生产过程的动态在线优化的制作方法.docx

生产过程的动态优化的制作方法专利名称：生产过程的动态优化的制作方法技术领域：本发明一般地涉及用于生产过程的方法和系统，更具体地来说，涉及过程运行条件的优化本发明具体适用于纸浆和/或造纸生产过程背景技术： 在加工纸浆和纸张时，生产过程通常划分成以或多或少有些复杂的模式彼此相连的多个过程段(process section)过程段的例子可以有蒸煮器、漂洗设施、匀浆机(refiner)、漂白装置等每个过程段的部分过程通常是一个复杂的过程，其中过程段的输出流及其特性依赖于由材料、化学添加剂、过程运行条件以及过程段的先前的运行历史构成的当前输入流这意味着输出不仅依赖于依赖于当前条件，而且依赖于该过程段早期阶段的运行方式，即不同种类的变量之间存在动态关系在纸浆和纸张生产过程中，要添加很多化学物这些过程化学物质正常反应，并对纸浆和/或纸张产生预期效应时形成其它化学物质但是，某些化学物质大部分是在工艺过程中提取的，以将浓度保持在所需的限度内因为化学物质价钱昂贵，应尽可能地回收因此，纸浆和纸张生产线通常还包括负责处理提取的化学物质的过程段工艺过程中这些化学物质的流及其特性以更复杂的方式与工作条件相关具体地来说，与过程历史的相关性甚至比与纸浆流本身的相关性更明显。

在今天的大多数纸浆和纸张工厂里，对化学添加剂流的控制通常是一种非常简单的类型如果化学物质不足，则添加更多的化学物质，如果化学物质过量，则过量的部分就浪费掉在欧洲专利申请EP1035253中，公开了一种优化纸浆或造纸生产过程在此公开文献中，提到用于优化过程的同等重要的多个输入，如原材料以及化学物、能量等所考虑的输出通常是生产量、质量特性和价格以及废品数量但是，实际的优化程序只概括地描述为一个自动校准模块该方法可能是针对的是不同的典型稳态情况中的调整点的离线优化由先前运行历史中存在的差异引起的困难根本未得到解决再者，即使提到了一些瓶颈问题，但这种优化基本上将生产过程作为一个实体考虑，其中只讨论整个过程的输入和输出当该过程的运行发生改变时，例如如果更改了生产率，则因运行历史的相关性导致的问题变得特别严重同时，原材料特性的大的变化，例如大的卡伯数(kappa number)变化或硬木和软木之间的变更，都可能使工艺过程发生大的变化在此类情况中，可在过程系统中引起大而缓慢的波动某些波动甚至可能具有超过几个小时的时间常数因此，集中于过程的当前输出的模型和优化程序可以引入控制机制，但很长时间以后证明是不可取的。

如果过程运行的变化很大和/或是突发性的，也许不可能维持所需的质量并使工厂运作接近最盈利的状态波动通常与操作有关，这最终导致例如化学添加剂的浪费增加，从而导致成本增加在现有技术的控制系统中，难于处理这些波动现有技术的控制系统通常基于基本无故障运行的假设如果发生故障并且过程段临时必须停止运行，则可能没有足够的缓冲器来确保其余过程段的连续运行这种间断可能影响最终产品的质量和数量以及其它与成本相关的特性具体地来说，在存在明显瓶颈的系统中，连续问题可能在很小的中断中发生发明概述现有技术控制方法的问题在于它们通常不适合于处理具有较大时间常数的过程运行的变化现有技术系统的另一个问题在于，甚至对过程段的小故障也相当敏感再者，现有技术系统通常对瓶颈过程的处理不令人满意因此，本发明的目的在于提供一种系统和方法，这种方法具体说用于纸浆和纸张生产，可以处理具有较大时间常数的动态过程的系统本发明的另一个目的在于提供一种具体说用于纸浆和纸张生产的系统和方法，它可以优化过程中化学添加剂的利用率另一个目的在于提供一种可灵活地解决瓶颈问题的系统和方法上述目的通过根据所附专利权利要求的方法和系统来实现一般来说，通过处理不同过程段的操作变量与各过程段的过程输出变量之间的时间相关关系的动态模型对过程建模。

测量多个状态变量，最好先前的测量结果也可用在动态过程模型且最好还有预测时间间隔内的生产计划所施加的约束下，通过优化同一时间间隔上的目标函数，而获得后续时间间隔内的操作变量的建议输入轨迹该目标函数包括一些关系，这些关系涉及利用过程模型，基于状态变量的当前测量值以及最好还有先前的测量值，在预测时间间隔内对随时间变化的受控过程输出变量的预测以这种方式，对过程的动态行为作了处理利用预测时域(prediction horizon)，还可以通过减小任何诱发的波动而为计划的未来的运行变化作准备动态模型最好基于动态过程段模型，动态过程段模型对不同过程段的实际过程建模，并通过中间存储模型互联，如缓冲器模型或缓冲池模型不同过程段之间的流是过程输出变量或操作变量利用与化学添加剂，具体为化学物量、化学物在系统中的分布以及化学物的消耗相关联的过程输出变量，可以调整优化来处理与化学添加剂相关联的优化方面再者，还可处理诸如瓶颈过程和暴露的过程段中微小故障之类的优化方面状态估计技术最好用于预先处理实际测量的变量，以便可以生成用于未来优化的初始状态根据本发明的方法和系统还可以用于在生产过程(最好是纸浆和/或纸张生产过程)中执行如下任一操作监视、控制、调节、模拟、优化、为决策提供支持和建议。

附图简介参考如下附图及说明，可以更好地理解本发明及其其他目的和优点，附图中图1是说明部分过程系统的模型的框图；图2是说明暂时关闭一个过程段对缓冲水平的影响的示意图；图3是说明通过根据本发明的方法创建的生产计划、状态变量轨迹和输入轨迹的示意图；图4是说明可用于本发明的滚动时域(receding horizon)原理的示意图；图5是根据本发明的方法实施例的流程图；图6是说明状态估计过程的示意图；图7是说明根据本发明一个实施例的纸浆和纸张系统的框图；以及附图8是可用于根据本发明的系统中的计算机系统的框图发明的详细说明在本发明公开中，将讨论与所述过程关联的多个变量这些变量具有某种程度上不同的特征，为了避免对术语的曲解，下面首先给出本公开中所用术语的定义一个过程在每个时刻均由多个状态变量来表征此类状态变量可一般地视为属于几乎任何一种类型，这里用作有关过程状态的所有可能变量的通用术语过程或过程段通常通过设置若干操作变量来控制这些操作变量是易于影响且对过程运行有重要关系的状态变量所述操作变量可以是例如容易通过控制例如某个值来进行调整的过程的材料或添加剂的输入流控制操作的结果由一组状态变量表示，这些变量在本公开中称为过程输出变量。

这些过程输出变量的一个子集适用于监控控制操作此类变量这里称为受控过程输出变量控制操作的目的是促使受控过程输出变量接近预定的调整点或调整点函数表征过程控制结果但不直接用于控制目的的状态变量在本公开中称为相关的过程输出变量某些状态变量容易以或多或少直接的方式通过不同的传感器来测量此类变量称为可测变量其它状态变量难以或甚至不可能直接测量相反，另一个或一些相关的量是测量得到的，而实际的状态变量是通过或多或少有些复杂的模型或关系来估计的此类变量称为导出变量如今，许多生产过程都是由以不同方式链接的过程段构成的非常复杂的配置基于成本和环保的考虑，要求回收再利用废品，这使整个过程系统更加复杂一般情况下，各过程段不会只构成一条直线，而是形成环并通过连接网络相连处理不同过程段之间接口上的流变化的一种典型方法是引入缓冲池只要平均输出流是满足需要的，则在前过程段的绝对输出流不会限制后续过程段的运行缓冲池的精确缓冲水平任何时候都是次要的生产过程一般涉及非常复杂的运行用于执行过程段的实际控制的操作变量通常不会通过简单关系与过程输出变量，如流和输出特性直接相关联通常存在非线性关系以及时间依赖关系这意味着不同场合下操作变量的某些变化对过程输出变量可能产生不同的影响。

例如，这种非线性和/或动态过程存在于如今的大多数纸浆和纸张工厂中例如，因为许多过程基本上与重要化学反应相关，所以涉及到不同的化学平衡关系各种化学物质的不同浓度可以根据不同的化学反应来驱动过程此类过程中还可能存在大的惯性效应一个过程期间某种化学物质的过量可能在稍后的场合影响过程运行根据上述讨论，显然如今常见的纸浆和纸张生产过程包括材料流和具有大的变化时间常数(time constant for variation)的过程这些动态特性源于过程动态性本身，以及过程段之间缓冲存储池的使用当对此类系统建模时，必须采取支持这些动态性的措施根据本发明的优选实施例，一个复杂生产过程的模型是根据将其划分成多个标准模型对象来实现的因此，总模型包括对应于不同过程段、一组过程段或一个过程段的部分的多个过程段模型这些过程段模型通过模型对象彼此连接，缓冲器模型基本上代表中间储存装置，这里采取所谓的缓冲器模型的形式图1显示了过程系统的模型1的一个实例此过程系统部分具有四个过程段，由过程段模型10A-D表示这些过程段模型可以通过含不同流30A-M的多个连接连接起来每个过程段模型10A-D具有原材料、部件产品(partproduct)、化学添加剂、溶剂等的一个或多个过程段输入流30A、D、E、I、K、L。

每个过程段模型10A-D还具有过程段最终产品、副产品、废品等的一个或多个过程段输出流30B、C、F、G、H、J、M过程段输出流30B、C、F、G、H、J、M依次连接，构成缓冲器模型20A-H的输入流同样地，过程段输入流30A、D、E、I、K、L开始成为缓冲器模型20A-H的输出流这样，每个过程段模型10A-D通常只连接到缓冲器模型20A-H，而缓冲器模型20A-H只连接到过程段模型10A-D此外，还有流入整个过程的输入流32A-B和从整个过程发出的输出流34A-B，这些输出流导向或开始于缓冲器模型20A-H交替设置过程段和缓冲器的原理是一种通过有限数量的标准模型对象设计总体模型的简单的优选方式但是，本领域的任何技术人员明白，还可以采用其它模型设计例如，可以将缓冲器的运行结合为相邻过程段模型的一部分，从而只有互连的过程段模型该模型还可以是介于它们之间的混和模型，并且还可以包括具有其它特征的其它类型的模型对象在图1所示的模型中，过程段模型10A-D和缓冲器模型20A-H表示不同的特征过程段模型10A-D表示部分过程，包括输入流与输出流之间或多或少有些复杂的动态关系，包括流物质的特性此关系通常具有多个操作变量40A-D，过程的实际控制通过这些操作变量来执行。

此类操作变量可以例如控制到过程段的输入流的速率或工作条件(如温度、压力、对过程段的能量供应等)如上所述，输入流和输出流之间的关系以及其中物质的特性一般是动态关系，涉及到时间相关项这意味着表征过程段的运行的过程输出变量一般不仅依赖于这些操作变量的当前设置值，而且依赖于这些操作变量的先前设置值以及先前的实际过程运行中间储存模型可以归纳为几种对象类型其中有输入流，输入流基本上由一个或多个过程段模型的输出流或将全部输入32A-B纳入考虑时的外部因素确定还有输出流，输出流基本上由一个或多个过程段模型的输入流或将全部输出34A-B纳入考虑时的外部因素确定由此输入流与输出流之间的时间积分差确定了缓冲水平22A-H或浓度基本上，无法以显式方式控制缓冲器在建模的第一简单阶段，缓冲器中的材料内容被视为同质的，即假定能够即刻且完全地混和但是，如果预计物质特性会有大的变化或认为难以混和，则可以创建一个更完善的模型，其中利用了输入和输出流的物质特性之间的时间相关关系在根据图1所示模型的过程系统中，存在许多就监控过程运行而言需要关注的过程输出变量设置了多个不同的传感器51、52、53来测量重要的过程输出变量在图1中，为了简化附图，只显示了三个传感器。

但是，传感器通常存在于整个系统中传感器51可以表示状态变量(例如实际过程段中的处理条件)的测量值传感器52可以表示流速率和流中的物质的成分和/或浓。