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市場前線|全廠擾動源追溯技術的研究與創新應用
作者
李宜馨、鄭儀誠
刊登日期:2025/03/31
摘要
全廠擾動(plant-wide disturbances)是工業製程中的常見問題,可能導致效能降低、產品品質下降及能源消耗增加,甚至中斷生產。快速檢測與診斷擾動源以進行維護至關重要。雖然現有擾動源追溯技術具一定準確性,但因方法限制,難以應對複雜工廠環境,且在實際應用中缺乏整合性。本研究提出結合多種擾動根源拓樸演算法的架構,先對問題迴路群應用多種方法生成拓樸資訊,再透過馬可夫鏈資訊融合技術整合結果,生成更準確的整體拓樸資訊,提升追溯可靠度與準確度。本方法能高效定位擾動源,為工廠穩定運行及效能優化提供高效且實用的解決方案。
Abstract
Plant-wide disturbances are common challenges in industrial processes, often leading to decreased efficiency, reduced product quality, increased energy consumption, and even production interruptions. Rapid detection and diagnosis of disturbance sources are essential for effective maintenance. Although existing disturbance tracing techniques achieve a certain level of accuracy, they face limitations in handling the complexity of industrial environments and often lack integration in practical applications. This study proposes a framework that integrates multiple disturbance root cause topology algorithms. Initially, various methods are applied to generate topology information for problematic loop groups. Subsequently, Markov chain-based information fusion techniques are employed to combine the results into a more accurate and comprehensive overall topology structure. This approach significantly enhances the reliability and accuracy of disturbance tracing, enabling efficient localization of disturbance sources. The proposed method offers a practical and effective solution to ensure operational stability and improve efficiency in industrial plants.
前言
現代工業自動化系統中,分散式控制系統(Distributed Control System, DCS)作為核心架構,廣泛應用於化工和石化等產業。控制迴路在這些系統中扮演著關鍵角色,負責維持製程參數(如溫度與壓力)的穩定,確保生產安全與效率。然而,隨著工廠規模擴大,控制迴路數量可達數百甚至上千,形成複雜的網路結構,其調校與維護需要投入大量專業人力,多數工廠僅能採用被動維護方式,難以即時優化迴路性能,對製程效能造成不利影響。
根據 Honeywell 的研究,約 50% 的控制迴路性能不佳,其中流量控制迴路中 30% 存在閥件黏滯現象,16% 存在震盪問題。這些問題可能透過控制訊號或物質回授進一步影響相鄰迴路,甚至引發全廠範圍的連鎖擾動,導致效率降低、能源消耗增加,甚至生產中斷。傳統的人工診斷方法耗時且依賴專業知識,無法滿足現代工廠對快速、高效維護的需求。
為此,本研究開發了一套「擾動源偵測與排除」技術,結合多種演算法的拓樸資訊分析,構建高效可靠的擾動追溯架構,可快速定位震盪根源,協助工廠提升穩定性。同時,研究成果已整合至控制迴路專家軟體,成為其核心功能模組,為現場工程師提供即時診斷工具,透過高效數據處理與視覺化分析,縮短擾動追溯時間,進一步提升全廠控制系統的運行效率。這一軟體化應用為理論技術向實際解決方案的轉化提供了有效支撐。
擾動源追溯架構
針對擾動源追溯,雖然學術界已提出多種演算法,並證實其具備一定準確性,但各方法在應用上各有局限,難以全面適用。為此,本研究構建了一套綜合性擾動源追溯架構,整合多種演算法,通過清晰的分析流程結合不同方法生成的拓樸資訊,提升結果的可靠性與準確性。該架構系統化處理控制迴路的震盪特徵,能快速篩選問題迴路並定位可能的擾動根源。整體流程如圖1所示,包括以下四個步驟:
- 找出問題迴路群
通過分析控制迴路的震盪頻率,將具有相似特徵的迴路分群,縮小問題範圍。
- 建立單一方法的拓樸資訊
使用單一演算法分析問題迴路群,生成擾動根源的拓樸結構,初步定位可能的問題區域。
- 融合多方法拓樸資訊
結合不同方法的分析結果,通過資訊融合生成新的整體拓樸資訊,提升擾動根源判斷的準確性。
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2025年04月號
(單篇費用:參考材化所定價)