用于在过程控制工厂中管理结晶过程的系统和方法与流程

用于在过程控制工厂中管理结晶过程的系统和方法
1.本发明涉及过程控制系统的领域，并且更特别地涉及用于在过程工厂（process plants）中管理结晶过程的系统和方法。
2.结晶是制药和化工工业的关键单元操作之一。冷却型结晶是从溶液产生固体产物的热分离和提纯过程。该固体是纯api晶体。冷却的过程涉及使用用于冷却目的的不同的效用物（utility）。这些效用物在反应器的护封（jacket）/盘管（coil）中循环。一些常见的效用物是热水、冷却塔水、冷冻水和盐水（brine）。在冷却过程中，满足充当冷却过程的驱动力的非平衡条件是有必要的。为了建立该非平衡条件，在过程控制行业中更频繁地采用溶剂的蒸发或温度降低（冷却）方法。诸如冷却型结晶之类的任何热分离过程的设计中的关键因素是过程中的过程控制系统的热力学和动力学。过程控制系统的热力学定义了可以实现的过程控制系统的结果（outcome），并且过程控制系统的动力学定义了实现此类结果的时间尺度。这定义和控制结晶过程。
3.两个过程在结晶中是重要的，即成核过程和晶体生长过程。这两个过程都依赖于大量的过程参数，在许多情况中这些过程参数可能被不充分地（poorly）定义。例如，每当涉及溶液中晶体的悬浮液时，都考虑诸如磨损（attrition）和附聚（agglomeration）之类的过程参数。这些晶体具有内部结构、外部形状以及因此在晶体的数量的情况中具有有限的大小或大小分布。这些参数定义了给定结晶材料的许多体（bulk）性质，诸如溶解速率、生物利用度、颜色、流性质等。在确定溶剂的溶解性时，必须计及多个因素。首先，确保溶液是否处于平衡条件中确实是重要的。在这一点上，重要的是强调结晶是非平衡过程。理解溶液的平衡性质的价值在于它们决定了结晶过程的操作条件的事实。成核和晶体生长所需的驱动力是溶液中的过饱和水平。这意味着结晶只能发生在溶解物的量超过溶解性极限的溶液成分处。此类溶液被称为过饱和溶液。此外，存在过饱和溶液的相空间（phase sapce）的区域称为亚稳态区。为了控制成核和晶体生长，重要的是在亚稳态区内精确地操作结晶器（crystallizer）。晶体生长速率不仅取决于母液（mother liquor）的温度、压力和成分，还取决于诸如过饱和度之类的参数。控制过饱和度是重要的并且控制过饱和度的重要因素之一是适当的冷却速率。有必要控制冷却速率，以便控制成核和晶体生长的速率。如果冷却速率没有保持在期望值处，则存在以下问题：a.不能获得晶体的期望的颗粒大小。在较小颗粒的情况中，它们通过过滤器筛（screen）并且因此损失产出百分比（percentage yield）。
4.b.较大的颗粒大小阻塞过滤器筛或增加研磨操作。这消耗更长的批次循环时间以及使用附加的能量。
5.c.多态性（polymorphism）意味着不需要的晶体形态。它们具有与期望的不同的物理特性并影响配方。
6.d.上述归结的质量的不一致性是指不符合监管审计。
7.目前，利用先进的比例、积分（integral）、微分（derivative）（pid）逻辑手动或自动地操作结晶器。很多时候，使用单个或多流体冷却效用物来操作结晶器。效用物从满足许多结晶器反应器的公共源提供。公共源的能力可能总是不足以同时操作所有结晶器反应
器。这导致过程复杂性的发生，诸如：a.多产品和多反应器的冷却速率不同。
8.b.有时准确的溶解性曲线是未知的，并且因此亚稳态区中的准确的冷却曲线速率是未定义的并且留给过程专家。
9.c.由于归因于未预料到的变化的过程扰动的不准确温度控制，未实现期望的冷却速率。
10.d.不准确温度控制中的该结果是由于过冲（overshoot）和设置点（set point）之上的非稳定温度，其扰乱了冷却过程。因此，根据过程经验，在实现设置点之前关闭效用物。因此，温度缓慢地在设置点附近稳定下来。然而，这扰乱了冷却曲线。
11.常规地，存在在冷却过程期间不计及的某些主要的过程扰动。这些包括：a.冷却动力学因一种效用物到另一种效用物的转换而改变。完成对冷却护封的空气清洗（purging），这扰乱冷却速率。
12.b.归因于满足多个反应器的不充足的冷却剂系统能力的效用物的不充足流量。
13.c.效用物温度变化，流冲击护封。
14.d.未优化的效用物管理。
15.e.不均匀的反应器壳厚度影响整体热传递系数。
16.f.护封内或反应器内结垢（scaling）g.最终控制元件的滞后h.结晶质量的改变并且从而改变热传递面积，特别是结晶质量的性质的改变；i.未计及的热损耗；j.效用物的改变扰乱冷却过程。
17.k.归因于不同api批次的体积改变的热传递面积的改变；l.归因于温度梯度以及归因于无效混合的结晶反应器内部的不均匀的温度分布。
18.所有这些不可预测的、不受控制的过程扰动都没有被手动地或者通过控制系统或者通过比例、积分、微分（pid）逻辑处理。如上所述，这影响过程参数。由于上述因素，影响冷却过程的过程参数受到损害，这导致不一致性、非监管符合性、产出百分比、颗粒大小分布和晶体形态的损失。这是巨大的过程挑战并且需要立即补救。
19.鉴于上述情况，存在对于提供一种用于在过程工业中有效且准确地管理冷却控制过程的方法和系统的需要。
20.因此，本发明的目的是提供一种用于在过程工厂中自动操作反应器单元的方法和系统，以准确地确定亚稳态区内的冷却控制曲线来生成晶核（nuclei）、控制晶核生成并且然后晶核集合以形成具有期望形态的晶体。
21.本发明的目的通过一种用于在过程控制工厂中管理结晶过程的方法来实现。该方法包括捕捉过程控制工厂中操作反应器单元的过程参数。经由一个或多个感测单元捕捉过程参数。过程参数包括冷却速率、效用物管理、过饱和度、操作反应器单元的温度、效用物的性质、与效用物流管理相关的参数、智能定位器（positioner）性质以及诸如此类，并且其中效用物流管理包括以期望的温度、以期望的时间和以期望的流量管理期望的效用物。一个或多个感测单元包括用于测量效用物护封入口温度和护封出口温度的操作反应器单元外部的一个或多个温度传感器、用于测量结晶质量温度的部署在操作反应器单元内部的一个
或多个温度传感器、用于测量效用物流率（flow rate）的一个或多个的流量计，用于定位控制元件并控制进入操作反应器单元的效用物的流量的带有自动控制阀的智能定位器。
22.此外，该方法包括基于参数的第一集合和捕捉的过程参数来预测期望的过程参数。参数的第一集合包括和与操作反应器单元相关联的过程动力学和过程扰动相关的信息。此外，该方法包括基于期望的过程参数和参数的第一集合来控制与操作反应器单元相关联的过程控制环路。
23.在优选实施例中，在基于参数的第一集合和捕捉的过程参数预测期望的过程参数中，该方法包括基于与操作反应器单元相关联的参数的第二集合计算操作反应器单元所需的实际瞬时冷却速率。此外，该方法包括基于所需的实际瞬时冷却速率和基于参数的第三集合计算通过（一个或多个）效用物的期望冷却速率。此外，该方法包括基于计算的所需的实际瞬时冷却速率、期望的冷却速率、过程动力学、对数平均温差（lmtd）值、夹点温度（pinch temperature）值和雷诺数分析计算操作反应器单元的期望的效用物流量。
24.在优选实施例的一个方面中，在基于与操作反应器单元相关联的参数的第二集合计算操作反应器单元所需的实际瞬时冷却速率中，该方法包括使用一个或多个感测单元确定与操作反应器单元相关联的参数的第二集合。参数的第二集合包括结晶质量、结晶质量的比热、初始结晶质量温度、最终结晶质量温度、初始批次时间、最终批次时间、瞬时结晶质量温度、瞬时批次时间和经过的时间对实际步骤改变时间。
25.在优选实施例的另一方面中，在基于所需的实际瞬时冷却速率和基于参数的第三集合计算通过（一个或多个）效用物的期望冷却速率中，该方法包括确定与操作反应器单元相关联的参数的第三集合。参数的第三集合包括正在操作反应器单元中使用的效用物的实际流量和效用物的比热。
26.在另一个优选实施例中，通过生成描述瞬时结晶质量温度和效用物护封出口（126b）温度之间的温差的夹点曲线来计算夹点温度值。此外，该方法包括确定温差是否下降到预定义阈值以下。此外，该方法包括标识与下降到预定义阈值以下的所确定的温差相对应的夹点温度值。
27.在又一个优选实施例中，通过确定a）初始结晶质量温度和效用物护封出口温度，和b）结晶质量温度和效用物护封入口温度之间的对数平均温差来计算对数平均温差值。
28.在又一个实施例中，在基于参数的第一集合和捕捉的过程参数预测期望的过程参数中，该方法包括基于清洗完成时所需的实际瞬时冷却速率确定后续效用物进入操作反应器单元的流量，瞬时结晶质量温度和对数平均温差值。
29.在优选的实施例中，在基于期望的过程参数和参数的第一集合控制与操作反应器单元相关联的过程控制环路中，该方法包括基于捕捉的过程参数确定进入操作反应器单元的效用物的实际流量。此外，该方法包括将操作反应器单元的期望的效用物流量与效用物的实际流量进行比较以确定效用物流量误差值。此外，该方法包括基于效用物流量误差值控制与操作反应器单元相关联的过程控制环路。
30.在另一个优选实施例中，在基于效用物流量误差值控制与操作反应器单元相关联的过程控制环路中，该方法包括基于效用物流量误差值生成指示与操作反应器单元相关联的智能定位器的位置的改变的控制信号。此外，该方法包括使用捕捉的过程参数确定智能定位器的当前位置。此外，该方法包括经由控制系统将生成的控制信号传输到智能定位器。
该方法还包括确定与智能定位器相关联的滞后值。此外，该方法包括基于传输的控制信号重新定位智能定位器，其中智能定位器的重新定位将效用物流量误差值纠正（rectify）为零值。
31.在又一个优选实施例中，在基于期望的过程参数和参数的第一集合来控制与操作反应器单元相关联的过程控制环路中，该方法包括确定控制系统的选择的环路控制模式。选择的环路控制模式包括比例、积分、微分（pid）模式或高级冷却控制（或自动）模式中的至少一个。此外，该方法包括如果选择的环路控制模式处于自动模式中，则基于夹点温度和时间因素确定操作反应器单元的期望冷却速率斜率。此外，该方法包括将确定的期望冷却速率斜率与实际冷却速率斜率进行比较。此外，该方法包括基于该比较控制与操作反应器单元相关联的过程控制环路。
32.本发明的目的还通过一种过程工厂来实现。过程工厂包括一个或多个操作反应器单元。一个或多个操作反应器单元包括能够通过结晶过程从溶液产生固体产物的外壳。外壳包括结晶质量和用于测量结晶质量的温度的质量温度传感器。此外，过程工厂包括一个或多个外部温度传感器，用于测量效用物护封入口和出口温度以及蒸汽入口温度。此外，该过程工厂包括一个或多个流量计，用于测量关于一个或多个操作反应器单元的一个或多个效用物流率并测量蒸汽流率。此外，该过程工厂包括一个或多个自动控制阀，该一个或多个自动控制阀包括智能定位器，用于定位控制元件和控制进入一个或多个操作反应器单元的效用物的流量。此外，过程工厂包括耦合到一个或多个自动控制阀、一个或多个流量计、质量温度传感器和一个或多个外部温度传感器的控制系统。
33.控制系统能够捕捉一个或多个操作反应器单元的过程参数。经由一个或多个流量计、质量温度传感器和一个或多个外部温度传感器捕捉过程参数。此外，控制系统能够基于参数的第一集合和捕捉的过程参数来预测期望的过程参数。参数的第一集合包括和与一个或多个操作反应器单元相关联的过程动力学和过程扰动相关的信息。此外，控制系统能够基于期望的过程参数和参数的第一集合来控制与一个或多个操作反应器单元相关联的过程控制环路。
34.控制系统还包括用于监视和控制与一个或多个操作反应器单元相关联的过程控制环路的控制单元。此外，控制系统包括远程输入/输出盒，用于将控制信号传输到一个或多个流量计、质量温度传感器和一个或多个外部温度传感器。
35.该控制系统还能够分析参数的第一集合，该参数的第一集合包括和与一个或多个操作反应器单元相关联的过程动力学和过程扰动相关的信息。
36.控制系统还能够周期性地监视与一个或多个操作反应器单元相关联的过程控制环路。
37.本发明的目的还通过一种控制单元来实现。控制单元包括处理器和耦合到处理器的存储器。存储器包括以机器可读指令的形式存储并且可由处理器执行的过程控制模块。过程控制模块能够捕捉过程工厂中的操作反应器单元的过程参数。过程参数经由一个或多个感测单元捕捉。此外，过程控制模块能够基于参数的第一集合和捕捉的过程参数来预测期望的过程参数。参数的第一集合包括和与操作反应器单元相关联的过程动力学和过程扰动相关的信息。过程控制模块还能够基于期望的过程参数和参数的第一集合来控制与操作反应器单元相关联的过程控制环路。
38.此外，过程控制模块能够存储捕捉的过程参数、期望的关键参数、参数的第一集合、参数的第二集合和参数的第三集合。
39.现在将参照本发明的附图来阐述本发明的上述和其他特征。所示实施例旨在说明而非限制本发明。
40.下面参考附图中所示的示出的实施例进一步描述本发明，其中：图1是根据本发明的实施例的过程控制工厂的框图。
41.图2是根据本发明的实施例的如图1中所示的控制单元的框图。
42.图3是根据本发明的实施例的如图2中所示的过程控制模块的框图。
43.图4是根据本发明的实施例的如图3中所示的过程参数预测模块的框图。
44.图5是示出了根据本发明的实施例的在过程工厂中管理结晶过程的详细方法的过程流程图。
45.图6是根据本发明的实施例的过程参数的图形表示。
46.图7是描绘根据本发明的实施例的过程控制工厂的效用物流管理的效用物流曲线的图形表示。
47.图8是描绘根据本发明的实施例的示例性夹点分析方法的图形表示。
48.参考附图描述了各种实施例，其中相同的附图标记用于指代附图，其中相同的附图标记用于自始至终指代相同的元素。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对一个或多个实施例的透彻理解。可能清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施这样的实施例。
49.图1是根据本发明的实施例的过程工厂的过程控制工厂100的框图。过程控制工厂100包括操作反应器单元102和用于操作操作反应器单元102的控制系统116。操作反应器单元102包括外壳128以及入口和出口护封126。操作反应器单元102是逆流（counter current）热交换器，例如。外壳128能够通过结晶过程从溶液产生固体产物。外壳128包括结晶质量108和质量温度传感器106。结晶质量108是热流体。结晶质量温度可以是单点或多点智能数字rtd温度传感器106。质量温度传感器106能够周期性地测量结晶质量108的温度值，贯穿说明书文档称为结晶质量温度。质量温度传感器106还能够将结晶质量108的测量的温度值传输到控制系统116。入口和出口护封126承载可以是冷流体的效用物。
50.过程控制工厂100还包括一个或多个外部温度传感器104a-b，用于测量效用物护封入口126a温度和效用物护封出口温度126b和蒸汽入口温度。外部温度传感器104a-b在操作反应器单元102的操作期间周期性地测量并且提供温度输入给控制系统116。
51.过程控制工厂100还包括一个或多个流量计110，用于测量相对于一个或多个操作反应器单元102的一个或多个效用物流率并测量蒸汽流率。一个或多个流量计110可以是电磁体流量计。一个或多个流量计110能够捕捉效用物管理、效用物的性质以及与效用物流管理相关的参数。效用物流管理包括以期望的温度、以期望的时间和以期望的流量管理期望的效用物。具体而言，效用物流管理是指在正确的时间以期望的流量选择正确的效用物温度。这基于标识夹点温度。首先，当设计反应器单元102时，针对给定的冷却表面积（a）和总热传递系数（u）定义夹点温度值，这被实现。监视该夹点温度值，并且当夹点温度值遇到（meet with）最终控制元件打开的80％时，则具有智能定位器114a-b的自动控制阀112a-b被重新定位，以便切换到下一个效用物。由此，也可以监视操作反应器单元102的冷却效率。
随着夹点温度值的增加，效率恶化。原因可能是结垢或污染（fouling）。这可以被有效地跟踪。此外，通过混合热和冷流体由比控制器（ratio controller）控制效用物的温度。效用物的性质包括效用物供应期间的热平衡、通过空气清洗的转换和接纳新效用物。
52.此外，过程控制工厂100包括一个或多个自动控制阀112a-b，一个或多个自动控制阀112a-b包括智能定位器114a-b，用于定位控制元件并控制进入一个或多个操作反应器单元102的效用物的流量。自动控制阀112a-b被提供用于控制效用物（例如）从操作反应器单元102的流出。自动控制阀112a-b例如气动地致动全通径球阀（full bore ball valve）。
53.此外，过程控制工厂100还包括用于空气供应、护封入口、护封再循环、电磁流量计的隔离、蒸汽冷凝物、排气口、护封出口、蒸汽隔离以及诸如此类的开关（on-off）阀124a-n。
54.控制系统116耦合到一个或多个自动控制阀112a-b、一个或多个流量计110、质量温度传感器106和一个或多个外部温度传感器104a-b。控制系统116能够管理过程控制工厂100中的结晶过程。控制系统116能够捕捉一个或多个操作反应器单元102的过程参数。经由一个或多个流量计110、质量温度传感器106和一个或多个外部温度传感器104a-b捕捉过程参数。过程参数包括冷却速率、效用物管理、过饱和度、操作反应器单元102的温度、效用物的性质、与效用物流管理相关的参数、智能定位器性质以及诸如此类，并且其中效用物流管理包括以期望的温度、以期望的时间和以期望的流量管理期望的效用物。此外，控制系统116能够基于参数的第一集合和捕捉的过程参数来预测期望的过程参数。参数的第一集合包括和与一个或多个操作反应器单元102相关联的过程动力学和过程扰动相关的信息。此外，控制系统116能够基于期望的过程参数和参数的第一集合控制与一个或多个操作反应器单元102相关联的过程控制环路。
55.控制系统116包括控制单元118，用于监视和控制与一个或多个操作反应器单元102相关联的过程控制环路。控制单元118还包括以机器可读指令的形式存储并且可由处理器执行的过程控制模块。可以设想，过程控制模块可以驻留在工业云环境中，其中控制系统116可以提供来自一个或多个感测单元104a-b、106、110的输入并从工业云环境中的云服务器接收用于操作反应器单元102的控制信号。控制单元118的详细部件在图2中描绘。在实施例中，控制单元118可以包括人机接口、控制单元以及诸如此类。
56.控制系统116还包括远程输入/输出盒120，用于将控制信号传输到一个或多个流量计110、质量温度传感器106和一个或多个外部温度传感器104a-b。远程输入/输出盒120可以经由网络122连接到控制单元118。这样的网络122可以包括以太网连接。在实施例中，控制系统116能够分析参数的第一集合，包括和与一个或多个操作反应器单元102相关联的过程动力学和过程扰动相关的信息。此外，控制系统116能够周期性地监视与一个或多个操作反应器单元102相关联的过程控制环路。在过程控制工厂100中，控制系统116位于安全区域中或操作反应器单元102所位于的相同危险区域中。
57.在示例性操作中，操作反应器单元102用于冷却外壳128中馈送的来自效用物的结晶质量108。一旦开始批次循环，过程参数就被控制系统116周期性地捕捉和监视。一旦，在捕捉的实际过程参数和期望的过程参数中存在观察到的偏差，则就生成适当的控制信号并以期望的序列传输到流量计110、自动控制阀112a-b、智能定位器114a-b和开关阀124a-b以控制过程控制环路并确保操作反应器单元102处的结晶过程的平滑阶段。在生成控制信号期间，各种其他参数，诸如参数的第一集合、参数的第二集合和参数的第三集合被视为更好
地实现控制结晶过程中的成核和晶体生长速率。
58.在各种实施例中，过程控制工厂100可以是在过程工厂中采用的分布式控制系统的一部分。过程控制工厂100可用于针对不同时间处的不同体积的效用物和结晶质量108的不同组合，而不执行重新校准。因此，相同的操作反应器单元102可以用于多个批次。此外，过程控制工厂100可以使用单个控制系统无缝地操作一个或多个操作反应器单元。此外，过程控制工厂100在效用物供应、利用空气清洗的转换和接纳新效用物期间改进了热平衡。先进的温度控制有助于在窄的亚稳态区操作反应器单元102。这意味着受控成核开始，并且也避免了多多态性。此外，过程控制工厂100可以与现有pid控制器协作以提供更好的冷却速率控制，从而提供过程参数中的可测量改进。这进一步导致减少的批次时间，因为不需要附加的研磨操作。此外，过程控制工厂100确保一致的过程点和减少的人为干预，确保过程控制工厂100的安全操作。
59.此外，随着固体（例如，结晶质量108）沉淀析出（precipitating out），能量被释放到周围环境。因此，结晶是放热过程。如果结晶质量108的成核速率增加，则释放更多量能量。这提高了结晶质量108的温度。这意味着需要降低冷却速率。过程控制工厂100考虑以预定的、可设置的时间频率测量结晶质量108的温度、效用物的护封入口和出口温度。这确保了根据过程需求采用冷却速率。这也确保以更好的方式控制成核。过程控制工厂100因此通过使用化学、物理和自动化知识是预测的。因此，过程控制工厂100监视、分析和控制结晶过程，使得降低任何错误或故障发生的机会。此外，过程控制工厂100允许控制系统116针对加热和冷却的效用物需求决定动作。控制系统116决定何时使用传统pid控制器模式以及何时使用自动模式。
60.虽然图1示出了具有连接到控制系统116的单个操作反应器单元102的过程控制工厂100，但是可以设想多个这样的操作反应器单元可以经由输入/输入模块120耦合到控制系统116和过程控制工厂100，并且控制系统116可以同时操作多个这样的反应器单元。
61.图2是根据本发明的实施例的如图1中所示的控制单元118的框图。特别地，控制单元（ccc）118包括处理器202、存储器204、通信模块206、网络接口208、输入/输出模块210和总线212。ccc 118能够监视和控制过程控制工厂100中的结晶过程。具体而言，ccc 118能够基于参数的第一集合和捕捉的过程参数预测期望的过程参数，并基于期望的过程参数控制和参数的第一集合控制与操作反应器单元102相关联的过程控制环路。
62.如本文所用的处理器202意味着任何类型的计算电路，诸如但不限于微处理器、微控制器、复杂指令集计算微处理器、精简指令集计算微处理器、超长指令字微处理器、显式并行指令计算微处理器、图形处理器、数字信号处理器或任何其他类型的处理电路。处理器202还可以包括嵌入式控制器，诸如通用或可编程逻辑器件或阵列、专用集成电路、单片机以及诸如此类。
63.存储器204可以是易失性存储器和非易失性存储器。多种计算机可读存储介质可以存储在存储器204中并且可以从存储器204访问。存储器204可以包括用于存储数据和机器可读指令的任何合适的元件，诸如只读存储器、随机存取存储器、可擦除可编程只读存储器、电可擦除可编程只读存储器、硬盘驱动器、用于处理压缩盘的可移动介质驱动器、数字视频盘、软盘、磁带盒、存储卡以及诸如此类。如所描绘的，存储器204包括过程控制模块214。过程控制模块214以机器可读指令的形式存储在任何上述存储介质上并且可以由处理
器202执行。当由处理器202执行时，过程控制模块214能够捕捉过程工厂100中的操作反应器单元102的过程参数。过程参数经由一个或多个感测单元104a-b、106、110来捕捉。过程控制模块214还能够基于参数的第一集合和捕捉的过程参数来预测期望的过程参数。参数的第一集合包括和与操作反应器单元102相关联的过程动力学和过程扰动相关的信息。此外，过程控制模块214能够基于期望的过程参数和参数的第一集合控制与操作反应器单元102相关联的过程控制环路。
64.通信模块206可以使能ccc 118经由输入/输出模块120与一个或多个感测单元104a-b、106、110以及一个或多个自动控制阀112a-n和操作反应器单元102的通信。例如，通信模块206可以周期性地接收来自一个或多个感测单元104a-b、106、110的输入。输入可以指示过程参数。此外，输入可以指示结晶过程是否在控制中。通信模块206可以使能将控制信号传输到自动控制阀112a-b以用于操作自动控制阀112a-b。
65.网络接口208有助于管理ccc 118与一个或多个感测单元104a-b、106、110、一个或多个自动控制阀112a-b和操作反应器单元102之间的网络通信。
66.输入/输出单元210可以是人机接口，其使得操作员能够查看与操作反应器单元102相关联的过程数据并且控制与操作反应器单元102相关联的过程。可以注意到，ccc 118可以具有集成的人机接口或外部耦合到ccc 118的人机接口。
67.图3是根据本发明的实施例的如图2中所示的过程控制模块214的框图。特别地，在图3中，过程控制模块214包括数据接收器模块302、数据分析器模块304、过程参数预测模块306、控制模块308、模式选择模块310、结晶过程监视模块312、数据库314和数据可视化器316。
68.数据接收器模块302被配置用于捕捉过程工厂100中的操作反应器单元102的过程参数。过程参数经由一个或多个感测单元104a-b、106、110捕捉。过程参数包括冷却速率、效用物管理、过饱和度、操作反应器单元的温度、效用物的性质、与效用物流管理相关的参数、智能定位器性质以及诸如此类。效用物流管理包括以期望的温度、以期望的时间和以期望的流量管理期望的效用物。一个或多个感测单元104a-b、106、110包括操作反应器单元102外部的一个或多个温度传感器104a-b，用于测量效用物护封入口126a温度和护封出口126b温度，部署在操作反应器单元102内部的一个或多个温度传感器106，用于测量结晶质量温度、用于测量效用物流率的一个或多个流量计110、具有自动控制阀112a-b的智能定位器114a-b，用于定位控制元件并控制效用物到操作反应器单元 102中的流量。
69.在实施例中，一个或多个感测单元104a-b、106、110捕捉过程参数并将过程参数传输到数据接收器模块302。数据接收器模块302接收过程参数并针对数据完整性解析过程参数。此外，数据接收器模块302可以捕捉与结晶过程中涉及的任何硬件部件相关的任何其他数据。
70.数据分析器模块304被配置用于分析参数的第一集合，该参数的第一集合包括和与一个或多个操作反应器单元102相关联的过程动力学和过程扰动相关的信息。在实施例中，与过程动力学相关的信息包括结晶质量性质，如实际质量、比热、反应器性质，如体积、表面积、热传递系数、瞬时温度、效用物性质，如比热容、温度、溶解性曲线、期望的冷却速率、瞬时冷却速率、雷诺数、夹点分析、阀位置反馈。此外，与过程扰动相关的信息包括：a）冷却动力学因一种效用物到另一种效用物的转换而改变、b）完成对冷却护封的空气清洗，这
扰乱冷却速率、c）归因于不充足的冷却剂系统能力的效用物的不充足流量、c）效用物温度变化，冲击护封、d）未优化的效用物管理 e）不均匀的反应器壳厚度影响整体热传递系数、f）护封内或反应器内结垢、g）最终控制元件的滞后、h）结晶质量（108）的改变、i）结晶质量（108）的性质的改变、j）未计及的热损耗、k）效用物的改变扰乱冷却过程、l）归因于不同api批次的体积改变的热传递面积的改变、m）归因于温度梯度的结晶反应器内部的不均匀的温度分布。
71.数据分析器模块304还被配置用于使用一个或多个感测单元104a-b、106、110确定与操作反应器单元102相关联的参数的第二集合。参数的第二集合包括结晶质量108、结晶质量108的比热、初始结晶质量温度、最终结晶质量温度、初始批次时间、最终批次时间、瞬时结晶质量温度、瞬时批次时间和经过的时间对实际步骤改变时间。
72.数据分析器模块304被配置用于确定与操作反应器单元102相关联的参数的第三集合。参数的第三集合包括效用物的实际流量和在操作反应器单元102中使用的效用物的比热。
73.过程参数预测模块306被配置用于基于参数的第一集合和捕捉的过程参数来预测期望的过程参数。
74.过程参数预测模块306被配置用于基于清洗完成时所需的实际瞬时冷却速率、瞬时结晶质量温度和对数平均温差值来确定后续效用物进入操作反应器单元102中的流量。由于避免热冲击，仅在温度方面，过程参数预测模块306确保下一个效用物或后续效用物被接纳到操作反应器单元102的护封126中。
75.图4中提供了预测期望的过程参数的详细步骤。
76.控制模块308被配置用于基于期望的过程参数和参数的第一集合来控制与操作反应器单元102相关联的过程控制环路。具体地，控制模块308被配置用于首先基于捕捉的过程参数确定进入操作反应器单元102的效用物的实际流量。效用物的实际流量是指冲击（hit）反应器的护封的期望的效用物的量。随后，控制模块308被配置用于将操作反应器单元102的期望的效用物流量与效用物的实际流量进行比较以确定效用物流量误差值。效用物流量误差值指示进入操作反应器单元102的效用物流量的异常过程条件。基于效用物流量误差值，控制模块308被配置用于控制与操作反应器单元102相关联的过程控制环路。例如，如果效用物流量误差值高于预定义阈值，则效用物的流立即停止。这是如下实现的。
77.控制模块308还被配置用于基于效用物流量误差值生成指示与操作反应器单元102相关联的智能定位器114a-b的位置改变的控制信号。例如，如果效用物流量误差值高于阈值，则生成指示智能定位器114a-b的位置改变的控制信号，例如停止效用物的流量的位置。此外，控制模块308被配置用于使用捕捉的过程参数来确定智能定位器114a-b的当前位置。智能定位器114a-b的当前位置是针对当前冷却速率的。此外，控制模块308被配置用于经由控制系统116将生成的控制信号传输到智能定位器114a-b。生成的控制信号可以经由通信网络传输，例如端口通信。此外，控制模块308被配置用于确定与智能定位器114a-b相关联的滞后值。滞后值是赋予定位器信号后期望的和实际之间的控制阀都位置差。滞后可以是由于施加在压盖填料（gland packing）上的不适当扭矩。此外，控制模块308被配置用于基于传输的控制信号重新定位智能定位器114a-b。智能定位器114a-b的重新定位将效用物流量误差值纠正为零值。这指示效用物流量受到预防性控制，以确保操作反应器单元102
的平滑性能和过程控制工厂100的增加的生产率。此外，这有助于克服由于不适当的填料压盖扭矩而导致的滞后引起的误差。重新定位的智能定位器114a-b可以处于停止效用物的流量的位置处。在示例性实施例中，按照最终控制元件流动曲线（由最终控制元件制造商提供-最少11个点以具有更多准确性）插入多边形表以确定智能定位器114a-b的位置。存在如下可能性：由于源自施加在填料压盖上的扭矩的滞后，控制元件没有到达期望位置。智能定位器114a-b通过赋予反馈帮助修正位置，从而减少效用物流量误差值。
78.如果选择的环路控制模式处于自动模式中，则控制模块308被配置用于基于夹点温度和时间因素确定操作反应器单元102的期望冷却速率斜率。具体而言，在夹点温度处，确定效用物的实际流量是否满足最终控制元件（也称为自动控制阀112a-b）的最大流量能力。关于模式选择模块310解释了模式选择的细节。控制模块308被配置用于将确定的期望冷却速率斜率与实际冷却速率斜率进行比较并且基于该比较控制与操作反应器单元102相关联的过程控制环路。在实施例中，如果效用物的实际流量已达到最终控制元件的最大流量能力的80％，则控制模块308通过关闭效用物、利用空气冲洗操作反应器单元以及入口护封126a和出口护封126b并切换到下一个效用物来控制过程控制环路。如果效用物的实际流量和最终控制元件的最大流量能力不相等，则在该情况中，实际冷却速率斜率开始偏离。
79.然后针对实际冷却速率斜率（dt/dtinsa）监视期望的冷却速率斜率（dt/dtreqd）。如果偏离在定义的范围（bracket）之外，那么第一个措施是节流（throttle）最终控制元件以打开，直到它达到最大流量能力。
80.例如，如果实际冷却速率斜率与期望的冷却速率斜率不匹配，则考虑实际效用物性质或改变效用物来调整任一效用物流量。此外，期望的冷却速率斜率影响结晶过程的过饱和度。
81.模式选择模块310被配置用于确定控制系统116的选择的环路控制模式。选择的环路控制模式包括手动模式或自动模式中的至少一种。手动模式包括pid模式或intel模式。自动模式是通过其本发明实现目的的模式。自动模式将帮助控制系统116选择用于温度控制的最适合的模式。在intel模式中，第一选项是使用pid逻辑。随后，相对于实际冷却速率斜率（ccact）跟踪期望的冷却速率斜率（dt/dtreqd）。实际冷却速率斜率是温度针对时间因素。为了跟踪期望的冷却速率斜率，首先确定结晶过程的夹点温度。随后，确定效用物流量是否最大。如果确定效用物流量不在最大值，则效用物流量增加到80%。此外，监视偏离是否仍旧在实际冷却速率斜率中存在。如果是，则选择的模式改变为高级冷却控制模式（或自动模式）。
82.在将选择模式改变为高级冷却控制模式时，冷却斜率两者，即期望的冷却速率斜率和实际冷却速率斜率都相对于时间定义的窗口稳定。结晶过程的其余批次以高级冷却控制模式运行。
83.结晶过程监视模块312被配置用于监视与一个或多个操作反应器单元102相关联的过程控制环路。结晶过程监视模块312被配置用于关于过程动力学、过程扰动、效用物性质、过程参数、参数的第一集合、参数的第二集合和参数的第三集合不断地跟踪结晶过程。在监视期间，结晶过程监视模块312甚至标识在这些数据中的任何数据是否存在轻微偏离并且向过程参数预测模块306和数据分析器模块304报告。由于诸如归因于热传递的焓（enthalpy）改变之类的过程动力学信息被持续监视，所以在任何异常影响温度之前很多就
确定并实现修正措施。
84.数据库314被配置用于存储捕捉的过程参数、期望的过程参数、参数的第一集合、参数的第二集合和参数的第三集合。捕捉的过程参数、期望的过程参数、参数的第一集合、参数的第二集合和参数的第三集合可以以查找表的形式和特定格式存储。在实施例中，数据库314可以包括关系数据库（rdbms）、文件系统并且不仅包括sql（nosql）数据库。数据库314被加密以保护所有存储的数据。在实施例中，数据库314在间歇性网络连接性期间存储所有数据。一旦网络连接性是活动的，则该数据随后可用于控制系统116。
85.数据可视化器316被配置为输出期望的过程参数。数据可视化器316还被配置用于可视化跨所有阶段的结晶过程的过程趋势。例如，可视化可以包括检测到的异常、实时（live）过程数据、夹点分析、雷诺分析以及诸如此类。
86.图4是根据本发明的实施例的如图3中所示的过程参数预测模块306的框图。过程参数预测模块306包括计时器402、所需的实际瞬时冷却速率计算器404、计步器（step counter）406、阀位置馈送器（feeder）408、通过（一个或多个）效用物的期望的冷却速率计算器410、冷却速率确定器412、参数处理器模块414、夹点分析模块416、雷诺数分析模块418、对数平均温差值生成器模块420和期望的效用物流量fr生成器422。
87.计时器402被配置用于为与操作反应器单元102相关联的过程控制环路生成时间系列数据。该时间系列数据作为输入馈送到所需的实际瞬时冷却速率计算器404。
88.所需的实际瞬时冷却速率计算器404被配置用于基于与操作反应器单元102相关联的参数的第二集合计算操作反应器单元102的所需的实际瞬时冷却速率（q1）。所需的实际瞬时冷却速率（q1）相当于考虑结晶质量的瞬时温度和生成的结晶的热从结晶质量带走的热量。参数的第二集合可以存储在数据库314中。参数的第二集合包括结晶质量108、结晶质量108的比热、初始结晶质量温度、最终结晶质量温度、初始批次时间、最终批次时间、瞬时结晶质量温度、瞬时批次时间和经过的时间对实际步骤改变时间。在实施例中，结晶质量108是热流体。结晶质量108的比热是使单位质量的温度升高或降低给定量所需的热量。初始结晶质量温度是结晶过程开始时的瞬时温度。对环境的任何热量损失都将影响瞬时结晶质量温度（tinsta）。
89.所需的实际瞬时冷却速率计算器404接收来自计时器402、计步器406和阀位置馈送器408的输入。计步器406提供用于瞬时温度测量的预定义时间间隔，计算瞬时冷却速率。阀位置馈送器408将自动控制阀112a-b和智能定位器114a-b的当前位置提供给所需的实际瞬时冷却速率计算器404。所需的实际瞬时冷却速率计算器404基于参数的第二集合、来自计时器402的数据、来自阀位置馈送器408的数据和来自计步器406的数据计算操作反应器单元102所需的实际瞬时冷却速率（q1）。然后将所需的实际瞬时冷却速率（q1）馈送到通过（一个或多个）效用物的期望的冷却速率计算器410作为输入。通过测量瞬时结晶质量温度（tinsta）并使用经过的时间（tinsta）vs与实际步骤改变时间（tn）和lmtd动态地计算在任何给定时刻（instance）处引起的冷却速率。
90.通过（一个或多个）效用物的期望的冷却速率计算器410被配置用于基于所需的实际瞬时冷却速率和基于参数的第三集合来计算通过（一个或多个）效用物的期望的冷却速率（q2）。参数的第三集合包括正在操作反应器单元102中使用的效用物的实际流量和效用物的比热。然后将通过（一个或多个）效用物的期望的冷却速率（q2）馈送到冷却速率确定器
412。
91.冷却速率确定器412被配置为确定所需的实际瞬时冷却速率（q1）是否等于通过（一个或多个）效用物的期望的冷却速率（q2）。如果所需的实际瞬时冷却速率（q1）等于通过（一个或多个）效用物的期望的冷却速率（q2），则将ql和q2馈送到期望的效用物流量fr生成器422。
92.替代地，如果所需的实际瞬时冷却速率（q1）不等于通过（一个或多个）效用物的期望的冷却速率（q2），则这是过程扰动的指示。在该情况中，首先调整效用物的流量，并且引入下一个新效用物。
93.期望的效用物流量fr生成器422被配置用于基于计算的所需的实际瞬时冷却速率q1、期望的冷却速率q2、过程动力学、对数平均温差（lmtd）值、夹点温度值和雷诺数分析计算操作反应器单元102的期望的效用物流量fr。与过程动力学相关的信息由参数处理器模块414提供。参数处理器模块414确定和与结晶过程相关联的过程扰动和过程动力学相关的信息。与过程扰动和过程动力学相关的信息包括a）过饱和度是温度的子集，b）温度是热传递的子集，c）热传递是焓改变的子集*（具有恒定压力的封闭系统），d）焓改变是散热的子集，e）散热是冷却速率的子集，f）冷却速率是效用物性质的子集，g）效用物性质是效用物流量的子集，h）效用物流量是最终控制元件（也称为自动控制阀112a-b）的位置的子集，并且i）最终控制元件（也称为自动控制阀112a-b）的位置是热传递的子集。然后将该信息馈送到期望的效用物流量fr生成器422 fr作为输入。
94.此外，对数平均温差（lmtd）值由对数平均温差值生成器模块420提供。对数平均温差（lmtd）值生成器模块420被配置为计算对数平均温差（lmtd）值。lmtd值生成器模块420被配置用于确定a）初始结晶质量温度和效用物护封出口126b温度之间的对数平均温差。此外，lmtd值生成器模块420还被配置用于确定b）结晶质量温度和效用物护封入口126a温度之间的对数平均温差。具体而言，甚至在完美的顺流（co-current）和逆流交换器的理想情况中，热流和冷流两者的温度分布（profile）也不是直线，而是具有指数型方程的曲线。因此，温差可以跨长度变化并且本质上也将不是线性的。lmtd值被认为是至关重要的，因为热流体和冷流体之间的差异在热交换器的整个长度上并不保持相同。因此，考虑了整个长度的温度值的平均差。这样的温度值负责热流体的冷却和冷流体的加热。对数平均温差值是每个温度端处热和冷介质之间的温差的对数平均值。lmtd值越大，传递的热量越多。lmtd值是通过两个终端小数点（terminal decimal point）的对数温差计算的。在该情况中的lmtd值是初始结晶质量温度和效用物护封出口126b温度之间的温差以及结晶质量温度和效用物护封入口126a温度之间的温差。lmtd值影响期望的效用物流量，因为lmtd值是热传递的驱动因素。
95.此外，夹点温度值由夹点分析模块416提供。夹点分析模块416被配置用于生成夹点曲线，该夹点曲线描绘瞬时结晶质量温度和效用物护封出口126b温度之间的温差。夹点曲线考虑了四个温度值，包括效用物护封入口126a温度、效用物护封出口126b温度、初始结晶质量温度和瞬时结晶质量温度。生成夹点曲线以监视这些温度值的进度。通过夹点曲线跟踪瞬时结晶质量温度和效用物护封出口126b温度之间的温差值。一般来说，夹点分析是一种用于通过计算热力学上可行的能量目标（或最小能量消耗）并通过优化热回收系统、能量供应方法和过程操作条件实现它们来最小化化学过程的能量消耗的方法。它也被称为过
程集成、热集成、能量集成或夹点技术。在热交换器中，热流不被冷却到冷流入口温度以下，冷流也不被加热超过热流初始温度。在实践中，热流仅被冷却到由热交换器的“接近（approach）温度”定义的最小可允许温差定义的温度。在冷却期间，结晶质量瞬时温度与效用物护封入口温度之间的温差减小并达到温度将不进一步减小的点。这是因为温差变得太小而无法驱动热传递过程，即使在将效用物的流量增加到最大水平之后。这可以通过“温度-焓图”来研究。这种最小温度指示夹点或接近温度。另一方面，焓是热力学性质并且被定义为过程控制工厂100的总热含量（heat content）。焓相当于内部能量加上过程控制工厂100的压力和体积的乘积。h = u + pv。根据热力学第一定律，au = aq
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aw.............等式（1）；其中u是总内能，q是添加或去除的热量并且w是所做的功。对于恒压下的过程——“封闭系统”，焓值等于过程控制工厂的内能改变加上过程控制工厂100对其周围所做的压力-体积功。这意味着在此类条件下的焓是由于通过化学过程或通过外部热传递由材料吸收或释放的热的内能的改变。h = u + pv.............等式（2）利用上述数据，计算夹点温度值。
96.此外，夹点分析模块416被配置用于确定计算的温差是否下降到低于预定义阈值。预定义阈值由控制系统116自动地或由操作员手动地定义。此外，夹点分析模块416被配置用于标识对应于下降到预定阈值以下的所确定的温差的夹点温度值。
97.此外，雷诺数分析模块418被配置用于监视速率和控制具有给定效用物的热传递。
98.在实施例中，用于操作反应器单元102的期望的效用物流量fr也基于效用物温度和它应该被接纳进入护封中的流量点来计算。基于参数的第一集合选择效用物温度。
99.图5是示出了根据本发明的实施例的在过程工厂100中管理结晶过程的详细方法500的过程流程图。在步骤502处，捕捉过程工厂100中的操作反应器单元102的过程参数。过程参数经由一个或多个感测单元104a-b、106、110捕捉。一个或多个感测单元104a-b、106、110包括操作反应器单元102外部的一个或多个温度传感器104a-b，用于测量效用物护封入口126a温度和护封出口126b温度，部署在操作反应器单元102内部一个或多个的温度传感器106，用于测量结晶质量温度，一个或多个流量计110，用于测量效用物流率，具有自动控制阀112a-b的智能定位器114a-b，用于定位控制元件和控制进入操作反应器单元102中的效用物的流量。过程参数包括冷却速率、效用物管理、过饱和度、操作反应器单元的温度、效用物的性质、与效用物流管理相关的参数、智能定位器性质以及诸如此类，并且其中效用物流管理包括以期望的温度、以期望的时间和以期望的流量管理期望的效用物。
100.在步骤504处，基于参数的第一集合和捕捉的过程参数来预测期望的过程参数。参数的第一集合包括和与操作反应器单元102相关联的过程动力学和过程扰动相关的信息。在步骤506处，基于期望的过程参数和参数的第一集合控制与操作反应器单元102相关联的过程控制环路。
101.图6是根据本发明的实施例的过程参数的图形表示。特别地，在图6中，描绘了冷却速率[kls]对晶粒大小的图形表示。应当注意，此类图形表示可能不限于所描绘的参数，而是包括结晶过程中的相关的其他参数。图6描绘了影响结晶过程的晶体生长相关参数。例如，颗粒大小分布谱导致过滤器中的细粉（fines）损失或添加到研磨操作。快速冷却产生小的晶体，越慢产生越大的晶体，如图6中所描绘的。
[0102]
图7是根据本发明的实施例的描绘过程控制工厂100的效用物流管理的效用物流曲线700的图形表示。特别地，图7描绘了冷却速率斜率对时间因子。冷却速率斜率是正在使用的效用物比热（cp）乘以效用物的实际流量（f）的倒数（给定q=f cp δt）。
[0103]
图8是描绘根据本发明的实施例的示例性夹点分析方法800的图形表示。特别地，图8描绘了由夹点分析模块416监视和控制的夹点图。夹点i被定义为冷温度（140℃）或定义为对应的热温度（140℃ +δt==150 ℃）或定义为平均值（145℃）。从图8观察到夹点在冷流的开始处或热流的开始处。
[0104]
尽管已经参考某些实施例详细描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于那些实施例。鉴于本公开，许多修改和变化本身将呈现给本领域技术人员而不脱离本发明的各种实施例的范围，如本文中描述的那样。因此，本发明的范围由以下权利要求书而不是由前述描述指示。处于权利要求的含义和等同物的范围内的所有改变、修改和变化都应被视为在其范围内。
[0105]
参考符号列表100-过程控制工厂102-操作反应器单元104a-b-一个或多个外部温度传感器106-质量温度传感器108-结晶质量110-一个或多个流量计112a-b-一个或多个控制阀114a-b-智能定位器116-控制系统118-中央控制柜120-远程输入/输出盒122-网络124a-n-开关阀126a-b-护封入口和出口128-外壳202-处理器204-存储器206-通信模块208-网络接口210-输入/输出模块212-总线302-数据接收器模块304数据分析器模块306关键过程参数预测模块308-控制模块310-模式选择模块
312结晶过程监视模块314数据库316数据可视化器402-计时器404-所需的实际瞬时冷却速率计算器406-计步器408-阀位置馈送器410-通过（一个或多个）效用物的期望的冷却速率计算器412-冷却速率确定器414参数处理器模块416夹点分析模块418雷诺数分析模块420对数平均温差值生成器模块422期望的效用物流量fr生成器422。