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上海远东仪表厂PID控制器如何解决具有挑战性的批处理过程
作者: 来源: 发布时间:2018-12-06
      与连续过程控制相比,批处理控制看起来像另一个世界。在批处理操作中,过程条件不断变化,控制循环进入和退出服务。上海远东仪表厂PID控制器可能退回到操纵流的顺序调度。在这里,我们看看为什么批处理过程如此不同和具有挑战性,我们可以尽可能地应用PID控制和模型预测控制(MPC)的强大功能。这里的最终目标是利用两个世界的经验教训,使过程控制工程师能够在两个世界之间有效地进行。下面跟小编一起看看上海远东仪表厂PID控制器如何解决具有挑战性的批处理过程。
      就像一个永久的启动和关闭。设备在批量操作中不断进入和退出服务。必须达到目标运行条件。一旦达到这些,操作就可以使用不同的设备和不同的测量和阀门尽可能快地和可重复地进行下一个任务。
      每个阶段都可以成为一个过程。批量操作可具有加压,加热,冷却,转化和汽提阶段。控制系统必须从一个阶段无缝移动到另一个阶段。控制器可能具有不同的功能和目标,当然还有不同的调整设置。
      广泛的产品等级和配方很常见。每批的开始提供了制造新产品或至少不同等级或配方的机会。这可能导致操作员和控制系统必须处理的配方中的复杂变化。在连续工艺中,最小化或不进行到不同产品等级或配方的过渡,因为过渡需要相当长的时间,需要广泛的工艺知识并且可能产生通常难以回收的不合格产品。
      需要广泛的测序和操作员参与。批次通常不会有沉闷的时刻。有些东西总是在变化。当连续过程在稳定状态下运行时,没有机会坐下来看到相对恒定的阀门位置。
      动态响应是非自我调节的(非静止的,没有传统的稳态)。浓度,压力和温度的批量响应是积分或失控的。基于自我调节过程的PID控制器调节规则和MPC策略通常在没有一些修改或翻译的情况下工作。需要集成流程模型和调整规则。
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      通常需要极端的操纵变量范围。生物和化学反应和结晶的冷却速率,排气速率和进料速率随批次时间呈指数变化。对于溶解氧(DO)控制,当批次从指数前生长到指数生长期结束时,氧气吸收速率可以增加几个数量级。对于发酵罐,DO控制在空气喷射流量,搅拌器速度和容器压力之间分开。对于生物反应器,DO控制在空气和氧气喷射和重叠流之间分开。
      动态响应是非线性的。液体体积,传热表面积和系数,操作条件(例如,浓度,压力和温度)和操纵变量(例如,分流范围变量)的变化引起积分过程增益和次要时间常数和死区时间的变化。
      动态响应可以是单向的。对于只有加热或仅冷却且没有吸热或放热反应或相变的批量过程,温度响应仅在一个方向上进行。对于仅具有酸或仅添加碱并且在反应中不消耗试剂或相变的分批中和剂,pH响应仅在一个方向上进行。对于发酵罐和生物反应器中的细胞和产物浓度,只有死亡率和水解可忽略不计,浓度才会增加。对于这些过程,积分作用不能用于控制特定设定点的温度或pH。使用误差比例和过程变量的导数(P on E,D on PV,no I)的PID结构。
      设定点过冲是有问题的。积分或失控响应使得设定点超调的可能性更大。调谐变得困难并且反直觉,因为可能需要更高的PID增益以防止来自积分作用的延迟过冲。对于单向响应,没有返回到设定点。对于敏感的生物过程,不希望有十分之几度或百分之几的pH的过冲。这里需要一种非常缓慢的设定点方法来消除过冲,因为与批量时间相比,达到设定点的时间增加非常小。β和γ设置为零的两自由度(2DOF)结构(相当于误差I和PV结构上的PD)和保守调谐可能是最佳选择,特别是因为来自细胞生长和产物形成的干扰非常缓慢。
      存在允许的PID控制器增益窗口。由于非自我调节响应,振荡产生的PID控制器增益太小而且太大。对于失控过程,如果PID控制器增益变得小于开环正反馈增益,则过程响应可以加速到不返回点。高放热分批反应器上的温度控制器具有这样的威胁,在这种情况下,控制器无法进行手动操作以进行开环冲击测试,并且不允许采取积分作用。
      污染物,杂质和抑制剂被困在批次中。由于在批次完成之前没有液体排出流,因此随着批次的进行,不希望的组分的浓度将增加。
      在线分析仪和离线分析仪的结果往往为时已晚。 在阶段或批次完成之前,分析结果通常不可用。可变性被困在批处理端点中。连续流过体积没有固有的衰减。除非你在下游混合了大量的并行批处理列,否则你会遇到一个糟糕的批次需要可能会废弃整个批次。对于生物反应器而言,数百万美元的多日批量损失对于底线来说是一个巨大的打击。
      批处理产量,生产,质量和可重复性是相互关联的。在延长批次时间以获得产量或提高质量与减少生产率之间可能存在权衡。此外,改善操作条件的能力取决于批次的可重复性。这就是批量数据分析首先尝试确定哪些批次与平均批次不同以及原因的原因。与用于控制的任何测量一样,做出更好决策和改进的能力通常与批次可重复性相关。
      批量分析经常需要数据排除。由于设备和相关控制不断进入和退出服务,因此必须智能地排除数据和警报。
      我们可以从批处理操作中学习如何更好地自动化连续过程的启动和关闭。我们可以使用调整规则来集成在批处理过程中广泛使用的过程以及对允许PID控制器增益窗口的感知,以调整PID控制器以用于容器和柱的连续浓度,温度,pH和压力控制(例如,接近积分响应)。我们可以了解批处理过程中污染物,杂质和抑制剂的累积,以防止在连续过程中出现类似情况并进行大量循环(例如,雪球效应)。我们可以在连续操作中使用批量操作所需的调整设置的自适应调度来处理启动,关闭,分流操作以及催化降解和传热表面随时间的结垢。
      我们可以将受控变量从批次浓度,pH或温度转换为浓度,pH或温度的变化速率,以控制所需的批次分布,以提供伪稳态和双向响应。这使得使用积分作用和MPC可以更平稳和更严格地控制批次配置文件。我们可以使用为连续反应堆控制开发的一些策略进行补料分批反应堆控制,包括使用阀门位置控制来最大化反应物进料速率,“ 反应堆测量和控制进展”。它还可以通过使用增强型PID来实现更大的改进,以实现在线和离线分析仪的大量和可变更新时间。我们还可以使用为连续过程开发的推理测量技术,通过分批结果的闭环控制的分析结果提供校正之间的浓度测量。我们可以阻止不良批次,并通过数据分析软件更好地开发批量终点的潜在结构投影(PLS)预测,以进行批量中间修正。
 

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