉助USB接口與計算機5連 接，而傳感器和執行器75可藉助FOUNDATION FIELDBUS接口連接，而不使用網絡接 Π 80。應明白儘管計算機系統5被表示為能夠在其上執行所述方法的平臺，不過也可 以在用戶能夠與製造設施工藝、傳感器、執行器和/或機器交互作用的任何平臺上執行 所述方法。例如，可以在具有計算能力的任何裝置上使用這裡說明的各種各樣的實施例，在所述具有計算能力的裝置上，用戶能夠與特定製造環境內的任何系統連結和交 互作用。例如，計算能力可包括經由網絡接口 80，訪問PROFIBUS、FOUNDATION FIELDBUS或其它通信總線協議，使得用戶能夠與在特定製造環境內的各種各樣的工藝 或傳感器和執行器交互作用。這些裝置可以包括但不限於並且只是出於舉例說明的目 的給出的超級計算機、陣列式計算機網絡、分布式計算機網絡、桌上型個人計算機 (PC)、平板PC、手持式PC、膝上型計算機、以商標名BLACBERRY 或PALM 銷售 的裝置、蜂窩電話機、手持音樂播放器、或者用戶能夠在其上與存在於任意特定製造環 境中的至少一些系統交互作用的任何其它裝置或系統。重新參見圖1，一個或多個電腦程式可被保存在存儲器20中，以及中央處理 器10能夠至少與存儲器20、輸入裝置30和輸出裝置50協同工作，以完成用戶的任務。 在一個或多個實施例中，存儲器20無限制地包括現有技術中目前可用的或者能夠變得可 用的許多存儲裝置及其組合。在一個或多個實施例中，存儲裝置可包括但不限於並且 只是出於舉例說明的目的給出的資料庫77、硬碟驅動器、磁碟驅動器、隨機存取存儲 器、只讀存儲器、電可擦可編程只讀存儲器、閃速存儲器、閃盤、一個或多個其它數據 庫或存儲裝置79、和任何其它存儲裝置。本領域的技術人員通曉通過利用存儲裝置，能 夠採用的許多變化，以及歸因於存儲裝置結構和算法執行技術，不應對實施例施加任何 限制。存儲器20可保存作業系統(OS) 45，和模型優化代理55。通過利用CPU 10，操 作系統45能夠使優化代理55的控制和執行更容易。可按照這種方式使用任何可獲得的 作業系統，包括 WINDOWS、LINUX、Apple OS、UNIX 等等。CPU 10能夠應請求，以預定的時間，在設施狀況發生變化時，或者在其它情況 下，比如價格或供應/需求變化時，執行模型優化代理55，以基本優化所述設施。模型 優化代理55能夠利用分布式方案來控制和優化製造加工環境或製造設施。基於這種分布 式方案，通過指揮或啟動所述設施內的一個或多個執行器75，模型優化代理55能夠改變 所述設施內的運行狀況。下面參考圖2，更詳細地討論例證的分布式方案。圖2描述按照一個或多個實施例，使各個模塊參數化，並使用降階模型來減小 優化問題的規模，以運行製造設施的例證分布式方案的流程圖。參見圖2，製造環境 (「工廠設施」)可以被隔離成兩個或更多個單獨模塊(步驟110)。每個模塊可以包括 或者代表單一的單元運行、兩個或更多的單元運行，或者工廠設施的一個部分的基於基 本原理的模型。例如，第一模塊可以是或者包括工廠設施內的反應器的模型，第二模塊 可以是或者包括同一工廠設施內的多階段分離工藝的模型等等，直到所述設施內的所有 關心的各個設備或單元運行(「工藝」)都用至少一個單獨的模塊表示為止。設施可以是適合於精煉、提純、轉化、消耗或以其它方式處理任何材料從而產 生所需產品的任何單元或工藝。所述設施可包括但不限於煉油廠、催化和蒸汽裂化廠、 石油化工廠、其它化工廠(即，不是基於石油化學的化工廠)、把天然氣和/或甲醇轉 化成其它碳氫化合物的工廠、天然氣液化站、聚合物和塑料廠、鋼廠、製藥廠、和發電 廠。在一些情況下，設施可以包括兩個或更多的獨立設施，比如煉油廠和一個或多個蒸 汽裂化廠。在一個或多個實施例中，所述設施可以包括一起工作從而實現所述設施的整體目標的多個獨立的工藝單元或者多個部分的工藝單元。這裡使用的「工藝單元」是實 現特定功能的設備或裝置，比如工藝氣體壓縮機單元、分餾器、重整器、加氫器、蒸餾 塔、急冷塔、乙烷餾除塔、廢熱發電單元、或者致冷單元，一個「部分」的工藝單元是 兩個或更多的關聯工藝單元的編組。在步驟110，單個模塊的選擇或識別可以基於工藝特徵。在一個或多個實施例 中，單個模塊的選擇或識別110可以基於所述模塊描述的工藝能夠響應輸入，並達到穩 態的相對速度。換句話說，設施的能夠快速做出響應的多個部分可被歸入一個模塊中， 而比較慢的響應部分可被歸入另一個模塊中。在步驟120，當由源自步驟110的每個單獨模塊代表的設施的部分達到穩態時， 該模塊能夠被求解或參數化。特定部分達到穩態的時間可以與另一個部分達到穩態的 時間相同或不同。特定的模塊、或者組或兩個以上模塊達到穩態的時間可取決於許多因 素，包括天氣條件、結垢、運行錯誤、維護等等。當每個模塊達到穩態時，每個模塊隨 後能夠被求解，即參數化。通過在步驟Iio中把設施分成在步驟120中被參數化的各個 模塊，能夠在不造成計算複雜性的情況下，對每個模塊應用更嚴格的高真實性的第一性 原理模型(first-principles model)。因而，能夠以更快的速率獲得更精確的結果，使得即 使整個設施並不處於穩態，也能夠更經常地優化或基本優化整個設施。在步驟120，能夠獨立並且異步於另一個模塊地求解每個模塊。來自任何特定模 塊的信息都能夠被共享給任何一個或多個其它模塊，以幫助參數化。在一些情況下，任 何特定模塊的參數化可能需要來自一個或多個其它模塊的信息。例如，單個模塊可能需 要與來自另一單個模塊的未測定的流體成分有關的數據，以及未測定的流體成分信息可 被傳給流路的上遊和/或下遊，使得需要該數據的單個模塊能夠被參數化。因此，當這 些單個模塊在步驟120中被參數化時，來自一個模塊的模塊間數據可被提供給一個或多 個其它模塊。以在步驟120期間模塊間數據流的時間性為條件，一個或多個單個模塊能 夠以比其它單個模塊更高的頻率被參數化，因為所述一個或多個單個模塊比其它單個模 塊更快地達到穩態。由於設施的多個部分能夠在整個設施之前達到穩態，因此這些部分 的單個模塊能夠比整個設施模型更快地被參數化。在步驟120中的初始參數化之後，能夠得到每一個單個模塊的降階模型 ("Module ROM」 )(步驟130)。Module ROM可以是該單個模塊的輸入/輸出表示。 在步驟130，Module ROM可以是線性的並且可利用矩陣代數運算從步驟120的各個模塊獲得。通過把完全狀態變量雅可比矩陣⑴轉換成輸入_輸出靈敏度矩陣或者說增益矩 陣(G)，可以獲得線性Module ROM。可對步驟120的每個模塊計算增益矩陣，並且增 益矩陣可包含每個Module ROM的關聯輸出和輸入之間的簡化關係。在一個或多個實施 例中，每個Module ROM的關聯輸出可包括能夠被輸入到其它Module ROM的材料和/或 能量流數據。增益矩陣可被用作降階模型，並且在任何特定模塊的當前運行點的局部區 域中是精確的。當隨著操作點的變化而使每個模塊參數化時，降階模型能夠被更新。每個Module ROM的輸入變量可被指定為「U」，並且可代表模塊內的操縱(運 行自由度)變量和幹擾(來自其它模塊的輸出)變量。來自每個Module ROM的輸出變 量可被指定為「y」，並且可代表測定的和推斷的狀態(未測定的)變量以及目標函數元素已知輸入變量和輸出變量，通過根據每個模塊的雅可比矩陣(af7a^計算增益矩陣 (θν/au)，能夠得到降階線性模型。表ι表示雅可比矩陣⑴的例證結構，其中F表示一組 方程式，以及X表示描述工藝的一組變量。注意X既包含輸入(U)變量也包含輸出(y) 變量。表2表示雅可比矩陣到輸入(Ju)分量和輸出(Jy)分量的分解。表3表示所得到 的增益矩陣的例證結構。表1:雅可比矩陣⑴
權利要求
1.一種用於基本優化製造環境內的工廠運行的方法，包括把製造環境分成兩個或更多個單獨模塊，其中每個單獨模塊包含基於基本原理的模 型，以及其中全體單獨模塊代表整個製造環境；當每個單獨模塊達到穩態後，單獨使所述模塊參數化；其中在參數化期間，可向至少一個單獨模塊提供模塊間數據流；和其中參數化的輸出包括每個單獨模塊的單獨的、校準的穩態模型；從每個參數化模塊得到降階模型；組合多個所述降階模型，以提供設施的降階模型；和求解所述設施的降階模型，以提供改進的運行條件。
2.按照權利要求1所述的方法，其中可異步於其它單獨模塊，對至少一個單獨模塊執 行單獨使每個單獨模塊參數化的步驟。
3.按照權利要求1所述的方法，其中至少一個單獨模塊代表製造環境的一個部分，該 部分比製造環境的至少一個另外的部分更快速地達到穩態。
4.按照權利要求1所述的方法，還包括 使至少一個單獨模塊線性化；其中每個線性化模塊包含所述設施的一個部分的降階線性模型。
5.按照權利要求1所述的方法，還包括確定從單獨模塊輸出的材料或能量流的狀態，和把所述材料或能量流的狀態作為輸入提供給另一個單獨模塊。
6.按照權利要求1所述的方法，還包括利用改進的運行條件，運行整個製造環境。
7.按照權利要求1所述的方法，其中從每個參數化模塊得到降階模型包括產生每個單 獨模塊的增益矩陣。
8.按照權利要求7所述的方法，其中組合降階模型包括卷積每個線性化模塊的增益矩陣。
9.按照權利要求8所述的方法，其中運行整個製造環境包括 根據設施的降階模型，以第一時間間隔確定一組運行條件目標； 改變製造環境內的運行條件；測量製造環境對改變後的運行條件的響應；重新使各個單獨模塊參數化；重新從每個重新參數化的模塊得到降階模型；重新組合重新得到的降階模型，以提供設施的新的降階模型；和根據重新組合的設施的降階模型，以第二時間間隔確定一組運行條件目標。
10.按照權利要求1所述的方法，其中設施的新的降階模塊是更新的降階模塊。
11.一種用於基本優化製造環境內的工廠運行的方法，包括把製造環境分成兩個或多個單獨模塊，其中每個單獨模塊包含基於基本原理的模 型，以及全體單獨模塊代表整個製造環境；使每個單獨模塊參數化，其中參數化的輸出包括該模塊的單獨的、校準的穩態模型；使每個單獨模塊線性化，以提供多個線性化模塊，其中使每個單獨模塊線性化包括產生每個單獨模塊的增益矩陣，以及其中每個線性化模塊包含設施的一個部分的降階線 性模型；組合所述多個線性化模塊，以提供設施的降階模塊，其中組合所述多個線性化模塊 包括卷積每個線性化模塊的增益矩陣；根據設施的降階模塊，確定一組運行條件目標；和 基於所述一組運行條件目標，改變製造環境內的一個或多個運行條件。
12.按照權利要求11所述的方法，還包括測量製造環境對改變的運行條件的響應，和 重新使各個單獨模塊參數化。
13.按照權利要求12所述的方法，還包括重新組合所述多個線性化模塊，以提供設施的新的降階模塊；和 確定一組新的運行條件目標。
14.按照權利要求13所述的方法，其中設施的新的降階模塊是更新的降階模塊。
15.按照權利要求13所述的方法，還包括基於所述一組新的運行條件目標，改變製造 環境內的一個或多個運行條件。
16.一種用於基本優化製造環境內的工廠運行的設備，包括用於向模型優化代理提供多個單獨模塊的裝置，其中每個單獨模塊包含製造環境的 一個部分的基於基本原理的模型，以及其中全體單獨模塊代表整個製造環境； 用於使每個單獨模塊參數化的裝置；其中在參數化期間，可向至少一個單獨模塊提供模塊間數據流；和 其中參數化的輸出包括每個單獨模塊的單獨的、校準的穩態模塊。
17.按照權利要求16所述的設備，還包括用於使每個單獨模塊線性化的裝置，其中每個線性化模塊包含設施的一個部分的降 階線性模型。
18.按照權利要求17所述的設備，還包括用於估計由至少一個線性化模塊代表的製造環境的所述部分內的參數的裝置；和 用於使測量的工廠數據與估計的參數匹配的裝置。
19.按照權利要求16所述的設備，還包括 用於組合多個線性化模塊的裝置；和用於利用組合的模塊，求解整個製造環境的裝置。
20.按照權利要求19所述的設備，其中用於組合多個線性化模塊的裝置包括用於卷積 每個線性化模塊的增益矩陣的裝置。
全文摘要
本發明涉及改進位造廠運行的在線模塊化參數化和連續線性規劃。基本優化製造環境內的工廠運行的方法和系統。所述方法包括把製造環境分成兩個或多個單獨模塊，其中每個單獨模塊包含基於基本原理的模型，其中全體單獨模塊代表整個製造環境。當每個單獨模塊達到穩態時，單獨使所述模塊參數化，其中在參數化期間，可向至少一個單獨模塊提供模塊間數據流，其中參數化的輸出包括每個單獨模塊的單獨的校準的穩態模型。從每個參數化模塊得到降階模型，組合多個所述降階模型以提供設施的降階模型。求解所述設施的降階模型，以提供改進的或者新的運行條件或運行條件目標。
文檔編號G05B13/02GK102016731SQ200980115128
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月6日 優先權日2008年4月30日
發明者K·R·茜斯, R·D·巴圖塞克, R·W·方泰內 申請人:埃克森美孚化學專利公司