軟測量技術(shù)在工業(yè)自動化中的應用

滕宇

（中海油工業(yè)自控（天津）有限公司 天津市 300452）

1 引言

中國十四五規(guī)劃開啟新征程，各類工業(yè)生產(chǎn)過程向著無人化、智能化不斷發(fā)展。對石化、電能、金屬冶煉、造紙等傳統(tǒng)行業(yè)的自動化程度發(fā)展也提出了新的要求，生產(chǎn)制造業(yè)同時面臨著產(chǎn)品質(zhì)量要求提高，節(jié)能環(huán)保標準趨嚴，生產(chǎn)效率不斷刷新等發(fā)展現(xiàn)狀。這就迫使工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域盡快轉(zhuǎn)變過去單一的、局限的、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取及監(jiān)控方法，替代以適合現(xiàn)場應用的、統(tǒng)籌規(guī)劃的、可以自我迭代優(yōu)化的控制理念和方法，從而保證整個生產(chǎn)過程在綜合考慮各類因素后實現(xiàn)效益最大化。

2 軟測量技術(shù)概述

目前的工業(yè)生產(chǎn)境況對出品質(zhì)量的要求非常高，行之有效的控制方案是提高并保證出品質(zhì)量的必要內(nèi)容，這就不可避免的需要提到儀器儀表對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的獲取以及利用這些數(shù)據(jù)進行的一系列控制過程，所有的生產(chǎn)過程都離不開對關(guān)鍵參數(shù)的有效測量和精細把控，這在很多生產(chǎn)過程中成為一個難點，大部分生產(chǎn)過程中各類流程設(shè)備處于封閉狀態(tài)以保證設(shè)備設(shè)施安全，造成在線取樣分析難度大，有些極端工業(yè)環(huán)境則不具備安裝使用傳感器進行直接測量的條件，這限制了在線分析設(shè)備的廣泛應用。在現(xiàn)階段的工業(yè)生產(chǎn)過程中，針對產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)的獲取采用取樣后離線分析測試方式的情況還較為普遍，比如石油開采行業(yè)的原油組分檢測，冶金行業(yè)的原料及產(chǎn)品質(zhì)量檢測，塑料制品流程中的密度、色彩波動、水分比檢測等等，都是采用取樣后離線檢測的方法完成的，這就造成了嚴重的數(shù)據(jù)滯后問題，進而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

為了解決上面提到的工業(yè)生產(chǎn)中關(guān)鍵參數(shù)獲取難度大的問題，提高對應變量檢測的實時性和有效性，為建立優(yōu)質(zhì)的控制策略提供數(shù)據(jù)支撐，一種間接測量的技術(shù)逐漸興起和推廣應用，這種技術(shù)就是軟測量技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)的硬件直接測量現(xiàn)場生產(chǎn)參數(shù)的方法，軟測量是一種基于推斷的估算測量方法。其特點是利用現(xiàn)場的傳感設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)或變量，如介質(zhì)溫度，管線壓力，罐體液位等，通過一定的數(shù)學模型運算，綜合考慮有關(guān)干擾影響，最終獲得所需要的難以直接測量的關(guān)鍵參數(shù)值，達到在線推斷測量的目的。由于是通過估算測量獲取數(shù)值的方法，那推斷估算所使用的數(shù)學模型算法的設(shè)計建立則成為整個過程中作為重要的一個環(huán)節(jié)，這直接關(guān)系到最終結(jié)果的準確性。

圖1：軟測量技術(shù)與生產(chǎn)信息化系統(tǒng)關(guān)系框架

圖2：軟測量技術(shù)運行過程框圖

由上敘述可知，軟測量技術(shù)是一項基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的技術(shù)，其對于數(shù)據(jù)采集、過濾、應用等過程的依賴性極大，在現(xiàn)今這個大數(shù)據(jù)時代，各行各業(yè)都提高了對數(shù)據(jù)資源的重視程度，加大投入建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心，挖掘數(shù)據(jù)價值，對軟測量技術(shù)的加速發(fā)展有助力作用。軟測量技術(shù)的應用目的在于優(yōu)化控制方案，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，在完成軟測量算法組建之后，還需要與對應的控制方案進行聯(lián)合運行測試，根據(jù)適用情況適配整定，讓算法真正服務(wù)于生產(chǎn)流程整體提質(zhì)。軟測量技術(shù)涉及的工業(yè)生產(chǎn)層級較廣，其輸入數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量的儀器儀表系統(tǒng)，推斷輸出數(shù)據(jù)應用于生產(chǎn)控制方案，屬于生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的范疇，算法的參數(shù)校核又需要制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)和最上層的企業(yè)資源計劃系統(tǒng)的指導和干預，軟測量技術(shù)的這種特性決定了它是實現(xiàn)智能化生產(chǎn)不可缺少的一項內(nèi)容，軟測量技術(shù)與生產(chǎn)信息化系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1 所示。

3 工業(yè)自動化領(lǐng)域測量及控制方式現(xiàn)狀

工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域有大量的現(xiàn)場關(guān)鍵變量無法使用傳感器測量，使用定期采樣離線測試的方法居多，造成了結(jié)果實時性差，受測試環(huán)境及人員影響大，反映真實工況的能力差等問題，有些情況下結(jié)果的偏差會直接作用于產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，造成巨大的損失。

在天然氣長輸管線節(jié)能優(yōu)化中，需要利用壓縮機組的性能數(shù)據(jù)，建立壓縮機運行的性能模型，這是管線系統(tǒng)整體降耗的重要一環(huán)。在實際應用中，很多情況下是邀請專業(yè)的檢測機構(gòu)，租用合適的檢測設(shè)備到各個壓縮機組所在地進行數(shù)據(jù)測試記錄，然后繪制出模型曲線。這種測試方法只能獲取設(shè)備某一段時間內(nèi)的性能數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)樣本時間跨度過小，時效性低，測試成本高，模型準確性不能保證。

在污水處理場所，微生物化學反應池是整個流程的關(guān)鍵步驟，其中的需氧量測量裝置所提供的是重要參數(shù)，目前這種在線檢測儀表普遍購置及維護成本高，獲取結(jié)果滯后性嚴重，數(shù)據(jù)可信度差，對處理過程產(chǎn)生影響，不能普遍適用于水質(zhì)變化的情況，因此實際應用效果并不好。

海上浮式儲油輪及移動式試采平臺的原油儲存在船艙中，對于液位信息的獲取是設(shè)施采油及處理流程控制的重要指標，現(xiàn)階段采用的測量方法有兩種，一種是通過液位遙測系統(tǒng)測取液位并顯示在服務(wù)器上，利用超聲波液位計作為大艙油位的測量傳感器；另一種是使用大艙檢尺在取樣口進行液位測量。兩種方法中使用超聲波液位計的方法經(jīng)常會受到環(huán)境的影響，在傳感器周圍有有誤的情況下測量準確性較差，但可以實時查看；使用大艙檢尺的方法準確性較高，還可以排除艙底水層的干擾，但是只能定時檢測或在需要時檢測。

在原油處理與煉油生產(chǎn)過程中，原油及成品油組分的測量是生產(chǎn)過程調(diào)整的重要依據(jù)，在實際中采用的測量分析方法是遵循既定操作流程的人工取樣，取得樣品后保存并送到專業(yè)實驗室，經(jīng)過分析化驗得到結(jié)果。這種測量方式的周期一般很長，而過程變量變化的周期是很短并且時間間隔不確定，這導致這種采樣的離線測量并不能很好的反映生產(chǎn)流程。

由上述實例可以知道，多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程都存在著關(guān)鍵過程參數(shù)難以測量的問題，雖然現(xiàn)階段都有相應的解決方法，但并沒有獲得較為理想的測試結(jié)果和時效性，并不能滿足高速發(fā)展的生產(chǎn)制造需求。

4 軟測量技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應用

基于上述生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，許多領(lǐng)域都引入了軟測量技術(shù)作為支持并取得了不小成績，從煉化、電力到石油、天然氣，再到鋼鐵、農(nóng)業(yè)，尤其是各類先進控制理念帶動的高層次自動化技術(shù)的發(fā)展，更是為軟測量技術(shù)打造了平臺。

軟測量技術(shù)在不同工業(yè)領(lǐng)域的具體應用方式有所不同，但是其原理和基本流程都是相同的，軟測量技術(shù)的具體應用包括以下幾個步驟：

（1）選取輔助變量，即選擇可以使用現(xiàn)場傳感設(shè)備準確測量的生產(chǎn)過程參數(shù)點，作為算法的輸入，選取的過程需要綜合考慮建模方法、算法復雜程度、結(jié)果響應速率等，同時要對參數(shù)類型和數(shù)量進行合理的配置。

（2）完成數(shù)據(jù)采樣及誤差數(shù)據(jù)處理，即在需要覆蓋的整個生產(chǎn)過程中，按照均勻的時間排布進行數(shù)據(jù)樣本的采集，獲取數(shù)據(jù)集后，將其中由于傳感器問題產(chǎn)生的失誤數(shù)據(jù)和由于采集過程中的干擾產(chǎn)生的噪聲因素進行剔除，以備推斷算法使用。

（3）組建軟測量算法，這一步是軟測量的核心要點，即根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程實際，選擇對應的算法類別，如根據(jù)生產(chǎn)流程物理化學過程進行機理算法組建、利用輸入信號測點和輸出結(jié)果測點進行數(shù)據(jù)算法組建、利用工藝過程和數(shù)據(jù)特性結(jié)合的方法進行算法組建等等。各類軟測量算法的組建過程各有優(yōu)缺點，現(xiàn)階段應用較為廣泛的是基于純數(shù)據(jù)的推斷算法。軟測量算法模型的研究已經(jīng)相當廣泛，引入了多種不同的模型組建方法，常用的包括基于生產(chǎn)過程機理建模、基于模式識別的算法、基于參數(shù)辨識的算法、基于回歸模型分析的算法（包含偏最小二乘法、主元分析法等）、基于支持向量機的算法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法以及不同類型算法的混合模型。

（4）算法的校核，即對組建的算法進行不斷優(yōu)化核準，使之適用于不斷變化的生產(chǎn)過程。這一步的使用是由于實際生產(chǎn)過程中各類環(huán)境因素在不斷變化，導致最初組建的推斷算法逐漸偏離變化后的生產(chǎn)所造成的。

圖2 是軟測量技術(shù)應用過程的示意圖。

絕大多數(shù)生產(chǎn)過程的中央控制流程使用的是集散控制，這一控制系統(tǒng)全面包含了現(xiàn)場關(guān)鍵數(shù)據(jù)的獲取、生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)視、控制方案的制定、控制指令的接收、控制信號的發(fā)出等等一系列的功能，同時也具備與其他類型系統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)交互接口。軟測量技術(shù)的實際應用就需要與離散控制系統(tǒng)結(jié)合，一種有效的方案就是建立一套與集散控制系統(tǒng)獨立的軟測量系統(tǒng)服務(wù)器，該服務(wù)器包含數(shù)據(jù)庫功能。利用OPC 數(shù)據(jù)采集接口技術(shù)，將軟測量所需的輸入信號從集散控制系統(tǒng)中提取出來，傳輸?shù)絆PC 客戶端，這一客戶端是安裝在軟測量服務(wù)器。軟測量服務(wù)器中嵌入了算法模型及優(yōu)化程序，對獲取的輸入測量值進行處理，得到推斷預測值。軟測量數(shù)據(jù)值可以用于生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)測、控制方案的指導等。

軟測量技術(shù)應用在工業(yè)生產(chǎn)中也存在一些不足的地方，最突出的問題就是組建的推斷算法產(chǎn)生失配的情況，這是由工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境不斷變化，生產(chǎn)設(shè)備中的介質(zhì)成分不穩(wěn)定，生產(chǎn)流程飽和度不統(tǒng)一等原因造成的。軟測量算法模型發(fā)展成熟之后，對于算法的實時校核動態(tài)調(diào)整將成為研究的重點，這是一個工業(yè)過程演變的復雜過程，也是軟測量技術(shù)能夠真正投入運行，帶來實際經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。

5 結(jié)論

中國制造2025 對工業(yè)生產(chǎn)過程在創(chuàng)造力、質(zhì)量、品牌影響力等方面提出了更高的要求，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式必將需要向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型，軟測量技術(shù)作為一項正在逐步成熟的生產(chǎn)過程推斷技術(shù)，可以與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G 通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)等有機結(jié)合，融入到智慧化工業(yè)的理念中，將展現(xiàn)其更強的生命力。在應用中不斷發(fā)展完善，針對不同領(lǐng)域分支細化，軟測量技術(shù)有著廣闊的應用前景，先進的控制理論及方案應用的前提是軟測量技術(shù)的豐富和完善，最終形成與實際生產(chǎn)緊密結(jié)合的理論體系，在產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗、環(huán)境保護等方面綜合尋優(yōu)，推動工業(yè)生產(chǎn)方法轉(zhuǎn)型，為將來智慧工廠的組建和發(fā)展提供有力的支持。