過程測量數(shù)據(jù)校正技術(shù)在甲醇工廠的在線應(yīng)用劉寶衛(wèi),等過程測量數(shù)據(jù)校正技術(shù)在甲醇工廠的在線應(yīng)用Online Application of Process Measurement Data Reconciliation in Methanol Plant劉寶衛(wèi)'趙霞'吳勝昔2潘兆鴻’(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院' ,上海200240;華東理工大學(xué)信息學(xué)院,上海200237;上?；坫?自動(dòng)化信息產(chǎn)業(yè)有限公司’,上海20023)摘要:過程數(shù)據(jù)的質(zhì)量嚴(yán)重影響了MES中的過程監(jiān)控、實(shí)時(shí)優(yōu)化和控制及其它模塊的性能和效益。為獲得平衡和準(zhǔn)確的過程數(shù)據(jù),研發(fā)了-種組合了測量數(shù)據(jù)檢驗(yàn)法和GLR檢驗(yàn)法的改進(jìn)型序列補(bǔ)償法,并將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)校正中顯著誤差的偵破和處理?；谠摲椒ú⒁约状脊に囘^程為背景的一套實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)校正軟件在某大型甲醇工廠的MES中投人在線運(yùn)行,并獲得了滿意的效果。該方法經(jīng)過適當(dāng)改造后可以應(yīng)用于某些過程工業(yè)的在線數(shù)據(jù)校正。關(guān)鍵詞:制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)校正隨機(jī)誤差 最小二乘法 序列補(bǔ)償法中國分類號(hào): TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼: 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過程 數(shù)據(jù)校正問題的數(shù)學(xué)模型MES已越來越廣泛地應(yīng)用于過程工業(yè)中川,因而假設(shè)數(shù)據(jù)的測量值由真實(shí)值和比較小的隨機(jī)誤差準(zhǔn)確的過程數(shù)據(jù)對現(xiàn)代化工裝置顯得尤為重要。在實(shí)構(gòu)成,過程處于穩(wěn)態(tài),且測量數(shù)據(jù)所包含的隨機(jī)誤差ε時(shí)條件下,企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度、計(jì)劃管理、裝置的優(yōu)化模服從正態(tài)分布:E(e) =0,Cov(e)=Q。擬等工作都依賴于準(zhǔn)確的過程數(shù)據(jù)。測量中不可避免線性約束的數(shù)據(jù)校正問題的一- 般數(shù)學(xué)模型為:隨機(jī)誤差的產(chǎn)生從而導(dǎo)致測量值不能精確地符合化工min(8-x)"Q"(8-x)(1)過程中一些內(nèi)在的物理、化學(xué)規(guī)律。此外,由于各種原因?qū)е虏荒懿杉剿行枰臄?shù)據(jù),不平衡和不完整St.AX +BU= C(2)的過程數(shù)據(jù)限制了基于這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用。數(shù)據(jù)校正就式中:x為測量數(shù)據(jù)的校正值向量;U為待估量組成的是對采集來的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正(2) ,使其完全滿足其向量;A B、C為系數(shù)矩陣。內(nèi)在的物理化學(xué)規(guī)律及其它約束條件，并對所需的未測量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的估計(jì),從而獲得高度可靠和完整2測量 數(shù)據(jù)的過失誤差偵破處理方法的過程數(shù)據(jù)。本文以某甲醇工廠為背景,研究了雙線性模型中實(shí)際上,由于測量儀表失靈、操作失誤等問題,數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)和過失誤差偵破等問題,采用測量數(shù)據(jù)檢測造成少量測量數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真,使數(shù)學(xué)模型中測量數(shù)法和廣義似然比法相結(jié)合的一-種序列補(bǔ)償法對測量數(shù)據(jù)只含較小的隨機(jī)誤差的假設(shè)并不成立。因此,要據(jù)進(jìn)行過失誤差偵破處理,并獲得了較好的結(jié)果。進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的校正，就需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行過失誤差偵破,將偵破出含有過失誤差的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,使其對校正值所造成的影響降至最低。對線性約束“十一五”國家“八六三”基金項(xiàng)目(編號(hào):006A042171)。問題常用的過失誤差檢測與偵破方法有整體檢測修改稿收到日期:2007 -09-12。第一作者劉寶衛(wèi),男,1983年生,現(xiàn)為上海交通大學(xué)控制理論與控制法"、約束方程檢測法、測量數(shù)據(jù)檢測法'*和廣義似工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事過程教據(jù)校正的研究。然比法等5]。PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 29 No.2 February 208過程測量數(shù)據(jù)校正技術(shù)在甲醇工廠的在線應(yīng)用劉寶衛(wèi),等過程分為校正和估計(jì)兩步計(jì)算。先將問題轉(zhuǎn)化成在人未湘形]F +二數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)只含測量的約束最小二乘法問題,得到校正后的測量T判斷數(shù)據(jù)后再對待估量進(jìn)行估計(jì)。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)分有無過失誤差類[°-7]1 ,將變量分為測量變量和待估量,用投影矩陣法有過消去待估量的系數(shù)矩陣B,將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成如下形參數(shù)估計(jì)獲得可能合有過失課差" 校正完成)進(jìn)行GLR偵破min(x-x)"Q"(8-x)(3)|對測景值進(jìn)行補(bǔ)償處理St.A8 = c(4)補(bǔ)償后的值替代原來的測量值采用的誤差偵破與處理方法為測量數(shù)據(jù)檢測(MT)法與廣義似然比(GLR)法相結(jié)合的序列補(bǔ)償圖1校正流程圖法8]。將MT和GLR結(jié)合起來，進(jìn)行MT的時(shí)候考慮Fig. 1 Flowchart of data reconciliation到變量可能產(chǎn)生過失誤差可能性的大小,用GLR確定3應(yīng)用實(shí)例過失誤差位置后進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)考慮變量的邊界約束。這樣更加充分利用了已知的有用信息。校正流程如圖1某甲醇廠從原料氣到粗甲醇的工藝簡化流程如所示。圖2所示。_2反應(yīng)器]lu凈化裝置1 ]+甲醇合威門中傅,↑V:↑17↓31凈化裝置3-6十冷箱1混合器↓:↑22混合署分流器，25?變壓吸附19→|耱士氣山分流器2分源器↑V,__3山凈化裝置4-112 +冷箱230↓T漏入的水| 反應(yīng)器2]J5$[化裝置2分流27 +甲靜合成2甲靜2、Ty下- 28圖2甲醇工廠 工藝流程團(tuán)Fig.2 Technological process of one methanol plant圖2中的數(shù)字為氣體流股的編號(hào),代表不同管道中分平衡的在線數(shù)據(jù)校正是-項(xiàng)艱巨的工作。的氣體;方框?yàn)楣?jié)點(diǎn)。各流股中只有漏人的水、甲醇1、根據(jù)對模型對象的深入分析,我們決定采用雙線甲醇2為液體,其余均為氣體。分流器中的分流系數(shù)性方法進(jìn)行數(shù)據(jù)校正,并進(jìn)行了一些合理的假設(shè)。待估,流股1.2.22、23、24.27的流率沒有測量值,23的由于分流器中的分流系數(shù)未知,我們分三步進(jìn)行組分沒有分析值。V..V2 .Vj、V。為凈化裝置中的釋放數(shù)據(jù)校正:氣,TT2、T,T.為凈化裝置的回收氣,準(zhǔn)備進(jìn)人凈化①不加入進(jìn)出分流器的流股有相同組分的約束,裝置2中。30、31 為甲醇合成的釋放氣。進(jìn)行雙線性的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)和顯著誤差的偵破和處理;反應(yīng)器1 2中有一個(gè)變換反應(yīng):②根據(jù)冗余度比較大的組分流量(這里是COCO +H20=CO2 +H2(5)和H,)計(jì)算分流系數(shù),將分流約束加人約束方程,進(jìn)甲醇合成1.2中有兩個(gè)合成反應(yīng):行雙線性的第二次數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)和顯著誤差的偵破處CO +2H2 = CH.OH(6)理;CO2 +3H2 = CH,0H + H20(7)③對比兩次的結(jié)果,修正部分測量數(shù)據(jù),收縮部這是一個(gè)有19個(gè)節(jié)點(diǎn)、30多個(gè)流股.4個(gè)反應(yīng)器分?jǐn)?shù)據(jù)的方差,并修正分流器中的分流系數(shù),進(jìn)行最后且有多個(gè)嵌套循環(huán)的工藝流程,對這樣的工藝進(jìn)行組的數(shù)據(jù)校正?！蹲詣?dòng)化儀表》第29卷第2期2008 年2月2過程測量數(shù)據(jù)校正技術(shù)在甲醇工廠的在線應(yīng)用劉寶衛(wèi),等某次采集的原始數(shù)據(jù)及最終校正的結(jié)果如表1和表2所示。表1流率的測值和校正值Tab.1 Measured and reconciled values of flow流股號(hào)測量值校正值單位流股號(hào).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組分百分比的測值和校正值Tab.2 Measured and reconciled values of component percentage%組分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過程測量數(shù)據(jù)校正技術(shù)在甲醇工廠的在線應(yīng)用劉寶衛(wèi),等例如,反應(yīng)器1的流股4和流股10在校正前后的系數(shù)據(jù)庫中。從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步,如圖4所示。氣體總流量和三種主要組分的組分流量(由總流量和組分分析值計(jì)算)的數(shù)據(jù)如表3所示。表3組分流率值Tab.3 Component flow_m數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)組分流量流股4流股10差值總流量510615.0659 893.0- 149 278.0校237 237. 0137 258.099979.1數(shù)據(jù)預(yù)處理關(guān)系敷據(jù)庫正ECC88 663.2205 557.0-116 894.0圖4數(shù)據(jù)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數(shù)據(jù)校正軟件通過MES信息總線從關(guān)系數(shù)據(jù)庫241 102.0129 332.0111 770.0中取出預(yù)處理過的信息,包括生產(chǎn)過程中每個(gè)流股的正CO289 482.2201 252.0-111 70.0流量,以及流股的組分分析值,然后對組分和流量進(jìn)行后179 684.0291 454.0- 111 770.0數(shù)據(jù)校正運(yùn)算(包括數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)和顯著誤差偵破處理及其它1945.1.1 945.1參數(shù)的估計(jì))獲得準(zhǔn)確和完整的數(shù)據(jù)。再將校正后的可以看到校正前的數(shù)據(jù)不滿足式(5),而校正后流量和組分分析值存放在數(shù)據(jù)庫中。MES的其它模數(shù)據(jù)完全滿足物料平衡方程。另外,3號(hào)流股經(jīng)過反塊就可以通過MES信息總線取得這些數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化應(yīng)器2后變?yōu)?5號(hào)流股,由于經(jīng)過一個(gè)變換反應(yīng),氣控制、設(shè)備監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度、動(dòng)態(tài)成本運(yùn)算等應(yīng)用。體量應(yīng)該增加。但3號(hào)的測量值424519m'比15號(hào)5結(jié)束語的測量值411 680 m'還大。肯定有一個(gè)含有較大的誤差,對比校正前后,明顯是3號(hào)的測量有誤。校正后的研究了甲醇工藝過程中測量數(shù)據(jù)的校正問題，針對過程數(shù)據(jù)是平衡的,并給出了未測量數(shù)據(jù)的估計(jì)值。而實(shí)際的工藝流程采用了合適的測量數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)及過失誤差平衡完整的過程數(shù)據(jù)給化工生產(chǎn)的調(diào)度、核算、考評(píng)、計(jì)偵破和識(shí)別方法。工廠“運(yùn)行情況表明,采用該算法編制的劃、經(jīng)營等生產(chǎn)活動(dòng)提供了堅(jiān)實(shí)準(zhǔn)確的信息基礎(chǔ)。軟件能夠有效地對甲醇工廠過程測量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)以及過失誤差偵破和識(shí)別，校正后的過程數(shù)據(jù)的4在線校正的實(shí)現(xiàn)質(zhì)量完全能夠滿足MES中其它應(yīng)用模塊的需要。在MES中,通過組態(tài)網(wǎng)將從DCS采集來的生產(chǎn)現(xiàn)參考文獻(xiàn)場信息存放在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中,由人工錄人的數(shù)據(jù)存放[1]黃河清,俞金壽.面向流程工業(yè)的MES及其關(guān)鍵技術(shù)[J].自動(dòng)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。MES信息集成模塊通過MES信息[2] 王秀萍,榮岡,王樹青.先進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化化儀表2004.25(1):10-15.總線,從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中取出關(guān)系型數(shù)據(jù),從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫及儀表199 ,26(3) :62 -67.中取出生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并對其進(jìn)行校正前預(yù)處[3] TAMHANE A C, MAH RS H. Duta reconeiliation and groes eror理。如圖3所示,根據(jù)配置表按指定時(shí)間(例如一小時(shí)detection in chemical process networks[ J]. Technometris, 1985 ,或一個(gè)班)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),對實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波27(4) :409 -422.處理,對其中的瞬時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分累計(jì)處理,對累計(jì)量[4] IORDACHE C,MAH RS H,TAMHANE A C. Prfomance sudies o進(jìn)行減運(yùn)算處理以得到指定時(shí)間段的流量,對采集數(shù)據(jù)the measurement lest for detetion of guss erors in process data [J].The American Instute of Chemical Enginees, 1985 ,31(7): 1187 -按需要進(jìn)行單位換算,按工廠流程結(jié)構(gòu)對處理的實(shí)時(shí)數(shù)1201.據(jù)分組,最后把處理過的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到另一臺(tái)服務(wù)器的關(guān)5] NARASIMHAN S,MAH R s H. Generalized lkelihood raio methodfor gross eror identificatio[ J]. The American Institute of Chemical中數(shù)據(jù)采集| 運(yùn)算處理單位換算 | |分組模型數(shù)據(jù)輸出片>Engineers ,3(9):1514 - 1521.6]袁永根,李華生.過程系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)校正技術(shù)[ M].北京:中國石化出版社，1996: 96 -110.數(shù)據(jù)通道[7] 蒲揚(yáng)飛,陳丙珍, 何小榮.數(shù)據(jù)分類的兩步矩陣投影算法[J] .清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004 ,4(3):311 -314.圖3實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)預(yù)處理8] NARASIMHAN s, JORDACHE C. Dala reonociliaion & gross erorFig.3 Process of real-time data pretreatmentdetection[ M]. Houston : Gulf Pubishing Company, 200 241 -244.《自動(dòng)化儀表》第29卷第2期2008 年2月2