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以运营为驱动的矩阵设计

来源:控制工程网2020.12.30阅读 756

  矩阵设计实践,是指控制工程师在任何多变量控制器的核心如何设计矩阵。多变量控制矩阵,是由沿一个轴的操纵变量(MV),沿另一轴的受控变量(CV)以及矩阵内各个位置的模型组成,通过模型指示该MV/CV对之间的关系(图1)。设计矩阵包括选择MV、CV和模型,这些变量用于多变量控制器中的各种控制和优化目的。

图1:常压原油蒸馏塔的多变量控制矩阵是基于运营驱动的设计实践。该矩阵比传统的原油蒸馏塔应用小。它主要解决了色谱柱压力和产品质量控制的问题控制工程网版权所有,这通常是此应用最有价值的目标,并且经常是在现有大型矩阵应用中发现的“松懈”的目标。图片提供:APC Performance 

  在过去的30年中,“大型矩阵”设计实践一直在工业应用中占主导地位,广泛的工厂测试用于识别所有相关的过程变量和过程交互作用。一个基本原则是更多的变量和更多的模型,以便为控制和优化目的提供更完整的解决方案。在大型矩阵实践中,通常会使用一个大型的多变量控制器来涵盖整个工厂装置,该控制器可能具有数十个(有时超过100个)变量或成百上千个模型。
  这种方法的副作用是,当今过程工业中大多数已安装的多变量控制器都存在体积庞大、系统复杂,且拥有、运营和维护成本比较高的问题。此外,大矩阵方法排除了小型多变量控制应用,这些应用可能会基于更多的基本控制和运营改进,但这并不意味着大矩阵模式的高成本门槛是合理的。
  在传统的多变量控制技术中,内置优化器始终被视为必不可少的部分,因此大多数相关人员从未质疑过它。相反,一直在寻找更好的方法来支持和维护大型矩阵控制器。但是www.cechina.cn,凭借数十年经验的洞察力,现在无需使用内置优化器即可构建更小、更高效的多变量控制应用CONTROL ENGINEERING China版权所有,就可以满足运营和控制需求,因此不会导致超出矩阵基本控制和运营范围的副作用。 
  以运营为驱动的矩阵设计
  以运营为驱动的矩阵设计(operation-driven matrix design)可以揭示重要的自动化机会。它在某些关键方面与优化驱动的设计有所不同。它通常是较小的多变量控制器,而不是大型控制器,并且变量和模型较少。当人们对变量的重要性、控制权的有效性或模型的可靠性产生担忧时,通常就将其排除在矩阵之外。排除可靠性方面的错误,保留优化方面的偏差。以运营驱动的矩阵设计的总体目标是自动化控制工程网版权所有,而不是优化,并且这种设计活动仅包括必要、可靠和有价值的部分。
  在运营驱动的矩阵设计中,基于对设定值、输出或模式的频繁(通常是高度一致的)变更,可以识别一组相关的单回路控制器。这一过程表示运营团队正在执行手动开环多变量控制,目标是:
  1.自动执行这些手动多变量控制方案,以获得闭环控制相对于开环控制的内在优势;
  2.将运行团队从重复控制回路微管理中解放出来,从而留出更多时间来发挥积极的过程监督作用。
  运营驱动的矩阵设计并不试图包括所有相关的变量和模型。它通常侧重于现有的手动多变量控制运营实践和过程中已经使用的方法。它可以自动执行已建立的、经过验证的程序,并可以收集运营团队的经验和技能,以了解哪些MV适用并能可靠的控制CV。使用自动化来获取操作员的技能是重要的标准,在大型矩阵实践中经常忽略此点,而倾向于更大的优化。
  优化将何去何从?
  优化属于业务层,它基于对站点范围信息的访问www.cechina.cn,能够承载各种计划、调度、混合和建模工具的能力,以及适当的执行时间范围(一般是每天而非实时)。通常的做法,是对优化的整个站点的生产计划进行每日更新,并通过运营命令链将其向下传达。
  这就对控制层传统的多变量控制内置优化器提出了质疑。在控制层中,由于过程值会实时变化,多变量控制需要高频执行。但是www.cechina.cn,优化通常不会实时变化,因此它们一般不需要高频执行。这使控制层优化器变得冗余且不必要,它甚至会大大提高常规多变量控制应用的维护成本(仅次于模型维护)。
  小型多变量控制
  许多小型多变量控制应用,仍处于大矩阵多变量控制范例的“雷达之下”,但是至今尚未提出这些应用的确切性质以及识别它们的方法。发现这些应用的一种简单技术是使用控制台活动日志,以设定值、输出或模式变更的形式,识别最需要操作员干预的控制器(图2)。

图2:与以前在工业范围内解决手动和不良反应器警报中的回路建议一样,这种简单的多变量控制技术可以识别出闭合的多变量开环,以获得闭环控制相对于开环控制的众所周知的好处。

  一个可靠的假设是,这些“不良因素”中的大多数在手动多变量控制方案中是有效的。在这种情况下,操作员必须经常调整相关控制器组,以将相关过程变量保持在约束范围内,并尽可能保持最佳目标值。“最佳目标值”指的是如何利用剩余MV可用性(在约束控制之后),并不一定意味着该值来自实时优化器(而实际上经常如此)。 
  这种手动开环活动可以通过部署以运营驱动的多变量控制器来实现自动化,以获取闭环控制相对于开环控制的优势。最近,这项技术已经在工业领域中成功的应用了两次:一次用于手动回路(与手动多变量回路相反),一次用于处理“不良因素”警报。根据EEMUA 191《报警系统—设计、管理及采购指导》,操作员每10分钟最多只能收到一个警报。但是www.cechina.cn,并没有针对控制器每小时干预次数的最佳实践指南。直到现在,这还没有引起人们的注意。 (作者:Allan Kern)
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