主题：【原创】化工过程控制的实践 -- 润树
家园 【原创】故事（四） 1994年9月，在我来美国6年整时，终于有了第一次的回国之行。我的第一站是北京，参加由中石油主办，中石化和休斯敦华人石油协会协办的科技研讨会。是时我刚从原来工作的C公司转到B公司，C公司的老板P先生知道我要去北京，希望与我同行，去会见那里的一个潜在客户。趁此机会，我想把DCI优化技术和产品介绍给他，于是把这个想法告诉了在上海的王建。王建说正好他们在北京燕山炼油厂做了一个DCI的应用项目，他很乐意到北京来带我们去实地看一看。
在会议开始的前一天晚上，中石油的总裁盛华仁先生在长城饭店设宴招待中美全体与会代表，席开数十桌，规格据说是每人400元，是我迄今为止所见最为豪华的宴会。进入宴会大厅，前面站着一排礼仪小姐，大多来自欧美各国。有些代表感到很惊奇，纷纷上前与她们合影。后来看到，这些人都是为前面的主席桌服务的，其它各桌则分别由一个中国小姐服务。总共有十几道菜，做得很精致，都是分盘送到每个人面前。宴会快结束时，大家都到处走动找认识的人和前面主席桌的人碰杯。我领着P先生上前与盛华仁碰杯合影，他们简单交谈了几句，希望今后能够相互合作云云，乃场面上的客套话。
王建晚一天才来。第二天他带我们去看了燕山炼油厂脱蜡装置的DCI优化系统，可惜当天该装置在维修，我们未能看到该系统的在线运作。中午，该厂的接待处负责人在厂招待所设席款待我们，另有数人作陪。席间，谈到前两天晚上的宴会，我说与在美国的宴会比较起来，400元还是很值的。该负责人不知是听我说出400元的数目贬低了他招待所的价值，还是真心疼钱，就说，400元可是一个普通人几个月的伙食费。我听了很有些羞愧难当，因为我自己也是从艰苦生活中过来的。
此行虽未导致王建和C公司之间的技术合作，我和王建的联系却因此而频繁起来，包括在他去英国做访问学者的那一年。王建从英国回国后，就从学校出来自己干，为石化工业做DCI优化应用服务。过了两年，他希望我能帮助他把DCI技术推广到美国来，于是我们考虑在美国注册成立一个公司。由于我不能下决心放弃现有的工作以及其它一些原因，包括王建来美的签证等问题，最后我们的梦想未能实现。1999年，王建在北京中关村的科学园区成立了自己的公司，就是现在的优化佳控制有限公司。目前该公司已走上良好的发展之路，我衷心祝愿王建和他的公司取得更大的成功。
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没办法，喜欢看花边
- 复 敢情
家园 那就再加一点花边 我们动身去北京前，中国驻休斯敦总领馆也设宴招待了全体赴会代表。我通知了P先生，可是他搞错了时间，晚几天才去，结果不得其门而入。还好他家离领事馆也不远。
这是我在北京见到他时他告诉我的，我只能连声说抱歉，他倒并不很介意，而且也难说是谁的错。到了北京，自然要去登长城。我早去过的，但总得让P先先生也了个心愿，做一回好汉。我约好了过去的一个学生做向导，临出发前，P先生来北京会见的公司又派了一位漂亮的女员工L来作陪，这样我们就是四人同行，打一辆出租车正好满座。
这L女士是我的四川老乡，北京二外毕业的，专业是法语，英语也不差。但我们三位国人坐在后排，一路都是说母语。P先生坐在前面自然插不上话，大概有点郁闷，不过到底看风景前面要方便一些。
风景看久了，P先生就发议论了，说靠近八达岭长城的那些山可能是怎么怎么形成的，至少有多少年历史云云。我们对地质学一窍不通，只能佩服他知识渊博。知识丰富对登长城却没多大帮助。当我们几个按年轻人的正常速度爬到近一半时，才发觉P先生不见了。L女士赶快回去找，过了好大会儿才见她扶着P先生走上来。到了我们跟前，P先生一屁股坐下来，脸色煞白，然后就呕吐起来，L女士赶快给他递手帕。P先生感觉很难堪，忙说可能是早餐吃的东西不适。至此我才意识到，P先生到底是年过半百的人，平时在美国路都没有走多少，更何谓登山。我们也无心再继续往上走，让P先生歇息了一会儿，就往下走了。下山其实更难，小腿会打颤，因此P先生一路都是由L女士搀扶，我看了很感动。回到旅馆不久，L女士的公司又差她给P先生送来一瓶酒，说是对他的身体不适表示慰问。但我想P先生一定不愿更多的人知道此事。顺便说一下，P先生是犹太人。他后来对我说，我的那位学生是他平生见过的最漂亮的女子。我转告了她，她说老外的眼睛很怪。但实话说，她确实又漂亮又优雅。在那之前好几年，我曾经把她介绍给我的一位朋友，他也因此在研究生毕业后分到了北京，在清华大学的一个研究所工作。可惜他们后来没成，这个故事留待今后再写吧。
我在离开北京的前一天晚上约L女士出来吃饭。我们坐在长城饭店靠近顶楼一层的餐馆，临窗看着下面街上的汽车穿流不息，别有一翻情趣。L女士说她很快就要去法国，与那里的男朋友相聚。她到法国后我们还通过几次信，不久她说男朋友与她分手了。她后来又有了新的男朋友，自己也开始在巴黎的一个旅行社做事。再后来她给我打过一次电话，说自己结婚了，并希望我能向她在美国留学的弟弟介绍一些找工作的经验。我要她让她的弟弟给我联系，可是后来一直没有他的消息。再后来，我和L女士也失去了联系。
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家园 【原创】4.1 Aspen Tech的静态优化软件 Aspen 的实时优化（real time optimization, RTO）是用模型法来作过程静态优化的代表。它是在其原有静态仿真软件Aspen Plus的平台上，加入参数估计（parameter estimation），数据重整（data reconciliation），优化（optimization）这些功能而构成的一个循环计算系统。这个系统通过在线接口与实时控制系统连接，读入过程变量，经过前述循环计算后，将优化变量值输出到实时控制系统，达到过程静态优化的目的。
那么为什么一个优化系统需要有这么一个循环计算过程呢？我们首先对一个优化系统中的变量进行分类，然后解释各计算功能的作用以及这些计算是如何实现的。
一个过程优化系统有过程输入X，操作条件O，模型参数U，以及输出Y和Z四大类变量。我们以前讲到的静态仿真，它所有的模型（数学表达）都是建立在“封闭形式”（closed form）基础上的，即在给定X，O，和U的条件下来计算Y和Z：
Y = f（X，O，U）
Z = f（X，O，U）
这种结构的模型，是通过“程序模块式流程”（sequential modular flowsheeting）的计算方法来求解方程的，必须满足下列收敛指标：
1． 过程设备和产品的设计指标
2． 外循环回路
3． 内循环回路
4． 物性
要对一个过程进行优化，显然不能将输入和操作条件固定起来（它们中的一些变量将被选择为优化变量），因此上述仿真的求解模式是不适合的。这就产生了过程模型的“开放形式”（open form）的数学表达，既
0 = Y - f（X，O，U）
0 = Z - f（X，O，U）
在这组方程中，变量可以是固定的，自由的，和有自由度的，而它们各自状态的选择，取决于下列优化过程中的循环计算模式：
模式 X O U Y Z
仿真 固定 固定 固定 自由 自由
参数整定 固定 固定 自由 固定 固定
优化 自由度 自由度 固定 固定 固定
简单地说，仿真是在输入和参数都固定的前提下来计算输出；参数整定是在给定输入和输出的条件下来找到适合的模型参数（对模型进行校正）；优化是在给定参数和满足输出要求的情况下来寻找能使目标函数最大/最小化的输入。优化循环计算的第四个模式是数据重整（data reconciliation），即根据过程的测量值，来对模型的参数进行优化，使模型计算值与过程测量值之间的误差最小。典型的模型参数有精馏塔的塔板效率，热交换器的热交换系数，化学反应器中催化剂的活性系数等。
求解开放形方程的方法是方程取向型（equation oriented, EO）的流程计算法，它的特点是，每一个单元操作都是由开放型的模型来描述的，一些连接方程把这些模型串联起来，然后由一个全局求解器同时趋动所有变量，来寻找使开放方程的残差趋于零的变量值。此种方法可很好的处理那些具有复杂的循环和热量综合利用的过程，其精确的微分解析值能加快找到答案，适用于大型过程，优化求解与仿真求解费时相当，整体效果好。Aspen将这个求解器命名为循序二次规划（successive quadratic programming, SQP）。
从理论上说，RTO可以直接与DCS接口而独立运行，但实践中，从约束条件和系统稳定的角度出发，它一般都是和MPC系统共同操作。因为MPC本身也有优化功能，我们需要对它们作一个比较，如下所示：
MPC的特点 RTO的特点
系统介于DCS和RTO之间 系统介于MPC和工厂计划系统之间
从工厂测试获得线性经验模型 从第一原理建立机理模型
高频优化计算和实现，以分钟计 低频优化运算和实现，以小时计
小范围局部近似优化 大范围全局精确优化
经济指标不经常更新 源于产品价格变化等因素，经济指标经常更新
这里对优化实现频率的问题要作一个说明。RTO之所以计算频率低，除了计算量大难以收敛外，更主要的原因在于，过程在接受新的优化变量值后，需要相当的时间才能到达新的平衡态。而RTO必须在系统到达平衡态以后，才能进行下一次的优化计算，否则，可能将过程导入偏离优化点的状态。
RTO项目费时很长，一个并不非常复杂的化工过程可能都要一年以上才能完成。主要的工作是在建模上。Aspen Plus虽然提供现成的单元操作模型，但很多化学反应的模型常常只有该产品的生产厂家才有。这些模型都是在过去长期实验的基础上建立起来的，大多是用很老的计算机语言写成的。要把这些程序转换到Aspen Plus中需要做大量工作。这一方面我们以前在过程仿真的章节里作个一些介绍，这里不详述。
在前述的所有工作都完成以后，即可将系统投入运行。此后的工作将依赖于工厂的技术人员对系统进行维护。实践证明，这是一项非常严峻的任务。由于系统在运行中需要在过程静态的判断，参数的整定，数据的重整，优化等几种模式之间转换，任何一环出现问题都将使系统不能正常运行，因此使用者必须对系统的内部各个环节有深入的理解，才能有效利用该软件提供的在线监测功能，及时解决可能现的问题，保证系统处于高效运行的状态。
