精餾塔智能操作指導(dǎo)系統(tǒng)

宋曉云 田文德 馮海東

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042)

精餾塔的開停車操作是化工領(lǐng)域最復(fù)雜的操作之一，是典型的動(dòng)態(tài)變化過程，具有動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜、操作工況變化大和過程變量之間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。因此，精餾塔的操作不僅步驟繁瑣、需要操作人員具有深厚的相關(guān)的專業(yè)知識，而且要求操作人員長時(shí)間密切關(guān)注裝置的運(yùn)行狀態(tài)[2]。人的失誤，設(shè)備、工藝及控制系統(tǒng)等因素等非正常狀況都可能引發(fā)事故[3]，所以必須保證精餾塔開停車過程操作中的絕對正確性。

精餾過程的研究經(jīng)歷了相當(dāng)長的發(fā)展時(shí)期。在國內(nèi)較早時(shí)期的化工原理仿真軟件中，浙江工業(yè)大學(xué)的鄭祖銘老師在20世紀(jì)90年代開發(fā)的精餾實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)比較具有代表性[4]，2009年北京東方仿真軟件公司和天津大學(xué)合作開發(fā)了化工原理實(shí)驗(yàn)仿真軟件[5]，兩款軟件都有側(cè)重點(diǎn)，但單純把人工智能應(yīng)用到精餾過程的DCS仿真系統(tǒng)中，開發(fā)可移植的智能指導(dǎo)系統(tǒng)卻未見報(bào)道。

筆者提出的精餾過程智能指導(dǎo)系統(tǒng)是以專家系統(tǒng)CLIPS語言為基礎(chǔ)，用于技術(shù)人員在進(jìn)行開停車操作練習(xí)時(shí)的實(shí)時(shí)指導(dǎo)。該指導(dǎo)系統(tǒng)利用CLIPS強(qiáng)大的推理和表示功能開發(fā)專家系統(tǒng)的知識庫和推理機(jī)部分，利用VC2005開發(fā)人機(jī)交互界面和與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，給操作人員在操作過程的任一時(shí)刻提出指導(dǎo)和解釋，在開停車過程中較好地輔助工藝人員操作，確保開停車過程的順利進(jìn)行。主要介紹精餾塔智能指導(dǎo)系統(tǒng)的開發(fā)方法和過程，給出軟件的組成和每部分的功能，規(guī)則和規(guī)則庫的創(chuàng)建，對規(guī)則庫修改、增加和刪除管理，并以以脫丙烷精餾塔為例，說明其實(shí)際應(yīng)用情況。

1.1 整體結(jié)構(gòu)

精餾塔智能指導(dǎo)系統(tǒng)由CLIPS知識庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及專家指導(dǎo)意見等組成，如圖1所示。知識庫中存儲(chǔ)了大量以規(guī)則形式存在的領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識和已知事實(shí)，通過采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)決定在每個(gè)控制信息下要觸發(fā)的規(guī)則，并給出相應(yīng)的指導(dǎo)意見。運(yùn)行該操作指導(dǎo)系統(tǒng)，首先要運(yùn)行精餾塔的DCS仿真系統(tǒng)；其次加載專家系統(tǒng)引擎和CLIPS文件；然后從DCS仿真系統(tǒng)中獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；最后系統(tǒng)會(huì)判斷需觸發(fā)的規(guī)則并給出指導(dǎo)信息。

圖1 精餾塔智能指導(dǎo)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 規(guī)則的建立

精餾塔智能指導(dǎo)系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對精餾塔開停車過程中設(shè)備開啟順序和工況參數(shù)的監(jiān)視和指導(dǎo)，這就需要把開停車步驟條理化，如果用諸如C語言等編程，過程會(huì)非常復(fù)雜，而且也達(dá)不到預(yù)期的理想效果。而基于規(guī)則的CLIPS專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，則可以滿足這些需要。

CLIPS采用的是產(chǎn)生式規(guī)則系統(tǒng)，每條規(guī)則都是“if(某條件成立)，then(某結(jié)論成立)”的形式[6]。這就要求把精餾塔的開停車步驟整理成“條件-行動(dòng)”式。精餾塔的開車過程包括4部分：系統(tǒng)(儲(chǔ)罐和精餾塔)氮?dú)庵脫Q；儲(chǔ)罐進(jìn)料；精餾塔進(jìn)料和升溫；精餾塔出料并使之運(yùn)行平穩(wěn)。以儲(chǔ)罐氮?dú)庵脫Q為例，建立規(guī)則，這時(shí)所有閥門和泵處于關(guān)停狀態(tài)。根據(jù)工藝和操作經(jīng)驗(yàn)，把充氮過程整理成“if…then…”形式，具體如下：

Rule1 如果放空管線手閥打開，那么可以打開充氮閥

Rule2 如果充氮閥和放空手閥打開，那么充氮開始，注意氧氣變化

Rule3 如果氧氣含量小于1%，那么可以關(guān)閉氮?dú)忾y和放空閥

Rule4 如果氮?dú)忾y和放空閥關(guān)閉，那么充氮結(jié)束，可以進(jìn)行下一步

Error1 如果充氮閥關(guān)或原料閥開，那么就給出錯(cuò)誤警告，提示關(guān)閉充氮閥

前4個(gè)規(guī)則是順序執(zhí)行的，也就是說，只有Rule1被激發(fā)，且滿足Rule2的條件時(shí)，才會(huì)執(zhí)行Rule2。通過這種規(guī)則的建立，使得操作提示也按順序完成。如果充氮過程中打開放空手閥后，沒有打開充氮閥，而是打開了原料閥，這時(shí)便會(huì)觸發(fā)Error1，給出相應(yīng)的警告。錯(cuò)誤規(guī)則沒有嚴(yán)格的觸發(fā)順序，只有在進(jìn)行錯(cuò)誤操作時(shí)才會(huì)給出相應(yīng)的提示。

精餾塔操作指導(dǎo)中的主要變量包括進(jìn)料泵、回流泵、采出泵、預(yù)熱器、冷凝器、再沸器、進(jìn)料閥、塔頂回流閥、塔釜采出閥、儲(chǔ)罐充氮閥、塔充氮閥、儲(chǔ)罐放空閥、回流罐放空閥、儲(chǔ)罐瓦斯手閥、回流罐瓦斯手閥，皆為開/關(guān)量；其余為高/適中狀態(tài)，包括儲(chǔ)罐液位、精餾塔液位和回流罐液位。充氮過程的規(guī)則如下：

Rule1 儲(chǔ)罐充氮閥關(guān)/儲(chǔ)罐放空閥關(guān)，準(zhǔn)備對進(jìn)料罐充氮?dú)?/p>

Rule2 儲(chǔ)罐充氮閥關(guān)/儲(chǔ)罐放空閥開，可以打開儲(chǔ)罐充氮閥開始充氮?dú)?/p>

Rule3 儲(chǔ)罐充氮閥開/儲(chǔ)罐放空閥開，開始充氮?dú)?，注意?chǔ)罐中氧氣的含量變化；充氮結(jié)束時(shí)需關(guān)閉儲(chǔ)罐充氮閥和儲(chǔ)罐放空閥

Rule4 儲(chǔ)罐充氮閥關(guān)/儲(chǔ)罐放空閥開，則關(guān)閉儲(chǔ)罐放空閥

Rule5 儲(chǔ)罐充氮閥關(guān)/儲(chǔ)罐放空閥關(guān)，則第一階段充氮完成，可以開始下一階段的氮?dú)庵脫Q，先打開塔頂?shù)姆趴臻y和回流罐放空閥

Rule6 塔充氮閥關(guān)/回流罐放空閥開，則打開塔充氮閥，精餾塔開始充氮

Rule7 塔充氮閥開/回流罐放空閥開，注意觀察塔頂和回流罐中的氧氣含量變化，精餾塔充氮結(jié)束先關(guān)閉塔充氮閥

Rule8 塔充氮閥開/回流罐放空閥關(guān)，關(guān)閉回流罐放空閥

Rule9 塔充氮閥關(guān)/回流罐放空閥關(guān)，充氮完成

在CLIPS中，規(guī)則的開頭包括3個(gè)部分，即關(guān)鍵詞defrule、規(guī)則名和可選的注釋字符串，其一般格式為：

(defrule[]

*;Left-Hand Side(LHS)of the rule

=>

*);Right-Hand Side(RHS)of the rule

例如，充氮過程的rule2可表示為：

(defrule rule 2

(phase-state(type Gchongdanf)(state off))

(phase-state(type TGfangkongf)(state on))

=>

(printout t"可以打開儲(chǔ)罐充氮閥開始充氮?dú)?crlf)

)

1.3 規(guī)則庫的設(shè)計(jì)

知識庫是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高智能運(yùn)行的關(guān)鍵，用于存放由知識獲取程序所獲取的專家知識[7]。為了實(shí)現(xiàn)推理機(jī)和解釋機(jī)的快速高效運(yùn)行，知識庫分為便于解釋機(jī)讀寫的專家知識數(shù)據(jù)庫主便于推理機(jī)推理的專家系統(tǒng)規(guī)則庫。專家系統(tǒng)規(guī)則庫為用于存儲(chǔ)CLIPS規(guī)則的.clp文件，方便推理機(jī)進(jìn)行規(guī)則的調(diào)用。

精餾塔開停車指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于設(shè)置CLIPS規(guī)則庫，建立規(guī)則庫之前必須先進(jìn)行模板的自定義。如，開車規(guī)則庫的模板定義為：

(deftemplate phase-state

(slot type)

(slot state)

)

CLIPS知識庫觸發(fā)規(guī)則實(shí)現(xiàn)推理的過程不能缺少輸入輸出，輸入是觸發(fā)規(guī)則的前提條件，輸出的則是推理結(jié)果。而在CLIPS知識庫中這種能被有效識別的輸入則稱為事實(shí)。沒有事實(shí)的輸入，CLIPS知識庫就無法啟動(dòng)推理。因此，事實(shí)的建立是進(jìn)行CLIPS推理的前提條件。事實(shí)以deffacts開頭，其定義格式如下：

(deffacts initial-state

(phase-state(type jinliaob)(state off))

)

在規(guī)則庫中，有時(shí)一個(gè)事實(shí)可以同時(shí)觸發(fā)多個(gè)規(guī)則，為此需要對已觸發(fā)的規(guī)則進(jìn)行標(biāo)記，然后修改其觸發(fā)狀態(tài)，使之成為觸發(fā)其他規(guī)則的一個(gè)條件。標(biāo)志變量的模板定義如下：

(deftemplate phase-flags

(slot rule)

(slot flags(type INTEGER))

)

比如，對充氮過程的rule1進(jìn)行標(biāo)記，并對其觸發(fā)狀態(tài)進(jìn)行修改，語句如下：

?phase<-(phase-flags(rule 1)(flags 0))

=>

(modify?phase(flags 1))

其中flags 0表示rule1未觸發(fā)，flag1表示已觸發(fā)。

2 仿真應(yīng)用

精餾塔智能指導(dǎo)系統(tǒng)采用Visual和CLIPS語言混合編程技術(shù)，并不依賴具體精餾塔開停車的數(shù)學(xué)模型，對于不同的化工裝置和物料，只需更新知識庫即可實(shí)現(xiàn)對開停車過程的智能指導(dǎo)，具有很好的可移植性。此指導(dǎo)系統(tǒng)是基于仿真軟件開發(fā)的，現(xiàn)以脫丙烷精餾塔仿真為例來介紹其具體應(yīng)用。

2.1 脫丙烷精餾塔工藝流程

脫丙烷精餾是氣體分餾裝置的一部分，其功能是將液化石油氣中的C2、C3組分與C4組分分離，其工藝流程如圖2所示。

圖2 脫丙烷流程簡圖

來自催化裂化裝置的液化石油氣經(jīng)脫硫處理后進(jìn)入脫丙烷流程，來料首先進(jìn)入儲(chǔ)罐D(zhuǎn)-701，由脫丙烷塔進(jìn)料泵P-701A/B抽出，流經(jīng)脫丙烷塔進(jìn)料加熱器E-701時(shí)，用來自催化裂化裝置吸收-穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定汽油加熱至79℃，之后進(jìn)入脫丙烷塔C-701，從塔頂?shù)玫紺2和C3的混合物，塔釜得到各種C4的混合物。塔頂汽相物料經(jīng)脫丙烷塔頂空冷器EC-701冷凝后進(jìn)入回流罐D(zhuǎn)-702，罐內(nèi)的液體一部分用脫丙烷塔回流泵P-702A/B抽出作為回流液送回塔頂，另一部分用采出泵P-703A/B抽出送至脫乙烷塔。C-701塔釜液相物料一部分流經(jīng)再沸器E-702被低壓蒸汽加熱汽化后返回塔釜，另一部分液相物料則作為塔釜產(chǎn)品由塔壓送往脫丁烷塔。

2.2 操作指導(dǎo)分析

智能指導(dǎo)系統(tǒng)的界面要求簡潔友好，這就要求把復(fù)雜的DCS圖轉(zhuǎn)化為簡單的流程圖，只保留關(guān)鍵設(shè)備、泵和閥門，并對其進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)框中輸入其對應(yīng)設(shè)備的ID號，并且每個(gè)設(shè)備都必須有對應(yīng)的ID號。

使用智能指導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)，首先打開精餾塔的DCS仿真軟件，將指導(dǎo)系統(tǒng)與DCS相連接，獲取仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，獲取成功后的畫面如圖3所示，因?yàn)榇藭r(shí)所有的閥還處于關(guān)閉狀態(tài)，所以界面出現(xiàn)第一步指導(dǎo)信息，提示操作人員應(yīng)該先打開儲(chǔ)罐放空閥，準(zhǔn)備充氮?dú)?。操作人員執(zhí)行之后，接著提示開始充氮?dú)猓堊⒁釪-701中氧氣的含量變化。這樣，在指導(dǎo)信息的詳細(xì)提示下，操作人員即可快速準(zhǔn)確地完成精餾塔的開車過程。

圖3 仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面

圖4為操作指導(dǎo)信息界面，操作人員在DCS中每執(zhí)行一步，指導(dǎo)系統(tǒng)就會(huì)有相應(yīng)的提示。如果操作錯(cuò)誤，就會(huì)給出警告，并提出相應(yīng)的處理措施。例如，操作人員在還沒有進(jìn)行系統(tǒng)充氮時(shí)，就打開了原料閥，這時(shí)就會(huì)給出相應(yīng)的報(bào)警提示：警告請不要打開原料閥，先進(jìn)行設(shè)備充氮，執(zhí)行上一步驟。進(jìn)行氮?dú)庵脫Q時(shí)，氧氣含量達(dá)到1%以下才算置換合格，如果氧氣含量達(dá)標(biāo)之前就關(guān)閉充氮閥，也會(huì)觸發(fā)報(bào)警提示：充氮未完成，請不要關(guān)閉充氮閥。只有當(dāng)一切符合條件之后，才會(huì)提示下一步的動(dòng)作。

圖4 操作指導(dǎo)信息界面

精餾塔的進(jìn)料溫度要穩(wěn)定在79℃左右，這就需要對預(yù)熱器E-701有嚴(yán)格的控制。當(dāng)打開預(yù)熱器時(shí)，指導(dǎo)系統(tǒng)會(huì)時(shí)刻監(jiān)視原料溫度的變化，當(dāng)溫度還未達(dá)到79℃就打開D-702的瓦斯手閥，這時(shí)指導(dǎo)系統(tǒng)就會(huì)給出錯(cuò)誤提示：原料溫度未達(dá)到79℃，請關(guān)閉瓦斯手閥。如果溫度超過了79℃，系統(tǒng)就會(huì)馬上給出警告：原料溫度已超過79℃，請減少熱量輸入。只有當(dāng)溫度穩(wěn)定在79℃左右時(shí)，指導(dǎo)系統(tǒng)才會(huì)給出正確的提示，繼續(xù)執(zhí)行開車步驟。

3 結(jié)束語

筆者以脫丙烷塔為例，設(shè)計(jì)精餾過程智能指導(dǎo)系統(tǒng)，將精餾開停車過程轉(zhuǎn)換為以CLIPS語言表達(dá)的規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)了用戶界面與CLIPS推理機(jī)間的信息傳遞，完成了對精餾裝置開停車過程的智能指導(dǎo)。仿真測試結(jié)果表明：該指導(dǎo)系統(tǒng)簡單方便，反饋效果準(zhǔn)確，能夠及時(shí)指出錯(cuò)誤操作，并給予正確的指導(dǎo)信息，達(dá)到了實(shí)時(shí)安全指導(dǎo)的目的。但是，軟件還有待完善，需補(bǔ)充多方位錯(cuò)誤操作提示功能，同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)充規(guī)則庫。

[1] 付饒,穆彥軍.精餾操作技術(shù)的研究[J].山東化工,2013,42(5):137～138.

[2] 王振恒.化工過程開車過程故障診斷方法研究[D].北京:北京化工大學(xué),2009.

[3] 謝慧明.基于人工智能的精餾實(shí)驗(yàn)導(dǎo)師系統(tǒng)[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2011.

[4] Fan X H,Wang Y,Chen X L,et al.Mathematical Models and Expert System for Grate-kiln Process of Iron Ore Oxide Pellet Production(Part Ⅱ):Rotary Kiln Process Control[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(英文版),2012,19(6):1724～1727.

[5] 肖應(yīng)旺.基于軟測量的化工精餾過程推斷控制策略[J].控制工程,2012,19(2):301～306.

[6] 譚大鵬,李培玉,潘曉弘,等.基于CLIPS的故障診斷專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2009,43(2):240～243,393.

[7] 韋洪龍,田文德,李傳坤,等.基于CLIPS的開停車指導(dǎo)系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(2):191～194.