孫自強   陳詩(shī)淮

1  引言

    連續催化是石油加工過(guò)程中重要的二次加工方法，能生產(chǎn)高辛烷值汽油、芳烴和氫氣，在煉油廠(chǎng)占有重要的地位。在催化劑再生過(guò)程中，再生器燃燒區入口氧含量是一個(gè)重要的被控變量。較高的氧含量會(huì )導致較高的燃燒溫度，造成催化劑損失；較低的氧含量會(huì )造成焦碳燃燒較慢，使催化劑不能在燃燒區完全燃燒?，F有的再生器氧含量測量辦法是利用一種特殊的進(jìn)口氧氣分析儀，它基于氧化鋯測量原理工作。但是由于測量環(huán)境和采樣點(diǎn)條件惡劣，設備工作不很穩定，設備本身也極易腐蝕損壞；同時(shí)，由于該分析儀是進(jìn)口產(chǎn)品，除了儀表價(jià)格高外，采購周期也過(guò)長(cháng)，這樣就很難確保催化劑再生過(guò)程長(cháng)周期地平穩生產(chǎn)。一旦停止對再生器氧含量的測量，就會(huì )直接影響再生器燃燒區溫度的控制，從而影響整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程[1]。本文提出一種重整再生器氧含量軟測量系統，實(shí)現對再生器氧含量的軟測量。

2  基于遺傳算法的T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )建立再生器氧含量模型

    首先運用遺傳算法優(yōu)化T-S網(wǎng)絡(luò )參數，分為以下幾個(gè)步驟[2]：① 染色體編碼；② 指定適應度函數；③ 遺傳算子的制定；④ 染色體的初始化；⑤ 參數設定，設定諸如染色體數量、染色體長(cháng)度、交叉概率、突變概率、終止條件等參數；⑥ 由遺傳算法按復制、交叉、變異三種操作尋找最佳串；⑦ 根據最佳串Smp給出實(shí)際問(wèn)題的最優(yōu)解。

    通過(guò)對工藝進(jìn)行分析處理，確定出建立氧含量軟測量模型所需的15個(gè)輔助變量，從現場(chǎng)生產(chǎn)記錄中，選取了200組用于建模訓練，另外選取100組用于驗證模型。先對建模數據通過(guò)PLS進(jìn)行分析，根據總的方差貢獻率的大小，選擇5個(gè)主元變量作為模型的輸入。另外再選擇輸出變量滯后一拍反饋回輸入層作為一個(gè)輸入變量，因此模型共有6個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量。

    每一個(gè)輸入變量被分成2個(gè)模糊集合，隸屬函數采用廣義鐘形隸屬函數，其形式如下：

    它有三個(gè)參數a、b、c，其中參數b為正值，參數c用于確定曲線(xiàn)的中心。

    T-S模型有6個(gè)輸入變量，所以共有26=64條模糊規則，模糊規則具有如下的形式：IF ^x₁(k-1)  IS M₁ⁱ  AND ^x₂(k-1)  IS M₂^i... AND^x₅(k-1) IS M₅ⁱ AND _yⁱ(k-1) IS M₆ⁱ THEN _yⁱ(k)=p₀ⁱ+p₁ⁱx₁(k-1)+...+p₅ⁱx₅(k-1)+p₆ⁱyⁱ(k-1)(i=1,2,...,64)

    其中M_jⁱ    為模糊集合， n為模糊集合的個(gè)數， l為模糊規則數。 yi(k)為第i條模糊規則的輸出。

    每一條規則有七個(gè)后件參數，總共有7?4=448個(gè)參數。

    采用基于遺傳算法的T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )（GA_T-S）方法建立模型[3]。每個(gè)輸入變量的模糊分檔數T1取2。訓練及檢驗結果見(jiàn)圖1與圖2，擬合誤差（RMSE）為0.00097，檢驗誤差（RMSE）為0.0021，可見(jiàn)模型訓練精度和檢驗精度都很高。

圖1  氧含量模型訓練結果（GA_ T-S）

圖2  氧含量模型檢驗結果（GA_ T-S）

3  DCS的組建

3.1系統硬件

    連續重整裝置采用的DCS是美國Honeywell公司的TPS（Total Plant Solution，全廠(chǎng)一體化）系統。由于連續重整裝置是與汽柴油加氫精制裝置一起并為聯(lián)合裝置的，所以該DCS其實(shí)是整個(gè)聯(lián)合裝置的計算機控制系統，如圖3所示。其中HPM完成對現場(chǎng)工藝過(guò)程信號的輸入/輸出以及部分控制功能；UCN作為最低層的控制網(wǎng)絡(luò )；NIM對現場(chǎng)工藝過(guò)程的控制以及完成對最低層網(wǎng)絡(luò )模塊的管理；LCN作為上層管理和監視網(wǎng)絡(luò )；HM作為整個(gè)DCS的“硬盤(pán)”。

    LCN網(wǎng)是TPS系統的主干網(wǎng)，在LCN網(wǎng)上掛有不同功能的LCN網(wǎng)絡(luò )模件。位于中央控制室的5臺GUS作為連續重整裝置操作站。位于遠程控制室的2臺GUS作為工程師站，其中一臺工程師站用于先控數據采集與傳輸。遠程控制室與中央控制室之間的LCN和以太網(wǎng)靠光纜連接，LCN與UCN均為冗余配置。其中LCN通信協(xié)議符合IEEE制定的IEEE802.4開(kāi)放系統互連模型標準總線(xiàn)拓撲結構，廣播式通信方式，令牌存取通信控制，串行傳輸信號速率為5Mbps。

圖3  連續重整-加氫精制聯(lián)合裝置DCS系統結構圖

    DCS數據采集是在工程師站（GUS）上實(shí)現的。DCS系統程序采用Display Builder（一種類(lèi)似于VB的語(yǔ)言）編寫(xiě)的，主要分為三個(gè)部分：
   (1)GUS與LCN之間的數據雙向傳送
    LCN上的數據每隔1分鐘被采集到GUS上一次，并集中通過(guò)以太網(wǎng)傳送到上位機上，同時(shí)，上位機的數據也通過(guò)以太網(wǎng)傳送到GUS上，通過(guò)GUS送到LCN。

   (2)數據的處理
    為了提高數據傳送的效率和方便系統管理，數據按照不同的需要分成若干個(gè)分組，分別進(jìn)行采集處理和傳送。過(guò)程參數的狀態(tài)首先被采集，數據處理模塊進(jìn)行檢測，發(fā)現狀態(tài)錯誤，就不采集相應過(guò)程點(diǎn)的參數；同時(shí)，狀態(tài)信息通過(guò)數據傳送模塊送到數據文件，軟測量程序就會(huì )采取相應的措施。此外，時(shí)間參數經(jīng)過(guò)轉換后也送到上位機，軟測量程序會(huì )根據時(shí)間是否更新，判斷數據傳送是否正常，從而采取相應對策。

   (3)界面顯示
    本文研制的軟測量和優(yōu)化系統單獨安排在一臺專(zhuān)用計算機上，作為DCS的上位機掛接在網(wǎng)絡(luò )上。各模塊運行的狀態(tài)等信息通過(guò)界面顯示出來(lái)，便于觀(guān)察程序的運行狀態(tài)。

3.2系統軟件

   (1)氧含量軟測量程序框架
    軟測量程序用Visual Basic 6.0編寫(xiě)；人機操作界面用組態(tài)王Kingview6.0編寫(xiě)[4]；現場(chǎng)采樣工藝數據由DCS采集后通過(guò)企業(yè)內部網(wǎng)絡(luò )送到本系統所在的上位機；軟測量程序每2分鐘定時(shí)讀取一次采樣數據；軟測量程序與操作界面程序通過(guò)DDE連接。

    軟測量過(guò)程是連續進(jìn)行的。為此選用了一個(gè)定時(shí)器控件Timer，設定時(shí)間為2分鐘，與DCS傳送過(guò)來(lái)采樣數據時(shí)間間隔一致。在這2分種時(shí)間里，要完成讀數據和軟測量計算等所有工作。當設定時(shí)間到時(shí)，進(jìn)入新的定時(shí)階段，重復前面的工作，這樣一直循環(huán)下去。

   (2)人機操作界面
    ①工藝流程顯示
    如圖4所示是軟測量操作運行界面圖，上面有再生工藝過(guò)程簡(jiǎn)圖，實(shí)時(shí)顯示與氧含量軟測量相關(guān)的工藝變量的位號與數值以及棒狀圖、閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、閥門(mén)開(kāi)度及故障信息等，并且將氧含量的軟測量值與在線(xiàn)氧分析儀的輸出信號放在一起顯示。

圖4  軟測量操作運行界面

    ②實(shí)時(shí)趨勢
    實(shí)時(shí)趨勢畫(huà)面上將當前采樣信息以實(shí)時(shí)記錄曲線(xiàn)方式顯示出來(lái)，共有3幅實(shí)時(shí)趨勢畫(huà)面，分別記錄再生反應器9個(gè)溫度測量值以及在線(xiàn)氧分析儀輸出值、氧含量軟測量值。

    ③歷史趨勢
    歷史趨勢畫(huà)面也有3幅，分別記錄再生反應器9個(gè)溫度測量值、在線(xiàn)氧分析儀輸出值以及氧含量軟測量值在以前某一段時(shí)間內的數值，幫助操作者了解查詢(xún)被測變量的變化趨勢。

    ④報表
    報表畫(huà)面有兩幅，有實(shí)時(shí)數據報表和歷史數據報表。

    ⑤報警記錄
    報警記錄畫(huà)面可以實(shí)時(shí)顯示9個(gè)溫度量，3個(gè)流量，氧含量及結焦量的報警情況。

    ⑥DDE通信
    本人機界面是通過(guò)DDE和Visual Basic之間的動(dòng)態(tài)數據交換，從而實(shí)現同現場(chǎng)數據的通信和交互。當獲取采樣信息并在操作界面顯示時(shí)，組態(tài)王作為顧客程序向VB得到數據。當操作者通過(guò)操作界面向VB發(fā)送數據或命令，如向軟測量程序手動(dòng)輸入結焦含量時(shí)，組態(tài)王作為服務(wù)程序向VB提供數據。

    具體實(shí)現時(shí)，如果組態(tài)王向VB提供數據，則在VB窗口放上文本框或標簽等，并且設置LinkTopic、LinkItem、LinkMode三個(gè)屬性。

    Control. LinkTopic=服務(wù)器程序名|主題名 

    Control. LinkItem=項目名

    Control. LinkMode=1

    其中Control是文本框或標簽名字，Control. LinkMode選“1”表示熱連接。

    如果組態(tài)王從VB得到數據，則需要在組態(tài)王定義變量時(shí)說(shuō)明服務(wù)器程序的三個(gè)標識名，即：應用程序名設為VB可執行程序的名字；話(huà)題名設為VB中窗體的LinkTopic屬性；項目名設為VB控件的名字。

4  實(shí)施效果

    現場(chǎng)原先使用的氧化鋯氧氣分析儀是美國AMETEK公司專(zhuān)為UOP公司Cyclemax催化劑再生部分量身定制的氧氣分析儀，因此具有無(wú)可替代性，價(jià)值約為40多萬(wàn)人民幣。同時(shí)這臺儀表的測量元件是一種特制的（防氯腐蝕、抗高溫）、高精度元件，正常使用壽命為二年，備件價(jià)格約為3萬(wàn)多人民幣，維護成本也不低。

    進(jìn)行再生器氧含量軟測量模型開(kāi)發(fā)的目的是為了提高測量精度和減輕設備備件采購壓力，特別是在設備方面。自軟測量模型投用以來(lái)，軟測量值基本上與分析儀表測量值趨勢走向是一致的。另外，根據操作人員實(shí)際反應，對操作過(guò)程有指導意義；而且有時(shí)氧分析儀故障的時(shí)候，此軟測量系統即可起到參考作用，指導實(shí)際工藝操作，從而提升再生系統安全運行的可靠性。如果不對氧含量分析將造成操作失控，直接導致燒焦區氧含量損壞，損失人民幣140多萬(wàn)元。同時(shí)軟測量模型的投用對廠(chǎng)設備系統而言，無(wú)論是現場(chǎng)維護、還是計劃采購，都減輕了壓力。因此本系統投運后達到了預期效果。重整再生器氧含量軟測量系統經(jīng)現場(chǎng)應用已經(jīng)一年多，運行結果表明能夠完成再生器氧含量實(shí)時(shí)測量任務(wù)。本項目已經(jīng)通過(guò)上級部門(mén)組織的科技成果鑒定。

參考文獻：
[1]  CCR platformingTM process technology - general operating manual, UOP, 1996, 5.
[2]  文紹純, 羅飛. 基于遺傳算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的應用綜述[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2001, (6): 1-4.
[3]  羅榮富, 邵惠鶴. 軟測量方法及其工業(yè)應用[M]. 工業(yè)過(guò)程模型化與控制[M]. 上海交通大學(xué)出版社, 1994: 253-260.
[4]  組態(tài)王6.0使用手冊[Z]. 北京亞控科技發(fā)展有限公司, 2001.