用于批量分发系统的过满补偿 【发明领域】
本发明设计一个批量分发系统，具体地，设计一个具有自动过满补偿以将一预定精确量的材料由材料源分发到材料目的地的批量分发系统。
问题
已知一些批量分发系统，其中材料利用控制和监测分发材料数量的自控设备由材料源递送到材料目的地。进一步知道一些批量分发系统，其中，一个精确的预定量材料由材料源递送到材料目的地以使得分发材料的过满和欠满量最小。
批量分发系统被用于工业过程中，其中，分发的材料数量必须精确地控制使得分发的材料数量的欠满以及过满都最小。一个未受控的过满量是不期望的，因为它将导致分发材料的浪费；如果材料是危险类型的，则分发材料的过满可能是危险的；在材料所分发的客户只希望支付所指定数量的材料费用并有协议在先时，过满对于材料的销售者是昂贵的。
在其他情况下，尤其是涉及昂贵材料地情况中，过满代表经济上的浪费。在其他涉及昂贵材料的情况中，欠满可能导致所分发材料的整批量的浪费。一个这样的例子可以是照片胶卷制造，这里所分发的材料为银，而欠满将使得沉积在胶卷上的银不足，从而使得整批量的胶卷对于它所要使用的目的无用。
欠满在许多应用中也是不期望的。最明显的这种应用是，其中材料所分发的客户已指定了一所要分发预定量的材料而他期望对此支付费用。任何欠满都代表了对于客户已支付费用的材料的短缺或对材料未被分发负责任。
曾经作过尝试，通过依赖于基于由在系统操作中已有的欠满或过满而获得的经验的估计来对过满或欠满进行手动补偿。例如，如果希望分发100加仑而如果经验显示如果控制阀在装满100加仑容器时关闭，则产生1加仑的过满，则通过在已分发了99加仑时关闭阀而可以较容易地补偿这一过满，这样分发的99加仑加上预计的1加仑过满的总量为所希望分发的100加仑。然而，这一技术仅满足于包括材料流量率在内的条件恒定的情况。这些参数的任何一个，诸如质量流量率的变化将产生不希望的过满和欠满。这在其中当使用重力来将材料由流体源传到流体目的地时质量流量率不恒定和变化的情况中特别合适。
因此可见，问题是如何从材料源传输一精确量的材料到材料目的地，使得以最小的过满或欠满量来分发一指定量的材料。
解决方案
根据本发明的系统可以解决上述或其他问题，该系统使得可以以最小的过满或欠满量来从材料源传输一精确量的材料到材料目的地。根据本发明，包括一个流量计和一个远程控制阀的自控设备串接地安置在材料发往目的地的路径上。该系统还包括称为批量控制器的自控设备，该控制器接收分发材料的流量率信息并处理该信息以确定受控的流量系统的特征。该批量控制器使用所处理的信息来在所需时刻关闭阀以实现以最小欠满或过满量来分发材料到目的地。
根据本发明的系统通过分发一定量的测试性批量材料以确定所控系统的工作特征。在这些测试性运作中，所分发材料的批量大小被指定为所要执行的测试数目。由此，可以接收该测试性批量的统计量，其中统计量包括流量率和每次测试运行所达到的过满/欠满量。在执行了指定数目的测试后，积累并存储所测试的数据。该存储的测试数据使得可以对各种操作条件所期望的过满/欠满量作一个估计。
因此，材料以产品批量进行分发，其中每一批量与指定该所要分发的批量大小的数据有关。包括位于分发线上的流量计的装置将数据传输到一个批量控制器。该批量控制器使用这一包括所存储的过满/欠满估计的数据来将一个数量等于所指定的期望批量值的批量材料分发到目的地。
当批量的分发正在传输过程中时，批量控制器接收来自流量计的流量率并将相对于时间的所分发材料的数量累加。可以通过将所测定的流量率乘以该批量的累加分发时间来获得该测定量。这一过程继续进行直至对于该批量，所分发的总材料量达到所要分发的材料目标量。此时，批量控制器使用所估计的过满数据以发送一个信号到控制阀来在该批量的最终目标量的实际分发结束的很短时间前关闭该控制阀。该控制阀在结束到来自批量控制器的信号之后需要一有限量的时间来关闭。在关闭控制阀之后，仍由一有限量的材料在发往目的地的途中。通过一个总的估计数据来补偿这一剩余材料和关闭时间值的累积效应，使得控制阀最终关闭前和仍在途中的材料到达目的地之前，为该批量所分发的材料总量将以高精确度接近于目标量。
如上所述，根据本发明的系统在开始产品批量的传输之前，执行一定数目的测试性批量运行。执行测试性批量运行的目的在于获得使系统能够精确估计随后用于产品批量传输过程的过满信息的信息。该传输多个测试性批量的过程包括指定所要传输的一定量的测试批量，存储每一个批量的流量率和其他信息，并由所存储的该多个测试性批量的信息，获得将要用于所要传输的实际批量的过满信息。
更具体地，测试批量的获得和存储的所存储信息包括每一批量的流量率和所获得或计算出的过满量。通过将过满过满量除以流量率以获得和存储每一测试批量的比例来获得进一步的信息。该信息还包括对所获得的每一批量的各个比例进行平均和标准偏差计算。最后，所存储的信息还包括将平均比例用作在获取一个估计的函数中的一个线性因子，该函数随后用在实际批量的传输过程中。
本发明的过程还有助于确定该控制阀的一个可能故障或一个初始故障。例如，在本发明的分发系统中使用的控制阀在接收到关闭信号之后需要一有限时间来关闭。该时间可以是5-10秒的量级。测试性批量的传输过程使得系统控制器可以考虑控制阀的关闭时间。该控制阀的关闭时间与材料的过满有关，这是由于材料可以在阀关闭所需的5-10秒时间间隔流过阀。本发明的批量控制器将与阀特征有关的该信息累加，使得如果阀随后改变特征或需要一个更长的时间来关闭，可以由批量控制器确定，这是因为当阀正常工作时，过满量将明显多于先前的过满量。由此信息，批量控制器可以确定控制阀在接收到关闭信号之后花费了更长的时间来关闭。由此，批量控制器可以产生一个警告，或其他任何适合的信号以警告系统操作员系统控制阀存在一个可能的故障。
附图简述
通过阅读下面结合附图进行的详细描述可以更好地理解本发明的上述或其他特性。
图1为一个批量系统的示意图；
图2为一个批量控制器的示意图；
图3为本发明优选实施例的步骤的流程图；
图4为一个用于产生测试数据的方法的流程图；
图5为一个用于确定一个过满估计器函数的优选方法的流程图；
图6为一个用于将过满估计器函数用以防止一个批量的过满的方法的流程图；
图7为另一个用于获得测试数据以提供一个估计器函数的方法的流程图；
图8为在产生一个过满估计函数以改善精确度的优选方法中的附加步骤的流程图；
图9为另一个用于产生一个过满估计函数的方法；和
图10为用于存储测试数据的数据结构的示意图；
图11为用于检测一个材料流动控制器的可能故障的方法的示意图。
详述
图1示出了本发明的批量分发系统100。由流量源101接收材料并提供给安置于路径102上的流量计103。阀107接收由流量计103经由路径106而来的材料。器件107可选地为泵。材料由由阀107经由路径108流到目的地110。批量控制器105监测和控制通过批量分发系统100的材料流量。流量计103将流量信息经由路径104发送到批量控制器105。当批量控制器105确定指定数量的材料流过流量计103，则批量控制器105通过路径109将信号发往阀107。本发明是一个用于产生一个过满估计器函数的方法，该方法确定在批量控制器105发出终结流量信号的时刻和阀107关闭的时刻之间将流过阀107的过满材料的量。批量控制器105使用该估计来确定终结流量信号何时传到阀107，以防止目的地110产生超出目标量的过满。
批量控制器105示于图2的框图中。处理器200通过执行在总线201上读取的来自只读存储器(ROM)211的指令来控制在批量分发系统100中的材料流动。为了执行这些指令，处理器200经由总线202读取来自随机存取存储器(RAM)212的数据并将数据写入其中。为以后估计所存储的数据经由总线203写入存储器213并由其中读取。
处理器200通过经由路径109将信号传往阀107来打开和关闭阀107。处理器200可以产生关于批量处理的显示信号并经视频总线204将该数据传往显示器214。显示器214为一个监视器或一个可以显示由处理器200产生的显示信号的等同设备。界面215为一个允许用户将数据经总线204输入处理器200的键盘或其他这种设备。
图3为一个给出在本发明优选实施例中处理器200所执行的所有处理过程的概观的流程图。概观过程300启始于步骤301。在步骤302，为以后在确定一个过满估计器函数中的应用产生和存储测试数据。步骤303使用在步骤302中产生和存储的测试数据来计算一个过满估计器函数。步骤304使用在步骤303中确定的过满估计器函数来运行一个批量并估计一个关闭阀107的正确时间以防止过满。下面详述步骤302-304中的每一步骤。
图4中显示了步骤302的处理过程的流程图。处理器302启始于401。在步骤402，用户输入测试性批量的容量。该输入容量是处理器200试图分发到目的地110的材料目标量。用户利用界面215输入该目标批量容量。所输入容量经总线204发往处理器200并为以后使用存储在RAM212中。步骤403是接收用户输入的所要运行的测试数量，该数量也为以后使用而存储在RAM212中。在步骤404中，处理器200将在过满数据结构1000(图10)中的所有数据初始化为零。该初始化确保了没有所不希望的数据被用于过满估计器函数的计算中。步骤405将所要运行的测试数目设置为零而批量设备100准备实施这些测试性批量。
由测试性批量收集到的数据存储在图10所示的数据结构1000中。每一行1001保存来自一个批量的一个测试型运行的数据。该批量的流过流量计103的材料流量率记录在列1002中。该批量的过满量存储在列1003中。随后在过程303中计算过满/流量率的比例并存储在列1004中。在过程303中还计算一个平均比例并存储在1005中。所测量的比例与平均比例的标准偏差保存在1006中。
如图4所示，通过以下面方式运行单个测试来继续过程302。首先，在步骤406增加测试性运行数目。在步骤407，处理器200发送一个开始材料流信号以打开阀107。在步骤408，材料通过阀107流到目的地110。流量计103测量流过批量设备100的材料的流量率。在步骤409，处理器200由流量计103经路径104接收所测量的流量率。在步骤410，处理器200使用流量率计算有多少材料已流过阀。在步骤411，处理器200确定已流过阀的材料容量是否等于输入的批量容量。如果两者相等，则重复步骤408-411。
当已流过阀的材料容量等于输入的批量容量，则处理器200执行步骤412并将一个终结材料流信号经路径109传到阀107。在步骤413，阀107在接收到终结信号时关闭并测量过满量。处理器200执行步骤414以将测试的流量率和过满量存储在过满数据结构1000中。步骤415确定测试的数目是否等于输入的测试数目。如果两者相等，则在步骤416，处理过程完成并结束。否则，在步骤406开始实施另一测试。该批量测试应运行一定数目的次数以改善估计函数的匹配精确度。
图5显示了由所存储的流量率和过满量产生一个过满估计器函数的过程303。随后产生一个线性函数。然而，也可以使用任何其他用于由测试数据产生一个函数的方法。步骤501开始了处理过程303。在步骤502中，处理器200将计数器设置为零。计数器用于确定处理过程303何时结束。
在步骤503，计数器增加以指示过程的迭代当前正在完成。在步骤504，处理器200由数据结构1000读取一个测试批量的流量率和过满量。在步骤505，处理器200将过满量除以流量率以找出过满量/流量率的比例，并在步骤506将该比例保存在存储器中。在步骤507，处理器200确定计数器的计数是否等于测试的总数目。如果计数与测试数目不等，则重复步骤503-507。
当计数与产生数目相等时，在步骤508，处理器200读取所有已计算的比例。在步骤509，处理器200计算所读取比例的均值。该比例平均值存储在数据结构1000的1005中。在步骤510，该平均值用于计算每一比例的标准偏差而处理过程303结束于步骤511。在步骤314，该平均比例用作一个估计器函数以估计在一个批量期间的过满量。
图8显示了可由处理器200执行以改善估计器函数的精确度的处理过程303的附加步骤。通过将一个偏差因子加到平均比例上而改善了精确度。图5在图8中的连续性由包含步骤509和510的图8示出。在步骤301，处理器200接收一个用户输入的偏差因子b。在步骤802，偏差因子b乘以在步骤510中所计算出的标准偏差。在步骤803，步骤802的乘积加到比例平均值以找出将在步骤304中用于运行一个批量的估计器函数。
图9示出处理过程303的另一个实施例。图9中的处理过程通过确定数据的最佳多项式匹配来找出估计器函数。多项式函数通常比第一实施例中所示的线性函数更精确。处理过程303的第二实施例开始于步骤901。在步骤902，处理器200将数据结构1000中的值设为零。如图4所示，步骤903具有一个处理过程301，其中将散布于一个流量率范围的流量率分配该测试性批量以在产品批量中使用来产生将导出最佳多项式匹配的数据。在图9中继续处理过程303，其中在步骤904，处理器200将来自流量率的至少两阶多项式匹配到过满量。在已发现一个多项式之后，步骤905计算多项式匹配的均方误差。在步骤906，处理器200接收用户输入的偏差因子b。在步骤907，偏差因子907乘以该均方误差。在步骤908，步骤907的乘积加到多项式的常数项“a”上。多项式用作处理过程304的估计器函数。
图6示出了运行一个批量并估计过满量以避免材料目的地100的过满的处理过程304。处理过程304开始于步骤601。在步骤602，处理器200接收用户由界面215经总线205输入的目标量。在步骤603，批量的总容量在填充开始之前被设为零。
在步骤604，处理器200将一个开始材料流信号经两阶109传到阀107。阀107响应于信号的接收而打开。在步骤605，处理器200将计时器设为零。在步骤606，计数器增加，而步骤607确定计时是否等于一个测量时间。如果两者不相等，则重复步骤606和607。
当计时等于该测量时间时，处理过程304继续到步骤608，其中测量流量率。流量计103测量流到阀17的材料流量率。处理器200经路径104接收测量流量率。在步骤609，处理器200将流量率与测量时间相乘以确定在测量时间内流过阀的材料量。在步骤610，将所确定的材料量加到批量总容量上以指示在目的地110中的当前材料量。步骤611利用处理过程303中所确定的估计器函数来确定过满量。在优选实施例中，步骤509中所找出的平均比例乘以测量的流量率。在第二实施例中，流量率放入多项式中以确定抑遏个过满估计。结果为在当前流量率下的估计过满量。
在步骤612，估计的过满量加到总容量中。步骤613确定相加的总容量和估计的过满量是否大于或等于输入的目标量。如果估计的过满量和总容量小于目标容量，则重复步骤605-613。如果估计的过满量和总容量至少等于目标量，则在步骤614，处理器200将一个关闭阀信号经路径109传到阀107。在步骤615，阀107当接收到关闭阀信号时关闭并且处理过程304结束。
本发明的第二实施例使用来自先前批量的流量和过满量来产生为确定估计器函数所需的数据。图7示出了该第二实施例。处理过程700开始于步骤701。在步骤702，处理器200将过满估计函数初始化为零。这为第一批量运行产生恒定为零的过满估计，另一合理的估计可以选为设计选择。
步骤703使用过满估计函数来运行一个批量。在步骤704中，处理器200将在步骤703中运行的批量的流量率和批量的过满量记录在存储器中。在优选的第二实施例中，流量率和过满量存储在数据结构1000(图10)的最近批量位置。处理过程600仅保持最近运行批量的数据。
在步骤705，来自已完成批量的流量率和过满量用于计算一个新的估计器函数。在优选的第二实施例中，通过将处理过程303应用于包含新记录数据的数据结构上来完成步骤705。不断地再计算估计器以保持估计器尽可能地精确。如果估计器函数变化很快，则立即提醒用户出现问题。步骤706确定是否运行另一个批量。如果必须运行另一个批量，则重复步骤703-706。否则处理过程终止于步骤707。
本发明还用于检测流量阀107或诸如替代阀107的泵的其他流量控制装置的可能故障。一个可能的故障可能是阀的关闭时间的增加或流量控制装置在接收到流量终结信号之后增长的响应时间。
图11示出了该处理过程，其中单元1101为处理过程的启始。单元1102在接收到如图10所示的多个批量的流量终结信号之后存储表示流量率和材料流量的数据。接着，单元1103分析在接收到多个批量的流量终结信号之后存储的流量率和材料流量数据。作为分析的结果，单元1104确定该多个批量的后面的几个批量是否在接收到流量终结信号之后是否具有增加的材料流量，然后同样地确定该多个批量的前面的几个批量是否在接收到流量终结信号之后是否具有增加的材料流量。响应于步骤1104的确定结果，步骤1105产生一个表示流量控制装置的可能故障的输出信号。单元1106终结该处理过程。
上述发明涉及估计一个批量的过满量以防止过量的材料发往目的地。虽然上面描述了一些特定的实施例，但本领域的技术人员可以在下面所附的权利要求的字面或等效范围内涉及其他用于产生一个过满估计函数的方法。例如，单元107可以为一个阀或一个可以控制开启/停止材料流动的泵。