用于化学工艺中的主动式干预的预测性系统和方法与流程

本发明一般涉及用于化学工艺(例如氧化性杀生物剂生成)中的预测性系统和方法。更具体地，如本文所公开的本发明的实施方式涉及经由数据分析预见性地警告用户或者在化学工艺中实施自动干预的系统和方法。

背景技术：

1、化学品进料滑道(skid)由本领域技术人员常规地实施成用以将化学品可靠且一致地定量给料到各种类型的工业工艺应用中。由化学品进料滑道生成的氧化性杀生物剂溶液的一个示例性但非限制性实例为一氯胺(mca)。作为常规氯化法的替代形式，mca实施成用于控制跨多个行业的微生物生长，所述行业包括例如纸浆和造纸工业、食品和饮料加工、水处理和工业废物处理设施等等。一氯胺比游离氯稳定得多，不会如此迅速消散，并且使有机材料转化成氯烃(如氯仿和四氯化碳)的倾向低得多。一氯胺也不会蒸发到环境中，而是在溶解于水溶液中时保留在溶液中，并且不会电离形成弱酸。该特性至少部分地是造成一氯胺在宽ph范围内杀生物效果的原因。

2、用于产生一氯胺的常规方法的一个实例包括使用一氯胺发生器以特定比率混合氧化剂(例如次氯酸钠溶液)、胺源(例如含氨物质的混合物)和水。用于生成一氯胺的氯源可优选地为浓度范围通常在10至16％之间(以氯计)的工业漂白剂(次氯酸钠)的溶液。

3、目前，这种性质的化学品进料滑道易于在系统基础设施的内部形成矿物污垢，包括管道、混合器、阀、仪器以及暴露于化学成分的高碱性条件下的其它装置。为了对抗这一现象，许多应用在系统上游使用软化剂来移除水硬度，或者在线进料阻垢剂(anti-scalant)产品以降低污垢粘附的能力。然而，随着时间推移，大多数单元必须进行酸洗(acid clean)以移除系统内部积累的污垢。对于使用软化剂的系统，所述软化剂必须通过例如用盐再填充来手动维持。

4、系统的结垢可典型地导致效率降低、容量降低、仪器错误读取、混合能力降低、和/或机械组件故障。总体影响范围可从最终工艺(end process)的无效生物处理到系统故障。

5、常规的系统缺乏使用直接和自动测量的系统参数来确定酸洗需求的在线方法，该系统参数然后将触发自动化清洗程序。从这些系统中检测和移除污垢的当前方法主要是基于系统的人工目检，随后手动实施就地清洗(clean-in-place)(cip)程序。

6、常规实践与许多不期望的局限性相关联。例如，可能太过频繁地执行设备的人工检测，这导致不必要的检测以及相应的时间(即，现场访视、机械拆卸等)和精力的浪费。替代地，如果检测进行地过于不频繁，则这可导致污垢形成未检查到。上游条件(例如，软化剂)的人工检测也典型地导致不必要的检测，浪费时间(现场访视)和精力，或者检测过于不频繁，导致软化剂性能降低，且设备的结垢速率(scaling rate,结垢率)增加。

7、用于直接测量污染(例如，污垢)的在线传感器是潜在可用的，但是特别昂贵，难以维护，并且就结果而言并不可靠。

8、实行传感器以测量软化剂功能的常规方法具有许多相同的局限性：它们昂贵，和/或需要人工测试(不是在线的)。

9、因此，希望提供能够直接测量一个或多个工艺变量的一系列在线传感器，从其中可间接地确定化学品进料滑道的污染状态，由此通过以适当的间隔(不过于频繁，这花费金钱，并且不过于不频繁，这可降低效率并引起操作问题)进行清洗来优化单元性能。

10、进一步期望基于所确定的化学品进料滑道的污染状态(例如，基于作为自动触发器的污染事件)来提供反馈信号，以执行自动化清洗功能或者上游特征的调节，由此降低由于优化上游内容物(例如，软化剂)操作而发生污染(例如，结垢)事件的可能性。

11、本领域技术人员可进一步理解，氧化性杀生物剂(如一氯胺)的生成取决于两种或更多种化学前体的化学计量比的精确控制，其中至少一种化学前体含有易于随时间、温度、暴露于阳光、暴露于污染物或其它方面而分解的卤化材料。适当维持两种前体的化学计量比对于生成预期的氧化性杀生物剂溶液是至关重要的。

12、直接测量卤化材料的浓度的常规设备非常昂贵、不精确、不可靠、易于漂移、易于结垢，和/或需要惯常维护和服务。因此，最终用户惯常地手动采取卤化前体的样品来测量其浓度，以便手动地调节前体泵送率的体积比。这种手动解决方案是不期望的，因为它导致不必要的服务访问(service visit)、时间，以及工作量。其还可导致对卤化材料浓度的恶化(degradation)或其它有意义的变化的响应太过缓慢，其中生成氧化性杀生物剂溶液的效率降低，使得其作为微生物控制剂的效果受损。前体内含有的活性成分的化学计量比的扰乱可导致预期的杀生物剂生成效率显著减小，以及不安全/危险材料的生成。

13、一般而言，还希望提供包括或者实施基于一个或多个控制参数的测量的模型/算法的系统和方法。这样的系统和方法可直接解决本领域中的问题，包括：缺乏对进水水质可变性及其对所述一个或多个控制参数的测量的效应的可计量性(accountability)；缺乏影响一个或多个所测量控制参数的响应的上游工艺条件的测量，如一种或多种化学前体的预稀释的品质的测量、周围环境条件、考虑改变进水/前体品质的上游设备的存在等等；以及缺乏对不同前体供应商/制造商在品质、纯度等等方面的可变性的可计量性。

14、许多工业和应用中的又一个当前问题是不能优化氧化性杀生物剂定量给料方案。用于实时测量工艺中氧化性杀生物剂的量的现存的技术(包括但不限于基于试剂的和电流型卤素传感器，以及氧化/还原电位(orp)传感器)通常不可靠，需要恒定的清洗和校准，并且易于结垢，且离子特异性不足以在困难的水基质中工作。因此，使用传感器来测量相关工艺变量并将氧化性杀生物剂进料控制到设定点的当前“闭环”技术通常导致化学品的进料不足或进料过量。

15、化学品的进料不足可导致工艺异常(process upset)，包括设备(热交换器、冷却塔、冷却器等)效率降低，负面影响所生产的最终产品(面巾纸、纸张、衬板、液体包装等)的品质参数，并且导致致病性微生物剂的爆发，这能够引起可能暴露的生物的疾患。

16、化学成分的进料过量可导致工艺设备和组件经由长期腐蚀而损坏，这可能会引起系统破损和总体不可靠性/效率降低。添加太多的杀生物剂还可能导致由该工艺释放的蒸气所致的工人暴露，从而导致流泪(lachrymation,流涎)或其它健康问题。进料过量还可导致最终用户的成本较高，以及对废水处理和/或排放限制的更大潜在影响。

技术实现思路

1、鉴于前述问题和目标中的一些或全部，期望用先进的分析技术以及工艺/应用的在线和离线关键性能量度来补充传统的控制方法，以开发出特定于应用的模型，例如，调节氧化性杀生物剂的剂量以及识别可执行的建议(包括但不限于进料过量和进料不足情况)以警告最终用户。另外，根据本公开内容的预测模型可被部署成自动调节或者使得能够调节进料设备，使得例如杀生物剂的剂量被优化为最小化微生物污染而没有过量进料。

2、如本文所公开的系统可优选地经由板载用户界面、移动计算装置、基于网络(web-based)的界面等来实施可访问的可视化图形、警报、通知等等，以藉由与相关联的工艺有关的可执行建议补充任何自动化能力。

3、用于预测模型开发的示例性技术可包括监督和无监督学习、硬聚类和软聚类、分类、预测等等。

4、可根据本公开内容实施各种传感器，用于实时了解包含在应用或工艺内的氧化性杀生物剂的量。示例性的这样的传感器可包括但不限于被配置成生成对应于ph值、氧化还原电位(orp)、氯、一氯胺等等的输出信号的传感器。可根据本公开内容进一步或可替代地实施各种传感器，用于实时了解可影响微生物污染物以高速率繁殖的能力的参数。示例性的这样的传感器可包括但不限于被配置成生成对应于温度、流量、电导率、ph、orp等等的值的输出信号的传感器。

5、手动生成或其它方式的离线测量可进一步引入本公开内容的范围内，用于确定包含在应用或工艺内的氧化性杀生物剂的量，和/或可影响微生物污染物以高速率繁殖的能力和/或包含在应用或工艺内的微生物污染物的量的系统参数。

6、如本文所公开的系统、方法和相关联的算法的一个示例性目的可为实施传感器和在线数据的新型组合以实时了解工业工艺的关键性能量度，通过优化所述数据，可导致操作性和性能的改善。

7、如本文所公开的系统、方法和相关联的算法的另一个示例性目的可为提供先进的分析技术，以开发出用于特定应用或工艺的可规模化且可靠的控制算法来调节和控制如上所述的氧化性杀生物剂进料，从而防止所述氧化性杀生物剂的进料过量和进料不足。

8、如本文所公开的系统、方法和相关联的算法的另一个示例性目的可为将定制的算法部署到边缘装置，该边缘装置能够基本上实时地控制和调节氧化性杀生物剂进料以满足如上所述的目的。

9、如本文所公开的系统、方法和相关联的算法的另一个示例性目的可为将更新系统配置从远程位置部署到边缘装置，该边缘装置能够基本上实时地控制和调节氧化性杀生物剂进料以满足如上所述的目的。

10、本文公开了用于化学品进料单元的定量给料优化的方法的具体实施方式，该化学品进料单元接收至少一个输入水源并产生至少一个输出溶液。多个在线传感器生成对应于针对相应的工艺组件直接测量的变量的信号，并且对应于针对相应的组件中的每一者的直接测量的变量的数据被传输到远程服务器。从模型中选择性地检索(retrieve,取回)信息，该模型将输入变量的组合与化学品进料单元、输出溶液以及至少一个输入水源的至少一者中的相应工艺状态相关联。响应于对应于针对相应的系统组件直接测量的变量的实时数据，该方法进一步包括间接地确定化学品进料单元、输出溶液以及至少一个输入水源的至少一者中的工艺状态，并且基于间接确定的工艺状态，自动生成对应于检测到的干预事件的输出反馈信号。

11、在以上所提及的实施方式的一个示例性方面，来自化学品进料单元的输出溶液包含氧化性杀生物剂，例如一氯胺。

12、在以上所提及的实施方式的另一示例性方面，间接确定的工艺状态可包含对应于存在的氧化性杀生物剂的量的最终产品品质和/或性能量度，并且可生成输出反馈信号以调节氧化性杀生物剂的至少一个剂量率。

13、在以上所提及的实施方式的另一个示例性方面，通过在线传感器针对相应的化学品进料单元组件直接测量的变量可包含对应于以下中的一者或多者的测量的变量：稀次氯酸盐的ph值；一氯胺混合物的ph值；氧化还原电位；以及进水电导率。

14、在以上所提及的实施方式的另一个示例性方面，模型中的至少一个将输入变量的组合与化学品进料单元的至少一部分中的污染物的预测聚集相关联。间接确定的工艺状态包含化学品进料单元的至少一部分的间接确定的污染状态，并且输出反馈信号对应于基于间接确定的污染状态的检测到的污染事件。例如，可基于关于间接确定的污染状态的阈值违反(threshold violation)来检测污染事件。

15、在以上所提及的实施方式的另一个示例性方面，化学品进料单元的至少一部分的污染状态是进一步基于相应的化学品进料单元组件的衍生变量而间接确定的，该衍生变量基于由在线传感器直接测量的变量中的一种或多种，衍生变量对应于以下中的一者或多者：次氯酸盐稀释率；随时间推移通过化学品进料单元的次氯酸盐体积；以及随时间推移通过化学品进料单元的水体积。

16、在以上所提及的实施方式的另一个示例性方面，模型中的至少一个将输入变量的组合与用于生成输出溶液的两种或更多种化学前体之间的预测真实比率相关联，间接确定的工艺状态包含针对两种或更多种化学前体中的至少一种间接确定的活性成分状态，并且输出反馈信号对应于基于间接确定的活性成分状态的检测到的干预事件。干预事件可例如基于关于针对两种或更多种化学前体中的至少一种间接确定的活性成分状态的阈值违反进行检测。

17、在以上所提及的实施方式的另一个示例性方面，两种或更多种化学前体中的至少一种的活性成分状态是进一步基于由在线传感器直接测量的变量中的一种或多种由衍生变量间接确定的。

18、在以上所提及的实施方式的另一个示例性方面，响应于间接确定的活性成分状态，提供输出反馈信号，以动态调节至少一种化学前体的组成。可例如基于关于间接确定的活性成分状态的非阈值违反(non-threshold violation)来预测干预事件。

19、可理解，以上所提及的方面中的各个方面可关于以上所提及的实施方式单独地或以其它方式组合地提供。

20、在另一个实施方式中，本文公开了用于在化学品进料单元中进行定量给料优化的系统，该化学品进料单元接收至少一个输入水源且产生至少一个输出溶液。该系统可包括多个在线传感器、一个或多个通信装置，该通信装置功能性地链接到多个在线传感器并且被配置成经由通信网络向远程服务器生成消息，其中所生成的消息包含对应于针对相应组件中的每者的直接测量的变量的数据，远程服务器包含或者功能性地链接到数据存储器并且另外可进一步配置成指导根据以上所提及的方法实施方式和以上所提及的方面中的任一者或多者的步骤的执行，该数据存储器还包含模型，该模型将输入变量的组合与化学品进料单元、输出溶液以及至少一个输入水源的至少一者中的相应工艺状态相关联。

21、在结合附图阅读以下公开内容时，本文所阐述的实施方式的许多目的、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。