过程测量数据校正技术在甲醇工厂的在线应用

过程测量数据校正技术在甲醇工厂的在线应用刘宝卫,等过程测量数据校正技术在甲醇工厂的在线应用Online Application of Process Measurement Data Reconciliation in Methanol Plant刘宝卫'赵霞'吴胜昔2潘兆鸿’(上海交通大学电子信息与电气工程学院' ,上海200240;华东理工大学信息学院,上海200237;上海慧铭 自动化信息产业有限公司’,上海20023)摘要:过程数据的质量严重影响了MES中的过程监控、实时优化和控制及其它模块的性能和效益。为获得平衡和准确的过程數据,研发了-种组合了测量数据检验法和GLR检验法的改进型序列补偿法,并将其应用于数据校正中显著误差的侦破和处理。基于该方法并以甲醇工艺过程为背景的一套实时 数据校正软件在某大型甲醇工厂的MES中投人在线运行,并获得了满意的效果。该方法经过适当改造后可以应用于某些过程工业的在线数据校正。关键词:制造执行系统数据校正随机误差 最小二乘法 序列补偿法中國分类号: TP274文献标志码: BAbstract: The quality of process data significantly afcts the perormance and profit gained from process monitoring, real-ime optimization andcontrol and other applications in MES. To get balanced and correct process data, the modified serial compensation method integraing measure-ment data test with CLR test was developed to detect and deal with the gross errors. Based on the method, and with the methanol process asbackground , a da-reconciliation sofware package is put into on-line service in MES of a large -scale methanol plant. The reconciled data bringabout the desired efect. The method can be applied in certain process industries for on-ine data reconciliation with slight modifcation.Keywords: Manufacturing execution system( MES) Data reconciliation Random error Least square method Serial compensation method0引言1过程 数据校正问题的数学模型MES已越来越广泛地应用于过程工业中川,因而假设数据的测量值由真实值和比较小的随机误差准确的过程数据对现代化工装置显得尤为重要。在实构成,过程处于稳态,且测量数据所包含的随机误差ε时条件下,企业的生产调度、计划管理、装置的优化模服从正态分布:E(e) =0,Cov(e)=Q。拟等工作都依赖于准确的过程数据。测量中不可避免线性约束的数据校正问题的一- 般数学模型为:随机误差的产生从而导致测量值不能精确地符合化工min(8-x)"Q"(8-x)(1)过程中一些内在的物理、化学规律。此外,由于各种原因导致不能采集到所有需要的数据,不平衡和不完整St.AX +BU= C(2)的过程数据限制了基于这些数据的应用。数据校正就式中:x为测量数据的校正值向量;U为待估量组成的是对采集来的测量数据进行校正(2) ,使其完全满足其向量;A B、C为系数矩阵。内在的物理化学规律及其它约束条件，并对所需的未测量数据进行有效的估计,从而获得高度可靠和完整2测量 数据的过失误差侦破处理方法的过程数据。本文以某甲醇工厂为背景,研究了双线性模型中实际上,由于测量仪表失灵、操作失误等问题,数据协调和过失误差侦破等问题,采用测量数据检测造成少量测量数据严重失真,使数学模型中测量数法和广义似然比法相结合的一-种序列补偿法对测量数据只含较小的随机误差的假设并不成立。因此,要据进行过失误差侦破处理,并获得了较好的结果。进行测量数据的校正，就需要对测量数据进行过失误差侦破,将侦破出含有过失误差的数据进行处理,使其对校正值所造成的影响降至最低。对线性约束“十一五”国家“八六三”基金项目(编号:006A042171)。问题常用的过失误差检测与侦破方法有整体检测修改稿收到日期:2007 -09-12。第一作者刘宝卫,男,1983年生,现为上海交通大学控制理论与控制法"、约束方程检测法、测量数据检测法'*和广义似工程专业在读硕士研究生;主要从事过程教据校正的研究。然比法等5]。PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 29 No.2 February 208过程测量数据校正技术在甲醇工厂的在线应用刘宝卫,等过程分为校正和估计两步计算。先将问题转化成在人未湘形]F +二数据协调只含测量的约束最小二乘法问题,得到校正后的测量T判断数据后再对待估量进行估计。首先进行数据分有无过失误差类[°-7]1 ,将变量分为测量变量和待估量,用投影矩阵法有过消去待估量的系数矩阵B,将数学模型转换成如下形参数估计获得可能合有过失课差" 校正完成)进行GLR侦破min(x-x)"Q"(8-x)(3)|对测景值进行补偿处理St.A8 = c(4)补偿后的值替代原来的测量值采用的误差侦破与处理方法为测量数据检测(MT)法与广义似然比(GLR)法相结合的序列补偿图1校正流程图法8]。将MT和GLR结合起来，进行MT的时候考虑Fig. 1 Flowchart of data reconciliation到变量可能产生过失误差可能性的大小,用GLR确定3应用实例过失误差位置后进行补偿时考虑变量的边界约束。这样更加充分利用了已知的有用信息。校正流程如图1某甲醇厂从原料气到粗甲醇的工艺简化流程如所示。图2所示。_2反应器]lu净化装置1 ]+甲醇合威门中傅,↑V:↑17↓31净化装置3-6十冷箱1混合器↓:↑22混合署分流器，25➢变压吸附19→|耱士气山分流器2分源器↑V,__3山净化装置4-112 +冷箱230↓T漏入的水| 反应器2]J5$[化装置2分流27 +甲静合成2甲静2、Ty下- 28图2甲醇工厂 工艺流程團Fig.2 Technological process of one methanol plant图2中的数字为气体流股的编号,代表不同管道中分平衡的在线数据校正是-项艰巨的工作。的气体;方框为节点。各流股中只有漏人的水、甲醇1、根据对模型对象的深入分析,我们决定采用双线甲醇2为液体,其余均为气体。分流器中的分流系数性方法进行数据校正,并进行了一些合理的假设。待估,流股1.2.22、23、24.27的流率没有测量值,23的由于分流器中的分流系数未知,我们分三步进行组分没有分析值。V..V2 .Vj、V。为净化装置中的释放数据校正:气,TT2、T,T.为净化装置的回收气,准备进人净化①不加入进出分流器的流股有相同组分的约束,装置2中。30、31 为甲醇合成的释放气。进行双线性的数据协调和显著误差的侦破和处理;反应器1 2中有一个变换反应:②根据冗余度比较大的组分流量(这里是COCO +H20=CO2 +H2(5)和H,)计算分流系数,将分流约束加人约束方程,进甲醇合成1.2中有两个合成反应:行双线性的第二次数据协调和显著误差的侦破处CO +2H2 = CH.OH(6)理;CO2 +3H2 = CH,0H + H20(7)③对比两次的结果,修正部分测量数据,收缩部这是一个有19个节点、30多个流股.4个反应器分数据的方差,并修正分流器中的分流系数,进行最后且有多个嵌套循环的工艺流程,对这样的工艺进行组的数据校正。《自动化仪表》第29卷第2期2008 年2月2过程测量数据校正技术在甲醇工厂的在线应用刘宝卫,等某次采集的原始数据及最终校正的结果如表1和表2所示。表1流率的测值和校正值Tab.1 Measured and reconciled values of flow流股号测量值校正值单位流股号.1111 185.00m'/班855 27455 697.770262 783.90924 51924 519. 000m’/班424518.8336 188. 500451 626427 429.300510615.0512 212.502111 56110 862 460138 769.0132 577.00218 166. 110112 020.0107 262. 602351 564. 83023 788. 019742. 1750032. 28058 867.062427. 29.254604144 261. 17048 080.044 261. 17264044339 169. 830m'/班.10659 893.0623 982. 3027354 226. 1001131 307.0130 206. 902873457 139.611.12100674.0105 306. 503 8283 771.9501353 659.055 274.23306 0446 694.05046 840.039 169. 8394199661. 7801s411 680.0399 037.90甲醇1202 745202 33.400kg/班16286 889.0284 402. 50甲醇2171 065170 681. 80017110972.0110972. 00漏人的水.1 6001 600.000表2组分百分比的测值和校正值Tab.2 Measured and reconciled values of component percentage%组分1,2,3,4CO46. 461 .47. 070 60099.22399. 263 7205,11CO217.36417.469 750CO,H35. 87435. 079 9200.0660.065 702C(56. 54756. 524 37019co43. 10643.006 29099. 90099. 900 000C33. 38722. 887 1902029. 83729. 452 0303. 3632.451 24766.02276.703 30067. 76367. 641 6808,9,22 ,2510.11510. 208 56023.52528. 666 680CC1. 999.3. 09603088. 95989.553 39072. 83467.724 65020. 80020. 726 8302.6012.675 11231. 15032. 252 8401. 8562.311 77447. 650.46.708 62091.24891. 772 48055. 86156. 514 900291.7001.725 1050. 1001. 9492. 385 176 .H243. 78143. 015 59091.38091. 654 84099.115 .99.078 0705.3494. 831 7433. 405-5.300x100. 1870.183 04774. 24768.041 32014,21 ,24 .8. 7509.492 324314.924 .4.8002701.0891.061 636 .H:90.35090. 335 75076.13074. 007 1601522. 68723. 906 630CH,OH95. 68595. 879 64030. 35030. 468 460H204.1124. 120 36446. 56245. 30499093. 68993. 899 330C030. 22532. 718 500H.O6. 0876. 1006652. 2003. 766 466H，67.17563.066 17022PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 29 No.2 February 2008过程测量数据校正技术在甲醇工厂的在线应用刘宝卫,等例如,反应器1的流股4和流股10在校正前后的系数据库中。从而实现数据的同步,如图4所示。气体总流量和三种主要组分的组分流量(由总流量和组分分析值计算)的数据如表3所示。表3组分流率值Tab.3 Component flow_m数据转储组分流量流股4流股10差值总流量510615.0659 893.0- 149 278.0校237 237. 0137 258.099979.1数据预处理关系敷据库正ECC88 663.2205 557.0-116 894.0图4数据同步前H183 178.0314 439.0- 131 261.0Fig.4 Process of data synchronization其1537.02639.6-1 102.6512212.5623 982.3-111 770.0数据校正软件通过MES信息总线从关系数据库241 102.0129 332.0111 770.0中取出预处理过的信息,包括生产过程中每个流股的正CO289 482.2201 252.0-111 70.0流量,以及流股的组分分析值,然后对组分和流量进行后179 684.0291 454.0- 111 770.0数据校正运算(包括数据协调和显著误差侦破处理及其它1945.1.1 945.1参数的估计)获得准确和完整的数据。再将校正后的可以看到校正前的数据不满足式(5),而校正后流量和组分分析值存放在数据库中。MES的其它模数据完全满足物料平衡方程。另外,3号流股经过反块就可以通过MES信息总线取得这些数据进行优化应器2后变为15号流股,由于经过一个变换反应,气控制、设备监控、生产调度、动态成本运算等应用。体量应该增加。但3号的测量值424519m'比15号5结束语的测量值411 680 m'还大。肯定有一个含有较大的误差,对比校正前后,明显是3号的测量有误。校正后的研究了甲醇工艺过程中测量数据的校正问题，针对过程数据是平衡的,并给出了未测量数据的估计值。而实际的工艺流程采用了合适的测量数据协调及过失误差平衡完整的过程数据给化工生产的调度、核算、考评、计侦破和识别方法。工厂“运行情况表明,采用该算法编制的划、经营等生产活动提供了坚实准确的信息基础。软件能够有效地对甲醇工厂过程测量数据进行在线的数据协调以及过失误差侦破和识别，校正后的过程数据的4在线校正的实现质量完全能够满足MES中其它应用模块的需要。在MES中,通过组态网将从DCS采集来的生产现参考文献场信息存放在实时数据库中,由人工录人的数据存放[1]黄河清,俞金寿.面向流程工业的MES及其关键技术[J].自动在关系数据库中。MES信息集成模块通过MES信息[2] 王秀萍,荣冈,王树青.先进控制技术及应用[J].化工自动化化仪表2004.25(1):10-15.总线,从关系数据库中取出关系型数据,从实时数据库及仪表199 ,26(3) :62 -67.中取出生产过程的实时数据,并对其进行校正前预处[3] TAMHANE A C, MAH RS H. Duta reconeiliation and groes eror理。如图3所示,根据配置表按指定时间(例如一小时detection in chemical process networks[ J]. Technometris, 1985 ,或一个班)采集实时数据,对实时采集的数据进行滤波27(4) :409 -422.处理,对其中的瞬时数据进行积分累计处理,对累计量[4] IORDACHE C,MAH RS H,TAMHANE A C. Prfomance sudies o进行减运算处理以得到指定时间段的流量,对采集数据the measurement lest for detetion of guss erors in process data [J].The American Instute of Chemical Enginees, 1985 ,31(7): 1187 -按需要进行单位换算,按工厂流程结构对处理的实时数1201.据分组,最后把处理过的数据转储到另一台服务器的关5] NARASIMHAN S,MAH R s H. Generalized lkelihood raio methodfor gross eror identificatio[ J]. The American Institute of Chemical中数据采集| 运算处理单位换算 | |分组模型数据输出片>Engineers ,3(9):1514 - 1521.6]袁永根,李华生.过程系统测量数据校正技术[ M].北京:中国石化出版社，1996: 96 -110.数据通道[7] 蒲扬飞,陈丙珍, 何小荣.数据分类的两步矩阵投影算法[J] .清华大学学报:自然科学版，2004 ,4(3):311 -314.图3实时 数据预处理8] NARASIMHAN s, JORDACHE C. Dala reonociliaion & gross erorFig.3 Process of real-time data pretreatmentdetection[ M]. Houston : Gulf Pubishing Company, 200 241 -244.《自动化仪表》第29卷第2期2008 年2月2