基于近紅外分析儀的在線汽油調(diào)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

于亮亮 巢 俊 徐 欣

（江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心）

目前，汽車市場(chǎng)份額的大范圍提升，直接導(dǎo)致了成品汽油的需求量激增，但由于傳統(tǒng)的罐式調(diào)合或管道式離線式調(diào)合存在生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高及可能需要多次調(diào)合等問題，在一定程度上無法補(bǔ)足成品汽油市場(chǎng)的實(shí)際缺口，因此汽油生產(chǎn)廠商急需一種能實(shí)時(shí)監(jiān)控汽油辛烷值、實(shí)時(shí)調(diào)整組分油配方的在線汽油調(diào)合系統(tǒng)［1］。

基于近紅外分析儀的在線汽油調(diào)合系統(tǒng)是以在線儀表檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用多目標(biāo)多變量非線性優(yōu)化算法， 通過汽油調(diào)合性質(zhì)預(yù)測(cè)模型（調(diào)合規(guī)則），實(shí)現(xiàn)以產(chǎn)品質(zhì)量過剩最小化和效益最大化為目標(biāo)的汽油在線調(diào)合優(yōu)化功能［2］。 系統(tǒng)可根據(jù)在線儀表提供的組分油性質(zhì)、產(chǎn)品質(zhì)量要求和工藝約束，確定優(yōu)化配方并對(duì)成品油質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，并在設(shè)定的優(yōu)化控制周期內(nèi)，根據(jù)成品油質(zhì)量的在線反饋， 確保成品油的性質(zhì)卡邊。

1 在線汽油調(diào)合系統(tǒng)

在線汽油調(diào)合系統(tǒng)（圖1）主要由設(shè)備與儀表層、控制層、監(jiān)控層和優(yōu)化層組成，其中設(shè)備與儀表層和控制層通過信號(hào)線或總線連接，控制層和監(jiān)控層通過冗余工業(yè)以太網(wǎng)連接。

1.1 設(shè)備與儀表層

在線汽油調(diào)合系統(tǒng)的主要設(shè)備包括泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及質(zhì)量流量計(jì)等。 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥屬于現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)組分管線汽油流量和控制汽油輸送的啟停； 同時(shí)這些設(shè)備提供運(yùn)行狀態(tài)反饋（如閥門狀態(tài)、閥門開度等），為汽油調(diào)合過程的遠(yuǎn)程控制提供控制和監(jiān)視手段，保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行。 流量計(jì)屬于在線儀表，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)瞬時(shí)流量等指標(biāo)，為DCS 控制調(diào)合目標(biāo)提供保障［3］。

1.2 控制層

控制層為DCS 控制器， 內(nèi)部有CPU 冗余和通信冗余，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.3 監(jiān)控層

監(jiān)控層主要設(shè)有1 臺(tái)調(diào)合優(yōu)化系統(tǒng)服務(wù)器、1 臺(tái)調(diào)合控制服務(wù)器、1 臺(tái)調(diào)合控制操作站和1臺(tái)調(diào)合控制工程師站。 監(jiān)控層主要包括接收汽油調(diào)合優(yōu)化軟件下發(fā)配方的調(diào)合單界面、監(jiān)控調(diào)合執(zhí)行的調(diào)合監(jiān)控界面、觀察組分性質(zhì)的在線儀表監(jiān)控界面等［4］。

調(diào)合控制服務(wù)器能夠執(zhí)行調(diào)合配方并實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)合過程，同時(shí)作為OPC 服務(wù)端將調(diào)合數(shù)據(jù)和罐區(qū)數(shù)據(jù)提供給調(diào)合優(yōu)化系統(tǒng)服務(wù)器。 即使與調(diào)合優(yōu)化控制系統(tǒng)發(fā)生通信故障，儲(chǔ)運(yùn)也可以根據(jù)調(diào)度員人工下發(fā)的調(diào)合配方來執(zhí)行調(diào)合，實(shí)現(xiàn)調(diào)合過程的管理和監(jiān)控。

圖1 在線汽油調(diào)合系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.4 優(yōu)化層

優(yōu)化層主要由調(diào)合優(yōu)化系統(tǒng)客戶端組成，調(diào)合優(yōu)化系統(tǒng)客戶端會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的數(shù)據(jù)， 執(zhí)行相應(yīng)的優(yōu)化算法， 計(jì)算出更適合于當(dāng)前控制系統(tǒng)的配方，同時(shí)會(huì)自動(dòng)下發(fā)給調(diào)合優(yōu)化系統(tǒng)服務(wù)器。

調(diào)合優(yōu)化系統(tǒng)服務(wù)器有調(diào)合優(yōu)化軟件控制和操作員控制兩種模式，調(diào)合監(jiān)控界面擁有調(diào)合優(yōu)化系統(tǒng)服務(wù)器權(quán)限的最高優(yōu)先級(jí)，隨時(shí)可以進(jìn)行控制權(quán)限的切換。 在調(diào)合優(yōu)化軟件發(fā)生故障時(shí)可根據(jù)調(diào)度員人工下發(fā)的調(diào)合配方實(shí)現(xiàn)調(diào)合過程的管理和監(jiān)控。

2 近紅外分析儀系統(tǒng)

近紅外分析儀系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。 近紅外分析儀系統(tǒng)主要包括1 臺(tái)近紅外在線分析儀和6個(gè)流路通道（即1 個(gè)調(diào)合頭、4 個(gè)組分通道和1 個(gè)預(yù)留通道）， 每個(gè)通道采用單獨(dú)的流通池進(jìn)行檢測(cè)，以提高實(shí)時(shí)性。

近紅外分析儀主機(jī)安裝在分析小屋內(nèi)。 分析儀主機(jī)采用正壓防爆保護(hù)措施，由通入分析小屋內(nèi)的工業(yè)儀表風(fēng)為光分析主機(jī)實(shí)施正壓防爆。 通過泵加壓后將待測(cè)油品輸送至預(yù)處理系統(tǒng)，經(jīng)過除雜、除水、穩(wěn)壓、恒溫過程后，將待測(cè)油品送至流通池內(nèi)進(jìn)行光譜采集；光譜儀器主機(jī)通過多模通信光纜與主控室的控制計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)分析控制，主控室的控制計(jì)算機(jī)將近紅外分析結(jié)果通過RS485 通信接口以Modbus 協(xié)議方式傳送到DCS。 分析儀工作站上安裝有建模、預(yù)測(cè)等軟件，并提供RS485 Modbus 協(xié)議與DCS 通信功能［5］。

3 建模

建模的主要目的是采用間接分析方法（二次方法）來獲得與直接的實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)結(jié)果（一次方法）相一致的結(jié)果，使模型能夠迅速準(zhǔn)確地應(yīng)用于實(shí)際過程的在線分析上，實(shí)時(shí)指導(dǎo)汽油調(diào)合軟件的優(yōu)化過程。

3.1 建模要求

建模過程涉及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)采集和計(jì)算過程，因此需要對(duì)生產(chǎn)過程的相關(guān)工藝、技術(shù)參數(shù)等予以認(rèn)真確認(rèn)，尤其是油品的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的確認(rèn)需要更加地認(rèn)真細(xì)致。 另外，如溫度等外部參數(shù)也應(yīng)予以高度重視。 校正數(shù)據(jù)應(yīng)該涵蓋測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)（取樣點(diǎn)）的油品性質(zhì)變化范圍。 油品的變化包括測(cè)定性質(zhì)的變化（辛烷值、飽和蒸氣壓等）以及因配方、指標(biāo)和工藝變化而引起的組分變化。 為確保建模成功，需要進(jìn)行以下確認(rèn)：

圖2 近紅外分析儀系統(tǒng)架構(gòu)

a. 必須嚴(yán)格按照規(guī)范的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法進(jìn)行分析，獲得真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)；

b. 光譜儀獲得的譜圖作為二次方法的譜圖；

c. 具有建模所需的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

3.2 建立模型

在模型建立過程中需要利用符合當(dāng)前生產(chǎn)工藝的部分樣品進(jìn)行模型調(diào)整。 樣品取樣應(yīng)為調(diào)合區(qū)管線樣，并準(zhǔn)確記錄采樣時(shí)間，采樣間隔等同于煉廠現(xiàn)行的人工分析時(shí)間間隔。 根據(jù)情況不同，可以是每周若干次或每天若干次，應(yīng)以對(duì)質(zhì)檢中心正常工作影響最低為準(zhǔn)。 頻繁的采樣并無益處， 因?yàn)閷?huì)有很多完全重復(fù)的樣品出現(xiàn)；使用假的樣品更無益。 而涵蓋整個(gè)調(diào)合比例或組分油性質(zhì)變化的樣品非常有價(jià)值，因?yàn)橛幸?guī)律的樣品性質(zhì)數(shù)據(jù)能夠保證模型的高精度。

建模的具體措施如下：

a. 對(duì)化驗(yàn)室例行化驗(yàn)分析的成品油、組分油樣品進(jìn)行收集，并得到近紅外光譜，對(duì)比已有的初步模型庫，獲取有代表性的樣品加入初步模型庫中；

b. 對(duì)調(diào)合區(qū)調(diào)合油進(jìn)行取樣分析，調(diào)合中配方占比會(huì)有所變化，盡量獲取配方占比不同的樣品，以使模型庫中的樣品豐富；

c. 對(duì)模型庫中的異常樣本進(jìn)行篩選，模型庫中有時(shí)難免會(huì)因?yàn)槠渌蚧烊胗绊懩Ｐ途鹊臉颖荆?通過拓?fù)浞诸惣夹g(shù)找出這些樣本并剔除，以獲得合適的模型庫；

d. 通過訓(xùn)練集來校正模型，選取一部分樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，來對(duì)模型進(jìn)行校正，調(diào)整初始動(dòng)態(tài)模型參數(shù)以獲取高質(zhì)量的模型。

通過以上4 個(gè)步驟， 最終獲取最佳模型，以供現(xiàn)場(chǎng)使用。

3.3 模型更新

當(dāng)裝置生產(chǎn)能力、工藝條件及原料種類等發(fā)生重大變化，模型內(nèi)的樣品種類不能涵蓋當(dāng)前變化時(shí)，需要更新模型。 具體方法為：

a. 過程分析出現(xiàn)超標(biāo)數(shù)據(jù)， 系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警示，此時(shí)人為收集現(xiàn)場(chǎng)的樣品；

b. 將收集的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析， 所得數(shù)據(jù)、譜圖輸入分析系統(tǒng)；

c. 系統(tǒng)后臺(tái)模型將根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行更新升級(jí)；

d. 經(jīng)分析確認(rèn)更新后的模型精度和穩(wěn)定性能夠滿足在線分析要求后，即可正式采用此模型執(zhí)行分析過程。

4 系統(tǒng)功能

基于近紅外分析儀的在線汽油調(diào)合系統(tǒng)分為離線調(diào)合排產(chǎn)、在線優(yōu)化控制和在線比例控制3 個(gè)模塊。

離線調(diào)合排產(chǎn)根據(jù)在線儀表提供的組分油性質(zhì)、 產(chǎn)品質(zhì)量要求和工藝約束， 確定初始優(yōu)化配方， 根據(jù)未來生產(chǎn)計(jì)劃安排將來一段時(shí)間內(nèi)的調(diào)合單，即將未來生產(chǎn)計(jì)劃轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓤?zhí)行的調(diào)合單。

在線優(yōu)化控制集成了先進(jìn)的質(zhì)量控制與優(yōu)化技術(shù)、在線近紅外分析儀及在線檢測(cè)技術(shù)等。調(diào)合生產(chǎn)過程中在設(shè)定的優(yōu)化控制周期內(nèi)， 根據(jù)調(diào)合油質(zhì)量的在線反饋，確保成品油的性質(zhì)卡邊。

在線比例控制實(shí)時(shí)接收來自在線調(diào)合優(yōu)化控制的優(yōu)化配方，經(jīng)過嚴(yán)格校驗(yàn)并確認(rèn)后，執(zhí)行給定的優(yōu)化配方，并自動(dòng)調(diào)節(jié)。 在線比例控制還具有調(diào)合實(shí)時(shí)監(jiān)控、聯(lián)鎖保護(hù)、報(bào)警管理及歷史查詢等功能，保證調(diào)合設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語

對(duì)于煉油廠，汽油辛烷值的卡邊控制是一項(xiàng)復(fù)雜又重要的工作，成品汽油的大規(guī)模生產(chǎn)既耗時(shí)又耗力，若由于配方的不恰當(dāng)而導(dǎo)致辛烷值不合格，往往需要進(jìn)行二次調(diào)配。 當(dāng)采用近紅外分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)辛烷值時(shí)，調(diào)合系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前成品汽油的辛烷值進(jìn)行配方調(diào)整，使整個(gè)DCS 形成一個(gè)PID 控制閉環(huán)。 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，采用基于近紅外分析儀的在線汽油調(diào)合系統(tǒng)優(yōu)化后的調(diào)合配方，可以將成品汽油辛烷值指標(biāo)控制在20%誤差范圍內(nèi)，其他各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且一次調(diào)合成功率大于98.5%。