專利名稱：用于工業(yè)水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)及其使用方法
技術領域：
本發(fā)明的領域涉及實時數(shù)據(jù)的累積和分析，最大限度地增加防腐蝕/防水銹/防 結(jié)垢以及微粒分散性能，同時最大限度地減小水和化學處理劑的成本，從而導致一種更有 效能且更有效率的工業(yè)水系統(tǒng)。特別地，其涉及用于工業(yè)水系統(tǒng)的實時控制，該工業(yè)水系統(tǒng) 是例如但不局限于冷卻水系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)、水回收系統(tǒng)和水凈化系統(tǒng)。
背景技術：
淡水的充足供給對于工業(yè)的發(fā)展是必須的。對于產(chǎn)品和設備的冷卻、對于工藝需 求、對于鍋爐給水和對于衛(wèi)生用水和飲用水供給都需要極大量的淡水。現(xiàn)在人們已經(jīng)日益 認識到淡水是一種必須通過適當?shù)墓芾?、保護和使用而得到保護的寶貴資源。為了確保工 業(yè)用途的高品質(zhì)水的充足供給，必須貫徹以下慣例(1)在消費(飲用)或工業(yè)用途之前的 凈化和調(diào)節(jié)；(2)保護(并在可能的情況下進行重復使用)；(3)廢水處理。水的溶解能力可能對工業(yè)設備造成一個主要的威脅。腐蝕反應造成金屬被水緩慢 溶解，并最終造成工藝設備的結(jié)構性故障。沉積反應在熱傳遞表面上產(chǎn)生水銹并造成生產(chǎn) 損失，代表了水的溶解能力隨著其溫度變化而變化。腐蝕和水銹的控制是水處理技術的一 個主要焦點。通常的工業(yè)水系統(tǒng)會遇到相當大的變化。水成分的特性可能隨著時間而變化。變 化的突然度和程度依賴于水源。再循環(huán)系統(tǒng)的水損失、生產(chǎn)率的變化和化學物供給速率都 會將變化引入到系統(tǒng)中，并從而影響保持恰當系統(tǒng)控制的能力。通常，給定水中特定的鈣離子含量，由無機磷酸鹽與水溶性聚合物一起組成的處 理劑用于在與水系統(tǒng)，尤其與冷卻水系統(tǒng)相接觸的金屬表面上形成保護膜，從而保護它免 受腐蝕。水溶性聚合物對于控制磷酸鈣結(jié)晶是特別重要的，從而在系統(tǒng)中可保持相對較高 的磷酸鹽水平以取得所需的保護，而不會導致通常由于磷酸鈣沉積而引起的結(jié)垢或阻礙熱 傳遞功能。水溶性聚合物還用于控制硫酸鈣和碳酸鈣的形成，并且還額外用于分配微粒以 保護水系統(tǒng)的總效率。美國專利No. 5，171，450建立了一種簡化的認識，即通過選擇合適的聚合物或聚 合物組合作為處理劑可抑制冷卻塔中生成水銹或腐蝕的現(xiàn)象。這是基于活性聚合物的損失 是由于設備上形成的保護膜引起的磨損的結(jié)果，或者避免由于吸附到固體雜質(zhì)上而構成沉 積物，從而防止可沉積在設備上的微粒結(jié)塊或晶體生長。在這個專利中，活性聚合物被限定 為通過其螢光標記進行測量的聚合物，并且通過利用惰性化學示蹤劑(總的產(chǎn)品濃度的度 量)和減去由標記的聚合物水平所指示的活性聚合物濃度從而限定活性聚合物損失。因 而，通過將活性聚合物控制在活性成分損失不超標的水平來實現(xiàn)腐蝕和水銹的控制。在美國專利No. 6，153，110中，限定了聚合物抑制效率，即自由聚合物水平對總的 聚合物水平的比值。在限定自由聚合物水平和總的聚合物水平時，通過系統(tǒng)水取樣而未檢 測到的系統(tǒng)的聚合物損失最初是不包括在內(nèi)的，這樣自由聚合物被限定為未反應的聚合 物，并且結(jié)合的聚合物被限定為與受抑制粒子相關聯(lián)的聚合物(用作防垢劑)和被吸收到未沉積的水銹上的聚合物(用作分散劑)。自由聚合物和結(jié)合的聚合物共同組成了存在于 水系統(tǒng)中的總的聚合物。在聚合物抑制效率(％ )和水銹抑制(％ )之間，以及在聚合物抑 制效率(％ )和微粒分散(％ )之間建立了相關性。因而，通過將自由聚合物水平對總的聚 合物水平的比值控制在所需比值下可實現(xiàn)對水銹和沉積的控制。 美國專利No. 5，171，450和美國專利No. 6，153，110采用了待解決問題的過于簡化 的觀點。實際上，對于水銹控制的主要因素是PH值、硬度和溫度，而聚合物是次要因素。參 見例如下表I，其顯示了在不同的PH值水平所需要的不同的活性聚合物濃度。不控制pH值 對水銹的主要影響，在增加PH值的情況下，控制最終將導致不經(jīng)濟的聚合物消耗。表I 另外，本發(fā)明人已經(jīng)注意到美國專利No. 5，171，450和美國專利No. 6，153，110中 的受控變量沒有直接與場合特有的關鍵性能參數(shù)例如腐蝕和水銹關聯(lián)起來。每個工業(yè)水系 統(tǒng)都是獨特的。在操作系統(tǒng)時，正確的處理時常需要持續(xù)調(diào)整化學物，以滿足快速變化的 系統(tǒng)條件的要求。對于一個系統(tǒng)的在某個時間合適的聚合物損失目標或聚合物抑制效率 (%)可能不適合另一時間的相同系統(tǒng)或不適合另一系統(tǒng)。在不直接測量性能的條件下，聚 合物濃度監(jiān)測不提供對于場合特有性能的保證。當前可用工藝的第三個問題是聚合物濃度和其派生物例如聚合物損失和聚合物 抑制效率(％)的監(jiān)測不能檢測熱表面上的局部水銹，其只與特定表面上的聚合物損失的 絕對數(shù)量相關聯(lián)。表面越小，系統(tǒng)容積越大，則由于局部水銹而引起的聚合物損失的絕對數(shù) 量反映到聚合物濃度變化上的可能性越小。例如，在30升的實驗室測試單元中，直徑0. 5且 長度5的熱管生成嚴重的水銹。然而表面上絕對的聚合物損失除以系統(tǒng)容積并沒有在聚合 物濃度變化上有所反映。例如，如果將相同的表面對容積比應用于真實世界的450，000加 侖的冷卻塔，那么在3000ft2熱傳遞表面上由于水銹引起的聚合物損失的絕對量從聚合物 濃度變化上是觀察不到的。第四個問題是基于聚合物損失和聚合物抑制效率(％ )的聚合物水平的反饋控制 將可能導致不經(jīng)濟的聚合物消耗。添加聚合物不會幫助減少系統(tǒng)中已經(jīng)存在的結(jié)合的聚合 物的絕對數(shù)量，就是因為結(jié)合到未沉積的水銹上的聚合物將不會從水銹中釋放出來。結(jié)合 的聚合物的絕對數(shù)量的減少只依賴于系統(tǒng)的排污速率。當系統(tǒng)中沒有完全耗盡結(jié)合的聚合 物時，為了取得相同的聚合物抑制效率(％)，需要更高的聚合物水平。例如，為了取得相同 的90%的聚合物抑制效率，其在lppm結(jié)合的聚合物的條件下需要lOppm的總的聚合物，但 在2ppm結(jié)合的聚合物的條件下，需要20ppm的總的聚合物。美國專利No. 6，510，368和美國專利No. 6，068，012提出了通過直接測量性能參數(shù) 例如腐蝕、水銹和結(jié)垢而實現(xiàn)的基于性能的控制系統(tǒng)，其出于明顯的理由，因為監(jiān)測惰性化學示蹤劑導致活性化學物的控制降低，并且監(jiān)測活性化學物導致總的化學物供給的控制上 升，并且其都不能提供對于場合特有性能的保證。在這兩個美國專利中研究出決策樹，以便 從性能測量值中診斷出性能下降的原因，并相應地采取矯正動作。上面基于性能的控制系統(tǒng)的一個關鍵缺點是其是反應型的，而不是主動型的，換 句話說，系統(tǒng)中已經(jīng)主動地發(fā)生了腐蝕、水銹和結(jié)垢現(xiàn)象。此外，腐蝕、水銹和結(jié)垢是高度相 互關聯(lián)的。一旦發(fā)生，其中一個將觸發(fā)和加強另外兩個，其可能需用三倍或四倍的更多的化 學物將系統(tǒng)帶回到其性能基線，因而導致不經(jīng)濟的化學物消耗。主動地保持工業(yè)水系統(tǒng)的 健康比試圖修復不健康的工業(yè)水系統(tǒng)更為經(jīng)濟。因此，工業(yè)中仍然需要一種主動型而非反 應型的控制系統(tǒng)，并從而導致更為有效且更為經(jīng)濟的工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明已經(jīng)建立一種控制系統(tǒng)，其利用多個測量信息和模型來確定最佳控制動 作，以便最大限度地增加腐蝕/水銹/結(jié)垢的抑制作用以及微粒分散性能，并最大限度地減 小水和化學處理劑的成本。這個系統(tǒng)能夠在很寬的工藝條件范圍內(nèi)自動操作，確保達到多 個性能目標，并在變化的或不可測的擾動下實現(xiàn)可靠操作，并且實現(xiàn)最小成本的溶液輸送。在一個實施例中，本發(fā)明闡述了一種用于監(jiān)測和控制工業(yè)水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，包 括(a)測量至少一個操縱變量和代表性能邊界的安全余量的至少一個測量的輸出；(b)確 定所述至少一個測量的輸出和所述至少一個操縱變量之間的至少一個動態(tài)傳遞函數(shù)；(c) 限定從所述至少一個測量的輸出的當前值和未來值推導出的指數(shù)以及從所述至少一個操 縱變量的當前值和未來值推導出的指數(shù)；(d)在各個取樣時間，利用處理器最大限度地增 加所述至少一個測量的輸出的指數(shù)，并最大限度地減小所述至少一個操縱變量的指數(shù)，從 而確定所述至少一個操縱變量的當前值和未來值；以及(e)在水系統(tǒng)中執(zhí)行所述至少一個 操縱變量的當前值。在一個備選實施例中，本發(fā)明的控制系統(tǒng)(1)將一類特殊的測量的輸出限定為性 能邊界的安全余量(超過該邊界就會發(fā)生腐蝕、水銹和結(jié)垢)；(2)在存在性能邊界的安全 余量的條件下操作工業(yè)水系統(tǒng)；(3)以安全余量的縮小對不可測的擾動(補給化學物、熱應 力等等)的影響進行量化；(4)確定從測量的擾動(補給流、排污流等等)至測量的輸出的 動態(tài)傳遞函數(shù)；(5)確定從操縱變量(泵、閥門等等)至測量的輸出的動態(tài)傳遞函數(shù)；(6) 確定安全余量對于與水化學處理相關的測量的輸出的相關性；(7)將性能指數(shù)限定為測量 的輸出的當前值和未來值的加權和，并將成本指數(shù)限定為從操縱變量的當前值和未來值推 導出的水和化學處理劑的成本的加權和，其考慮了關于測量的輸出和操縱變量的約束；(8) 在各個取樣時間最大限度地增加性能指數(shù)和最大限度地減小成本指數(shù)，并確定操縱變量的 當前值和未來值；和(9)在水系統(tǒng)中執(zhí)行操縱變量的當前值。在附屬于本發(fā)明公開并組成本發(fā)明公開的一部分的權利要求中將指出表示本發(fā) 明特征的新穎性的各種特征。為了更好地理解本發(fā)明以及通過使用它而獲得的其操作優(yōu)勢 和好處，可參考附圖和描述性材料。附圖意圖顯示本發(fā)明的許多形式的示例。這些圖并不 意圖顯示可制作并使用本發(fā)明的所有途徑的限制。當然可對本發(fā)明各種構件做出變化和替 代。本發(fā)明還在于所述元件的子組合和子系統(tǒng)以及使用它們的方法。


現(xiàn)在參照附圖，其意味著示例性而非限制性意義，并且其中相同的元件用相同的 標號來表示，并且在每個圖中出于圖示清晰目的而沒有重復所有標號。圖1是具有輸入和輸出信號的工業(yè)水系統(tǒng)的圖示。圖2是用于具有輸入和輸出信號的工業(yè)水系統(tǒng)的控制結(jié)構的圖示。圖3顯示了基于化學濃度和泵作用的實時數(shù)據(jù)而確定從泵作用(操縱變量)至化 學濃度(測量輸出)的動態(tài)傳遞函數(shù)。圖4描繪了用于說明性的水處理程序的各種操作區(qū)域。圖5A和5B描繪了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于模型控制的效果。圖6A和6B顯示了小型試驗，用于確定發(fā)生水銹/結(jié)垢的邊界和結(jié)垢安全余量對 水化學處理的相關性。
具體實施例方式雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明相關領域中的普通技術人員 在不脫離本發(fā)明的技術范圍內(nèi)可對這些實施例做出各種變化或替代。因此，本發(fā)明的技術 范圍不僅包含上述那些實施例，而且還包含所有落在權利要求范圍內(nèi)的實施例。本文使用的近似語在整個說明書和權利要求中可用于修飾任何數(shù)量表述，其可在 不導致其相關的基本功能發(fā)生變化的條件下準許進行修改。因此，由諸如“大約”等詞語修 飾的值并不局限于特定的精確值。至少在某些情況下，近似語可與用于測量該值的儀器的 精度相對應。除非上下文或語句中明確指出，否則范圍的限制可進行組合和/或互換，并且 這種范圍被確定為且包括包含在該范圍內(nèi)的所有子范圍。除了在操作示例中或其它地方中 指明之外，說明書和權利要求中所使用的所有表示成分的量、反應條件等等的數(shù)字或表達 式在一切情況下都應被理解為受到詞語“大約”的修飾。本文使用的詞語“包括”、“包含”、“具有”或其任何其它變體都意圖覆蓋非排它性 的包括。例如，包括一列元件的工藝、方法、物品或裝置并不一定只局限于那些元件，而是可 以包括其它沒有明確列出或?qū)儆谶@種工藝、方法、物品或裝置內(nèi)在的元件。本發(fā)明已經(jīng)建立了一種控制系統(tǒng)，其測量至少一個操縱變量和代表性能邊界的安 全余量的至少一個測量輸出，并在所述至少一個測量輸出和所述至少一個操縱變量之間確 定至少一個動態(tài)傳遞函數(shù)，并限定從所述至少一個測量輸出的當前值和未來值中推導出的 指數(shù)以及從所述至少一個操縱變量的當前值和未來值中推導出的指數(shù)。在各個取樣時間， 控制系統(tǒng)利用處理器最大限度地增加所述至少一個測量輸出的指數(shù)，并最大限度地減小所 述至少一個操縱變量的指數(shù)，并確定所述至少一個操縱變量的當前值和未來值，而后在水 系統(tǒng)中執(zhí)行所述至少一個操縱變量的當前值。雖然計算出所述至少一個操縱變量的當前值 和未來值，但是控制器僅執(zhí)行所述至少一個操縱變量的第一計算值，并且在下一取樣時間 重復這些計算。在一個備選實施例中，控制系統(tǒng)利用多個測量信息和模型來確定最佳控制動作， 以便最大限度地增加腐蝕/水銹/結(jié)垢的抑制以及微粒分散性能，并最大限度地減小水和 處理化學物的成本。這個系統(tǒng)能夠在很寬的工藝條件范圍內(nèi)自動操作，確保達到多個性能 目標，并在變化的或不可測量的擾動下實現(xiàn)可靠操作，同時達到經(jīng)濟的目的。
在本發(fā)明和現(xiàn)有技術的已知系統(tǒng)之間的基本區(qū)別是本權利要求所申明的工藝是 主動型的，并且在保證場合特有性能方面是最佳的。本權利要求所申明的控制系統(tǒng)的一個 實施例是基于對工業(yè)水系統(tǒng)和其控制結(jié)構的綜合考慮基礎之上的。如圖1中所示，水系統(tǒng) 100的輸入105被分類為測量的擾動110、不可測的擾動130和操縱變量120 ；水系統(tǒng)的輸 出155被分類為測量的輸出150和不可測的輸出140。如圖2中所示，控制系統(tǒng)200的輸 入被分類為測量的擾動210、設定點220和測量的輸出230，并且控制系統(tǒng)的輸出被分類為 操縱變量。不可測的擾動260是未知的，除了其對設備輸出270的影響?？刂破?40為這 種擾動提供了反饋補償。設定點220或參考值是輸出的目標值。操縱變量或促動器250是 控制器240調(diào)整以實現(xiàn)其目的的信號。當發(fā)生測量的擾動210時，控制器為這種測量的擾 動210提供了前饋補償，從而最大限度地減小其對輸出270的影響。輸出270是有待保持 在設定點的信號。這是"實際"值，不受到測量噪聲的影響。測量輸出230用于評估實際 值或設備輸出270。測量噪聲280代表電氣噪聲、取樣誤差、漂移校準以及其它削弱測量精 度和準確度的效應。在一個備選實施例中，本發(fā)明控制系統(tǒng)(1)將一類特殊的測量輸出限定為性能邊 界的安全余量(超過該邊界就會發(fā)生例如腐蝕、水銹和結(jié)垢)；(2)在具有性能邊界的安全 余量的條件下操作工業(yè)水系統(tǒng)；(3)以安全余量的縮小對不可測的擾動(例如補給化學物、 熱應力等等)的影響進行量化；(4)確定從測量的擾動(例如補給流、排污流等等)至測量 的輸出的動態(tài)傳遞函數(shù)；(5)確定從操縱變量(例如泵、閥門等等)至測量的輸出的動態(tài)傳 遞函數(shù)；(6)確定安全余量對于與水化學處理相關的測量輸出的相關性；(7)將性能指數(shù)限 定為測量輸出的當前值和未來值的加權和，并將成本指數(shù)限定為從操縱變量的當前值和未 來值中推導出的水和化學處理劑的成本的加權和，其考慮了關于測量的輸出和操縱變量的 約束；(8)在各個取樣時間最大限度地增加性能指數(shù)和最大限度地減小成本指數(shù)，并確定 操縱變量的當前值和未來值；以及(9)在水系統(tǒng)中執(zhí)行操縱變量的當前值。雖然計算出操 縱變量的當前值和未來值，但是控制器僅執(zhí)行操縱變量的第一計算值，并且在下一取樣時 間重復這些計算。不同于現(xiàn)有技術中的定性邏輯樹，在本發(fā)明中明確地量化了(4)，(5)和(6)中的 動態(tài)傳遞函數(shù)，從而可解決數(shù)字優(yōu)化問題。在一個實施例中，通過利用測試熱交換器建立了水銹/結(jié)垢邊界的安全余量。在 熱傳遞表面的一側(cè)是電加熱器，在另一側(cè)是水系統(tǒng)的側(cè)流。加熱器的熱流和側(cè)流的水流被 控制在其設定點上。因此，在表面和水之間的溫度梯度的上升代表了水銹/結(jié)垢的發(fā)生。如 果我們提高熱流設定點和/或降低水流設定點使得表面溫度比水系統(tǒng)中的最熱的表面高 A 1\，并且沒有檢測到水銹/結(jié)垢，那么就將限定為水系統(tǒng)中水銹/結(jié)垢邊界的安全余 量。當不可測的擾動進入水系統(tǒng)中時，測試熱交換器首先檢測水銹/結(jié)垢。通過降低熱流 設定點和/或提高水流設定點來減少表面溫度，使得水銹/結(jié)垢得到抑制，并且表面溫度比 水系統(tǒng)中最熱的表面高AT2。這樣，(ATrAT2)代表了不可測的擾動對水銹/結(jié)垢安全余 量的影響。在一個實施例中，通過利用測試腐蝕探測器建立了腐蝕邊界的安全余量。如果在 陰電極和陽電極之間外加額外的電勢差A仏并且沒有檢測到腐蝕，那么就將AEi限定為水 系統(tǒng)的腐蝕邊界的安全余量。當不可測的擾動進入水系統(tǒng)時，測試腐蝕探測器首先檢測腐蝕。將外加電勢差減少至A E2，從而使腐蝕被抑制。這樣，(AE「AE2)代表了不可測的擾 動對腐蝕安全余量的影響。在一個實施例中，該控制系統(tǒng)確定從測量的擾動(例如補給流、排污流等等)至測 量的輸出(例如化學濃度)的動態(tài)傳遞函數(shù)，以及從操縱變量(例如泵、閥門等等)至測量 的輸出(例如化學濃度)的動態(tài)傳遞函數(shù)。動態(tài)傳遞函數(shù)可表示為ywl(t+l)
yw2 ( X ), . . . , Uj ( X ), u2 ( x ), . . . , Vj ( x ), v2 ( x ), . . . , x ^ t) yw2 (t+1) = f2 (yw2 ( x ),
yw2 ( x ) , . . . , Uj ( x ) , u2 ( x ) , . . . , Vl ( x ) , v2 ( x ) , . . . , t 彡 t)......其中 ywl，yw2-是
與水化學處理相關的測量的輸出；Ul，u2...是操縱變量；Vl，V2...是不可測的擾動。傳遞函 數(shù)是動態(tài)的，因為與水化學處理相關的測量的輸出依賴于之前時間的測量的輸出、操縱變 量和測量的擾動。例如，化學物質(zhì)X的質(zhì)量平衡模型可表示為累積在系統(tǒng)中的X的量等于進入系統(tǒng)
中的X的量減去離開系統(tǒng)的X的量。用于此的數(shù)學公式是= -5(0； C(0 +尸( )其
at
中V是系統(tǒng)容積，B是排污流量，F(xiàn)是化學物供給流量、C是系統(tǒng)中的化學物質(zhì)X的濃度。對 于該導數(shù)使用at的取樣時間和歐拉一階近似，即^^ C(t+\)-C(t)那么質(zhì)量平衡模
型可表示為C(t+1) =f(C(t)，F(xiàn)(t)，B(t))，即時間t+1時的化學濃度(測量的輸出)是時間 t時的化學濃度(測量的輸出)、化學物供給量(操縱變量)以及排污量(測量的擾動)的
函數(shù)。假定排污量恒定，那么模型變?yōu)? —c(o + css 叩你⑶⑴其中t (=
at
V/B)是系統(tǒng)時間常數(shù)，％ pumpOpen是泵開度百分比，Css( = F/B)是如果％ pumpOpen等
于100%時的穩(wěn)態(tài)濃度。參見圖3，從泵作用(操縱變量)至化學濃度(測量的輸出)的動
dC
態(tài)傳遞函數(shù)基于化學濃度和泵作用的實時數(shù)據(jù)而被確定為wl3^1:-c +
o通過具有確定了系統(tǒng)中的化學泵作用和化學濃度之間的動態(tài)的一個實施例，控制 器可提供最佳控制決策，以使系統(tǒng)在最小的時間或以最小的成本移動到目標操作區(qū)域中。 圖4描繪了針對說明性的水處理程序的各種操作區(qū)域。圖5A和5B進一步顯示了同基于 排污流或補給流而供給化學物的比例控制相比，基于模型的控制系統(tǒng)如何使聚合物濃度在 最小的時間內(nèi)從2ppm移動至目標4ppm，同時明確滿足泵開度約束(即0 pumpOpen < 100% )。在一個實施例中，控制系統(tǒng)確定與水化學處理相關的安全余量對于測量的輸出
的相關性。這種相關性可表示為ysl = gl(ywl，yw2，...)ys2 = & (ywl，yw2，...)......其
中ysl，ys2...是安全余量，ywl，yw2...是與水化學處理相關的測量的輸出。非線性函數(shù) gl(0，g2(-)可被劃分為若干個區(qū)域。在各個區(qū)域中，非線性函數(shù)是通過其線性近
似值進行近似的，對于區(qū)域(ysl，ys2.) g Rn
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(.Vwi”w2
廣&哦(ysl，ys2.; t= k"
1 = a2，
=、’…......參見圖6a和6b。圖6a描繪小型試驗，其
9中在聚合物濃度下降到某個閾值之后，測試熱交換器的熱表面溫度開始急劇增加。連接不 同的表面溫度下的閾值將形成邊界，超過該邊界將發(fā)生水銹/結(jié)垢。圖6B描繪了小型試驗， 其中表面溫度在PH值增加到某個閾值之后開始急劇增加。連接不同的表面溫度下的閾值 將形成邊界，超過該邊界將發(fā)生水銹/結(jié)垢。對于T = 140 160F，pH = 7. 5 7. 7且聚 合物=l_4ppm的區(qū)域，結(jié)垢/水銹安全余量對于水化學處理的相關性可表示為3ppm聚合 物的增量可在結(jié)垢/水銹安全余量方面提供20F，或者pH值下降0. 2可在結(jié)垢/水銹安全 余量方面提供20F。在本發(fā)明控制系統(tǒng)的一個實施例中，測試熱交換器和測試腐蝕探測器都在接近性 能邊界附近操作?？刂葡到y(tǒng)累積由于不可測的擾動而引起的安全余量縮小的數(shù)據(jù)，和由于 操縱變量而引起的安全余量擴展以及它們對于與水化學處理相關的測量的輸出的影響。從 實時累積的數(shù)據(jù)中，可確定安全余量對于與水化學處理相關的測量的輸出的相關性。在一個實施例中，控制系統(tǒng)將性能指數(shù)限定為測量的輸出的當前值和未來值的加 權和，并且將成本指數(shù)限定為從操縱變量的當前值和未來值推導出的水和化學處理劑的 成本的加權和，其考慮了關于測量的輸出和操縱變量的約束。在各個取樣時間，控制系統(tǒng) 最大限度地增加性能指數(shù)和最大限度地減小成本指數(shù)，并確定操縱變量的當前值和未來 值，并且在水系統(tǒng)中執(zhí)行操縱變量的當前值。雖然計算出操縱變量的當前值和未來值，但 是控制器僅執(zhí)行操縱變量的第一計算值，并且在下一取樣時間重復這些計算。對于此的 數(shù)學公式是在取樣時間％，對于給定的
其條件為 ywlL 彡 ywi (t)彡‘^ yw2 ⑴ ^ yw2u，
ysiL ( ysi (t) ( yslu，ys2L ( ys2 (t) ( ys2u, u, < …(t) ( u^, u2L ( u2 (t) ( u2u, t = t0. t。+N其中t0是當前時間，是未來第N步的時間，Wi是第i個安全余量的權重，Q是 與第i個操縱變量相關聯(lián)的成本；ywiL和ywiu是ywi的下限和上限；y^和ysiu是ysi的下限 和上限；u,L和u,是u,的下限和上限。雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明相關領域中的普通技術人員 在不脫離本發(fā)明的技術范圍內(nèi)可對這些實施例做出各種變化或替代。因此，本發(fā)明的技術 范圍不僅包含上述那些實施例，而且還包含所有落在權利要求范圍內(nèi)的實施例。
權利要求
一種用于監(jiān)測和控制工業(yè)水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，包括(a)測量至少一個操縱變量和代表性能邊界的安全余量的至少一個測量的輸出；(b)確定所述至少一個測量的輸出和所述至少一個操縱變量之間的至少一個動態(tài)傳遞函數(shù)；(c)限定從所述至少一個測量的輸出的當前值和未來值推導出的指數(shù)，以及從所述至少一個操縱變量的當前值和未來值推導出的指數(shù)；(d)在各個取樣時間，利用處理器最大限度地增加所述至少一個測量的輸出的指數(shù)以及最大限度地減小所述至少一個操縱變量的指數(shù)，以及確定所述至少一個操縱變量的當前值和未來值；和(e)在各個取樣時間，在所述水系統(tǒng)中執(zhí)行所述至少一個操縱變量的當前值。
2.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述工業(yè)水系統(tǒng)是再循環(huán)系統(tǒng)。
3.根據(jù)權利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述工業(yè)水系統(tǒng)是冷卻塔系統(tǒng)或鍋 爐系統(tǒng)。
4.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述操縱變量包括化學物供給速率、 補給水流率、排污水流率、再循環(huán)水流率及其組合。
5.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述測量的輸出包括性能邊界的安 全余量、源水的成分、系統(tǒng)水的成分及其組合。
6.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述性能邊界的安全余量通過使用 熱交換器、腐蝕探測器或其組合來確定。
7.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述性能邊界是超過它即會發(fā)生腐 蝕、水銹和結(jié)垢的邊界。
8.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述動態(tài)傳遞函數(shù)將時間t時的測量 的輸出與時間t之前的測量的輸出及操縱變量關聯(lián)起來。
9.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，在未來時間t的測量的輸出是由時間 t之前的測量的輸出和操縱變量計算出來的。
10.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個指數(shù)是所述操縱變量的當 前值和未來值的函數(shù)。
11.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器在各個取樣時間確定所 述操縱變量的當前值和未來值，并執(zhí)行所述操縱變量的當前值。
12.一種用于監(jiān)測和控制工業(yè)水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，包括a)限定一類特殊的測量的輸出作為性能邊界的安全余量；b)在存在性能邊界的安全余量的條件下操作所述工業(yè)水系統(tǒng)；c)以所述安全余量的縮小對不可測的擾動的影響進行量化；d)確定從所述測量的擾動至所述測量的輸出的動態(tài)傳遞函數(shù)；e)確定從所述操縱變量至所述測量的輸出的動態(tài)傳遞函數(shù)；f)確定所述安全余量對于與水化學處理相關的所述測量的輸出的相關性；g)將性能指數(shù)限定為所述測量的輸出的當前值和未來值的加權和，并且將成本指數(shù)限 定為從所述操縱變量的當前值和未來值推導出的水和化學處理劑的成本的加權和，其考慮 了關于所述測量的輸出和所述操縱變量的約束；h)在各個取樣時間，最大限度地增加所述性能指數(shù)和最大限度地減小所述成本指數(shù)， 并確定所述操縱變量的當前值和未來值；和i)在所述水系統(tǒng)中執(zhí)行所述操縱變量的當前值。
13.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述工業(yè)水系統(tǒng)是再循環(huán)系統(tǒng)。
14.根據(jù)權利要求13所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述工業(yè)水系統(tǒng)是冷卻塔系統(tǒng)或 鍋爐系統(tǒng)。
15.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述不可測的擾動和所述測量的 擾動包括源水的成分變化、再循環(huán)系統(tǒng)的水損失、生產(chǎn)率的變化、環(huán)境變化、系統(tǒng)結(jié)構上的 變化及其組合。
16.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述操縱變量包括化學物供給速 率、補給水流率、排污水流率、再循環(huán)水流率及其組合。
17.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述測量的輸出包括性能邊界的 安全余量、源水的成分、系統(tǒng)水的成分及其組合。
18.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述性能邊界的安全余量通過使 用熱交換器、腐蝕探測器或其組合來確定。
19.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述性能邊界是超過它即會發(fā)生 腐蝕、水銹和結(jié)垢的邊界。
20.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述性能邊界的安全余量通過使 用熱交換器來確定，使得表面溫度比所述水系統(tǒng)中的最熱的表面高出AI\，并且沒有檢測 到水銹/結(jié)垢，那么就將AI\限定為所述水系統(tǒng)的水銹/結(jié)垢邊界的安全余量。
21.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述性能邊界的安全余量通過使 用腐蝕探測器來確定，使得在陰電極和陽電極之間存在電勢差△仏，并且沒有檢測到腐蝕， 那么就將AEi限定為所述水系統(tǒng)的腐蝕邊界的安全余量。
22.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，在步驟f)中，所述安全余量對于與 水化學處理相關的測量的輸出的相關性可由在特定的區(qū)域中所述安全余量的變化對與水 化學處理相關的所述測量的輸出的變化的比值來近似。
23.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，在步驟d)中，所述動態(tài)傳遞函數(shù)將 時間t時的所述測量的輸出與時間t之前的測量的輸出及測量的擾動關聯(lián)起來。
24.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，在步驟e)中，所述動態(tài)傳遞函數(shù)將 時間t時的所述測量的輸出與時間t之前的測量的輸出及操縱變量關聯(lián)起來。
25.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，在未來時間t時的測量的輸出是由 時間t之前的測量的輸出、測量的擾動和操縱變量計算得到的。
26.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個指數(shù)是所述操縱變量的 當前值和未來值的函數(shù)。
27.根據(jù)權利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器在各個取樣時間確定 所述操縱變量的當前值和未來值，并執(zhí)行所述操縱變量的當前值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于工業(yè)水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，其利用多個測量信息和模型來確定最佳控制動作，以便最大限度地增加腐蝕/水銹/結(jié)垢的抑制作用以及微粒分散性能，并最大限度地減小水和化學處理劑的成本。該系統(tǒng)能夠在很寬的工藝條件范圍內(nèi)自動操作，確保達到多個性能目標，并在變化的或不可測的擾動下實現(xiàn)可靠操作，并且實現(xiàn)最小成本的溶液輸送。
文檔編號G05D21/02GK101861556SQ200880101510
公開日2010年10月13日 申請日期2008年6月20日 優(yōu)先權日2007年8月3日
發(fā)明者G·E·蓋格, Y·張, 萬朝陽, 張 育 申請人:通用電氣公司