具有改进的浪涌能力控制的过程控制器及相关方法.pdf

本发明涉及具有改进的浪涌能力控制的过程控制器及相关方法。一种方法及相关的非线性液面控制器(NLLC)，用于在处理系统中控制浪涌能力，该处理系统包括至少一接收包括经受变化液体的流体的输入流并向至少一下游单元提供输出流的容器，包括计算与在容器的当前总量和容器的一般总量限制之间的差值相关的第一参数以及与在当前总量和总量设定值之间的差值相关的第二参数的步骤。将第一参数降低第一百分比的非强制时间(T*)与第一时间T1相比较。然后如果T*≤T1则基于第一参数并且如果T*＞T1则基于第二参数控制输入流或输出流。

1.  一种用于在处理系统(300，350)中控制浪涌能力的方法，该处理系统包括至少一接收包括经受变化液体的流体的输入流并向至少一下游单元(302)提供输出流的容器(303)，包括步骤：
计算与在所述容器(303)的当前总量和所述容器(303)的一般总量限制之间的差值相关的第一参数以及与在所述当前总量和总量设定值之间的差值相关的第二参数；
在第一时间T1比较将所述第一参数降低第一百分比的非强制时间(T^*)，以及
如果T^*≤T1则基于所述第一参数并且如果T^*＞T1则基于第二参数控制所述输入流或所述输出流。

2.  如权利要求1的方法，还包括计算将所述第一参数降低第一百分比的所述非强制时间(T^*)的步骤。

3.  如权利要求2的方法，其中计算所述非强制时间(T^*)的所述步骤包括利用所述当前总量和在与所述当前总量对应时刻的所述总量时间导数的外推。

4.  如权利要求1的方法，其中所述控制步骤包括如果T^*≤T1则在所述T1时刻计算所述输入或所述输出流的第一最小变化以将所述第一参数降低所述第一百分比，以及如果T^*＞T1则在T2时刻计算所述输入或所述输出流的第二最小变化以将所述第二参数降低所述第二百分比。

5.  如权利要求4的方法，其中所述控制步骤包括基于所述第一最小变化或所述第二最小变化控制与所述输入流或所述输出流相关的流量参数。

6.  如权利要求4的方法，其中所述第一和第二预定百分比是100％。

7.  一种用于在处理系统(300，350)中控制浪涌能力的非线性液面控制器(NLLC)(305)，该处理系统包括至少一接收包括经受变化液体的流体的输入流并向至少一下游处理单元(302)提供输出流的容器(303)的，包括：
CPU(308)，运行存储的可执行的软件，该软件执行如下步骤：
计算与在所述容器(303)的当前总量和所述容器(303)的一般总量限制之间的差值相关的第一参数以及与在所述当前总量和总量设定值之间的差值相关的第二参数；以及在第一时间T1比较将所述第一参数降低第一百分比的非强制时间(T^*)；
多个输入，耦合到所述CPU(308)，可操作来在所述处理系统(300，350)运行过程期间接收包括包含液体信息的流体的处理信息，以及
多个输出，由所述CPU(308)驱动，用于发送控制信号，以便如果T^*≤T1则基于所述第一参数以及如果T^*＞T1则基于所述第二参数来控制所述输入流或所述输出流。

8.  如权利要求7的NLLC(305)，其中所述NLLC(305)可操作来计算将所述第一参数降低第一百分比的所述非强制时间(T^*)。

9.  如权利要求7的NLLC(305)，其中所述计算所述非强制时间(T^*)的步骤包括利用所述当前总量和在与所述当前总量对应时刻的所述总量时间导数的外推。

10.  如权利要求7的NLLC(305)，其中所述NLLC(305)可操作来如果T^*≤T1则在所述T1时刻计算所述输入或所述输出流的第一最小变化以将所述第一参数降低所述第一百分比，以及如果T^*＞T1则在T2时刻计算所述输入或所述输出流的第二最小变化以将所述第二参数降低第二百分比。

11.  一种处理系统(300，350)，包括
设备，用于执行动作以在所述处理系统(300，350)中处理包括液体的流体，所述系统包括至少第一容器(303)，所述第一容器(303)具有容量和用于接收包括液体的流体的输入流的入口以及用于向至少一下游单元(302)提供输出流的出口，以及
耦合到流量控制器(306)的非线性液面控制器(NLLC)(305)，用于控制所述系统中浪涌能力，耦合到控制阀(304)的所述流量控制器(306)可操作来控制至所述容器(303)的所述输入流或来自所述容器(303)的所述输出流，所述NLLC(305)包括：
CPU(308)，运行存储的可执行的软件，该软件执行如下步骤：
计算与在所述容器(303)的当前总量和所述容器(303)一般总量限制之间的差值相关的第一参数以及与在所述当前总量和总量设定值之间的差值相关的第二参数；以及在第一时间T1比较将所述第一参数降低第一百分比的非强制时间(T^*)的步骤；
多个输入，耦合到所述CPU(308)，可操作来在所述处理系统(300，350)运行过程期间接收包括包含液体信息的流体的处理信息，以及
由所述CPU驱动的多个输出，用于发送控制信号，以便如果T^*≤T1则基于所述第一参数以及如果T^*＞T1则基于所述第二参数控制所述输入流或所述输出流。

12.  如权利要求11的系统，其中所述NLLC(305)可操作来如果T^*≤T1则在所述T1时刻计算所述输入或所述输出流的第一最小变化以将所述第一参数降低所述第一百分比，以及如果T^*＞T1则在T2时刻计算所述输入或所述输出流的第二最小变化以将所述第二参数降低第二百分比。

具有改进的浪涌能力控制的过程控制器及相关方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年7月20日提交的名称为“具有改进的浪涌能力控制的过程控制器及相关方法”的临时申请第60/951084号的优先权，将其全文引入到本申请中作为参考。
技术领域
本发明一般涉及过程控制系统，更具体而言涉及用于控制至少一个浪涌容器的液面的控制器和与之相关的控制方法以及系统。
背景技术
例如制造工厂、化工厂和炼油厂的处理设备通常使用过程控制系统来管理。阀、泵、电机、加热/冷却装置和其他工业设备通常执行所需操作以处理在处理设备中的原料。在其它功能当中，过程控制系统经常控制处理设备中的工业操作。
在例如石油和石化工业的很多工业中遇到的很普遍的问题，是对包括进入到特殊处理单元的液体的流体的流速变化进行补偿。这种扰动在处理的日常操作中通常是普通和平常的事件。
一种策略是在液体流动线上包括一个或多个浪涌调整槽，或者在现有的容器中利用一定容量范围以提供临时容量用于平缓流量变化。在例如浪涌调整槽、分馏柱底部和贮液器等这些容器中的液面可以允许在限度内变化，以便从这些容器的出口流量变化显著地小于瞬时的入口流量变化。这样每个液面作为下游单元的缓冲器。因此，这种可以接收来自多个不同单元的流量的浪涌能力通过允许缓冲容器中的液面偏离其设定值但仍在允许限度内，削弱了任何馈给流量扰动的影响，以便该扰动无法同样强度地传播并且过程的操作更加平稳。
有用的缓冲量控制运算算法应当具有几个重要的特性。缓冲容器中的液面不能超过高和低液面限制以确保该容器不会溢出或变为空的。当长时间没有任何扰动出现时，液面应当在目标水平线(设定值)上标出。可用的缓冲量可以被有效利用以最小化馈给速率变化和其它过程扰动给在下游过程的影响。算法应当能够处理所有形状的浪涌容器，例如立式圆筒形、卧式圆筒形、圆形、以及具有内部挡板和各种末端类型的容器。该方法应该相对简单以便它可以容易维护和在控制系统平台上以高速执行。而且，调整控制器不应该困难也不应该需要很多努力。
基于比例、微积分(PID)控制器的微处理器目前是用于液面控制以降低提供给下游过程的流量的变化的最普遍使用的控制器。然而，由PID控制器运行的PID运算法一般已知具有两个显著的限制。第一，PID算法一般不能非线性寻址。第二，PID算法不能被用于明确指定液面的高和低限制。此外，如果输入流具有大噪音成分，例如归因于有噪音的上游过程，利用PID算法的控制将变得越来越无效。所需要的是非线性液面控制器(NLLC)以及相关算法以更有效地允许浪涌容器吸收输入流的输入波动，以便流向下游过程的出口液体流量更稳定。
发明内容
提供本发明内容以满足37C.F.R.§1.73的要求，其要求发明的发明内容简要地说明本发明的性质和实质。提交本发明内容应理解为其并不是用来解释或限制权利要求书的范围或含义。
用于处理系统中控制浪涌能力的方法包括计算与在容器的当前总量(inventory)和该容器一般(prevailing)总量限制之间的差值相关的第一参数以及与在当前总量和总量设定值之间的差值相关的第二参数的步骤，其中处理系统包括至少一接收包括液体量变化的流体的输入流并向至少一下游单元提供输出流的容器。将第一参数降低第一百分比的非强制时间(unforced time)(T^*)与第一时间T1比较。接下来，如果T^*≤T1则基于第一参数调并且如果T^*＞T1则基于第二参数来调整输入流和输出流。
该方法可以还包括计算将第一参数降低第一百分比的非强制时间(T^*)的步骤。在本实施例中计算非强制时间(T^*)的步骤可以包括利用当前总量和在与当前总量对应的时刻该总量的时间导数的外推。
控制步骤可以包括如果T^*≤T1则在T1时刻计算输入或输出流的第一最小变化以将第一参数降低第一百分比，以及如果T^*＞T1则在T2时刻计算输入或输出流的第二最小变化以将第二参数降低第二百分比。在本实施例中该控制步骤可以包括基于第一最小变化或第二最小变化控制与输入流或输出流相关的流量参数。在一个实施例中，第一和第二预定百分比是100％。在一个实施例中，T1小于T2。
控制步骤包括改变输入流或输出流。该方法可以包括下游或上游控制。
用于在处理系统中控制浪涌能力的非线性液面控制器(NLLC)包括CPU，该处理系统包括至少一接收包括液体量变化的流体的输入流并向至少一下游处理单元提供输出流的容器。CPU运行存储的可执行的软件，该软件实现计算与在容器的当前总量和该容器一般总量限制之间的差值相关的第一参数以及与在当前总量和总量设定值之间的差值相关的第二参数；以及在第一时间T1比较将第一参数降低第一百分比的非强制时间(T^*)的步骤。NLLC包括耦合到CPU的多个输入，其可操作来在处理单元运行过程期间接收包括包含液体信息的流体的处理信息，以及由CPU驱动的多个输出，其用于发送控制信号，以便如果T^*≤T1则基于所述第一参数以及如果T^*＞T1则基于第二参数控制输入流和输出流。NLLC可以被操作来计算将第一参数降低第一百分比的非强制时间(T^*)。
一种处理系统包括用于执行操作以在处理系统中处理包括液体的流体的设备，该系统包括至少第一容器，该第一容器具有容量和用于接收包括液体的流体的输入流的入口以及用于向至少一下游单元提供输出流的出口，以及耦合到流量控制器的用于在所述系统中控制浪涌能力的非线性液面控制器(NLLC)，耦合到控制阀的流量控制器可操作来控制至该容器的输入流或来自该容器的输出流。用于在处理系统中控制浪涌能力的非线性液面控制器(NLLC)包括CPU，该处理系统包括至少一接收包括液体量变化的流体的输入流并向至少一下游处理单元提供输出流的容器。CPU运行存储的可执行的软件，该软件实现计算与在容器的当前总量和该容器一般总量限制之间的差值相关的第一参数以及与在当前总量和总量设定值之间的差值相关的第二参数的步骤；以及在第一时间T1比较将第一参数降低第一百分比的非强制时间(T^*)。
NLLC包括耦合到CPU的多个输入，该多个输入可操作来在处理单元运行过程期间接收包括包含液体信息的流体的处理信息，以及由CPU驱动的多个输出，其用于发送控制信号，以便如果T^*≤T1则基于所述第一参数以及如果T^*＞T1则基于第二参数来控制输入流和输出流。NLLC可以被操作来计算将第一参数降低第一百分比的非强制时间(T^*)。
附图说明
通过评述所附详细说明以及附图，将完成对本发明及其特点与好处的更全面的理解，其中：
图1描述了根据本发明实施例具有在其中定义了几个参数的液体的容器，该参数包括容量偏差(CD)和设定值偏差((SD)。
图2是列出了根据本发明实施例的步骤顺序的流程图，其包括基于差分参数CD和SD以及流体扰动相对速度的非线性控制算法，其在处理系统内控制容器的浪涌能力。
图3A示出了根据本发明实施例的非线性液面控制器(NLLC)的示例性实现的描述，用于在具有浪涌容器的处理系统中的下游浪涌控制。
图3B示出了根据本发明实施例的非线性液面控制器(NLLC)的示例性实现的描述，用于在具有浪涌容器的处理系统中的上游浪涌控制。
图4示出了在T^*≤T1时相对快的扰动的模拟结果，其展示了根据本发明实施例的位于如图3A所示的处理系统中的NLLC控制器的性能。
图5示出了输出流在T^*＞T1时相对慢的扰动的模拟结果，其展示了根据本发明实施例的再次位于如图3A所示的处理系统中的NLLC控制器的性能。
具体实施方式
在接下来的描述和实例中将更详细地描述本发明的实施方式，所述描述和实例意在示例性的，因为其中的很多修改和改变对所属领域技术人员来说是显而易见的。如在说明书和权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”(“the”)可以包括复数个所指事物，除非上下文另有明确的规定。同样，如在说明书和权利要求书中所使用的，术语“包括”可以包括实施例“由…组成”和“基本上由…组成”。
用于控制浪涌能力的方法包括提供第一容器的步骤，该第一容器具有容量和用于接收包括经受变化液体的流体的输入流的入口以及用于把包括液体的流体的输出流提供给至少一下游单元的出口。下游单元可以包括例如蒸馏塔、熔炉或例如分离器的其他容器。
尽管在此用具有由根据本发明的非线性液面控制器(NLLC)来控制的单个容器的处理系统来描述，处理系统可以包括由根据本发明的非线性液面控制器(NLLC)控制的多个容器，包括串行和并行连接的容器布置。
包括液体的流体可以只包括液体，或者混合有气体的液体。液体本身可以是例如油和水的液体混合物。
传统的水平传感器一般提供液面测量。容器中液体的体积此处用其常见用法被称作总量(inventory)并且一般按照液面的高度测量。
计算在容器的当前总量和该容器的一般总量限制之间的差异(差别)(在此被称为“容量偏差”(CD))，以及当前总量和所期望的总量设定值之间的差异(差别)(在这里被称作设定值偏差(SD))。
图1描述了容器100，该容器100具有其中示出的达到当前液面(总量)103的液体，以及参数低液面限制101、设定值102和高液面限制104。所期望的液面作为设定值102示出。容器100的运行能力按照低液面限制(作为低限制101示出)和高液面限制(作为高限制104示出)指定，不希望超过二者运行。低限制101、设定值102和高液面限制104，与当前液面103一起定义了在本发明实施例中使用的差分参数SD 105和CD 106。如现有技术已知，保持液面在设定值102意味着输出流将跟随输入流的波动。如所示，当前液面103在设定值102上方。然而，当前液面103也可以在或低于设定值102。
如上所述，CD是在当前液面103与一般或者为低限制101或者为高限制104的一般限制(prevailing limit)中差异的量。尽管图1示出了作为高限制的一般限制并且因此CD由高限制104定义，一般限制也可以是低限制101。一般限制可以用NLLC算法检测，通常基于容器液面的时间导数的符号。例如，如果容器液面上升，则导数的符号是正的，并且一般限制一般为高限制104。相反，如果容器液面下降，则导数的符号是负的，并且一般限制一般为低限制101。因此，根据从当前液面到一般到达一般限制的量(可利用的或超出的)来测量CD。
设定值偏差(SD)是当前液面103离设定值102的差异度量。可以根据从当前液面到一般到达设定值的量(可利用的或超出的)来测量SD。
一般提供将CD降低第一预定百分比(例如100％/排空(exhaust))的第一时间(T1)和将SD降低第二预定百分比(例如100％/排空)的第二时间(T2)。T1和T2的值一般从现有技术中已知的调整测试的经验过程中得到。
调整常数(T1和T2)一般得自工厂运行数据的观察、缓冲容器尺寸、基于实际工厂运行数据的所经历扰动的性质和大小，以及由工程师或其他工厂人员定义的控制目标。T1一般比T2大。也可以通过建模来确定T1和T2。在本发明的一特定实施例中各自的预定百分比可以都是100％，并且T1＝15分钟而T2＝60分钟。
在本发明的一实施例中，计算将CD降低第一预定百分比的非强制时间(在此称为T^*)。在第一预定百分比是100％的情况下，T^*由此被定义为如果控制器没有引起流量变化(例如现状)与包括液体的流体的量对应的完全排空CD的时间。因此，计算非强制时间的条件可以以存储在与NLLC相联系的存储器中的当前液面103的最近测量和/或因为NLLC算法的上一次运行而引起的当前液面103变化为基础。下面描述的图4和5示出了预定百分比是100％的情况下利用在t＝0时刻的液面和在t＝0时刻附近液面的时间导数来确定T^*。
图2是列出了根据本发明实施例的步骤顺序的流程图，其包括基于差分参数CD和SD以及流体扰动的相对速度的非线性控制算法200，其在处理系统内控制容器的浪涌能力。在步骤205，计算如上所述的SD和CD。在步骤210，可计算或相反提供(例如，从先前的计算中存储的)如上所述的T^*。在步骤215中，T^*然后与时间常数T1比较。如果T^*≤T1则计算在T1时刻将CD降低第一预定百分比的容器输出流的第一最小变化并且把第一最小变化实现为步骤220中的流量变化。T^*≤T1一般与变化/扰动相对快的情形对应。在T^*＞T1的情况下，一般与输入流的变化/扰动相对慢的情形对应，计算在T2时刻将(例如在一个实施方式中为排空)SD降低到第二预定百分比的容器输出流的第二最小变化并且把第二最小变化实现为步骤225中的流量变化。
流量变化可以利用流量控制参数来实现。在一实施例中流量控制参数可以是包括液体流量的真实流体或者是包括液体流量的流体的变化。在典型应用场合中，如下面相对于图3A和3B所描述的，根据本发明实施例的NLLC能控制流量控制器的输出流设定值，该流量控制器耦合到控制阀以实现第一最小流量变化(当T^*≤T1时)或第二最小流量变化(当T^*＞T1时)。
图3A示出了根据本发明实施例的非线性液面控制器(NLLC)的示例性实现的描述，用于在具有容器303的处理系统300中的下游浪涌控制。标号301表示提供包括流体的输出流的上游过程，该流体包括显著波动并可能是噪音的液体流量。来自上游过程301的流量输出流通过容器303耦合到下游过程302的输入。下游过程302可以是例如蒸馏塔、熔炉、或包括例如阀、泵和马达的装置309的分离器。305指根据本发明实施例的NLLC。NLLC一般包括中央处理单元(CPU)和相关联的存储器。NLLC 305可操作来存储或接收多个输入，例如上述设定值(SP)、高液面(HL)、低液面(LL)以及T1和T2，和来自容器303的当前液面(总量)数据。NLLC305一般在控制系统计算机上执行并且通过流量控制器(FC)306把包括包括液体的流体流量的系统流量调节至下游过程302，该流量控制器(FC)306与控制阀304一起调整来自容器303的输出流。
图3B示出了根据本发明实施例的非线性液面控制器(NLLC)的示例性实现的描述，用于在具有缓冲容器303的处理系统350中的浪涌控制。在这个布置中，在NLLC 305的控制下，容器303的输入流可以用于控制在容器303中的液面。在上游控制情形中的控制一般通过以-1乘相对于下游控制系统的所述流量变化来得到。
本发明的实施例提供了一些显著的好处。根据本发明的算法相对简单，并且一般基于两个所计算的参数CD和SD。该算法一般是允许好的准确率的非线性的，特别是当过程是显著非线性的时候。由于基于少数必需参数的可执行代码的简单性，代码可以高速运行以允许频繁更新，例如大约几秒钟。
由根据本发明实施例的可由非线性液面控制器(NLLC)液面控制的浪涌容器包括，但不限于，蒸馏柱或分馏器底部池(Fractionator bottom sump)、排气筒、气体分离器、贮油罐、输送闪蒸罐(Feed Flash Drum)、回流储液器、常用油箱、平衡罐、净气器、液体段塞捕集分离器(Slug Catcher)、润滑油分离器、进料罐以及除气器。
根据本发明实施例的NLLC可以用于控制包括液体浪涌能力的流体的各种处理设备，例如各种制造工厂，以及化学工厂和石油加工厂、气体加工工厂和近海采油平台。
实例
图4示出了T^*≤T1时，相对快的扰动的模拟结果，其展示了如图3A所示的位于下游控制处理系统中根据本发明实施例的控制器的NLLC性能。因为在当前液面表示为PV的t＝0时刻的正导数(流量增加)，使用的一般限制是高限制。Y轴是容器中的液面而x轴是时间。图4展示了通过充分利用可利用的容器能力已经实现了输入流变化缓和的高液面(允许液面以非线性方式到达高液面HL，没有显著超出)。此后，容器液面再次以非线性方式接近所期望的液面设定值(SP)。
图5示出了相对慢的扰动的模拟结果，其再次展示了如图3A所示的位于下游控制处理系统中根据本发明实施例的控制器的NLLC性能，这一次适合于T^*＞T1时。图5展示了通过利用仅一些可利用的容器容量成功地缓和输入流变化，如通过当前液面永远达不到高液面HL来证明。此后，容器液面返回到示为SP的所期望的液面设定值。
根据本发明的不同实施例，在此描述的方法意在作为在计算机处理器上运行的软件程序而执行。此外，软件实现可以包括，但不限于分布式处理或组成/目标分布处理、并行处理，或虚拟机处理也可以被构造以实现在此描述的方法。本发明预期包括指令的机器可读介质，或接收并执行来自传播信号的指令以便例如连接到网络环境的装置可以传送或接收数据，并且利用指令在网络上通信。
虽然计算机可读存储介质可以是单个介质，术语“计算机可读存储介质”应当被理解为包括存储一个或多组指令的单个介质或多个介质(例如，集中的或分布式数据库、和/或相关的高速缓冲存储器和服务器)。术语“计算机可读存储介质”还应当被理解为包括能存储、编码或传送一组用于由机器执行的指令并引起机器执行本发明的任何一个或多个方法的任何介质。术语“计算机可读存储介质”因此应当被理解为包括，但不限于：固态存储器例如存储卡或其他容纳一个或多个只读(非易失性)存储器、随机存取存储器、或其他可重写(易失性)存储器的部件；例如磁盘或磁带的磁光或光介质；例如传输介质中包含计算机指令的信号的载波信号；和/或附加到电子邮件或其他自含式信息外存储器或外存储器组的数字文件，其被认为是与有形存储介质等价的分布式介质。相应地，认为本发明包括任意一个或多个计算机可读存储介质或分布式介质，如在此列出的并且包括经过技术验证等价物和后继介质，其中在此存储软件实现。
在此描述的实施例的例示意在提供各种实施例结构的一般理解，并且它们不意在作为使用在此描述的结构的装置和系统的所有元件和特征的完整描述。在回顾上述描述的基础上，许多其他实施例对所属领域技术人员来说将变得显而易见。其它可以从中这样实现和得到实施例，即在不背离本发明范围的条件下作出结构和逻辑上替换和改变。图也仅仅是示意性的而且不是依比例绘制的。其某些部分可被夸大，而其它部分可能被缩小。因此，在示意性的而不是限制的意义上看待说明书和附图。
因此，虽然在此已经说明并描述了特定实施例，应该理解为实现相同目的而计划的任何布置可以替换所示的特定实施例。本发明意在覆盖不同实施例的任何和所有的修改或改变。在回顾上述描述的基础上上述实施例的组合和在此没有详细描述的其他实施方式对本领域所述技术人员来说将变得显而易见。因此，意在本发明不限于作为打算执行本发明的最优模式而公开的特定实施方式，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施方式。
提供本发明的摘要以满足37C.F.R.1.72(b)，其要求将使读者快速地确定技术公开的本质的摘要。其服从其不是用于解释或限制权利要求书的范围或含义的理解。