专利名称：用于调整设施的数据处理系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种数据处理系统、用于监视设施(installation)的方法和用于调整设施的方法以及相关的计算机程序产品。
在现有技术中已知就有各种用于配置设施的模拟方法。这种模拟方法用来模拟设施的设计以便验证所述设计。另外，模拟结果可以被取做用于在设计阶段改变设施的配置的基础，以便优化所述设施。US2001/0021900A1还公开了使用设施模型(即“模型预测控制”)来控制设施。
相比之下，本发明目的在于提供一种改进的数据处理系统、用于监视设施的方法、用于调整设施的方法以及相关的计算机程序产品。特别地是，本发明目的在于提供对设施模型的新的使用。
本发明的目的分别借助于独立专利权利要求的特征来实现。在从属专利权利要求中规定了本发明的优选实施例。
所发明的数据处理系统具有用于设施的设施控制器，所述设施控制器被设计成用于捕获过程变量。设施模型用来根据所捕获的部分过程变量来计算模拟的过程变量。可以使用用户接口来输出所捕获的过程变量和所模拟的过程变量。
其优点在于可以由操作人员在设施控制器上容易地检测在所捕获的过程变量和所模拟的过程变量之间的差异。如果例如所模拟的过程变量与所捕获的过程变量大大不同，那么这表明在捕获相关过程变量中存在错误。举例来说，在所捕获的过程变量和所模拟的过程变量之间的差异可能由有故障的传感器所导致。如果经由用户接口输出了很大分歧的捕获和模拟的过程变量，那么这可以被操作人员认定为用于检查相关传感器或仪表的建议，其中所述相关传感器或仪表用于捕获所述过程变量。
优选地是，在设施模型中用于计算所模拟的过程变量的输入变量只是相对较少捕获的过程变量，特别是具有最高正确概率的、所捕获的过程变量。这些过程变量是用于设施的基本操作参数，特别是诸如当前所供应的操作物质和能量的量。根据这种基本过程变量，设施模型计算所模拟的过程变量，可以把所述模拟的过程变量与所捕获的过程变量相比较。
依照本发明的一个实施例把所捕获的过程变量存储在数据库中。可以由计算机向数据库请求过程变量。可以基于适当的用户命令或在预编程的时间间隔内(诸如每20分钟)来向数据库发出对过程变量的请求。计算机使用从数据库所请求的过程变量，来利用设施模型模拟所述过程变量。为了向数据库请求所捕获的过程变量，把计算机联网到所述数据库。
依照本发明的一个实施例，本地存储由计算机从数据库中请求的、所捕获的过程变量。可以使用进一步的用户接口来访问所捕获的过程变量以便改变它们。随后的模拟可以确定过程变量的改变是否会导致制造过程的改进，特别是成本的降低。
依照本发明的另一实施例，计算机具有用于优化过程变量的优化器。为此，优化器改变所捕获或模拟的过程变量中的一个或多个。当过程变量已经被优化器改变时，执行模拟。优化准则尤其可以是要供应的操作物质量(诸如开始材料、溶剂、催化剂等的量)以及要供应的能量的量或制造成本。优选地是，从数据库请求成本参数以便执行所述优化。可以手动地把成本参数输入到数据库中。作为选择，还可以从“企业资源计划(Enterprise Resource Planning ERP)”系统中读取成本参数。
依照本发明的一个实施例，计算机产生包含有借助于模拟所获得的优化过程变量的文件。所述文件被经由网络从计算机传送到设施控制器。
此类型的过程控制系统可以用于许多过程，例如用于制造聚合物，优选用于制造合成橡胶，诸如EPDM(ethylene-propylene-dienerubber三元乙丙橡胶)、CR(polychloroprene rubber氯丁橡胶)、NBR(nitrile-butadiene rubber丁腈橡胶)、HNBR(hydrogenated nitrile-butadiene rubber氢化丁腈橡胶)、SBR(styrene-butadiene rubber丁苯橡胶)、BR(polybutadiene rubber聚丁二烯橡胶)、EVM(ethylene-vinyl acetate rubber乙烯-醋酸乙烯酯橡胶)或IIR(butyl rubber丁基橡胶)。
特别有益地是，本发明可以用于制造异氰酸酯，特别是TDI。为了制造TDI，把甲苯二胺(toluenediamine TDA)溶入光气中。所使用的溶剂例如是邻二氯苯(ortho-dichlorobenzene ODB)。可以在一个或多个子反应中特别是在一个或多个反应器中进行用于制造TDI的化学反应。
当TDA与光气起反应时，除所述TDA之外还获得具有光气的气态氯化氢以及具有TDI的溶剂。借助于蒸馏把TDI与气态氯化氢分离。然后例如把气态氯化氢冷却到-15℃，以便通过冷凝来回收光气和溶剂。依照这种方式可以在该过程中重复利用所述光气和溶剂。
通常，调整TDI的制造以使产量尽可能地高。在这里，产量指的是在反应期间被转换为TDI分子的TDA分子的比例。然而，在这种情况下的缺点在于高产量要求高比例的溶剂，这可能导致用于能量和材料的成本相对较高。相比之下，本发明能够控制TDI的制造以便优化要供应的操作物质和能量的量由此优化了制造成本。
下面参考附图来更详细地解释本发明的优选实施例，其中
图1示出了根据本发明的数据处理系统的优选实施例的框图，图2示出了根据本发明的监视方法的优选实施例的流程图，图3示出了根据本发明的调整方法的优选实施例的流程图。
图1示出了数据处理系统100的框图。数据处理系统100具有设施控制器102，用于控制和/或调整设施104。设施控制器102例如是“过程控制系统”，其可以用一个或多个可编程逻辑控制器(programmablelogic controller PLC)来制造。
设施104例如是化学生产工厂，用于通过供应操作物质和能量来制造物质。作为一个例子，设施104用于从TDA制造TDI，其中把所述TDA溶入光气中。所使用的溶剂优选是ODB。
设施104具有起动元件106，例如用于设置所供应的操作物质和能量的量，以及传感器108，用来测量用于设施的过程变量，诸如压强、温度和浓度。
起动元件106和传感器108借助于现场总线110连接到设施控制器102。设施控制器102具有至少一个处理器112，用于控制和/或调整设施104。处理器112用来执行程序模块114和程序模块116。程序模块114提供了“软传感器”。因而程序模块114用于例如根据由传感器108所测量的一个或多个过程变量来计算当前过程变量。
程序模块116提供了用户接口。举例来说，设施控制器102具有带有屏幕118和一个或多个输入元件(诸如键盘、计算机鼠标和/或触摸屏)的操作台。由程序模块116所提供的用户接口可以由操作人员在设施控制器102上使用来实现对过程变量的读取或写入访问。
设施控制器102被连接到数据库120。数据库120用来控制由设施控制器102所捕获并计算的过程变量122，以及用来存储通过模拟所获得的过程变量124。数据库120可以是设施控制器102的组成部分。作为选择，数据库120可以在独立的硬件组件上产生，所述硬件组件如图1的示例性实施例中那样直接连接到设施控制器102或经由网络连接到设施控制器102。
由程序模块116所提供的用户接口用来生成具有表126的显示窗口，例如用于表明各个过程变量所捕获和模拟的值。由程序模块116从数据库120读取所捕获和模拟的过程变量值以便产生表126。
设施控制器被经由例如内联网之类的网络128连接到服务器计算机130。服务器计算机130具有至少一个处理器132。处理器132用来执行程序模块134、136和138。程序模块134在服务器计算机130上形成用于经由网络128从设施控制器102或其数据库120中请求所捕获的过程变量122的接口。程序模块136是设施104的设施模型。程序模块136可以用来根据用于设施的几个基本过程变量来计算所模拟的过程变量，所述基本的过程变量诸如当前供应的操作物质和能量的量。
程序模块138是用于优化设施的过程变量的优化器。优化的一个结果例如可能是增加或减少所使用的溶剂量，以便因而使可变的制造成本最小化。
服务器计算机130具有存储器140，用于存储从数据库120所获取的、所捕获的过程变量122以及由程序模块136所计算的、所模拟的过程变量124。另外，存储器140用来存储用于程序模块138的约束142。约束142可以是用于操作设施104的约束，例如与工程相关的最大或最小限制，或将观察的质量标准。
另外，存储器140用来存储成本参数144。成本参数144例如是所使用的操作物质的成本和能量成本。成本参数144可以被连续不断地存储在存储器140中并本地维持在存储器140中。作为选择，成本参数被存储在数据库146中，可以由服务器计算机130经由网络128来访问所述数据库146。数据库146可以是例如SAP R/3系统之类的“ERP”系统的一部分。
数据处理系统100还具有客户端计算机148，所述客户端计算机148具有用于执行“浏览器程序”152的至少一个处理器150。客户端计算机148可以经由网络128访问服务器计算机130以便使用测览器程序152来显示在存储器140中所存储的、所捕获的过程变量122和/或所模拟的过程变量124，或者输入对这些值中一个或多个的改变。
在操作期间，设施控制器102不断地从传感器108和由程序模块114所提供的软传感器中捕获过程变量。把由设施控制器102所捕获的过程变量122存储在数据库120中。服务器计算机130使用其程序模块134来经由网络128访问所述数据库120以便读取所捕获的过程变量122。这可以根据来自用户的手动输入请求或在预编程的时间间隔内(诸如每20分钟)来进行。在这种情况下，如果只向服务器计算机130传送一部分所捕获的过程变量122，那么就足够了。特别感兴趣的是那些涉及用于设施104的基本操作参数的、所捕获的过程变量122，所述基本操作参数诸如每单位时间所供应的操作物质和能量的量。
所捕获的过程变量122或一部分这些捕获的过程变量122被存储在服务器计算机130的存储器140中。然后开始程序模块136以便使用设施模型来计算所模拟的过程变量124。所模拟的值124被存储在存储器140中。所模拟的值124优选是使用设施模型借助于模拟所计算的所有值。
在一个应用实例中，经由网络128把所模拟的过程变量124从服务器计算机130传送到设施控制器102，所述设施控制器102把所模拟的过程变量124存储在数据库120中。然后程序模块116通过从数据库120读取所捕获的过程变量122和所模拟的过程变量124来产生表126。这使操作人员能够在设施控制器102上马上并且直观地检测到在所捕获的值和所模拟的值之间是否存在基本差异。如果所捕获的值显著地不同于所模拟的值，那么这表明例如传感器108之一是有故障的。然后可以检查所关注的传感器108以便纠正故障。
在另一应用实例中，在计算所模拟的过程变量124并且将其存储在存储器140中之后，开始程序模块138以便优化所述过程变量。为此，程序模块138访问约束142和成本参数144。程序模块138改变所模拟的过程变量124。所改变的过程变量被输入到程序模块136中以便使用设施模型来计算新的模拟值124。特别地是，所模拟的值124包括制造成本，例如每吨的制造成本。
一旦程序模块138到达终止条件，诸如规定的优化步骤最大数目，那么把作为优化结果的、所模拟的过程变量124作为文件传送到设施控制器102。可以由程序模块116在屏幕118上示出所优化的过程变量，以便操作人员可以在设施控制器102上接受所优化的过程变量。举例来说，改变到所优化的过程变量要求操作人员输入确认，以便随后根据所优化的过程变量来操作设施控制器102。
另外，还可以经由网络128向客户端计算机148传送在存储器140中所存储的、所捕获的过程变量122和/或所模拟的过程变量124，以便使用浏览器程序152来显示它们。客户端计算机148的用户可以改变所捕获的或模拟的值中的一个或多个以便据此开始用于执行模拟的程序模块136。如果模拟结果是有益的，那么用户可以把命令输入到浏览器程序152中，以便把相关优化的过程变量从服务器计算机130传送到设施控制器102。
图2示出了相应的流程图。在步骤200，设施控制器从正在进行的设施操作中捕获过程变量。在步骤202把这些捕获的过程变量存储在过程数据库中(参照图1中的数据库120)。在步骤204，把所捕获的过程变量中的至少一个子集从过程数据库传送到服务器计算机。据此，服务器计算机计算用于设施的模拟(步骤206)。在步骤208由服务器计算机把通过模拟所获得的、所模拟的过程变量传送到过程数据库。
在步骤210，输出所捕获和所模拟的过程变量，即，例如在屏幕上显示它们。如果在所捕获和所模拟的过程变量之间存在差异，那么操作人员可以干预以便识别并纠正可能的故障。
图3示出了用于优化制造成本的流程图。
步骤300、302和304对应于图2中的步骤200、202和204。在步骤306，另外还把成本参数传送到服务器计算机。根据重要的过程变量和成本参数，使用设施模型来执行模拟(步骤308)。除所模拟的过程变量(诸如要提供的操作手段和能量的量)之外，制造成本是模拟的结果。在步骤310，所模拟的过程变量和约束被取作用于实施优化步骤的基础，在所述优化步骤中，改变所模拟的过程变量。
接下来在步骤308，根据重要改变的过程变量再次执行模拟，特别是为了计算新的制造成本。然后，可以执行一个或多个进一步的优化步骤310和随后的模拟308，直到已经到达终止条件。这例如可以是最大数目的迭代或另一终止准则。
在步骤312，输出所优化的过程变量。在步骤314向设施控制器或过程数据库传送所优化的过程变量。所优化的过程变量可以自动地代替先前的过程变量。然而，优选地是，这要求由操作人员在设施控制器上表示确认。
权利要求
1.一种数据处理系统，具有用于设施(104)的设施控制器(102)，所述设施控制器被设计成用于捕获已经被测量或通过计算导出的过程变量(122)，设施模型(136)，用于使用部分所捕获的过程变量来计算所模拟的过程变量(124)，至少一个用户接口(116，118)，用于输出所捕获的过程变量和所模拟的过程变量。
2.如权利要求1所述的数据处理系统，具有第一数据库(120)，用于存储所捕获的过程变量，和计算机(130)，用于使用所述设施模型来计算所模拟的过程变量，其中所述计算机被设计成用于从所述第一数据库请求部分所捕获的过程变量。
3.如权利要求2所述的数据处理系统，其中所述计算机经由网络(128)连接到所述设施控制器。
4.如权利要求1、2或3所述的数据处理系统，具有至少一个进一步的用户接口(152)，用于输入用来计算所模拟的过程变量的至少一个改变的过程变量。
5.如先前权利要求中任何一个所述的数据处理系统，具有至少一个另外数据库(146)，用来存储在所述设施模型中所使用的成本参数(144)。
6.如先前权利要求中任何一个所述的数据处理系统，具有优化器(138)，用于使用所述设施模型来优化所述过程变量，特别是要供应的操作物质量或能量的量或者制造成本。
7.如权利要求8所述的数据处理系统，具有用于向所述设施控制器传送所优化的过程变量的装置(134)。
8.一种用于监视设施(104)的方法，具有以下步骤捕获已经被测量或通过计算导出的、用于所述设施的过程变量(122)，使用部分过程变量来利用设施模型(126)计算所模拟的过程变量(124)，输出所捕获的过程变量和所模拟的过程变量。
9.一种用于调整设施(104)的方法，具有以下步骤捕获已经被测量或通过计算导出的、用于所述设施的过程变量(122)，使用至少一部分所捕获的过程变量来特别计算要供应的操作物质量或能量的量或者制造成本，执行用于所述过程变量的优化步骤，以便特别降低要供应的操作物质量或者能量的量或者制造成本。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述设施被设计成使用反应物和溶剂来用TDA制造TDI，其中通过供应能量采用冷凝方式来重复利用所述反应物，并且通过供应能量采用蒸馏方式来重复利用所述溶剂，制造成本的计算包括能量成本和所述TDA的成本。
11.一种计算机程序产品，特别是数字存储媒体，用于执行如权利要求8、9或10中任何一个所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种数据处理系统，具有用于设施(104)的设施控制器(102)，其中所述设施控制器被设计成用于捕获过程变量(122)；设施模型(136)，用于使用一部分所捕获的过程变量来计算所模拟的过程变量(124)；以及用户接口(116，118)，用于输出所捕获的过程变量和所模拟的过程变量。
文档编号G05B19/048GK1873565SQ20061008872
公开日2006年12月6日 申请日期2006年6月2日 优先权日2005年6月2日
发明者J·柯施, F·斯蒂芬斯 申请人:拜尔材料科学股份公司