СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИЕЙ
METHOD (VERSIONS) AND SYSTEM FOR CONTROLLING COMPRESSOR STATION

Изобретение относится к способу управления компрессорной станцией, которая включает в себя по меньшей мере несколько объединенных друг с другом в сеть компрессоров, прежде всего с разными техническими характеристиками, и, факультативно, другие приборы компрессорной техники, который, прежде всего в циклах управления, может не только формировать стратегии переключений посредством электронной системы управления для оказания влияния на количество имеющейся в распоряжении одного или нескольких пользователей компрессорной станции сжатой текучей среды в компрессорной станции, но и в состоянии приспосабливать имеющееся в распоряжении одного или нескольких пользователей компрессорной станции количество сжатой текучей среды к будущим условиям работы компрессорной станции адаптивно к отбираемому количеству сжатой текучей среды из компрессорной станции.
Далее настоящее изобретение относится к способу управления компрессорной станцией, которая включает в себя по меньшей мере несколько объединенных друг с другом в сеть компрессоров, прежде всего с разными техническими характеристиками, и, факультативно, другие приборы компрессорной техники, при этом способ, который реализован в электронном управлении компрессорной станцией, обрабатывает информацию о существенных параметрах состояния компрессорной станции в качестве входящей информации и выдает управляющие команды на управление по меньшей мере некоторыми компрессорами или, факультативно, другими компонентами компрессорной станции согласно ограничительной части пункта 35 формулы изобретения.
Кроме того, настоящее изобретение относится к системе управления компрессорной станцией.
Компрессорные станции имеют многие области применения в промышленности и в быту. Выработка больших количеств сжатой текучей среды безусловно необходима, например, в промышленных технологических установках не только для привода гидравлических устройств, но и для обеспечения сжатой текучей средой химических процессов, а также физических средств производства. Компрессорные станции, в состав которых обычно входят по меньшей мере несколько компрессоров, ресиверы, а также соответствующие исполнительные элементы и устройства, часто требуют хорошо продуманную и зачастую сложную систему управления, которая способна предоставить в распоряжение как можно большего количества пользователей на разных пунктах отбора в любое время достаточное количество сжатой текучей среды. Посредством различных действий по переключениям, например, открываются и закрываются вентили, вследствие чего в определенных зонах компрессорной станции происходит отбор или накопление сжатой текучей среды, и может быть гарантировано обеспечение пользователей достаточным количеством сжатой текучей среды. Другими действиями по переключениям могут быть также, например, подключение или отключение отдельных компрессоров или групп компрессоров или, в противоположность дискретному подключению или отключению непрерывное регулирование отдельных исполнительных элементов или устройств.
Для того чтобы иметь возможность рационального управления компрессорной станцией, система управления компрессорной станцией нуждается в информации о состоянии компрессорной станции. Подобной информацией могут быть жестко предварительно заданные компрессорной станцией параметры системы или измеряемые параметры состояния, например давление, а также дискретные или информационно-технические параметры состояния, например рабочее состояние компрессора (простой, работа в режиме холостого хода, работа под нагрузкой), которые позволяют делать выводы о состоянии компрессорной станции в определенный момент времени. Далее при управлении компрессорной станцией следует учитывать граничные условия, соблюдение которых для работы компрессорной станции желательно или иногда неизбежно. К ним следует также отнести, например, предписания о необходимости поддержания максимально допустимых максимальных давлений в находящихся под давлением трубопроводах и сети ресиверов компрессорной станции, а также предписания о подлежащем поддержанию минимальном давлении на узлах подключения пользователей.
Из уровня техники уже известны несколько способов управления, которые могут быть использованы для управления компрессорными станциями. Один сравнительно простой способ управления использует каскадное переключение, которое присваивает каждому компрессору определенную полосу давлений. При снижении давления ниже нижней границы полосы компрессор подключается. При превышении верхней границы полосы компрессор соответственно отключается. За счет перекрывания разных полос давлений отдельных, имеющихся в компрессорной станции компрессоров можно отрегулировать минимальное давление, которое позволяет пользователям компрессорной станции отбирать требуемое количество сжатой текучей среды из установки.
Другой способ управления использует последовательное управление, для которого требуется общая предварительно заданная полоса давления. При выходе за пределы полосы давлений в соответствии с заранее установленной последовательностью происходит подключение или отключение компрессора. При каждом процессе переключения включается таймер, который отмеряет определенный промежуток времени. Если существующее в компрессорной станции давление до истечения этого промежутка времени не достигает предварительно заданной полосы давлений, то в соответствии с заранее установленной последовательностью снова происходит подключение или отключение еще одного компрессора.
Дальнейшее развитие последовательного управления основывается на управлении по полосам давлений. Вместо относительно негибкого подключения или отключения отдельных компрессоров подключение или отключение компрессоров происходит группами в заранее установленной последовательности. При этом выбор подлежащих переключению компрессоров в группах осуществляется по эвристическим правилам, которые оказались с течением времени подходящими для минимизации затрат при эксплуатации компрессорной станции.
В публикации DE 19826169 A1 предлагается электронная система управления для множества различных компрессорных или вакуумных агрегатов со стандартизированным устройством управления, имеющим контролируемый и управляемый операционной системой промышленный персональный компьютер или промышленный микрокомпьютер, в котором содержатся программное обеспечение управления и регулирования, а также характерные для агрегатов профили данных, предусмотренные для определенных типов агрегатов и вызываемые по отдельности.
Все эти способы управления компрессорными станциями основаны на чистом управлении процессами. Согласно этому действия по переключениям входящих в состав компрессорной станции исполнительных устройств, а также компрессоров предпринимаются лишь как реакция на предварительно заданные события относительно сжатого воздуха в компрессорной станции. При этом каждое действие системы управления компрессорной станцией является всего лишь реакцией на событие, которое происходит в настоящее время или произошло в прошлом. Только после соответствующего наблюдения за этими событиями может осуществляться регулирование условий сжатой текучей среды в компрессорной станции. Поэтому реакция системы управления происходит лишь на событие, которое следовало бы предотвратить при оптимальном управлении компрессорной станцией.
Для того чтобы иметь возможность достаточно своевременно начать выполнение действий по переключениям, противодействующих угрожающим событиям, тенденция к которым уже намечается, некоторые известные для современного уровня техники способы управления используют большое число вложенных друг в друга полос давлений. Разные определяемые отдельными полосами давлений диапазоны давлений делают возможным раннее определение лишь начинающихся изменений параметров давления и своевременно посредством соответствующих действий по переключениям противодействовать повышению выше максимального и понижению ниже минимального давления в компрессорной станции. Однако и такие способы могут рассматриваться лишь как чисто реагирующие на события способы управления, так как соответствующие действия по переключениям происходят лишь при наличии предварительно заданных параметров давления в компрессорной станции.
Осуществляемые в описанных способах управления действия по переключениям, кроме того, должны учитывать время запаздывания всех исполнительных устройств, чтобы предотвратить чрезмерную реакцию на соответствующие управляющие действия в компрессорной станции. Соответственно этому расчет новых управляющих действий происходит лишь после типичного времени задержки, обусловленного временем запаздывания исполнительных устройств. Однако таким образом не удается избежать того, что влияние предпринятых действий по переключениям можно будет наблюдать лишь тогда, когда состояние компрессорной станции будет заново оценено и путем вычисления новой реакции предприняты действия по переключениям. Следовательно, происходит искусственное уменьшение скорости реакции системы управления, что отрицательно сказывается на качестве управления компрессорной станцией.
Известные для уровня техники способы управления, кроме того, позволяют учитывать граничные условия лишь тогда, когда они явно предусмотрены при задании параметров для расчетов при управлении. Взаимозависимости многих физических переменных компрессорной станции могут быть, однако, представлены в виде параметров лишь путем задания эмпирических правил, которые представляют лишь чисто эвристические обстоятельства в, возможно, сверх того чрезвычайно ограниченных режимах давлений. Так, например, известно, что во многих случаях (не во всех) путем снижения допустимого максимального давления компрессорной станции может быть достигнута экономия энергии. Кроме того, для снижения стоимости энергии оказалось выгодным в первую очередь подключать или отключать маленькие компрессоры или группы компрессоров. Однако приложение этих знаний к способу управления компрессорной станцией оказывается очень сложным и во многих случаях невозможным, так как вследствие наложения различных настроек параметров может привести к противоречивым принципам воздействия на подлежащее воздействию граничное условие, вследствие чего эвристическое задание параметров может вызвать нежелательные для обслуживающего установку персонала затруднения.
В основе данного изобретения лежит задача предложить способ управления компрессорной станцией, позволяющий избежать недостатков известных для уровня техники подходов к решению проблемы. Прежде всего, способ управления согласно изобретению должен позволить по возможности заблаговременно предвидеть изменения давления в компрессорной станции для того, чтобы начать выполнение надлежащих действий по переключениям.
Эта задача решена посредством способа управления компрессорной станцией по п.1 и п.35 формулы изобретения или системы управления компрессорной станцией по п.37 формулы изобретения.
Прежде всего, задача решена посредством способа управления компрессорной станцией, которая включает в себя по меньшей мере несколько объединенных друг с другом в сеть компрессоров, прежде всего с разными техническими характеристиками, и, факультативно, другие приборы компрессорной техники, который, прежде всего в циклах управления, может не только формировать стратегии переключений посредством электронной системы управления для оказания влияния на количество имеющейся в любое время в распоряжении одного или нескольких пользователей компрессорной станции сжатой текучей среды в компрессорной станции, но и в состоянии приспосабливать имеющееся в любое время распоряжении одного или нескольких пользователей компрессорной станции количество сжатой текучей среды к будущим условиям работы компрессорной станции адаптивно к отбираемому количеству сжатой текучей среды из компрессорной станции, при этом перед осуществлением стратегии переключений различные стратегии переключений проверяются способом прогностического моделирования с принятием за основу модели компрессорной станции, и из проверенных стратегий переключений с использованием по меньшей мере одного установленного критерия качества выбирается относительно самая выгодная стратегия переключений, и выбранная таким образом стратегия переключений направляется системе управления для осуществления в компрессорной станции.
При этом следует указать на то, что компрессоры, а также другие в случае необходимости входящие в состав компрессорной станции приборы компрессорной техники могут управляться или же регулироваться не только исключительно системой управления, но и в некоторых аспектах (например, аварийное отключение, проведение простых последовательностей переключений после изменения внешних управляющих параметров) также и внутренними устройствами управления или же регулирования.
Далее задача решена посредством способа управления или же регулирования компрессорной станцией, которая включает в себя по меньшей мере несколько объединенных друг с другом в сеть компрессоров, прежде всего с разными техническими характеристиками, и, факультативно, другие приборы компрессорной техники, при этом способ, который реализован в электронном управлении компрессорной станцией, обрабатывает информацию о существенных параметрах состояния компрессорной станции в качестве входящей информации и выдает управляющие команды на управление по меньшей мере некоторым компрессорам или, факультативно, другими компонентами компрессорной станции, при этом способ имеет следующие функциональные структуры: моделирующее ядро, в котором для описания поведения по меньшей мере одного компонента компрессорной станции содержатся динамические и предпочтительно нелинейные модели этих компонентов, при этом моделирующее ядро имеет такую конфигурацию, что оно в качестве результата моделирования заранее вычисляет изменение во времени всех содержащихся в модели параметров состояния компонентов компрессорной станции на основе принятой альтернативной стратегии переключений, при этом модели моделирующего ядра предусматривают существенную нелинейность, и/или нестабильность, и/или времена запаздывания в поведении компонентов, прежде всего компрессоров, алгоритмическое ядро, которое содержит параметры для описания компонентов компрессорной станции, информацию о монтажной схеме отдельных компонентов, эвристические методы образования альтернативных стратегий переключений и критерии оценки полученных моделирующим ядром изменений во времени параметров состояния компонентов компрессорной станции для альтернативных стратегий переключений и которое на этой базе выбирает относительно наиболее выгодные стратегии переключений и подготавливает или же передает соответствующие управляющие команды по меньшей мере на некоторые компрессоры, и информационную базу, которая наряду с образованным из полученных от датчиков величин и, при необходимости, подготовленных алгоритмическим ядром параметров исполнительных устройств образом процесса содержит также результаты моделирования для альтернативных стратегий переключений, при этом информационная база представляет собой по меньшей мере часть совместной базы данных алгоритмического и моделирующего ядер и используется для обмена данными между алгоритмическим и моделирующим ядрами.
Согласно примеру осуществления изобретения информационная база содержит образ процесса компрессорной станции, а также, в основном, результаты измерений параметров состояния и текущие регулирующие параметры, дополненные результатами прогностического моделирования изменения во времени параметров состояния для различных сценариев. Кроме того, алгоритмическое ядро может содержать информацию о конфигурации компрессорной станции, а также о разновидностях входящих в нее компонентов и их параметрах. Кроме того, оно может иметь в своем составе эвристические методы для образования различных подлежащих исследованию сценариев. Затем алгоритмическое ядро обычно передает эту информацию моделирующему ядру. В дальнейшем алгоритмическое ядро обычно передает моделирующему ядру находящуюся в информационной базе и важную для прогностического моделирования информацию о состоянии компрессорной станции. Моделирующее ядро при этом может предоставлять модели обычных компонентов компрессорной станции. Исходя из этих моделей, оно может также с использованием полученной от алгоритмического ядра информации о структуре компрессорной станции входящих в ее состав разновидностях компонентов и их параметров создать модель компрессорной станции, которую оно пополняет дополнительной информацией о текущем состоянии компрессорной станции из информационной базы. На этой основе моделирующее ядро может обычно моделировать для периода времени прогностического моделирования изменение во времени всех параметров состояния модели компрессорной станции и сохранять его в информационной базе. Кроме того, моделирующее ядро может направлять алгоритмическому ядру сообщения о состоянии в связи с проведением прогностического моделирования.
На основании сохраненных моделирующим ядром в информационной базе альтернативных изменений во времени всех параметров состояния модели компрессорной станции алгоритмическое ядро может в дальнейшем оценить их для исследуемых сценариев и выбирает согласно критериям качества относительно наиболее предпочтительный сценарий и передает соответствующие стратегии переключений компонентам компрессорной станции или держит наготове для вызова. Следовательно, моделирующее ядро как относительно обширная и сложная часть реализации способа может применяться независимо от конкретной компрессорной станции, то есть универсально. В силу обоснованных причин моделирование и описание могут осуществляться также и методами объектно-ориентированного программирования.
Далее задача решается посредством системы управления компрессорной станцией, которая включает в себя по меньшей мере несколько объединенных друг с другом в сеть компрессоров, прежде всего с разными техническими характеристиками, и, факультативно, другие приборы компрессорной техники, которая, прежде всего в циклах управления, может не только формировать стратегии переключений посредством электронной системы управления для оказания влияния на количество имеющейся в любое время в распоряжении одного или нескольких пользователей компрессорной станции сжатой текучей среды в компрессорной станции, но и в состоянии приспосабливать имеющееся в любое время в распоряжении одного или нескольких пользователей компрессорной станции количество сжатой текучей среды к будущим условиям работы компрессорной станции адаптивно к отбираемому количеству сжатой текучей среды из компрессорной станции, при этом перед осуществлением стратегии переключений различные стратегии переключений проверяются способом прогностического моделирования в режиме реального времени с принятием за основу модели компрессорной станции, и из проверенных стратегий переключений с использованием по меньшей мере одного установленного критерия качества выбирается относительно самая выгодная стратегия переключений, и система управления на основании выбранной стратегии переключений вырабатывает команды на переключения.
Лежащая в основе изобретения основная идея состоит в том, чтобы различные стратегии переключений, примерно сравнимые различные сценарии действий по переключениям оценивать с помощью способа прогностического моделирования, который позволяет соответственно моделировать поведение всей компрессорной станции или отдельных ее компонентов. Соответственно не выполняются никакие направленные на оптимизацию расчеты, которые бы математически оптимизировали значение описывающего компрессорную станцию функционала, а лишь выбираются несколько сценариев компрессорной станции для различных условий.
Под сценарием здесь следует понимать предполагаемое или предсказанное изменение возмущающих воздействий, прежде всего, расхода сжатого воздуха, в связи с подлежащей изучению стратегией переключений. Стратегию переключений следует в дальнейшем понимать как последовательность действий по переключениям, то есть дискретное или непрерывное изменение возмущающих воздействий, которые оказывают влияние на работу одного или нескольких компонентов компрессорной станции. К ним можно причислить, например, переключение между работой под нагрузкой, работой в режиме холостого хода или простоем, а также ступенчатые или непрерывные изменения скорости вращения или состояния дросселирования или продувки компрессора, включая также изменения установок параметров компрессоров или других дополнительных компонентов компрессорной станции.
К тому же под действиями по переключениям в дальнейшем следует понимать не только отдельные единичные действия по переключениям, но и в смысле стратегии переключений как распределенную по времени последовательность действий по переключениям. Кроме того, понятие действия по переключениям включает в себя не только дискретные изменения рабочего состояния компонентов (например, переключение между простоем, работой в режиме холостого хода и работой под нагрузкой), но и непрерывные изменения, например изменение во времени скорости вращения компрессоров, рассчитанных на работу с переменной скоростью вращения, или непрерывное закрывание или открывание вентилей.
Заметное преимущество способа согласно изобретению в противоположность способам, которые основываются на оптимизации описывающего компрессорную станцию функционала для оптимального управления компрессорной станцией в течение определенного периода времени, заключается в том, что возможна сравнительно легкая реализация сложных, нелинейных, зависящих от времени и от случая к случаю нестабильных моделей, поскольку реализованные модели не должны переводиться математическими методами в аналитическую форму, в которой они становятся доступными расчетам по оптимизации для определения оптимальных установочных параметров. Также связанные с расчетами по оптимизации ограничения, например постоянные возмущающие воздействия и регулирующие параметры в один момент времени, не являются ограничениями для способа согласно изобретению.
Способ прогностического моделирования согласно изобретению осуществляется на основе модели компрессорной станции, которая может быть оптимизирована по параметрам и описана согласно числу и разновидности содержащихся в модели компрессорной станции компонентов. Под параметрами обычно следует понимать величины, которые описывают обусловленные конструкцией свойства (в данном случае, например, число ресиверов, исполнительных устройств или компрессоров, электрические свойства приводных двигателей, объемы трубопроводов и ресиверов, состояние входящих в состав компрессорной станции трубопроводов высокого давления и т.п.) или заданные установки (запрограммированные задержки переключений и т.п.) и встроены в формирование модели. Параметры обычно не изменяются во времени, однако в некоторых обстоятельствах скорректированы или адаптивно приспособлены для того, чтобы, например, учитывать износ отдельных компонентов.
Модели для описания наряду с описывающими приборы с точки зрения их конструкции или работы параметрами требуют еще и параметров состояния, которые являются параметрами отдельных компонентов в данный момент времени или физическими процессами, описывающими компрессорную станцию. К ним следует отнести потребление электроэнергии, объемный поток вырабатываемой сжатой текучей среды, внутренние давления, скорости вращения приводных двигателей, деталей компрессоров или двигателей вентиляторов, установки исполнительных устройств и т.п. При этом, однако, следует подчеркнуть, что у компрессоров есть важные параметры состояния, величины которых получаются не из текущих значений возмущающих воздействий и регулирующих параметров, а из прошедших промежутков времени, поэтому подходящие модели должны учитывать и прошлые события. Следовательно, для создания модели компрессорной станции или отдельных компрессоров предпочтительным является динамический подход с «памятью», который особенно легко реализуется способом согласно изобретению.
Создание моделей для описания компрессорной станции или ее отдельных компонентов оказывается чрезвычайно выгодным в случае объектно-ориентированной реализации. Использованный для этих моделей способ прогностического моделирования может, к тому же, осуществляться в значительной степени независимо от структуры конкретных компрессорных станций и созданных для них моделей.
Как результат, в способе прогностического моделирования обычно рассчитываются изменения во времени предпочтительно всех содержащихся в модели параметров состояния компрессоров или других дополнительно входящих в состав компрессорной станции приборов компрессорной техники. Они могут охватывать изменения за период времени прогностического моделирования параметров состояния, описывающих в выбранной модели компрессорную станцию, например изменения давления, потребления электроэнергии, объемных потоков вырабатываемой сжатой текучей среды, внутренних давлений, скоростей вращения приводных двигателей, деталей компрессоров или двигателей вентиляторов, установок внутренних исполнительных устройств. Затем эти результаты оцениваются для каждой выбранной альтернативной стратегии переключений посредством критерия качества, благодаря чему может быть сформирован порядок предпочтений. Стратегия переключений, которая из ряда исследованных стратегий переключений в конце концов оказывается на первом месте в порядке предпочтений, выбирается как относительно самая выгодная стратегия переключений и соответственно держится наготове или передается на выполнение. При этом выбранная относительно наиболее выгодная стратегия переключений не должна сохраняться до конца периода времени прогностического моделирования, а может уже в следующем цикле управления заменена на найденную более благоприятную стратегию переключений. Также и продолжительность времени прогностического моделирования, предусмотренного для оценки критерия качества, может быть переменной и, при необходимости, прежде всего адаптивно, приспосабливаться способом управления к ходу изменения возмущающих воздействий, регулирующих параметров и/или параметров состояния.
Важный момент изобретения заключается также в том, что способ управления или же регулирования может предпочтительным образом учитывать в ходе прогностического моделирования время запаздывания (мертвое время) или скачкообразно изменяющиеся параметры состояния (нестабильность), например скачкообразное начало подачи сжатого воздуха от компрессора после переключения из отключенного состояния или работы в режиме холостого хода в режим работы под нагрузкой. В силу появляющегося мертвого времени и нестабильностей, время запаздывания которых может быть больше длительности цикла управления, требуется не только принятие во внимание влияния действий по переключениям в начале текущего цикла управления на ход изменений параметров состояния в текущем цикле управления, но и принятие во внимание влияния действий по переключениям в пределах цикла управления, в прошлых циклах управления и влияния действий по переключениям в будущих циклах управления. Такой целостный во времени подход особенно легко осуществляется с помощью данного способа. Только благодаря такому подходу станет возможным близкое к реальности, то есть, прежде всего, с высокой точностью отображающее ход изменения давления и затраты энергии моделирование компрессорной станции.
В противоположность известным способам управления или же регулирования, с помощью данного способа управления или же регулирования могут быть также исследованы стратегии переключений, в которых действия по переключениям происходит в пределах периода времени прогностического моделирования. Таким путем может быть также определено, к какому относительно благоприятному моменту времени должны быть выполнены определенные действия по переключениям. Кроме того, способ согласно изобретению имеет большое преимущество, заключающееся в том, что имеется возможность учитывать переменные во времени изменения возмущающих воздействий в пределах периода времени прогностического моделирования. При использовании предпочтительных прогнозов возмущающих воздействий, например изменения во времени отбора сжатого воздуха из компрессорной станции, будет возможно прогностическое моделирование с улучшенной точностью на более длительный период времени и тем самым также лучшая оценка влияния действий по переключениям.
Еще одна идея изобретения заключается в расширении информационной базы на основе осуществления способов прогностического моделирования. Полученные посредством прогностического моделирования сведения (результаты моделирования) представляют собой набор данных, которые относятся к будущим изменениям состояния компрессорной станции, при этом могут быть приняты во внимание дополнительные граничные условия. Следовательно, система управления компрессорной станцией может использовать не только известные текущие параметры процесса, но и имеет информацию о будущих последствиях и состояниях действий по управлению и переключениям, которые уже предпринимались в прошлом или в настоящее время. Одновременно прогностическое моделирование позволяет получать информационные данные, которые относятся только к будущим стратегиям переключений. Тем самым данный способ управления как «действующий» способ управления является противоположностью известным для современного уровня техники «реагирующим» способам управления. Только прогностическое моделирование позволяет давать определение также и виртуальным изменениям давления, которые относятся к событиям, появляющимся в процессе прогностического моделирования, но не обоснованы фактическими данными измерений для реальной компрессорной станции. Предотвращение нежелательных событий в компрессорной станции, которые произойдут лишь в будущем, делает тем самым возможным раннее, но не преждевременное управление параметрами давления в компрессорной станции.
В сочетании с по меньшей мере одним заданным критерием качества способ прогностического моделирования делает возможным оценку различных альтернативных стратегий переключений для управления компрессорной станцией. При этом в ходе прогностического моделирования могут рассчитываться несколько (в принципе любое количество) вариантов стратегий переключений, чтобы можно было тем самым определить и оценить реакцию компрессорной станции на выполняемые стратегии переключений. Согласно определению критерия качества из множества альтернативных стратегий переключений выбираются те, которые при определенных граничных условиях дают относительно самые выгодные результаты. При этом можно моделировать стратегию переключений не только для определенного следующего момента времени отключения, и стратегии переключений могут распространяться практически как угодно далеко в моделируемое будущее. Последствия стратегий переключений могут также обрабатываться в процессе моделирования, который делает возможной оценку создаваемых на основе друг друга стратегий переключений. Наряду с испытаниями различных стратегий переключения могут предварительно моделироваться и различные граничные условия. Путем изменения граничных условий могут, например, определяться стратегии переключений для исполнительных устройств, которые в максимально большом числе ожидаемых сценариев относительно наиболее выгодным образом (или по меньшей мере удовлетворительно) удовлетворяют этим условиям.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению способ прогностического моделирования для проверки в каждом случае одной стратегии переключения выполняется быстрее моделируемого периода времени и предпочтительно в течение более короткого времени, чем длительность одного цикла управления. Такая скорость вычислений делает возможным прогностическое моделирование большого числа стратегий переключений, из которых затем с помощью критерия качества может быть выбрана одна относительно наиболее выгодная.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению способ прогностического моделирования для проверки соответственно одной стратегии переключений включает в себя, прежде всего, изменение во времени содержащихся в модели компрессорной станции параметров состояния для периода времени прогностического моделирования. Будущее изменение параметров состояния позволяет увеличивать информационную базу, на основе которой становится возможным улучшенное управление или же регулирование.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению модель компрессорной станции базируется на наборе зависящих от времени и/или нелинейных предпочтительно имеющих переменную структуру дифференциальных уравнений для моделирования нестабильностей и/или времен запаздывания в поведении компрессоров и/или дополнительно других приборов компрессорной техники, которые делают возможным регистрацию влияния лежащих в прошлом событий на текущие параметры компрессорной станции. Под изменением структуры при этом следует понимать то, что из набора дифференциальных уравнений от случая к случаю учитывается лишь переменное подмножество. Это имеет значение, прежде всего, для моделирования нестабильностей или времен запаздывания в поведении компрессоров и/или дополнительно других приборов компрессорной техники, так как их поведение в различных рабочих состояниях или при переходе между различными рабочими состояниями чаще всего может или должно описываться разными или изменяющимися дифференциальными уравнениями. Выбор принимаемых в каждом случае во внимание дифференциальных уравнений может осуществляться с помощью самих дифференциальных уравнений или путем задания извне. Хотя дифференциальные уравнения в одном из особенно предпочтительных вариантов являются зависящими от времени, нелинейными и имеющими переменную структуру, эти свойства не обязательно должны выполняться все вместе или одновременно для всех дифференциальных уравнений. Например, вместо нелинейных дифференциальных уравнений в качестве приближения может быть использовано большое число кусочно линейных или линейных в диапазонах времени дифференциальных уравнений, некоторые дифференциальные уравнения могут зависеть от времени, некоторые дифференциальные уравнения могут быть линейными, в то время как другие нелинейными, и/или некоторые дифференциальные уравнения могут учитываться всегда, а другие лишь в отдельных случаях.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению может быть предусмотрено, что в пределах способа прогностического моделирования рассчитывается развитие различных стратегий переключений за определенный период времени дискретными или непрерывными шагами. При этом продолжительность периода времени может, например, задаваться извне оператором компрессорной станции или быть задана как жесткий параметр. Кроме того, продолжительность периода времени может быть адаптивно приспособлена к событиям в компрессорной станции. Тем самым система управления может быть настроено на типично встречающиеся продолжительности специфических колебаний состояния давления в компрессорной станции.
В дальнейшем развитии способа управления может быть предусмотрено, что прогностическое моделирование выполняется в течение определенного периода времени от 1 секунды до 1000 секунд, предпочтительно, от 10 секунд до 300 секунд. Период времени такой длины позволяет надежно учесть изменения и колебания состояния давления, обусловленные выполнением стратегий переключений в компрессорной станции, а также обеспечить достаточный для большинства применений период прогностического моделирования.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению предусмотрено, что период времени прогностического моделирования адаптивно изменяется посредством критерия прерывания на основе параметров и/или параметров состояния модели компрессорной станции, прежде всего, изменений давления и/или записей или прогнозов потребления сжатой текучей среды. Тем самым может быть осуществлено благоприятное приспособление длительности прогностического моделирования к ходу изменения расхода сжатого воздуха, и, следовательно, становится возможным быстрое и обширное прогностическое моделирование.
В еще одном варианте осуществления способа согласно изобретению предусмотрено, что проверяемые способом прогностического моделирования стратегии переключений включают в себя прерывистые или непрерывные изменения рабочего состояния компрессоров и дополнительно других приборов компрессорной станции в начале, в конце и/или в любой момент времени в пределах периода времени прогностического моделирования. Тем самым способ в соответствии с вариантом осуществления позволяет предусматривать изменение установочных параметров и возмущающих воздействий в пределах моделируемого периода времени и делает возможным реалистический учет изменения во времени этих величин.
Далее может быть предусмотрено, что длительность моделируемого периода времени прогностического моделирования определяется в зависимости от технических характеристик компрессоров компрессорной станции и/или в зависимости от фактической нагрузки отдельных компрессоров и/или бывших в прошлом колебаний нагрузки. Тем самым в зависимости от конфигурации компрессорной станции продолжительность прогностического моделирования может быть ограничена так, чтобы наиболее рационально использовать вычислительные ресурсы, необходимые для вычисления результатов прогностического моделирования. Предпочтительно при этом выбирать продолжительность моделируемого периода времени так, чтобы она была длиннее, чем самые кратковременные типично наблюдаемые колебания нагрузки компрессорной станции.
В соответствии с вариантом осуществления, кроме того, может быть предусмотрено, что прогностическое моделирование проводится дискретными шагами продолжительностью от 0,1 секунды до 60 секунд, предпочтительно в 1 секунду. Соответственно этой ширине шага в ходе прогностического моделирования могут надежно учитываться также и непосредственные изменения параметров давления в компрессорной станции после выполнения действия по переключениям с одновременным экономичным использованием вычислительных ресурсов системы управления.
В ведущем еще дальше варианте осуществления способ управления компрессорной станцией может также отличаться тем, что в пределах прогностического моделирования учитываются по меньшей мере некоторые нестабильности или времена запаздывания в поведении компрессоров и/или факультативных других приборов компрессорной техники, прежде всего задержка подачи сжатого воздуха и дополнительный расход энергии компрессорами в связи с изменениями их рабочего состояния, таким образом, что уже не является настоятельно необходимым их отдельный учет в системе управления за пределами прогностического моделирования. Имеющиеся в составе компрессорной станции исполнительные устройства обладают типичными временами запаздывания, которые лежат в диапазоне от 1 секунды до нескольких десятков секунд. В противоположность известным для современного уровня техники способам управления, в данном случае можно вычислять эффективные времена задержки, а также другие нестабильности в ходе прогностического моделирования и тем самым учитывать эти величины при расчетах действия по переключениям. Однако предпосылка для принятия в расчет времен запаздывания заключается в том, что используемая модель компрессорной станции содержит поведение времен запаздывания в параметризированной форме. Следовательно, теперь нет необходимости учитывать времена запаздывания исполнительных устройств в самой системе управления. Преодоление времен запаздывания содержится точно так же автоматически и в результатах прогностического моделирования. Это позволяет, с одной стороны, выяснить, были ли достаточными выполненные в прошлом действия по переключениям, чтобы предотвратить нежелательные изменения давления, а с другой стороны, можно проверить, может ли посредством начатых в настоящее время действий по переключениям вообще быть оказано положительное влияние на изменение во времени условий давления в компрессорной станции.
В еще одном варианте осуществления данного способа управления может быть предусмотрено, что как группа альтернативных стратегий переключений различные верхние величины давления или нижние величины давления могут рассматриваться как критерий для запуска предварительно заданной стратегии переключений в рамках способа прогностического моделирования. В противоположность известным из современного уровня техники способам управления, величины давления не жестко предварительно заданы, а могут приспосабливаться к условиям в компрессорной станции. Определение величин давления может, к тому же, само происходить посредством прогностического моделирования. Установление предпочтительных верхней и нижней величин давления может осуществляться из многократно повторяющегося прогностического моделирования с соответственно отличающимися друг от друга величинами давления. Если, например, величины давления заранее определены, то они могут представлять собой основу для расчета различных моделирований, в которых величины давления сами остаются неизменными, однако переменные величины, как, например, характеризуемые действиями по переключениям установочные параметры, изменяются. Тем самым для изменения состояния в компрессорной станции, которое не требует новых заданий верхней величины давления, максимально выгодная стратегия переключений может быть определена посредством того, что в прогностическом моделировании будет определяться лишь заранее определенное число установочных параметров, характеризующих установочные действия.
В дальнейшем усовершенствовании способа может быть, кроме этого, предусмотрено, что в качестве группы альтернативных стратегий переключений в рамках способа прогностического моделирования рассматриваются различные верхние величины давления и/или нижние величины давления по меньшей мере для одной ранее заданной стратегии отключения или по меньшей мере одной ранее заданной стратегии подключения. Следовательно, могут, например, в ходе упрощенного прогностического моделирования при неизменяемых величинах давления или по меньшей мере одной неизменяемой величине давления быть получены несколько стратегий отключения или стратегий подключения, с помощью которых может быть определено предпочтительное предотвращение одного из будущих изменений давления в компрессорной станции.
К тому же в ведущем еще дальше варианте осуществления может быть предусмотрено, что по меньшей мере одна ранее заданная стратегии отключения или по меньшей мере одна ранее заданная стратегии подключения получается из предварительно заданной в виде списка очередности отключений или очередности подключений. Соответствующие очередности отключения или подключения отдельных компрессоров или групп компрессоров могут при этом основываться на эвристически накопленном опыте или на результатах цифровых расчетов. Посредством ограничений пространства переменных, ограниченного путем задания предварительно заданных очередностей отключения или подключения, время вычислений для расчета отдельных альтернативных стратегий переключения может быть сокращено до технически выгодных значений.
Далее в ведущем еще дальше варианте осуществления может быть предусмотрено, что как группа альтернативных стратегий переключений могут также рассматриваться подключение и отключение разных групп компрессоров при жестко предварительно заданных или еще оцениваемых в способе прогностического моделирования величинах верхних или нижних давлений. Подключение или отключение различных групп компрессоров и в этом случае может основываться на эвристически накопленном опыте или предварительно заданных очередностях, которые получаются посредством цифровых расчетов. Путем подключения или отключение целых групп компрессоров можно целенаправленно и иногда долгосрочно воздействовать на изменение состояния давления в компрессорной станции.
В другом варианте осуществления способа управления компрессорной станцией может быть предусмотрено, что способ прогностического моделирования выполняется, основываясь на теории гибридных автоматов. Тем самым в распоряжении процесса реализации способа прогностического моделирования имеется обширная база для расчетов, которые могут быть выполнены с высокой эффективностью. Осуществление способа прогностического моделирования, основанного на гибридных автоматах, делает возможным, в противоположность обычным расчетам исключительно на основе цифровых величин, восприятие также и аналоговых величин, например величин, измеряемых в реальном времени. Непрерывные измеряемые величины при этом не принимают значение из ряда возможных значений, а могут изменяться бесступенчато и поэтому требуют особого обращения. Гибридные автоматы представляют собой расширение концепции конечных автоматов, с помощью которых возможно моделирование практически любых дискретных систем.
Хотя гибридные автоматы не должны обязательно использоваться для осуществления способа согласно изобретению, тем не менее, согласно изобретению они являются предпосылкой рассматриваемой здесь как выгодной имитационной модели.
В дальнейшем усовершенствовании способа управления компрессорной станцией может быть также предусмотрено, что способ прогностического моделирования будет осуществляться на основе реализуемой с помощью компьютеров предпочтительно детерминизированной модели. Это позволяет использовать известные реализуемые с помощью компьютеров алгоритмы и математические методы, имеющиеся в большом количестве в распоряжении вычислительной математики.
Далее способ управления компрессорной станцией может отличаться тем, что критерий качества определяется по возможности малым потреблением энергии или по меньшей мере определяется им в решающей степени. Потребление энергии, представляющее иногда во время эксплуатации компрессорной станции наибольший фактор затрат, может быть, следовательно, определено уже заблаговременно перед наступлением конкретных изменений состояния давления в компрессорной станции и на него может быть оказано надлежащее влияние посредством критерия выбора, например, для сокращения или уменьшения потребления энергии. Следствием этого, таким образом, может быть заметное повышение рентабельности при эксплуатации компрессорной станции.
В ведущем еще дальше варианте осуществления способа управления компрессорной станцией может быть также предусмотрено, что способ прогностического моделирования выдает по меньшей мере один набор данных с предсказанными будущими изменениями во времени параметров состояния модели компрессорной станции в различных стратегиях переключений в различные, не обязательно отстоящие на равные промежутки моменты времени и/или со следующими из них цифровыми характеристиками предпочтительно для всего цикла управления. На основе составления такого по меньшей мере одного набора данных система управления компрессорной станцией, например, имеет возможность начинать выполнение соответствующих стратегий переключений без того, чтобы самой системе управления нужно было использовать способ прогностического моделирования в качестве непосредственного алгоритма управления или части непосредственного алгоритма управления. Более того, способ прогностического моделирования может быть реализован как самостоятельный цифровой модуль, который, при необходимости, инициализируется и выполняется системой управления.
В другом варианте осуществления способ управления компрессорной станцией может иногда включать в себя также автоматическое приспособление модели компрессорной станции к актуализированным и/или в начале известным лишь приблизительно и/или не точно установленным параметрам установки. Эта актуализация гарантирует, что в любой момент времени, в котором выполняется способ прогностического моделирования, будут иметься в распоряжении предпочтительные параметры установки в течение всего времени работы компрессорной станции. Автоматическая адаптация модели компрессорной станции в отношении актуализированных параметров установки может наряду с обеспечением точного предсказания также обеспечивать более высокую скорость выполнения способа прогностического моделирования.
Далее способ согласно изобретению в одном варианте осуществления может также отличаться тем, что приспособление модели компрессорной станции к актуализированным параметрам установки может осуществляться посредством того, что из большого числа альтернативных наборов параметров установки выбираются те, с которыми моделирование работы компрессорной станции в прошедшем интервале времени лучше всего согласовывается с реально наблюдаемым ходом работы компрессорной станции. Эта стратегия выбора может быть, кроме того, поддержана посредством того, что проводятся последовательные целенаправленные изменения рабочего состояния отдельных компрессоров и/или приборов компрессорной станции и что в рамках выполненного задним числом моделирования исследуются и выбираются только альтернативные параметры отдельных компрессоров и/или приборов.
В соответствии с вариантом осуществления может быть также предусмотрено, что в способе прогностического моделирования учитываются текущие переменные параметры состояния системы компрессорной станции, прежде всего, информация о рабочем состоянии по меньшей мере одного ресивера, например его давление и его температура, и/или информация о рабочем состоянии отдельных компрессоров, например их текущее состояние управления и/или текущее состояние работы, и/или информация относительно изменения количества сжатой текучей среды в компрессорной станции, например отбор количества сжатой текучей среды за единицу времени. Благодаря учету текущих переменных параметров состояния компрессорной станции могут быть проведены более полные и более точные расчеты, результатом чего станет повышенное качество управления.
Способ управления компрессорной станцией может отличаться также тем, что в способе прогностического моделирования в качестве жестко установленных параметров системы компрессорной станции учитываются информация о количестве поставляемой отдельными компрессорами сжатой текучей среды и/или о потреблении энергии отдельными компрессорами в различных условиях работы под нагрузкой и/или информация о временах задержки компрессоров и/или о типичных для компрессорной станции границах минимального давления или максимального давления. Учет жестко установленных параметров системы компрессорной станции делает также возможным детальное описание самой компрессорной станции, а также важных для выполнения прогностического моделирования граничных условий, и, следовательно, приводит к лучшему предсказанию условий давления в компрессорной станции посредством прогностического моделирования.
Способ управления компрессорной станцией может также предусматривать, что во время прогностического моделирования в течение моделируемого периода времени не происходят никакие изменения в конфигурации находящихся под нагрузкой во время прогностического моделирования компрессоров и не находящихся под нагрузкой во время прогностического моделирования компрессоров. Посредством такого уменьшения возможного пространства переменных может быстрее выполняться прогностическое моделирование и, следовательно, повышаться скорость прогноза. При этом нужно иметь в виду, что конфигурация находящихся и не находящихся под нагрузкой во время прогностического моделирования компрессоров компрессорной станции не должна совпадать с текущей преобладающей конфигурацией находящихся под нагрузкой и не находящихся под нагрузкой компрессоров компрессорной станции в момент выполнения прогностического моделирования. Напротив, может иметь решающее значение принятие в прогностическом моделировании конфигурации находящихся под нагрузкой компрессоров или не находящихся под нагрузкой компрессоров, которая не согласуется с реальной текущей ситуацией, чтобы, следовательно, определить относительно самую выгодную для управления компрессорной станцией стратегию переключений.
Далее способ управления компрессорной станцией может предусматривать, что в качестве компрессора для выравнивания давления из числа находящихся под нагрузкой во время прогностического моделирования компрессоров выбирается самый маленький по производительности компрессор, который согласно прогностическому модулированию имеет наибольшее остаточное время работы в состоянии холостого хода, в случае если этот компрессор в находящемся под нагрузкой во время прогностического моделирования компрессоре будет переведен в находящийся не под нагрузкой во время прогностического моделирования компрессор. Распределение компрессоров на находящиеся во время прогностического моделирования под нагрузкой и не находящиеся под нагрузкой происходит на основе информации о процессах и заложенных в системе управления параметрах. Для достижения будущего выравнивания давления в компрессорной станции в качестве компрессора для выравнивания давления может быть назначен компрессор, который в будущем должен заботиться о поддержании соответствующего реального выравнивания давления. Обычно этот компрессор для выравнивания давления выбирается из числа находящихся под нагрузкой во время прогностического моделирования компрессоров. Для выбора компрессора для выравнивания давления могут привлекаться как предварительно установленные параметры, так и информация о процессах (параметры состояния) в компрессорной станции. Путем выбора наименьшего с точки зрения производительности компрессора в качестве компрессора для выравнивания давления из числа находящихся под нагрузкой во время прогностического моделирования компрессоров может быть, вдобавок, снижено потребление энергии компрессорной станцией и сокращены затраты на эксплуатацию компрессорной станции.
Далее способ управления компрессорной станцией может предусматривать, что для определения нижних величин давления выполняются по меньшей мере два прогностических моделирования с одинаковыми параметрами, но разным образом выбранными цифровыми величинами для нижних величин давления и определяются смоделированные моменты времени, когда давление станет ниже нижних величин давления. При этом определение нижних величин давления обычно происходит лишь тогда, когда компрессор для выравнивания давления не находится под нагрузкой. Управление компрессором для выравнивания давления может взять на себя алгоритм, который работает с величинами давления (нижняя величина давления и верхняя величина давления), которые могут постоянно приспосабливаться к изменяющимся обстоятельствам в компрессорной станции. В стохастическом способе могут быть предварительно заданы различные величины давления и опробованы посредством способа прогностического моделирования. При этом определение нижних величин давления обычно происходит лишь тогда, когда компрессор для выравнивания давления фактически не находится под нагрузкой. Посредством способа прогностического моделирования может быть тем самым определен момент времени, к которому происходит снижение давления ниже предварительно заданного минимального давления компрессорной станции. Посредством эвристических правил может быть также установлено, когда компрессор для выравнивания давления в способе прогностического моделирования обрабатывается как работающий под нагрузкой компрессор. Если, например, компрессор за 5 секунд до снижения давления ниже минимального давления находится в режиме холостого хода, тогда нижнее давление является давлением за 5 секунд до снижения ниже минимального давления. Если же, с другой стороны, компрессор для выравнивания давления за 5 секунд до снижения ниже минимального давления находится в отключенном состоянии, то нижнее является давлением за 15 секунд до снижения ниже минимального давления. Период времени в 5 секунд при этом примерно соответствует времени запаздывания компрессора для изменения состояния от состояния холостого хода до состояния работы под нагрузкой. А период времени в 15 секунд может соответствовать времени запаздывания компрессора при изменении состояния из отключенного состояния в состояние работы под нагрузкой.
Способ управления компрессорной станцией может отличаться также тем, что для определения верхней величины давления выполняются по меньшей мере два прогностических моделирования с одинаковыми параметрами, но разным образом выбранными цифровыми величинами для верхних величин давления, и компрессор для выравнивания давления переводится в находящийся под нагрузкой во время прогностического моделирования компрессор, когда давление сжатой текучей среды в компрессорной станции опустится ниже нижнего давления, и затем в не находящийся под нагрузкой во время прогностического моделирования компрессор, когда давление в компрессорной станции превысит величину верхнего давления. При этом перед каждым прогностическим моделированием обычно заново задается величина верхнего давления. Минимальная величина при этом совпадает с нижней величиной давления. Максимальная величина верхнего давления может, кроме того, получаться из допустимого при работе компрессорной станции допустимого максимального давления. Если давление в компрессорной станции превысит, например, максимальное давление, то компрессор для выравнивания давления должен быть автоматически отключен. Все лежащие между минимальными и максимальными значениями величины верхнего давления являются в прогностическом моделировании допустимыми величинами давления. Путем разделения этого режима давления, например, на находящиеся на одинаковом расстоянии друг от друга границы давления определенное число верхних величин давления может быть исследовано с помощью прогностического моделирования на их предпочтительные для управления компрессорной станцией свойства. Может быть предусмотрено, что как верхнее давление будет определена та величина давления, которая позволяет ожидать самый стабильный ход изменения давления за моделируемый период изменения во времени состояния давления в компрессорной станции. В дальнейшем развитии способа управления компрессорной станцией может быть предусмотрено, что определенная в ходе прогностического моделирования как относительно выгодная величина верхнего давления происходит из совокупности всех установленных в прогностическом моделировании верхних величин давления, и выбирается как сравнительно выгодная в отношении потребления энергии по отношению к смоделированному потреблению энергии всех компрессоров. Соответственно этому путем подходящего выбора величины верхнего давления может быть достигнут значительный вклад в уменьшение затрат на эксплуатацию компрессорной станции.
В этом месте следует указать на то, что как верхнюю, так и нижнюю величины давления не следует понимать как реальные или даже жестко предварительно заданные полосы давления, а как альтернативные верхние или нижние величины давления, которые могут быть «перепробованы» на роль инициатора действий по переключениям в отношении компрессоров для различных и альтернативных моментов времени переключения.
Кроме того, может быть предусмотрено, что установленные в прогностическом моделировании верхние величины давления для определения предпочтительной величины верхнего давления устанавливаются с шагами <0,5 бар, в особенности <0,1 бар, при этом расстояния между шагами устанавливаемых или исследуемых следующих друг за другом верхних величин давления не должны быть одинаковыми или величина шага между исследованными верхними величинами давления не должна быть одинаковой. Эти величины шагов делают возможным надежное определение той величины верхнего давления, которая распределена по шагам относительно самым выгодным способом. При этом величины шага относятся к рабочим давлениям или колебаниям рабочего давления в компрессорных установках, как они, например, происходят в промышленных условиях.
В дальнейшем развитии способа управления компрессорной станцией может быть предусмотрено, что прогностическое моделирование использует стохастические модели развития во времени поведения пользователя в отношении отбора сжатой текучей среды из компрессорной станции. Соответственно этому и при прогностическом моделировании может быть предусмотрен отбор сжатой текучей среды так, как он приблизительно происходит при реальной эксплуатации компрессорной станции.
В альтернативном варианте осуществления может быть также предусмотрено, что прогностическое моделирование использует программы искусственного интеллекта и/или обучающиеся цифровые программы в отношении развития во времени поведения пользователя с точки зрения отбора сжатой текучей среды из компрессорной станции. Следовательно, гарантируется относительно точная регистрация поведения пользователя после длительного времени использования компрессорной станции. Тем самым может благоприятным образом осуществляться учет поведения пользователя относительно его развития во времени.
В еще одном варианте осуществления способа согласно изобретению может быть предусмотрено, что программная реализация способа определена с использованием методов объектно-ориентированного программирования, при этом по меньшей мере компрессоры могут рассматриваться как объекты. Соответственно развитие и осуществление модели компрессорной станции оформляется особенно просто.
В одном предпочтительном варианте осуществления системы управления компрессорной станцией для выполнения прогностического моделирования используется отдельное аппаратное обеспечение, которое посредством системы шин обменивается информацией с системой управления, которая, в свою очередь, коммуникационно связана с компрессорами и, факультативно, с другими устройствами компрессорной техники.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению реализуются эвристические методы для формирования альтернативных стратегий переключений посредством модели системы управления компрессорной станцией, содержащейся в имитационной модели, при этом модель системы управления в процессе моделирования принимает на себя управление или же регулирование моделируемой компрессорной станции, и при этом альтернативные стратегии формируются путем предварительного задания управляющих и регулирующих параметров для модели системы управления, из которых соответственно выбирается относительно самая выгодная стратегия переключений для выполнения в реальной компрессорной станции.
Другие варианты осуществления изобретения определяются посредством признаков в зависимых пунктах формулы изобретения.
Далее изобретение будет описано посредством примеров осуществления, которые более подробно описываются с использованием рисунков.
Фиг.1 - схематическое изображение компрессорной станции с системой управления согласно первому варианту осуществления данного изобретения,
Фиг.2 - схематическое изображение компрессорной станции с системой управления согласно еще одному варианту осуществления данного изобретения,
Фиг.3 - модель компрессорной станции согласно варианту осуществления реальной станции на фиг.2,
Фиг.4 - изображение изменения во времени давления в компрессорной станции в зависимости от изменения управляющего параметра посредством управляющего воздействия,
Фиг.5 - блок-схема для разъяснения способа с использованием прогностического моделирования управления компрессорной станцией согласно одному варианту способа согласно изобретению,
Фиг.6 - блок-схема для объяснения использования прогностического моделирования в варианте осуществления способа управления или же регулирования согласно изобретению,
Фиг.7 - изображение изменения во времени давления в компрессорной станции с использованием границ полос давления,
Фиг.8 - изображение изменения давления в компрессорной станции, в которой применяется способ регулирования давления с использованием трех вложенных друг у друга полос давления,
Фиг.9 - изменение во времени давления в компрессорной станции согласно варианту осуществления изобретения для будущего смоделированного периода времени при виртуальных изменениях управляющего параметра,
Фиг.10 - изменение давления в компрессорной станции согласно варианту осуществления изобретения для будущего смоделированного периода времени при виртуальных изменениях управляющего параметра для определения предпочтительной стратегии переключений, и
Фиг.11 - изменение во времени давления в компрессорной станции посредством способа управления с учетом времени запаздывания двух управляющих элементов.
В дальнейшем описании для одинаковых или одинаковых по действию деталей используются одни и те же ссылочные обозначения.
На фиг.1 показано схематическое изображение первого варианта осуществления компрессорной станции 1, которая взаимодействует с одним вариантом осуществления системы 3 управления согласно изобретению, и которым она управляется или же регулируется. Далее компрессорная станция 1 включает в себя три компрессора 2, которые посредством трубопроводов 9 высокого давления, а также выполненных в виде вентилей исполнительных устройств 5 связаны с двумя осушителями 14 сжатого воздуха. Выработанная для одного или нескольких пользователей сжатая текучая среда 4 (в данном случае не показана) хранится в ресивере 8 сжатой текучей среды. Для того чтобы иметь возможность предпринимать посредством системы 3 управления изменения управляющих параметров, каждое исполнительное устройство 5 управляется через не показанные в данном случае линии связи системы 3 управления. При этом принцип действия системы 3 управления принципиально соответствует принципу действия другого, более сложного варианта осуществления согласно фиг.2.
На фиг.2 схематически представлено схематическое изображение более сложной, чем в варианте осуществления согласно фиг.1, компрессорной 5 станции 1, которая взаимодействует с системой 3 управления, которой она управляется или же регулируется. Компрессорная станция 1 включает в себя в системе 3 управления три компрессора 2, которые при соответствующем управлении или же регулировании предусмотрены для подачи сжатой текучей среды 4 (в данном случае не показана) в ресиверы 8 сжатой текучей среды.
Сжатая текучая среда 4 из каждого компрессора 2 через трубопровод 9 высокого давления распределяется по трем исполнительным устройствам 5, которые в данном случае выполнены в виде вентилей 5, которые соединены с тремя ресиверами 8 сжатой текучей среды и при необходимости могут обеспечивать каждый из ресиверов 8 сжатой текучей средой. Сжатая текучая среда 4 может отбираться при необходимости пользователем или же несколькими пользователями из компрессорной станции 1. При этом отбор осуществляется на, в данном случае не показанном, пункте отбора таким образом, что сжатая текучая среда 4 может отбираться из всех ресиверов 8 сжатой текучей среды. В соответствии с предпринятыми системой 3 управления на исполнительных устройствах 5 действиями по переключениям сжатая текучая среда 4 из ресиверов 8 сжатой текучей среды может быть целенаправленно подана на пункт отбора пользователя, с другой стороны, возможно взаимное выравнивание давления в ресиверах 8 сжатой текучей среды. Для того чтобы иметь возможность выполнения необходимых изменений управляющих параметров или стратегий переключений, каждое исполнительное устройство 5 приводится в действие системой 3 управления через не показанную далее линию связи. Для наглядности в данном случае не каждое исполнительное устройство 5 снабжено линией связи с системой управления. Однако каждому специалисту должно быть понятно, что подобное соединение может быть выполнено. Передаваемые системой 3 управления исполнительным устройствам 5 управляющие сигналы на выполнение действий по переключениям могут быть самого разного вида и могут, кроме того, иметь дискретную или непрерывную природу. Типично обычными управляющими сигналами для исполнительных устройств могут быть открывание, закрывание или лишь частичное открывание и закрывание. Через управляемые исполнительные устройства 5 таким образом могут устанавливаться связи пунктов отбора с отдельными ресиверами 8 сжатой текучей среды. Далее между ресиверами 8 сжатой текучей среды и пунктами отбора могут быть установлены инициализируемые исполнительные механизмы (например, редукционный вентиль). Также возможно подключение нескольких пунктов отбора к компрессорной станции 1. Далее станция 1 может включать в себя датчики, которые регистрируют изменяющиеся во времени параметры 56 состояния системы (в данном случае не показаны) и затем предоставляют их системе 3 управления для управления или же регулирования компрессорной станцией 1. Так, например, ресиверы 8 сжатой текучей среды могут быть оснащены не показанными здесь датчиками, которые делают возможным измерение давления в отдельных ресиверах 8. Далее компрессорная станция 1 может быть оснащена другими, не показанными здесь, датчиками, которые позволяют регистрировать параметры сжатых текучих сред для описания компрессорной станции 1.
На фиг.3 представлена модель аналогичной показанной на фиг.2 компрессорной станции, которая, например, находит применение в системе 3 управления реальной компрессорной станции. При этом устройство 3 управления может использовать способ 20 прогностического моделирования (в данном случае не показан) согласно варианту осуществления данного изобретения, или являться лишь символическим изображением для задания параметров компрессорной станции 1. Если модель 21 компрессорной станции находит применение в способе управления или же регулирования согласно варианту осуществления изобретения, то каждая важная для работы компрессорной станции составная часть характеризуется посредством задания параметров (параметризации). Формат параметризации должен быть пригодным для использования подходящим образом системой 3 управления или способом 20 (в данном случае не показан) прогностического моделирования. Задание параметров может при этом происходить не только посредством цифровых, но и символических величин, например предварительным заданием и выбором принципов работы, конструкции, обозначения серии или типа компрессоров.
На фиг.4 представлен ход изменения во времени давления в компрессорной станции 1 или, в данном случае не показанном, ресивере 8 сжатой текучей среды под воздействием стратегии 10 переключений (действия по переключениям, изменение управляющих параметров). При этом действие по переключениям происходит в настоящее время. Стратегия 10 переключений может быть, например, предпринята для того, чтобы соответственно выровнять падавшее в прошлом давление в компрессорной станции 1. При этом хорошо заметно, что при соответствующем действии по переключениям в настоящее время, например включении вентиля, в будущем происходит повышение давления в компрессорной станции 1. В зависимости от величины изменения управляющего параметра в будущем происходит небольшой или сильный подъем давления. В случае небольшого по величине изменения S3 управляющего параметра происходит изменение давления в будущем, обозначенное символом Т3. Соответственно изменение S2 управляющего параметра приводит к ходу Т2 изменения давления в будущем, а при изменении S1 управляющего параметра изменение давления произойдет по кривой Т1. Все три изменения S1, S2 и S3 управляющего параметра подходят для предотвращения снижения давления ниже предварительно заданного минимального давления Pmin. В соответствии с критерием принятия решения задачей системы 1 управления является теперь сделать вывод о том, какое изменение управляющего параметра подходит для того, чтобы вызвать в будущем желаемый ход изменения давления. Подобный критерий принятия решения в данном случае может, например, быть ответственным за то, что в значительной степени линейное изменение управляющего параметра S3 рассматривается системой 1 управления как предпочтительная стратегия 10 переключений.
Выбор предпочтительной стратегии 10 переключений происходит в соответствии с данным способом управления компрессорной станцией согласно изобретению также посредством прогностического моделирования.
На фиг.5 показана блок-схема подобного способа выбора посредством прогностического моделирования. При этом способ прогностического моделирования (прогностическое моделирование) в момент времени t=0 секунд (настоящее время) инициализируется переменными состояния, которые отражают текущее состояние компрессорной станции 1. Способ прогностического моделирования запускается непосредственно после инициализации t=0 секунд, то есть в момент времени, который в рамках периода времени моделирования все еще может обозначаться как настоящее время, и 5 выдает после выполнения способа, или после многократного выполнение способа 20 прогностического моделирования с измененными исходными параметрами в данном случае три альтернативные стратегии 11 переключений (Alt.1, Alt.2 и Alt.3), из которых с помощью критерия 22 качества выбирается подходящая альтернативная стратегия 11 переключений для того, чтобы запустить систему управления и выработать команду 30 на переключение для генерирования стратегии 10 переключений. Альтернативные стратегии 11 переключений могут быть согласно варианту осуществления иметь результатом будущий во времени и предсказанный ход изменения давления в компрессорной станции 1, как примерно показано кривыми T1, T2 и Т3 изменения давления на 15 фиг.4.
На фиг.6 показана еще одна блок-схема представления набора 6 данных, который содержит результаты моделирования прогностического моделирования 20. Как уже объяснялось в описании фиг.5, в одном варианте осуществления способа управления согласно изобретению с помощью критерия 22 качества может быть определена предпочтительная стратегия 10 переключений. Для инициализации прогностического моделирования или серии прогностических моделирований требуется ввод важных для системы величин. Важными для системы величинами могут быть, с одной стороны, жестко заданные параметры 55 системы, которые, например, содержат информацию о количестве вырабатываемой сжатой текучей среды для каждого компрессора, или о потреблении энергии отдельными компрессорами в разных режимах работы, информацию о временах запаздывания компрессоров или исполнительных устройств, а также характеризующие компрессорную станцию границы минимального давления и максимального давления. Далее важные для системы параметры могут состоять из параметров 56 системы, которые представляют собой изменяемые во времени параметры. Такие параметры 56 системы компрессорной станции 1 могут содержать информацию о рабочем состоянии по меньшей мере одного ресивера 8 сжатой текучей среды или о его давлении, температуре, они могут включать в себя информацию о рабочем состоянии отдельных компрессоров 2, их текущие состояния управления или функциональные состояния, а также относительно изменения количества сжатой текучей среды 4 в компрессорной станции 1, как, например, изменение количества сжатой текучей среды за единицу времени, ее поток или ее другие физические параметры. Качество прогностического моделирования 20 основывается на качестве или числе жестко заданных параметров 55 системы и параметров 56 состояния системы, которые лежат в основе прогностического моделирования.
На фиг.7 показан ход изменения давления в компрессорной станции относительно полосы давления, которая задает нижнюю границу 42 полосы давления с минимальным давлением Pmin и верхнюю границу 41 с максимальным давлением Pmax. При использовании одной жестко заданной полосы давления для управления компрессорной станцией 1, как это имеет место в случае известных для современного состояния техники способов последовательного управления, при выходе кривой изменения давления за пределы полосы давления совершается соответствующее действие по переключениям. Так, например, при выходе кривой изменения давления вниз за пределы нижней границы 42 давления выполняется действие по подключениям, которое предоставляет дополнительный компрессор для выработки сжатой текучей среды. Подобное действие по переключениям запускается в момент, когда кривая изменения давления выходит за пределы нижней границы 42 полосы давления, вследствие чего выработка дополнительной сжатой текучей среды происходит так, что после небольшого периода времени выхода за пределы нижней границы кривая изменения давления снова проходит в границах жестко предварительно заданной полосы давления. Если, с другой стороны, кривая изменения давления выходит за пределы верхней границы 41 давления в верхнем направлении, то, например, путем выполнения действия по отключению в момент пересечения верхней границы 41 полосы давления кривая изменения давления корректируется таким образом, чтобы после небольшого периода времени выхода за пределы верхней границы она снова находилась в пределах полосы давления.
Для того чтобы можно было оказывать влияние на изменение давления в компрессорной станции 1 методами техники управления, прежде чем величина давления станет меньше минимального давления Pmin или превысит максимальное давление Pmax, в расчетах для запуска действия по переключениям могут задаваться дополнительные вложенные друг в друга полосы давления. Так, на фиг.8 показано изменение давления компрессорной станции 1 относительно трех вложенных друг в друга полос давления. Самая узкая полоса давления с нижней границей 42 давления Pu1 и верхней границей 41 давления с давлением Po1 лежит внутри следующей более широкой полосы давления с нижней границей 42 давления Pu2 и верхней границей 41 полосы давления Ро2. Обе упомянутые ранее полосы давления лежат также внутри самой широкой полосы давления, которая имеет нижнюю границу 42 давления, равную Pmin, и максимальное давление верхней границы 41 давления, равное Pmax. Теперь чтобы предотвратить выход кривой изменения давления за пределы границ полосы давления самой широкой полосы давления, системой 3 управления (в данном случае не показана) действия по переключениям запускаются уже в тот момент времени, когда кривая изменения давления выходит за границы самой узкой или следующей за ней более широкой полосы давления. По причине внутренне присущих компрессорной станции времен запаздывания после начала совершения действий по переключениям после соответственно короткого промежутка времени происходит корректировка кривой изменения давления.
Представленные на фиг.7 и 8 кривые изменения давления получаются вследствие действий по переключениям, которые вызываются чисто реактивными способами управления. Лишь когда в некоторый момент времени происходит заданное событие (например, выход за пределы границ давления), запускается соответствующее действие по переключениям. В противоположность этому, стратегии переключений согласно данному изобретению моделируются на будущее время для того, чтобы задать желаемое изменение давления.
На фиг.9 показано подобное моделирование на будущем смоделированном интервале 23 времени. При этом в лежащий в настоящем момент времени предпринимается стратегия 10 переключений, которая уменьшает управляющий параметр с величины а) до более малой величины b). Ожидаемое будущее изменение давления в компрессорной станции следует за слегка задержанным по времени падением. Для того чтобы избежать падения давления ниже предварительно заданной величины или чтобы задать стабильный ход изменения давления, в прогностическом моделировании в некоторый момент времени в будущем предпринимается виртуальное изменение управляющего параметра с величины b) на более высокую величину с). Это виртуальное изменение управляющего параметра имеет следствием повышение давления в компрессорной станции 1. При этом, например, виртуальное изменение управляющего параметра может быть заложено в стратегии 13 подключения компрессора. Чтобы, однако, избежать слишком большого виртуального роста давления, в более поздний смоделированный момент времени предпринимается дальнейшее изменение управляющего параметра с величины с) до величины d). Это второе виртуальное изменение управляющего параметра до величины d) может быть, например, заложено в стратегии 12 отключения. За счет сочетания обоих виртуальных изменений управляющего параметра возможно к концу смоделированного периода 23 времени установить стабильный виртуальный ход изменения давления. Если теперь, например, виртуальные изменения обоих управляющих параметров будут предприняты в соответствующие моменты времени реальном будущем как фактические стратегии 10 переключений, следует ожидать установления стабильного хода изменения давления. Тем самым путем проведения прогностического моделирования может быть как бы предсказано будущее поведение компрессорной станции, и информационная база по состоянию компрессорной станции расширена еще и на будущие моменты времени.
На фиг.10 в сравнении с показанной на фиг.9 кривой представлены три возможные виртуальные кривые изменения давления, которые получились бы как результат различных изменений управляющих параметров согласно прогностическому моделированию 20 в моделируемом интервале 23 времени. В зависимости от виртуальных стратегий 13 подключения или стратегий 12 отключения в конце смоделированного интервала 23 времени получается стабильный или возрастающий или снижающийся ход изменения давления. При этом следует указать, что предпринимаемые в разных моделированиях виртуальные стратегии 10 переключений могут происходить и в разные моменты времени. Далее на различные изменения управляющих параметров может повлиять поведение одного или нескольких пользователей при отборе сжатой текучей среды из компрессорной станции 1. Соответственно результатом последовательности действия по переключению, которая обозначена как S1, является возрастающая кривая Т1 изменения давления. Последовательность действий по переключениям, которая обозначена как S2, приводит в конце моделируемого интервала 23 времени к стабильному изменению давления в компрессорной станции 1. Последовательность действий по переключениям, которая обозначена как S3, приводит в конце моделируемого интервала 23 времени к падающей кривой Т3 изменения давления. Если из трех возможных смоделированных кривых изменения давления с помощью критерия 22 качества (в данном случае не показан) будет выбрана такая кривая изменения давления, которая в конце моделируемого интервала 23 времени имеет относительно минимальные колебания, то проведенное прогностическое моделирование будет предлагать выполнение действий 10 по переключениям согласно отображаемой посредством S2 последовательности действий по переключениям в соответствующие будущие моменты времени. Как будет понятно любому специалисту, могут быть также изменением других многочисленных параметров в прогностическом моделировании сгенерированы многочисленные возможные виртуальные кривые изменения давления, из которых посредством критерия 22 качества может быть выбрана наилучшая.
Посредством способа 20 прогностического моделирования можно в процессе моделирования вычислить эффективные времена запаздывания используемых в компрессорной станции 1 элементов и включить их в неявном виде в вычисление момента времени, когда должны быть запущены стратегии 10 по переключениям. Однако предпосылкой для этого является наличие в моделях 21 компрессорной станции характеристик времен запаздывания. Следовательно, больше нет необходимости неявно учитывать времена запаздывания отдельных исполнительных устройств 5 в системе 3 управления. В число исполнительных устройств 5 могут также входить компрессоры 2 и другие дополнительные приборы компрессорной станции, которые могут управляться сигналами управления с целью изменения управляющих параметров. Следовательно, исполнительные устройства не ограничиваются вентилями 5, как показано на фиг.2. Преодоление времен запаздывания происходит автоматически с помощью разработанного прогностического моделирования. Оно позволяет, с одной стороны, выяснить, достаточны ли выполненные в прошлом изменения управляющих параметров для того, чтобы предотвратить нежелательные события, а с другой стороны, может быть проверено, может ли вообще быть оказанным дополнительное положительное влияние на характер изменения давления посредством выполняемых в настоящее время изменений управляющих параметров.
На фиг.11 показано изменение во времени давления в компрессорной станции 1. В данном случае в прошлом на первом исполнительном устройстве было предпринято действие по переключениям в момент времени Т1. По причине наличия времени запаздывания первого исполнительного устройства 5 последствия этого действия по переключениям в настоящее время пока еще не заметны. Следовательно, в настоящее время существует возможность выполнения дополнительного действия по переключениям на втором исполнительном устройстве. Однако лишь тогда, когда может быть смоделировано изменение давления в будущем, может быть решено, сможет ли действие по переключениям на втором исполнительном устройстве улучшить степень выполнения граничного условия (например, предотвращение снижения давления ниже минимального давления Pmin) или нужно ли оно было вообще. Если для обеих возможных стратегий переключений будет выполнено прогностическое моделирование в моделируемом интервале 23 времени, то станет видно, что действие по переключениям на втором исполнительном устройстве не является необходимым для обеспечения соблюдения граничных условий. К тому же можно будет увидеть, что время запаздывания второго исполнительного устройства 5 преодолевается только после того, как давление в компрессорной станции 1 уже находится значительно выше минимального давления Pmin. Следовательно, на основе проведенного способа 20 прогностического моделирования могло бы быть решено, что действие по переключениям на втором исполнительном устройстве для улучшения изменения давления в компрессорной станции 1 не должно выполняться.
В этом месте следует указать на то, что все вышеописанные детали по отдельности или в любой комбинации, прежде всего показанные на рисунках детали, заявляются как существенные признаки изобретения. Возможные модификации специалисту общеизвестны.
ССЫЛОЧНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
1 Компрессорная станция
2 Компрессор
3 Система управления
4 Сжатая текучая среда
5 Исполнительное устройство
6 Набор данных
8 Ресивер сжатой текучей среды
9 Трубопровод высокого давления
10 Стратегия переключений
11 Альтернативная стратегия переключений
12 Стратегия отключения
13 Стратегия подключения
14 Осушитель сжатого воздуха
20 Способ прогностического моделирования
21 Модель компрессорной установки
22 Критерий качества
23 Интервал времени
30 Команда на переключение
41 Верхняя граница полосы давления
42 Нижняя граница полосы давления
54 Компрессор для выравнивания давления
55 Параметр системы
56 Параметр состояния системы
60 Аппаратное обеспечение
61 Система шин
70 Моделирующее ядро
71 Алгоритмическое ядро
72 Информационная база