BRPI0614404A2 - métodos para controlar uma coluna de destilação e um sistema tendo variáveis manipuladas para controlar parámetros de processo do sistema - Google Patents

Abstract

METODOS PARA CONTROLAR UMA COLUNA DE DESTILAçãO E UM SISTEMA TENDO VARIáVEIS MANIPULADAS PARA CONTROLAR PARáMETROS DE PROCESSO DO SISTEMA Um método para controlar a coluna de destilação na qual uma temperatura sensoreada em uma seção de topo da coluna (2) é magnificada e utilizada dentro do controlador de predição de modelo (4) de modo que o controle seja mais agressivo à medida que as temperaturas aumentem além de uma temperatura de limiar. Adicionalmente, na coluna de destilação (2), ou, e fato, em qualquer outro sistema no qual duas ou mais variáveis manipuladas controlam duas ou mais variáveis controladas comuns, técnicas e modelagem especiais são utilizadas para tomar a sintonização de controlador mais fácil de concluir. Nessas técnicas de modelagem, cada variável manipulada é presumida capaz de ter um efeito sobre uma variável controlada por um modelo de resposta escalonada unitário e outros modelos e resposta escalonada são utilizados de modo que a(s) outra(s) variável(eis) manipulada(s) que também teria(m) um efeito sobre a mesma variável controlada seja(m) levada(s) em conta pelo controlador (4) como variável(eis) e avanço de alimentação.

Description

"MÉTODOS PARA CONTROLAR UMA COLUNA DE DESTILAÇÃO EUM SISTEMA TENDO VARIÁVEIS MANIPULADAS PARACONTROLAR PARÂMETROS DE PROCESSO DO SISTEMA"

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a um método para controlar umacoluna de destilação ou outro sistema por meio de controle de predição demodelo. Mais particularmente, a presente invenção se refere a um método noqual as temperaturas em uma seção de topo da coluna de destilação, quandoutilizadas pelo controlador, são transformadas para se obter manipulação maisagressiva da adição de refluxo nas colunas tendo instabilidade devido amúltiplos perfis de temperatura de estado estável. Adicionalmente, a presenteinvenção refere-se a um método que também tem sistemas de aplicaçãodiferentes das colunas de destilação no qual determinadas variáveis sãoutilizadas dentro do controlador como variáveis de avanço de alimentaçãopara permitir a sintonização de controlador simplificada.

Fundamentos da Invenção

Os sistemas de controle de predição de modelo conhecidoscomo "MPC" são utilizados para controlar uma variedade de processosindustriais. Falando de modo geral, os controladores de predição de modelooperam sobre variáveis independentes e dependentes. As variáveisindependentes são variáveis manipuladas que podem ser mudadas ou movidaspor um operador ou controlador, tais como ajustes das posições de válvula ouseus pontos de ajuste (fluxos, temperaturas, pressões etc) e variáveis deavanço ou de distúrbio de alimentação que têm um impacto significativosobre o processo ou sistema a ser controlado, ainda que não possam serdiretamente manipuladas. As variáveis dependentes são variáveis controladastendo um valor que pode ser descrito ou predito totalmente em termos demudanças de variável independente específica.

Um controlador de predição de modelo é programado commodelos de resposta escalonada que mostra como cada variável controladaresponde a uma mudança em uma dada variável independente. Esses modelossão usados para predizer o comportamento futuro das variáveis controladascom base na história passada das variáveis controladas, manipuladas e deavanço de alimentação. A predição é usada para calcular ações de controleapropriadas para as variáveis manipuladas. As predições de modelo sãocontinuamente atualizadas com a informação medida a partir do processo paraprover um mecanismo de retroalimentação para o controlador de predição demodelo.

Os modelos que operam o controlador de predição de modeloconsistem de uma coleção de modelos de resposta escalonada que relacionamas variáveis controladas às variáveis manipuladas e de avanço de alimentaçãocom base em um movimento de unidade das variáveis manipuladas e deavanço de alimentação do tempo depois desse movimento que as variáveiscontroladas levam para alcançar o estado estável. Durante a operação de umcontrolador, são mantidos dados que registram valores anteriores dasvariáveis manipuladas, valores preditos das variáveis controladas e valoresreais das variáveis controladas. Os dados são atualizados a cada execução docontrolador e são usados para determinar um erro de predição que pode seraplicado à predição de modelo como retroalimentação para o controlador.

Utilizando os valores correntes das variáveis manipuladas, édeterminada uma resposta de circuito aberto, isto é, uma resposta que seriaobtida sobre um horizonte de predição em que não tenham sido inseridasentradas de controle adicionais. Portanto, um conjunto de movimentosotimizados da variável manipulada é predito para obter uma resposta decircuito fechado que trará as variáveis controladas para valores alvo que, naprática, são ajustados dentro das variações. O primeiro dos movimentos decontrolador contidos dentro do plano de movimento é, então, transmitido aoscontroladores locais que funcionam para controlar o equipamento dentro dosistema, como controladores de fluxo. Esses controladores locais podem sercontroladores diferenciais integrais proporcionais que são usados, porexemplo, para controlar atuadores de válvula. O processo mencionado acimaé repetido durante cada execução do controlador.

Sistemas de controle de predição de modelo têm sido usadospara controlar instalações de separação de ar tendo colunas de destilação. Emuma coluna de destilação, uma alimentação de múltiplos componentes a serseparada ou fracionada é introduzida em uma coluna de destilação sobcondições nas quais uma fase de vapor ascendente da mistura a ser separadacontata uma fase descendente da mesma de tal maneira que a fase de vapor, àmedida que ascende, se torna cada vez mais rica em componentes leves oumais voláteis da mistura e a fase de líquido, à medida que descende, se tornacada vez mais rica em componentes mais pesados ou menos voláteis damistura. Esse contato é provido pelos elementos de transferência de massaque podem ser estruturados ou empacotamento aleatório ou bandejas depeneira.

Determinados tipos de colunas de destilação são projetadaspara produzir produtos de alta pureza e de ultra-alta pureza, isto é, produtostendo uma pureza maior do que aproximadamente 99,99% por volume. Essascolunas são particularmente sensíveis à razão líquido/vapor e podem exibirmúltiplos perfis de temperatura de estado estável que mudarão rapidamente deum perfil para o outro com base na quantidade de vapor que surge na coluna ena quantidade de calor introduzida na coluna. Como resultado, durante umacondição de perturbação causada por uma mudança na composição dealimentação, pode ser difícil controlar a razão de líquido para vapor dentro dacoluna e, portanto, a pureza de produto.

Um outro problema mais geral de controle é que oscontroladores de predição de modelo podem ser muito difíceis de sintonizarquando usados em conexão com determinados tipos de sistemas que podemincluir colunas de destilação. A dificuldade em sistemas de múltiplasvariáveis nos quais o movimento de cada uma das duas ou mais variáveismanipuladas afeta o valor das duas ou mais variáveis controladas comuns. Porexemplo, no caso de coluna de destilação, uma posição de válvula de controlede fluxo de refluxo pode ser representada dentro de um sistema de controle depredição de modelo como uma variável manipulada que terá um efeito sobre atemperatura na seção de topo de uma coluna, bem como na seção de fundo dacoluna. Falando de modo geral, adicionar refluxo tende a esfriar a colunainteira. A taxa de vapor dentro da coluna de destilação pode ser controladapor uma válvula que controla a quantidade de vapor dentro da alimentaçãopara a coluna. A mesma válvula pode ser a mencionada para controlar aadição de calor, visto que a fração de vapor nesse sistema pode ser controladacontrolando-se a quantidade de líquido vaporizado. A posição dessa válvulapode ser representada no controlador de predição de modelo por meio de umaoutra variável manipulada que também terá um efeito sobre ambas astemperaturas, tanto nas seções de topo quanto de fundo, da coluna dedestilação. Sob essas circunstâncias, a sintonização do controlador se tornaconsumidora de tempo e de proposição difícil.

Como será examinado, a presente invenção, em um aspecto,refere-se a um método para controlar uma coluna de destilação por meio docontrole de predição de modelo no qual o controlador é capaz de reagir maisagressivamente a determinados níveis de temperatura para impedir o produtode desviar da pureza de produto exigida. Em um outro aspecto, os modelos deresposta escalonada são utilizados de modo mais eficaz para permitir aocontrolador ser mais facilmente sintonizado.

Sumário da Invenção

A presente invenção provê um método para controlar umacoluna de destilação tendo válvulas de controle incluindo uma válvula decontrole de fluxo de refluxo para manipular a vazão de refluxo para umaseção de topo da coluna e pelo menos uma entrada para uma alimentaçãoseparada que fica situada abaixo de uma entrada de refluxo para o fluxo derefluxo. A alimentação tem uma temperatura variável que poderiapotencialmente ter um efeito sobre uma primeira temperatura sensoreadadentro da seção de topo da coluna de destilação sob um aumento natemperatura de alimentação e uma composição variável que também poderiapotencialmente ter um efeito sobre a primeira temperatura quando do aumentode componentes menos voláteis dentro da alimentação.

De acordo com o método, um controlador de predição demodelo é executado repetidamente a uma freqüência de controlador. Ocontrolador de predição de modelo tem um conjunto de dados, contendoregistros sobre um período de tempo anterior igual a um horizonte de prediçãoque inclui posições de válvulas das válvulas de controle, incluindo a válvulade controle de fluxo de refluxo, como variáveis manipuladas. O conjunto dedados também contém valores reais correspondentes das temperaturassensoreadas, incluindo a primeira temperatura, como variáveis controladas evalores preditos para as variáveis controladas que são preditos pelocontrolador de predição de modelo. O controlador de predição de modelotambém é programado com modelos de resposta escalonada relacionando asvariáveis manipuladas às variáveis controladas.

Durante cada execução do controlador de predição de modelo,o conjunto de dados é atualizado com os valores correntes reais das variáveismanipuladas, e o conjunto de dados é utilizado junto com os modelos deresposta escalonada para calcular erros de predição (ou desvios). Os erros depredição são aplicados às predições como um desvio e as predições decircuito aberto e fechado são calculadas sobre o horizonte de predição. Umconjunto dos planos de movimento é obtido, desse modo, para os movimentosdas variáveis manipuladas para minimizar a diferença entre as variáveiscontroladas e os valores alvo relacionados. São gerados sinais que sãoreferentes aos movimentos iniciais contidos no conjunto dos planos demovimento. Os sinais são transmitidos para os controladores usados no ajustedas válvulas de controle, para, desse modo, implementar os movimentosiniciais das válvulas de controle.

Uma primeira das variáveis controladas é referente à primeiratemperatura. Quando o valor da primeira temperatura está abaixo de umatemperatura de limiar, o controlador opera usando o valor da primeiratemperatura. Quando a primeira temperatura está acima de uma temperaturade limiar, a temperatura transformada é utilizada pelo controlador. O valortransformado é calculado a partir de uma soma de uma temperatura de limiar,de um primeiro fator de sintonização e de uma mudança de temperaturadividida por um segundo fator de sintonização que é usado para amplificar oefeito da mudança de temperatura. A mudança de temperatura é computadasubtraindo-se da primeira temperatura corrente, a primeira temperaturasensoreada durante uma execução anterior do programa de controle depredição de modelo. Dessa maneira, quando a temperatura sobre acima de umvalor de limiar, o controlador, ao invés de reagir à temperatura real, reage atemperatura mais alta, e provê movimentos de controle mais agressivos paramanter a pureza de produto.

Em um caso específico, uma segunda das variáveis controladasé uma segunda temperatura sensoreada na seção de fundo da coluna. Aalimentação é um líquido e é, em parte, vaporizada para formar umaalimentação de duas fases consistindo de frações de vapor e de líquido. Umacorrente de fundo de coluna vaporizada, constituída de produtos de fundo decoluna de líquido, é combinada com pelo menos a fração vaporizada daalimentação antes da introdução da alimentação dentro da coluna dedestilação e a pelo menos uma entrada para a alimentação fica em uma alturade coluna situada entre a seção de topo e a seção de fundo da coluna dedestilação.As válvulas de controle também incluem uma válvula decontrole de fluxo de alimentação como uma segunda variável manipuladapara controlar simultaneamente as vazões do vapor e frações de líquido demodo que um aumento na vazão da fração de vapor resulte em umadiminuição correspondente na vazão da fração de líquido e aumente aprimeira temperatura e a segunda temperatura e vice-versa. Qualquer aumentona vazão da fração de líquido diminui a primeira temperatura elevada e asegunda temperatura e vice-versa. Os modelos de resposta escalonadaincluem primeiro e segundo modelos de resposta escalonada relacionando aprimeira variável manipulada às primeira e segunda das variáveis controladas.Terceiro e quarto modelos de resposta escalonada relacionando a segundavariável manipulada às primeira e segunda variáveis controladas,respectivamente.

A mencionada pelo menos uma entrada pode ser de duasentradas separadas. A fração de vapor e a fração de líquido da alimentaçãosão separadamente introduzidas na coluna de destilação através das duasentradas separadas. A mencionada alimentação pode ser dividida em primeirae segunda correntes subsidiárias. A primeira corrente subsidiária é vaporizadapara combinar com a corrente de produto de fundo de coluna de líquidovaporizado para formar uma corrente de fração de vapor. A corrente de fraçãode vapor é introduzida em uma das duas entradas para introduzir a fração devapor dentro da coluna de destilação. A segunda corrente subsidiária éintroduzida dentro da outra das duas entradas separadas para introduzir a fração de líquido dentro da coluna de destilação.

De acordo com um aspecto adicional da presente invenção,caso existam pelo menos duas variáveis manipuladas que afetem duas ou maisvariáveis controladas, as predições de circuito aberto e fechado podem sercalculadas de acordo com a presente invenção para a primeira das variáveiscontroladas e a primeira das variáveis manipuladas através da superposição doprimeiro modelo de resposta escalonada e do terceiro modelo de respostaescalonada e com a segunda variável manipulada sendo usada em conexãocom o terceiro modelo de resposta escalonada como uma primeira variável deavanço de alimentação. As predições de circuito aberto e fechado sãocalculadas para a segunda variável controlada através da superposição doquarto modelo de resposta escalonada e do segundo modelo de respostaescalonada e com a primeira variável manipulada sendo usada em conexãocom o segundo modelo de resposta escalonada como uma segunda variável deavanço de alimentação. Nesse caso, durante qualquer cálculo, a posição, porexemplo, da válvula de controle de fluxo de refluxo, enquanto o controladorestiver envolvido, é dependente somente do movimento dessa válvula. Osefeitos de temperatura da outra válvula de controle de fluxo de alimentaçãocontrolando o grau no qual a fração de vapor é admitida na coluna são levadosem conta como uma variável de avanço nos cálculos de circuito aberto efechado. Desse modo, a sintonização de controlador se torna uma questãomais fácil do que a situação de sintonização de técnica anterior na qual tantoas variáveis manipuladas quanto as variáveis controladas têm de serconsideradas na manipulação de uma única válvula.

Esse último aspecto da presente invenção é aplicável aqualquer sistema tendo variáveis manipuladas para controlar parâmetros deprocesso do sistema em resposta ao desvio dos parâmetros de processo apartir dos valores alvo dos mesmos. E essa característica da presente invençãoque pode ser aplicada a uma coluna de destilação e sem a técnica detransformação de temperatura examinada acima.

Breve Descrição dos Desenhos

Embora a especificação conclua com as reivindicaçõesapontando distintamente para fora da questão que os requerentes como suainvenção, acredita-se que a invenção será mais bem entendida quando tomadaem conexão com os desenhos anexos, nos quais:a Figura 1 é uma representação esquemática de uma coluna dedestilação e seu controle anexo;

a Figura 2 é uma representação gráfica dos perfis detemperatura de estado estável múltiplos da coluna de destilação ilustrada naFigura 1;

a Figura 3 é uma representação gráfica dos cálculos que sãonecessários para se obter um plano de movimento das colunas de destilaçãocomo mostrado na Figura 2;

a Figura 4 é um modelo de resposta escalonada da técnicaanterior que poderia ser utilizado por um sistema de controle de predição demodelo utilizado no controle de uma coluna de destilação ilustrada na Figura 1;

a Figura 5 é uma representação gráfica de um modelo usado nocontrole de uma coluna de destilação na Figura 1; e

a Figura 6 é uma representação gráfica da execução de umcontrolador de predição de modelo usado no controle da coluna de destilaçãoda Figura 1 de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada

Com referência à Figura 1, é ilustrado um sistema de coluna dedestilação 1 que inclui uma coluna de destilação 2, controladores de válvula3a e 3b e um controlador de predição de modelo 4.

A coluna de destilação 2 é projetada para receber umaalimentação de líquido 10 para separar os componentes através de destilaçãopara produzir um produto purificado 12 como overhead de torre. A coluna dedestilação 2 consiste de elementos de transferência de massa, que, nãoilustração, são bandejas de peneira. A presente invenção, entretanto, seriaaplicável a qualquer tipo de coluna, incluindo aquela tendo embalagemaleatória ou estruturada. De uma maneira conhecida, uma fase de vaporascendente da mistura a ser separada ascende na coluna 2 e se torna cada vezmais rica em componentes mais voláteis, referidos na técnica comocomponentes mais leves. Uma fase de líquido descendente contata a fase devapor ascendente através dos elementos de transferência de massa e se tornacada vez mais rica em componentes menos voláteis, conhecidos comocomponentes mais pesados, à medida que a fase de líquido descende dentroda coluna 2.

A alimentação de líquido 10 é dividida em primeira e segundacorrentes subsidiárias 14 e 16. A primeira corrente subsidiária 14 é vaporizadadentro de um vaporizador ou outro dispositivo de troca de calor 18 e écombinada com uma corrente de fundo de coluna de líquido 20 e introduzidana entrada de coluna de destilação 22. Uma corrente de fundo de coluna delíquido 24 é vaporizada dentro do trocador de calor 26 para produzir acorrente de fundo de coluna de líquido vaporizada 20. A segunda correntesubsidiária 16 é introduzida como um líquido dentro de uma entrada delíquido 28 da coluna de destilação 2.

Desse modo, na coluna de destilação 2, as frações de líquido evapor da corrente a ser separada são introduzidas separadamente. É entendido,entretanto, que as correntes mencionadas acima de fração de vapor e de fraçãode líquido poderiam ser combinadas em um fluxo de duas fases antes deentrar na coluna de destilação 2. Uma válvula de controle de fluxo dealimentação é provida para ajustar simultaneamente a quantidade de fraçõesde líquido e de vapor a ser introduzida na coluna 2. Por exemplo, à medidaque a válvula de controle de fluxo de alimentação 30 se move para umaposição fechada, o fluxo da segunda corrente subsidiária 16 aumenta paraaumentar a quantidade de fração de líquido que é introduzida na coluna 2. Ao mesmo tempo, a quantidade de ração de vapor é reduzida. Uma operaçãoinversa ocorre quando a válvula de controle de fluxo de alimentação 30 éaberta. A válvula de controle de fluxo 30 é controlada por um atuador deválvula 32 que é ligado a um controlador de válvula 3a conhecido, porexemplo, um controlador diferencial integral proporcional, de modo que aválvula de controle de fluxo de alimentação 32 possa ser ativadaremotamente.

A fase de líquido descendente é iniciada na coluna 2introduzindo-se uma corrente de refluxo 35 em uma seção de topo da colunade destilação 2. A corrente de refluxo 35 tem a mesma composição que acorrente de produto 12 ou pode ser de pureza ainda mais alta e, desse modo,pode ser produzida condensando-se a corrente de produto 12 depois de tersido adicionalmente purificada ou sem purificação adicional em umcondensador de refluxo, não mostrado. A vazão da corrente de refluxo 35 écontrolada por uma válvula de controle de fluxo de refluxo 36 tendo umatuador de válvula 37 que é ligado ao controlador de válvula 3b que pode serdo mesmo tipo que o controlador de válvula 3 a.

As verdadeiras entradas de sinal de controle 38 e 39 enviadasaos controladores 3a e 3b, respectivamente, são produzidas pelos sinaisenviados pelo controlador de predição de modelo 4 que pode ser umcontrolador DMCplus™ obtido a partir da Aspen Technology, Inc., Ten CanalPark, Cambridge, MA 02141-2201. As entradas de sinal de controle 38 e 39ativam os controladores 3a e 3b para ajustar as posições da válvula decontrole de fluxo de alimentação 30 e a válvula de controle de fluxo derefluxo 36 com base em uma primeira temperatura T1 sensoreada em umaseção de topo da coluna pelo sensor de temperatura 40 e uma segundatemperatura T2 sensoreada em uma seção de fundo da coluna 2 pelo sensor detemperatura 42. Os sensores de temperatura 40 e 42 são dispositivos bemconhecidos e podem ser pilhas termoelétricas. Também deve ser notado queos termos "primeira" e "segunda" são usados simplesmente para facilitar umentendimento da invenção por meio da diferenciação das temperaturas reaissensoreadas. Além disso, como será examinado, também deve ser entendidoque temperaturas adicionais poderiam ser sensoreadas como uma entrada parao controlador de predição de modelo 4.

Como pode ser apreciado por aqueles experientes na técnica, àmedida que a quantidade de fluxo na corrente de refluxo 35 aumentar, aprimeira temperatura T1 diminuirá e a segunda temperatura T2 tambémdiminuirá. A medida que a vazão da segunda corrente subsidiária 16aumentar, a segunda temperatura T2 diminuirá. A medida que a temperaturadiminuir, o vapor será condensado e a primeira temperatura T1 tambémdiminuirá. Pelo mesmo sinal, à medida que a vazão da primeira correntesubsidiária 14 aumentar, a quantidade da fração de vapor e, portanto, o calorintroduzido na coluna 2, aumentará como o fará a primeira temperatura T,, emais dos produtos de fundo de coluna de líquido também se vaporizarão paraaumentar a segunda temperatura T2.

É visível, portanto, que a manipulação da válvula de controlede fluxo de alimentação 30 afeta a temperatura, não somente na seção de topoda coluna de destilação 2, mas também na seção de fundo da coluna dedestilação 2. O mesmo se mantém verdadeiro para a manipulação da válvulade controle de fluxo de refluxo 36.

Problemas de controle complicados podem surgir quando umacoluna, como a coluna de destilação 2, tem características de temperatura nãolineares e perfis de temperatura de estado estável múltiplos que sãogeralmente afetados pela quantidade de vapor e calor que é introduzida nacoluna de destilação 2 por meio da manipulação da válvula de controle defluxo de alimentação 30. Por exemplo, com referência à Figura 2, asdistribuições de temperatura não lineares e os perfis de temperatura de estadoestável múltiplos são graficamente ilustrados para a coluna de destilação 2.Como pode ser visto, os perfis de temperatura são dependentes de pequenasmudanças na percentagem da fração de vapor. A fração de vapor éintroduzida na coluna de destilação 2 através da corrente combinada formadaa partir da primeira corrente subsidiária 14 e da corrente de fundo de colunade líquido vaporizada 20. Como fica evidente a partir da Figura 2, umapequena mudança na fração de vapor de alimentação resulta em uma trocasignificativa no perfil de temperatura da coluna de destilação 2.

A fim de manter a alta recuperação de produto, a coluna dedestilação 2 deveria ser controlada de modo que a segunda temperatura T2seja alta o suficiente para conduzir para cima o produto ou componentes maisleves da alimentação. Entretanto, dependendo da fração de vapor dealimentação, essa segunda temperatura pode mudar de -157,78°C para -176,67°C na seção de fundo da coluna, ou seja, nos estágios de separação 1-15. Essa mudança de temperatura pode ser produzida por uma mudança desomente cerca de 2,86 por cento da fração de vapor na alimentação. Compararfi e f8. Entretanto, no momento em que a primeira temperatura T1 ésensoreada na seção de topo da coluna de destilação 2, as temperaturas nasseções central e de fundo das colunas podem ter aumentado para umaextensão em que os componentes mais pesados vaporizaram e encontraramseu caminho para o produto resultando em uma condição de perturbação depureza na qual a pureza de produto caiu abaixo da especificação de pureza.Como resultado, a manipulação da válvula de controle de fluxo de refluxo 36por meio do controlador de predição de modelo 4 somente em virtude daprimeira temperatura Ti sensoreada pelo sensor de temperatura 40 poderia serineficaz para impedir a corrente de produto 12 de sair da especificação. Isso éparticularmente verdadeiro para colunas de destilação de alta pureza.

Como indicado acima, o controlador de predição de modelo 4 envia os sinais de controle de sinais elétricos 38 e 39 para os controladores deválvula 3a e 3b para manipular a válvula de controle de fluxo de alimentação30 e a válvula de controle de fluxo de refluxo 36. O controlador de prediçãode modelo 4 contém um programa de controle de predição de modelo queexecuta continuamente quando do decurso de um período de tempo ou de umafreqüência de controlador. Essa freqüência de controlador pode ser tãopequena quanto um minuto.

Com referência adicional à Figura 3, uma representaçãográfica dos eventos ocorrendo no programa de controle de predição demodelo é ilustrada. Nessa representação gráfica, a linha sólida verticalrotulada "Execução de Programa" é uma ordenada no momento da execuçãodo programa indicando a temperatura a ser controlada, por exemplo, T1. Aabscissa horizontal rotulada "k + 1", k + 2" etc, representa incrementos detempo iguais para a freqüência de controlador. Abaixo da linha sólida ficauma linha tracejada indicando os movimento de controlador ou percentuais deaberturas de válvulas ("AU").

O programa de controle de predição de modelo mantém umconjunto de dados que é continuamente atualizado quando da execução doprograma "Execução de Programa". O conjunto de dados contém registrossobre um período de tempo anterior 46 "Passado", que é igual a um horizontede predição 48 "Futuro". O conjunto de dados registra as posições de válvula49, por exemplo, da válvula de controle de fluxo de alimentação 30 e daválvula de controle de fluxo de refluxo 36 em execuções de programaanteriores ou em "k - 1" etc. Correspondendo a cada uma das posições daválvula de controle de fluxo de alimentação 30 e da válvula de controle defluxo de refluxo 36, estão as temperaturas preditas 50 e as temperaturas reais52 correspondentes para a primeira temperatura Ti também são registradas.Conjuntos semelhantes de temperaturas preditas e reais para T2 seriamarmazenados tanto para a válvula de controle de fluxo de alimentação 30quanto para a válvula de controle de fluxo de refluxo 36. A diferença entre astemperaturas preditas e reais 50 e 52 é somada para produzir um erro depredição que será examinado aqui.

Com referência à Figura 4, são providos modelos de respostaescalonada 56 e 58 que se referem à primeira variável manipulada da posiçãode válvula da válvula de controle de fluxo de refluxo 36 para as primeira esegunda temperaturas T1 e T2 que constituem as primeira e segunda variáveiscontroladas. Os modelos de resposta escalonada 56 e 58 indicam que quandoa válvula de controle de fluxo de refluxo 36 é aberta cerca de um por cento, asprimeira e segunda temperaturas T1 e T2 diminuem de -17,66°C e -16,94°C,respectivamente, para chegar ao estado estável, sobre o horizonte de prediçãode cerca de quatro horas. A predição de qualquer temperatura versus aposição de válvula pode ser escalonada. De modo semelhante, a posição daválvula de controle de fluxo de alimentação 30 como uma segunda variávelmanipulada também é considerada com relação aos modelos de respostaescalonada 60 e 62. Um aumento de um por cento na percentagem de aberturada válvula de controle de fluxo de alimentação 30 aumenta a primeiratemperatura T1 e a segunda temperatura T2 de -17,430C e -14,72°C,respectivamente, sobre o horizonte de predição de quatro horas. O erro depredição, determinado a partir do conjunto de dados descrito acima, éaplicado a ambos os modelos para modificar os modelos durante cadaexecução como um controle de retroalimentação.

Voltando novamente à Figura 3, durante a execução deprograma, a primeira temperatura T1 real é sensoreada e uma predição decircuito aberto 64 será calculada. A predição de circuito aberto 64 ésimplesmente a resposta da variável controlada da temperatura T2 computadacom base em que nenhuma mudança adicional é feita para as posições deválvula. O programa, então, computa um plano de movimento de variávelmanipulada 66 para a válvula de controle de fluxo de refluxo 36 e um planode movimento de variável manipulada 68 para a válvula de controle de fluxode alimentação 30. Esses planos de movimento consistem dos movimentospreditos para a primeira variável manipulada do movimento da válvula decontrole de fluxo de refluxo 36 e da segunda variável manipulada domovimento da válvula de controle de fluxo de alimentação 30. Os planos demovimento são otimizados para produzir a predição de circuito fechado 70que é uma curva ilustrando o movimento predito da primeira temperatura T1em resposta aos planos de movimento para permitir a essa primeiratemperatura T1 alcançar um valor alvo que, na prática seria uma variação dosvalores sobre o horizonte de predição. Embora não ilustrada, uma açãosimultânea seria a de computações de erro de predição, uma predição decircuito aberto e uma predição de circuito fechado para a segunda variávelcontrolada da segunda temperatura T2 que teria um efeito sobre os planos demovimento 66 e 68.

O primeiro dos movimentos 72 e 74 é transmitido pelocontrolador de predição de modelo 4 aos controladores de válvula 3a e 3b queenviam sinais de controle 76 e 78 aos atuadores de válvula 32 e 37 paraajustar de modo apropriado a posição da válvula de controle de fluxo dealimentação 30 e da válvula de controle de fluxo de refluxo 36.

A descrição anterior da operação de um sistema de controle depredição de modelo é uma operação convencional. Entretanto, comomencionado acima, na coluna de destilação 2, dada sua não linearidade,simplesmente controlando a posição da válvula de controle de fluxo derefluxo 36 por meio da primeira temperatura T1 real não será um métodoeficaz para controlar a coluna de destilação 2. Portanto, de acordo com apresente invenção, é programada dentro do controlador de predição demodelo 4 uma temperatura de limiar na qual o controlador deve atuar maisagressivamente. Quando a primeira temperatura T1 está na, ou abaixo datemperatura de limiar, o controlador de predição de modelo 4 simplesmentefaz computações das predições de circuito aberto e fechado com base natemperatura real medida como delineado acima. Entretanto, se a primeiratemperatura T1, como realmente medida, estiver acima da temperatura delimiar, uma temperatura de transformação será usada no controlador depredição de modelo 4 para tornar a operação do controlador de predição demodelo 4 mais agressiva sob as circunstâncias. A temperatura transformada écomputada adicionando-se à temperatura de limiar um primeiro fator desintonização e uma diferença de temperatura dividida por um segundo fatorde sintonização. A diferença de temperatura é obtida subtraindo-se a partir datemperatura corrente, uma temperatura registrada em um tempo de execuçãoanterior do controlador de predição de modelo. Desse modo, o segundo fatorde sintonização amplifica o efeito da mudança de temperatura.

Presumindo que a temperatura esteja aumentando, o aumentode temperatura será magnificado pela diferença mencionada anteriormente demodo que a primeira temperatura T1 que é realmente utilizada no controladorde predição de modelo 4 seja maior do que aquela que é realmente sensoreadapelo sensor de temperatura 40. Entretanto, à medida que a temperatura voltaou começa a diminuir, mais produtos de fundo de coluna de líquido poderiamser criados para fazer o detector de nível 44 expelir o líquido de produtos defundo que resultaria em uma perda de produto potencialmente valioso.Portanto, à medida que a temperatura diminui, o cálculo da temperatura detransformação criará uma temperatura mais baixa do que aquela realmentesensoreada pelo sensor de temperatura 40 para ser utilizada pelo controladorde predição de modelo 4. As primeira e segunda constantes de sintonizaçãosão experimentalmente determinadas a fim de dar a resposta apropriada parauma coluna particular. Por exemplo, um valor de limiar de 1,0 poderia serusado inicialmente e, então, apropriadamente sintonizado em linha a fim de seobter a resposta desejada em termos de velocidade. O segundo parâmetro desintonização de constante pode ser pensado como um parâmetro de"exageração de mudança de inclinação" usado para alterar a inclinação detemperatura entre tempos de execução consecutivos.

Embora não ilustrado, no caso da coluna de destilação 2 seruma coluna de alta pureza, medidas adicionais poderiam ser tomadas paraimpedir uma perturbação de especificação de pureza de produto. Por exemplo,temperaturas intermediárias entre T1 e T2 e mais próximas às entradas dealimentação 22 e 28 poderiam ser sensoreadas e usadas para controlar aválvula de controle de fluxo de alimentação 30. Aumentos nessa temperaturapoderiam ser utilizados pelo controlador de predição de modelo 4 para voltarpara baixo a válvula 30 de modo que menos vapor e menos aquecimentoocorressem dentro da coluna de destilação 2. Controlar desse modo impediriaque ocorressem as condições nas quais o controle agressivo da válvula decontrole de fluxo de refluxo era necessário.

O problema adicional do sistema de coluna de destilação 2 dizrespeito à sintonização do controlador de predição de modelo 4 sobcircunstâncias assinaladas acima nas quais duas ou mais variáveismanipuladas têm, cada uma, um efeito sobre duas ou mais variáveiscontroladas comuns. O controlador de predição de modelo 4 tipicamente terádiversas constantes de sintonização, como supressão de movimento paravariáveis manipuladas, parâmetro de custo de otimização de estado estável,igual interesse de erro (ou ponderação de controle) tanto para o estado estávelquanto para situações dinâmicas. Entretanto, como cada variável manipuladaterá um efeito sobre duas variáveis controladas, se torna um processo difícil econsumidor de tempo sintonizar o controlador de predição de modelo 4. Porexemplo, na sintonização do controlador de predição de modelo 4,programado com os modelos de resposta escalonada ilustrados na Figura 5, oprocedimento a seguir seria usado:

1) Para a sintonização de válvula de controle de fluxo derefluxo 36, selecionar somente os parâmetros exigidos para controlar T1(notar que o efeito sobre T2 é alimentado em avanço ao estágio decomputação de predição de modelo).

2) De modo semelhante, para a válvula de controle de fluxo dealimentação 30, selecionar somente os parâmetros de sintonização exigidospara controlar somente a temperatura T2 alimentar em avanço seu impactosobre T1.Em ambos os exemplos o "desacoplamento de modelo" éaplicado de modo que a sintonização seja implementada como se estivessenegociando com um sistema de circuito múltiplo como oposto a um sistemamultivariável.

Com referência à Figura 5, foi descoberto ser vantajosoprogramar o controlador de predição de modelo 4 de modo que uma variávelcontrolada unitária seja relacionada a uma variável manipulada unitária emtermos de sintonização. Desse modo, de acordo com um aspecto adicional dapresente invenção, o efeito da segunda variável manipulada da posição deválvula da válvula de controle de fluxo de alimentação 30 sobre a primeiravariável controlada da primeira temperatura Ti é utilizada de modo que essasegunda variável manipulada se torne uma primeira variável em avanço dealimentação em um cálculo das predições de circuito abeto e fechado davariável controlada da primeira temperatura Tj. Desse modo, no cálculo daspredições de circuito aberto e fechado para a primeira variável da primeiratemperatura Ti, o modelo de resposta escalonada 56 é usadoconvencionalmente, enquanto o modelo de resposta escalonada 60 querelaciona a segunda variável manipulada à primeira temperatura Ti é usado demodo que essa segunda variável manipulada da posição da válvula decontrole de fluxo de alimentação 30 seja uma primeira variável de avanço dealimentação nesses cálculos. De modo semelhante, o modelo de respostaescalonada 62 é utilizado convencionalmente e o modelo de respostaescalonada 58 é usado de modo que a posição da válvula de controle de fluxode refluxo 36 seja usada como uma variável de avanço de alimentação.

Uma vez programado, como apresentado acima, o programade controle de predição de modelo está funcionando de uma maneira na qualo ajuste de uma válvula controla uma temperatura, enquanto o movimento deoutra válvula, embora tendo um efeito sobre essa temperatura, não é movidosimultaneamente com base nas outras predições de temperatura. Asintonização do controlador programado dessa maneira foi descoberta sermuito mais simples do que o caso convencional ilustrado na Figura 4. Porexemplo, no caso convencional, se tem de decidir qual temperatura abandonarquando ambas as temperaturas estão escapando da variação de controle (vistoque uma variável manipulada pode controlar somente uma variávelcontrolada). Sintonizando parâmetros como supressões de movimento e errosde interesse igual é mais fácil manipular se a forma de modelo é desacopladavia introdução das variáveis de avanço de alimentação como delineado acima.Esse método de operação, por meio do qual uma variável de avanço dealimentação é definida, pode ser usado em qualquer sistema no qual duasvariáveis manipuladas afetarão duas variáveis controladas que são comuns.Como pode ser apreciado, isso também poderia ser aplicado a sistemascomplexos tendo mais variáveis manipuladas e mais variáveis controladas.

Com referência à Figura 6, a execução do controlador depredição de modelo 4 é ilustrada utilizando-se o modelo da Figura 5. Quandode cada execução do programa, o modelo de resposta escalonada 56 éatualizado com um erro de predição determinado em 80. Ao mesmo tempo, aposição de válvula da válvula de controle de fluxo de refluxo 36 também éconhecida e o modelo de resposta escalonada 60, que serve como uma entradacom base na posição da válvula de controle de fluxo de alimentação 30, éusada como uma variável de avanço de alimentação no cálculo das prediçõesde circuito aberto e fechado em 82 no bloco rotulado "Predição de TrajetóriaFutura de CV". O primeiro movimento do plano de movimento computado é,então, transmitido como um sinal elétrico 39 ao controlador de válvula 3bque, por sua vez, envia um sinal de controle 78 ao atuador de válvula 37.

De modo semelhante, com relação à posição da válvula decontrole de fluxo de alimentação 30, o modelo de resposta escalonada 62 éatualizado em 84 com um erro de predição. A posição da válvula de controlede fluxo de refluxo 38 e o modelo de resposta escalonada 58 servem comouma entrada, de modo que a posição da válvula de controle de fluxo derefluxo 38 seja uma variável de avanço de alimentação para produzir aspredições de circuito aberto e fechado para a segunda variável controlada dasegunda temperatura T2 que são computadas em 86. O plano de movimento écomputado e o primeiro dos movimentos é transmitido por meio de um sinalelétrico 38 como uma entrada para o controlador 3 a para manipular a válvulade controle de fluxo de alimentação 30 através da ação do atuador de válvula32 controlado pelo sinal de controle 76.

Embora a presente invenção tenha sido descrita com referênciaa um modo de realização preferido, como ocorrerá àqueles experientes natécnica, numerosas mudanças, omissões e adições podem ser feitas sem seafastar do espírito e do escopo da presente invenção.

Claims (7)

1. Método para controlar uma coluna de destilação tendoválvulas de controle incluindo uma válvula de controle de fluxo de refluxopara manipular a vazão de refluxo para uma seção de topo da coluna e pelomenos uma entrada para uma alimentação, separada situada abaixo de umaentrada de refluxo para o fluxo de refluxo, a alimentação tendo umatemperatura variável que poderia afetar potencialmente uma primeiratemperatura dentro da seção de topo da coluna de destilação sob um aumentona temperatura de alimentação e uma composição variável que tambémpoderia afetar potencialmente a primeira temperatura quando do aumento decomponentes menos voláteis dentro da alimentação, caracterizado pelo fato decompreender:executar repetidamente um controlador de predição de modelo,em uma freqüência de controlador;o controlador de predição de modelo tendo um conjunto dedados, contendo registros sobre um período de tempo anterior igual a umhorizonte de predição que inclui posições de válvulas das válvulas decontrole, incluindo a válvula de controle de fluxo de refluxo, como variáveismanipuladas e valores reais correspondentes das temperaturas sensoreadas,incluindo a primeira temperatura, como variáveis controladas e valorespreditos para as variáveis controladas, o controlador de predição de modelotambém sendo programado com modelos de resposta escalonada relacionandoas variáveis manipuladas às variáveis controladas;durante cada execução do controlador de predição de modelo,atualizar o conjunto de dados com os valores correntes reais das variáveismanipuladas, utilizando o conjunto de dados e os modelos de respostaescalonada para calcular erros de predição, aplicando os erros de predição àspredições como um desvio, calculando as predições de circuito aberto efechado sobre o horizonte de predição e obtendo um conjunto de planos demovimento para movimentos das variáveis manipuladas para minimizar adiferença entre as variáveis controladas e os valores alvo relacionados àsvariáveis controladas, e gerar sinais referentes aos movimentos iniciaiscontidos no conjunto dos planos de movimento; etransmitir os sinais para os controladores usados no ajuste dasválvulas de controle, para, desse modo, implementar os movimentos iniciaisdas válvulas de controle;uma primeira das variáveis controladas sendo referente àprimeira temperatura e tendo um valor que é igual à primeira temperatura,quando a mencionada primeira temperatura está abaixo de uma temperaturade limiar e a um valor transformado, quando a mencionada temperatura estáacima da temperatura de limiar, o valor transformado sendo calculado a partirde uma soma da mencionada temperatura de limiar, de um primeiro fator desintonização e de uma mudança de temperatura dividida por um segundo fatorde sintonização usado para amplificar um efeito da mudança de temperatura, amudança de temperatura sendo computada subtraindo-se da primeiratemperatura corrente, a primeira temperatura sensoreada durante umaexecução anterior do programa de controle de predição de modelo.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que:uma segunda das variáveis controladas é uma segundatemperatura sensoreada em uma seção de fundo da coluna;a alimentação é líquida e é, em parte, vaporizada para formaruma alimentação de duas fases consistindo de uma fração vaporizada e deuma fração de líquido da alimentação e uma corrente de produto de fundo decoluna vaporizada, constituída de produtos de fundo de coluna de líquido, écombinada com pelo menos a fração vaporizada da alimentação antes daintrodução da alimentação dentro da coluna de destilação e a pelo menos umaentrada para a alimentação fica em uma altura de coluna situada entre a seçãode topo e a seção de fundo da coluna de destilação;as válvulas de controle também incluem uma válvula decontrole de fluxo de alimentação como uma segunda variável manipuladapara controlar simultaneamente as vazões do vapor e frações de líquido demodo que um aumento na vazão da fração de vapor resulte em umadiminuição correspondente na vazão da fração de líquido e aumente aprimeira temperatura e a segunda temperatura e vice-versa e um aumento navazão da fração de líquido diminua a primeira temperatura e a segundatemperatura e vice-versa; eos modelos de resposta escalonada incluem um primeiromodelo de resposta escalonada e um segundo modelo de resposta escalonadarelacionando a primeira variável manipulada às primeira e segunda dasvariáveis controladas e um terceiro modelo de resposta escalonada e umquarto modelo de resposta escalonada relacionando a segunda variávelmanipulada às primeira e segunda variáveis controladas, respectivamente.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelofato de que:a mencionada pelo menos uma entrada é de duas entradasseparadas;a fração de vapor e a fração de líquido da alimentação sãoseparadamente introduzidas na coluna de destilação através das duas entradasseparadas;a mencionada alimentação é dividida em primeira e segundacorrentes subsidiárias, a primeira das correntes subsidiárias é vaporizada ecombinada com a corrente de fundo de coluna de líquido vaporizado paraformar uma corrente de fração de vapor;a corrente de fração de vapor é introduzida em uma das duasentradas separadas para introduzir a fração de vapor dentro da coluna dedestilação; ea segunda corrente subsidiária é introduzida dentro da outradas entradas separadas para introduzir a fração de líquido dentro da coluna dedestilação.

4. Método de acordo com a reivindicação 2 ou a reivindicação-3, caracterizado pelo fato de que as predições de circuito aberto e fechado sãocalculadas para a primeira das variáveis controladas e a primeira das variáveismanipuladas através da superposição do primeiro modelo de respostaescalonada e do terceiro modelo de resposta escalonada e com a segundavariável manipulada sendo usada em conexão com o terceiro modelo deresposta escalonada como uma primeira variável de avanço de alimentação eas predições de circuito aberto e fechado sendo calculadas para a segundavariável controlada através da superposição do quarto modelo de respostaescalonada e do segundo modelo de resposta escalonada e com a primeiravariável manipulada sendo usada em conexão com o segundo modelo deresposta escalonada como uma segunda variável de avanço de alimentação.

5. Método para controlar um sistema tendo variáveismanipuladas para controlar parâmetros de processo do sistema em resposta adesvios dos parâmetros de processo a partir de valores alvo relacionados aomesmo, caracterizado pelo fato de:executar repetidamente um controlador de predição de modelo,em uma freqüência de controlador;o controlador de predição de modelo tendo um conjunto dedados, contendo registros sobre um período de tempo anterior igual a umhorizonte do estados dos controles como variáveis manipuladas e valores reaiscorrespondentes dos parâmetros de processo como variáveis controladas evalores preditos para as variáveis controladas, o controlador de predição demodelo também sendo programado com modelos de resposta escalonadarelacionando as variáveis manipuladas às variáveis controladas;durante cada execução do controlador de predição de modelo,atualizar o conjunto de dados com valores correntes reais das variáveismanipuladas, utilizando o conjunto de dados e os modelos de respostaescalonada para calcular erros de predição, aplicando os erros de predição àspredições como um desvio e calculando as predições de circuito aberto efechado sobre o horizonte de predição e obtendo um conjunto de planos demovimento para movimentos das variáveis manipuladas para minimizar adiferença entre as variáveis controladas e os valores alvo relacionados àsvariáveis controladas, e gerar sinais referentes aos movimentos iniciaiscontidos no conjunto dos planos de movimento;as variáveis controladas incluindo primeira e segunda variáveiscontroladas, as variáveis manipuladas incluindo uma primeira variávelmanipulada tendo um efeito sobre as primeira e segunda variáveis controladase uma segunda variável manipulada também tendo um efeito sobre asprimeira e segunda variáveis controladas e os modelos de resposta escalonadaincluindo primeiro e segundo modelos de resposta escalonada relacionando aprimeira variável manipulada às primeira e segunda variáveis controladas,respectivamente, e terceiro e quarto modelos de resposta escalonadarelacionando a segunda variável manipulada às primeira e segunda variáveiscontroladas, respectivamente;as predições de circuito aberto e fechado sendo calculadas paraa primeira variável controlada e a primeira variável manipulada através dasuperposição do primeiro modelo de resposta escalonada e do terceiro modelode resposta escalonada e com a segunda variável manipulada sendo usada emconexão com o terceiro modelo de resposta escalonada como uma primeiravariável de avanço de alimentação e as predições de circuito aberto e fechadosendo calculadas a segunda variável controlada através da superposição doquarto modelo de resposta escalonada e do segundo modelo de respostaescalonada e com a primeira variável manipulada sendo usada em conexãocom o segundo modelo de resposta escalonada como uma segunda variável deavanço de alimentação; etransmitir os sinais aos controladores usados no ajuste dosprimeiro e segundo controles para implementar os movimentos iniciais dosprimeiro e segundo controles.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelofato de que:o sistema é uma coluna de destilação;a primeira das variáveis controladas é uma primeiratemperatura sensoreada na seção de topo da coluna;a segunda das variáveis controladas é uma segundatemperatura sensoreada na seção de fundo da coluna;o primeiro dos controles é uma primeira válvula de controle defluxo para controlar a vazão de refluxo para uma seção de topo da coluna demodo que um aumento na vazão de refluxo diminua tanto a primeiratemperatura quanto a segunda temperatura e vice-versa;as frações de vapor e de líquido de uma alimentação a serdestilada dentro da coluna entram na coluna de destilação na altura de colunasituada entre a seção de topo e a seção de fundo da coluna de destilação, aalimentação sendo um líquido que é, em parte, vaporizado para formar afração de vapor e uma corrente de produto de fundo de coluna vaporizada,constituída de produtos de fundo de coluna de líquido, é combinada com pelomenos a fração de vapor da alimentação antes da sua introdução na coluna dedestilação; eo segundo dos controles é uma válvula de controle de fluxo dealimentação para controlar simultaneamente as vazões da fração de vapor elíquido de modo que um aumento na vazão da fração de vapor diminua avazão da fração de líquido;um aumento na vazão da fração de vapor aumenta a primeiratemperatura e a segunda temperatura e vice-versa.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelofato de que:a fração de vapor e a fração de líquido da alimentação sãointroduzidas separadamente na coluna de destilação através de duas entradasseparadas;a mencionada alimentação é dividida em primeira e segundacorrentes subsidiárias, a primeira das correntes subsidiárias é vaporizada ecombinada com a corrente de fundo de coluna de líquido vaporizado paraformar uma corrente de fração de vapor;a corrente de fração de vapor é introduzida em uma das duasentradas separadas para introduzir a fração de vapor na coluna de destilação; ea segunda corrente subsidiária é introduzida na outra das duasentradas separadas para introduzir a fração de líquido na coluna de destilação.