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孫自強(qiáng)   陳詩淮

1  引言

    連續(xù)催化是石油加工過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，在煉油廠占有重要的地位。在催化劑再生過程中，再生器燃燒區(qū)入口氧含量是一個重要的被控變量。較高的氧含量會導(dǎo)致較高的燃燒溫度，造成催化劑損失；較低的氧含量會造成焦碳燃燒較慢，使催化劑不能在燃燒區(qū)完全燃燒。現(xiàn)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(shè)備工作不很穩(wěn)定，設(shè)備本身也極易腐蝕損壞；同時，由于該分析儀是進(jìn)口產(chǎn)品，除了儀表價格高外，采購周期也過長，這樣就很難確保催化劑再生過程長周期地平穩(wěn)生產(chǎn)。一旦停止對再生器氧含量的測量，就會直接影響再生器燃燒區(qū)溫度的控制，從而影響整個生產(chǎn)過程[1]。本文提出一種重整再生器氧含量軟測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)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(yùn)用遺傳算法優(yōu)化T-S網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，分為以下幾個步驟[2]：① 染色體編碼；② 指定適應(yīng)度函數(shù)；③ 遺傳算子的制定；④ 染色體的初始化；⑤ 參數(shù)設(shè)定，設(shè)定諸如染色體數(shù)量、染色體長度、交叉概率、突變概率、終止條件等參數(shù)；⑥ 由遺傳算法按復(fù)制、交叉、變異三種操作尋找最佳串；⑦ 根據(jù)最佳串Smp給出實(shí)際問題的最優(yōu)解。

    通過對工藝進(jìn)行分析處理，確定出建立氧含量軟測量模型所需的15個輔助變量，從現(xiàn)場生產(chǎn)記錄中，選取了200組用于建模訓(xùn)練，另外選取100組用于驗(yàn)證模型。先對建模數(shù)據(jù)通過PLS進(jìn)行分析，根據(jù)總的方差貢獻(xiàn)率的大小，選擇5個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輸入變量，因此模型共有6個輸入變量和一個輸出變量。

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

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

    T-S模型有6個輸入變量，所以共有26=64條模糊規(guī)則，模糊規(guī)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為模糊集合的個數(shù)， l為模糊規(guī)則數(shù)。 yi(k)為第i條模糊規(guī)則的輸出。

    每一條規(guī)則有七個后件參數(shù)，總共有7?4=448個參數(shù)。

    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]。每個輸入變量的模糊分檔數(shù)T1取2。訓(xùn)練及檢驗(yàn)結(jié)果見圖1與圖2，擬合誤差（RMSE）為0.00097，檢驗(yàn)誤差（RMSE）為0.0021，可見模型訓(xùn)練精度和檢驗(yàn)精度都很高。

圖1  氧含量模型訓(xùn)練結(jié)果（GA_ T-S）

圖2  氧含量模型檢驗(yàn)結(jié)果（GA_ T-S）

3  DCS的組建

3.1系統(tǒng)硬件

    連續(xù)重整裝置采用的DCS是美國Honeywell公司的TPS（Total Plant Solution，全廠一體化）系統(tǒng)。由于連續(xù)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)是整個聯(lián)合裝置的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如圖3所示。其中HPM完成對現(xiàn)場工藝過程信號的輸入/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(xiàn)場工藝過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(jiān)視網(wǎng)絡(luò)；HM作為整個DCS的“硬盤”。

    LCN網(wǎng)是TPS系統(tǒng)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(xù)重整裝置操作站。位于遠(yuǎn)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?cái)?shù)據(jù)采集與傳輸。遠(yuǎn)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開放系統(tǒng)互連模型標(biāo)準(zhǔn)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(xù)重整-加氫精制聯(lián)合裝置DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    DCS數(shù)據(jù)采集是在工程師站（GUS）上實(shí)現(xiàn)的。DCS系統(tǒng)程序采用Display Builder（一種類似于VB的語言）編寫的，主要分為三個部分：
   (1)GUS與LCN之間的數(shù)據(jù)雙向傳送
    LCN上的數(shù)據(jù)每隔1分鐘被采集到GUS上一次，并集中通過以太網(wǎng)傳送到上位機(jī)上，同時，上位機(jī)的數(shù)據(jù)也通過以太網(wǎng)傳送到GUS上，通過GUS送到LCN。

   (2)數(shù)據(jù)的處理
    為了提高數(shù)據(jù)傳送的效率和方便系統(tǒng)管理，數(shù)據(jù)按照不同的需要分成若干個分組，分別進(jìn)行采集處理和傳送。過程參數(shù)的狀態(tài)首先被采集，數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)狀態(tài)錯誤，就不采集相應(yīng)過程點(diǎn)的參數(shù)；同時，狀態(tài)信息通過數(shù)據(jù)傳送模塊送到數(shù)據(jù)文件，軟測量程序就會采取相應(yīng)的措施。此外，時間參數(shù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后也送到上位機(jī)，軟測量程序會根據(jù)時間是否更新，判斷數(shù)據(jù)傳送是否正常，從而采取相應(yīng)對策。

   (3)界面顯示
    本文研制的軟測量和優(yōu)化系統(tǒng)單獨(dú)安排在一臺專用計(jì)算機(jī)上，作為DCS的上位機(jī)掛接在網(wǎng)絡(luò)上。各模塊運(yùn)行的狀態(tài)等信息通過界面顯示出來，便于觀察程序的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2系統(tǒng)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；人機(jī)操作界面用組態(tài)王Kingview6.0編寫[4]；現(xiàn)場采樣工藝數(shù)據(jù)由DCS采集后通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)送到本系統(tǒng)所在的上位機(jī)；軟測量程序每2分鐘定時讀取一次采樣數(shù)據(jù)；軟測量程序與操作界面程序通過DDE連接。

    軟測量過程是連續(xù)進(jìn)行的。為此選用了一個定時器控件Timer，設(shè)定時間為2分鐘，與DCS傳送過來采樣數(shù)據(jù)時間間隔一致。在這2分種時間里，要完成讀數(shù)據(jù)和軟測量計(jì)算等所有工作。當(dāng)設(shè)定時間到時，進(jìn)入新的定時階段，重復(fù)前面的工作，這樣一直循環(huán)下去。

   (2)人機(jī)操作界面
    ①工藝流程顯示
    如圖4所示是軟測量操作運(yùn)行界面圖，上面有再生工藝過程簡圖，實(shí)時顯示與氧含量軟測量相關(guān)的工藝變量的位號與數(shù)值以及棒狀圖、閥門開關(guān)狀態(tài)、閥門開度及故障信息等，并且將氧含量的軟測量值與在線氧分析儀的輸出信號放在一起顯示。

圖4  軟測量操作運(yùn)行界面

    ②實(shí)時趨勢
    實(shí)時趨勢畫面上將當(dāng)前采樣信息以實(shí)時記錄曲線方式顯示出來，共有3幅實(shí)時趨勢畫面，分別記錄再生反應(yīng)器9個溫度測量值以及在線氧分析儀輸出值、氧含量軟測量值。

    ③歷史趨勢
    歷史趨勢畫面也有3幅，分別記錄再生反應(yīng)器9個溫度測量值、在線氧分析儀輸出值以及氧含量軟測量值在以前某一段時間內(nèi)的數(shù)值，幫助操作者了解查詢被測變量的變化趨勢。

    ④報表
    報表畫面有兩幅，有實(shí)時數(shù)據(jù)報表和歷史數(shù)據(jù)報表。

    ⑤報警記錄
    報警記錄畫面可以實(shí)時顯示9個溫度量，3個流量，氧含量及結(jié)焦量的報警情況。

    ⑥D(zhuǎn)DE通信
    本人機(jī)界面是通過DDE和Visual Basic之間的動態(tài)數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)同現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通信和交互。當(dāng)獲取采樣信息并在操作界面顯示時，組態(tài)王作為顧客程序向VB得到數(shù)據(jù)。當(dāng)操作者通過操作界面向VB發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，如向軟測量程序手動輸入結(jié)焦含量時，組態(tài)王作為服務(wù)程序向VB提供數(shù)據(jù)。

    具體實(shí)現(xiàn)時，如果組態(tài)王向VB提供數(shù)據(jù)，則在VB窗口放上文本框或標(biāo)簽等，并且設(shè)置LinkTopic、LinkItem、LinkMode三個屬性。

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

    Control. LinkItem=項(xiàng)目名

    Control. LinkMode=1

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

    如果組態(tài)王從VB得到數(shù)據(jù)，則需要在組態(tài)王定義變量時說明服務(wù)器程序的三個標(biāo)識名，即：應(yīng)用程序名設(shè)為VB可執(zhí)行程序的名字；話題名設(shè)為VB中窗體的LinkTopic屬性；項(xiàng)目名設(shè)為VB控件的名字。

4  實(shí)施效果

    現(xiàn)場原先使用的氧化鋯氧氣分析儀是美國AMETEK公司專為UOP公司Cyclemax催化劑再生部分量身定制的氧氣分析儀，因此具有無可替代性，價值約為40多萬人民幣。同時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，備件價格約為3萬多人民幣，維護(hù)成本也不低。

    進(jìn)行再生器氧含量軟測量模型開發(fā)的目的是為了提高測量精度和減輕設(shè)備備件采購壓力，特別是在設(shè)備方面。自軟測量模型投用以來，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(jù)操作人員實(shí)際反應(yīng)，對操作過程有指導(dǎo)意義；而且有時氧分析儀故障的時候，此軟測量系統(tǒng)即可起到參考作用，指導(dǎo)實(shí)際工藝操作，從而提升再生系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠性。如果不對氧含量分析將造成操作失控，直接導(dǎo)致燒焦區(qū)氧含量損壞，損失人民幣140多萬元。同時軟測量模型的投用對廠設(shè)備系統(tǒng)而言，無論是現(xiàn)場維護(hù)、還是計(jì)劃采購，都減輕了壓力。因此本系統(tǒng)投運(yùn)后達(dá)到了預(yù)期效果。重整再生器氧含量軟測量系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用已經(jīng)一年多，運(yùn)行結(jié)果表明能夠完成再生器氧含量實(shí)時測量任務(wù)。本項(xiàng)目已經(jīng)通過上級部門組織的科技成果鑒定。

參考文獻(xiàn)：
[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(yīng)用綜述[J]. 自動化與儀器儀表, 2001, (6): 1-4.
[3]  羅榮富, 邵惠鶴. 軟測量方法及其工業(yè)應(yīng)用[M]. 工業(yè)過程模型化與控制[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.