淺談數(shù)據(jù)校正在企業(yè)能源計(jì)量管理中的應(yīng)用

何 紅,謝秋風(fēng)

(1.中石化儀征化纖股份有限公司動(dòng)力部,江蘇儀征 211900;2.上?；蹠r(shí)軟件有限公司,上海 200233)

0 引 言

隨著流程工業(yè)企業(yè)中對計(jì)量管理要求的提升, MES計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用對裝置進(jìn)、出料的平衡控制,對能耗、單耗考核提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)要求,裝置間的計(jì)量管理等多種要求,將各種測量儀表的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(DCS等)集成到工廠局域網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行計(jì)量管理,以達(dá)到優(yōu)化裝置產(chǎn)能,取得最佳經(jīng)驗(yàn)效益的目標(biāo)。該文以某石化公司在內(nèi)部主干局域網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上新建了一套計(jì)量信息集成管理系統(tǒng)為例,詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)的建立方法,并簡單介紹了多種技術(shù)的集成方法,串口設(shè)備與以太網(wǎng)互聯(lián)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)、SCADA/HMI技術(shù)以及客戶/服務(wù)器技術(shù)等。

計(jì)量信息集成管理系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中不可避免的問題:計(jì)量儀表客觀存在的測量誤差,使能源供用雙方的測量數(shù)據(jù)存在不同程度的誤差。該文主要介紹以數(shù)據(jù)校正技術(shù)為核心的全廠能源平衡系統(tǒng),基于能源供用雙方機(jī)理和統(tǒng)計(jì)分析方法實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的校正計(jì)算,估算未測變量及存在的偏差,解決能源計(jì)量由于供用雙方一,二次表計(jì)量存在基本誤差導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不一致、不完整和管損等問題,通過將實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)提煉成一致的、可靠的高質(zhì)量生產(chǎn)管理信息,為監(jiān)控、優(yōu)化、計(jì)劃調(diào)度及決策分析提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)校正技術(shù)基礎(chǔ)

由于實(shí)際生產(chǎn)制造和測量過程中的一些問題,造成了測量數(shù)據(jù)含有誤差,不能滿足工藝過程的能量平衡和其他約束條件。為此,需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校正處理。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)校正過程包括:穩(wěn)態(tài)檢測、數(shù)據(jù)分類、過失誤差檢測與處理和數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)(參數(shù)估計(jì))等步驟。

過程數(shù)據(jù)校正的任務(wù)是檢測過失誤差、校正帶隨機(jī)誤差的測量數(shù)據(jù)并估算出一些未測變量,即數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)與過失誤差檢測。過程處于穩(wěn)態(tài)是實(shí)施穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)校正的前提條件,檢測過程穩(wěn)態(tài)變化的方法業(yè)已成熟,對于時(shí)間尺度為“日”的廠級(jí)物料平衡而言,準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的假定通常能得到保證。

2 數(shù)據(jù)校正模型建立

結(jié)合動(dòng)力生產(chǎn)中心蒸汽輸送管網(wǎng)流程圖(如圖1所示),詳細(xì)討論數(shù)據(jù)校正技術(shù)在蒸汽計(jì)量系統(tǒng)中的應(yīng)用,并介紹了基于蒸汽流量平衡的數(shù)據(jù)校正流程和算法。

圖1 動(dòng)力生產(chǎn)中心低壓蒸汽網(wǎng)絡(luò)

高溫高壓蒸汽通過管道輸送給用戶的過程中,流量計(jì)量是生產(chǎn)能耗統(tǒng)計(jì)、監(jiān)管的基礎(chǔ),只有在數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)到一定的準(zhǔn)確度之后,再進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化控制、績效評估才有實(shí)際意義。在實(shí)際生產(chǎn)中,除了設(shè)計(jì)合_理的輸送管網(wǎng),采用精度可靠的儀表以_外,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,建立管網(wǎng)中各個(gè)變量的約束關(guān)系,然后通過數(shù)據(jù)校正得到一組符合約束模型的校正值,可以有效地提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

根據(jù)儀表計(jì)量的相關(guān)規(guī)定,量程(或讀數(shù))與精度的乘積可以作為儀表的相對誤差,即在儀表的相對誤差范圍內(nèi)對儀表讀數(shù)進(jìn)行調(diào)整是合理的,因此采用儀表量程與精度的乘積作為每個(gè)儀表測量值的可調(diào)范圍約束。

在數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)中,協(xié)方差矩陣的選取決定了每個(gè)變量進(jìn)行調(diào)整的權(quán)重,原則上對于精度較高的儀表分配較高的權(quán)重。結(jié)合蒸汽計(jì)量的實(shí)際情況,采用儀表測量值的倒數(shù)作為協(xié)方差矩陣主對角元素的值。采用該矩陣可以保證同樣的調(diào)整幅度,對于測量值較大的儀表來說其調(diào)整幅度較小。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證,通過如此方式得到的校正結(jié)果十分接近生產(chǎn)實(shí)際情況。按上述方法,各個(gè)變量的調(diào)整范圍、權(quán)重系數(shù)和變量名稱定義見表1所列。

表1 變量定義說明

根據(jù)表1和圖1,最終得到該蒸汽管網(wǎng)圖的數(shù)據(jù)校正模型如下:

式中

3 數(shù)據(jù)校正算法

3.1 算 法

在實(shí)際情況中,由于經(jīng)濟(jì)成本、現(xiàn)場環(huán)境等因素,不可能對所有的變量進(jìn)行測量,而是根據(jù)實(shí)際情況建立如下約束矩陣方程

式中 x——n×1維測量變量真實(shí)值;Ax——相應(yīng)的m×n維約束矩陣;u——p×1維未測量變量真實(shí)值;Au——m×p維約束矩陣;c——m×1維已知的常系數(shù)列向量。

目標(biāo)函數(shù)為

式中 Σ——測量變量協(xié)方差矩陣;y——n×1維測量變量測量值。

這樣,數(shù)據(jù)校正問題的解等價(jià)于求方程式(2), (3)組成的二次優(yōu)化問題的解。

在二次優(yōu)化問題過程中,首先要構(gòu)造投影矩陣P,將未測量變量從約束方程式(2)中消掉。采用將Au進(jìn)行Q R分解的方式構(gòu)造P矩陣,同時(shí)還可以進(jìn)一步將測量變量分為冗余測量變量和非冗余測量變量,將未測量變量分為可觀測未測量變量和不可觀測未測量變量。具體過程如下。

3.1.1 構(gòu)造投影矩陣 P

將Au進(jìn)行Q R分解,可以得到

式中 Q——m×m維正交矩陣;R——s×s維非奇異上三角矩陣,且s為構(gòu)成Au的列向量中線性無關(guān)的個(gè)數(shù)。將式(4)代入式(2),然后兩邊同時(shí)乘以QT2得

所以QT2即為所求的投影矩陣。由式(2),(5)組成的最優(yōu)化問題等價(jià)于式(2),(3)組成的二次優(yōu)化問題,通過拉格朗日乘子法得到測量冗余變量的調(diào)整值為

3.1.2 未測量變量估計(jì)

將式(4)代入式(2),然后兩邊同時(shí)乘以QT得

3.2 數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)流程

圖1中的節(jié)點(diǎn)處不可能都裝有測量儀表,對于某些用量比較小的用戶來說,安裝儀表的經(jīng)濟(jì)成本甚至高于蒸汽本身產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。采用數(shù)據(jù)校正技術(shù)不僅得到了測量變量的校正值,而且可以利用約束方程對未測量值進(jìn)行合理地估計(jì)。結(jié)合蒸汽計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)校正模型,采用如下數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)未知參數(shù)估計(jì)流程:

a)根據(jù)蒸汽計(jì)量管網(wǎng)圖和質(zhì)量守恒定律,建立約束模型方程,然后根據(jù)各個(gè)測量儀表的精度和量程得到每個(gè)測量變量的上下界,從而得到變量的不等式約束方程。

b)通過對Au進(jìn)行Q R矩陣分解得到投影矩陣,利用該矩陣將未測量變量從原問題分離出去,將原問題轉(zhuǎn)化為只含有測量變量的帶不等式約束的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)校正問題。

3.3 過失誤差偵破流程

在實(shí)際生產(chǎn)過程中,隨著儀表使用年限的增加,加之惡劣的工作環(huán)境,蒸汽計(jì)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)儀表故障等現(xiàn)象。因此產(chǎn)生的過失誤差如果得不到及時(shí)地偵破,會(huì)在數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)過程中通過約束模型的變量相關(guān)性,影響到其他正常的變量,從而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)量所得到的數(shù)據(jù)大大偏離客觀實(shí)際,影響蒸汽流量計(jì)量質(zhì)量,所以過失誤差偵破流程不可或缺。

過失誤差偵破一般可選 GT,GLR兩種算法。GT算法利用系統(tǒng)平衡殘差和協(xié)方差矩陣構(gòu)造統(tǒng)計(jì)變量,計(jì)算方便,而且檢驗(yàn)出過失誤差的概率比較高,但無法對過失誤差進(jìn)行定位和補(bǔ)償。GLR算法可以根據(jù)過失誤差模型,辨識(shí)系統(tǒng)中的過失誤差類型,對誤差進(jìn)行定位和補(bǔ)償,但計(jì)算量比GT法大。

基于此基礎(chǔ),結(jié)合蒸汽計(jì)量網(wǎng)絡(luò)的流程特點(diǎn),蒸汽系統(tǒng)過失誤差偵破采用了GT-GLR聯(lián)合法,對系統(tǒng)中的過失誤差進(jìn)行偵破、補(bǔ)償。綜合 GT法和GLR法的優(yōu)點(diǎn),通過將GT法和GLR法結(jié)合起來,提出了基于順序補(bǔ)償原理的多顯著誤差偵破算法。該算法在每次補(bǔ)償運(yùn)算之前先利用GT法判斷系統(tǒng)中是否存在過失誤差,如果存在則利用 GLR法定位出現(xiàn)過失誤差可能性最大的變量并進(jìn)行在線補(bǔ)償,反復(fù)計(jì)算直至系統(tǒng)中沒有過失誤差存在。

4 數(shù)據(jù)校正技術(shù)流程

依據(jù)上述蒸汽數(shù)據(jù)校正算法,蒸汽計(jì)量網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)校正流程如圖2所示,用以解決實(shí)際應(yīng)用中蒸汽流量計(jì)量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)不平衡和不完整的問題。

5 采用數(shù)據(jù)校正技術(shù)后的效果

通過采用數(shù)據(jù)校正技術(shù),蒸汽計(jì)量網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量已經(jīng)得到了顯著的提高。在此基礎(chǔ)上工藝人員通過設(shè)計(jì)、優(yōu)化蒸汽管線,減少蒸汽傳輸過程中的損失以及加強(qiáng)使用環(huán)節(jié)中的節(jié)能意識(shí)進(jìn)一步降低蒸汽能耗,減少浪費(fèi)。

實(shí)施數(shù)據(jù)校正技術(shù)后各生產(chǎn)中心的不平衡計(jì)量偏差有了明顯的下降,以聚酯中心為例,平時(shí)偏差大多落在5%～10%內(nèi),實(shí)施數(shù)據(jù)校正技術(shù)后,裝置損耗率基本在3%上下波動(dòng)。由此看出數(shù)據(jù)校正技術(shù)實(shí)施后,減少了隨機(jī)誤差對統(tǒng)計(jì)的影響,各生產(chǎn)中心的物流平衡均得到了較大幅度的提高。

圖2 數(shù)據(jù)校正技術(shù)流程

6 結(jié)束語

通過計(jì)量信息集成管理系統(tǒng)的Web發(fā)布功能,企業(yè)的生產(chǎn)管理人員通過瀏覽能源平衡報(bào)表以及各種計(jì)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)能快速準(zhǔn)確地掌握企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營狀況以及其中存在的問題(如有助于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場計(jì)量儀表讀數(shù)異常,人工錄入數(shù)據(jù)偏差等),用于指導(dǎo)生產(chǎn)和與其他部門溝通,取得了很好的應(yīng)用效果。

數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)已在該公司的能源計(jì)量平衡中得到了實(shí)際應(yīng)用,在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)正常運(yùn)行的情況下基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯著誤差檢出率大于95%;日報(bào)和月報(bào)流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)精度提高了5%。

[1] 楊自奮,洪 波,羅 偉,等.蒸汽系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行[J].能源技術(shù),1996,(1):16-20.