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(kāi)停車(chē)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(guò)程，具有動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜、操作工況變化大和過(guò)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(zhuān)業(yè)知識(shí)，而且要求操作人員長(zhǎng)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(kāi)停車(chē)過(guò)程操作中的絕對(duì)正確性。

精餾過(guò)程的研究經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)期。在國(guó)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(kāi)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(kāi)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(guò)程的DCS仿真系統(tǒng)中，開(kāi)發(fā)可移植的智能指導(dǎo)系統(tǒng)卻未見(jiàn)報(bào)道。

筆者提出的精餾過(guò)程智能指導(dǎo)系統(tǒng)是以專(zhuān)家系統(tǒng)CLIPS語(yǔ)言為基礎(chǔ)，用于技術(shù)人員在進(jìn)行開(kāi)停車(chē)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(kāi)發(fā)專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)部分，利用VC2005開(kāi)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(guò)程的任一時(shí)刻提出指導(dǎo)和解釋?zhuān)陂_(kāi)停車(chē)過(guò)程中較好地輔助工藝人員操作，確保開(kāi)停車(chē)過(guò)程的順利進(jìn)行。主要介紹精餾塔智能指導(dǎo)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法和過(guò)程，給出軟件的組成和每部分的功能，規(guī)則和規(guī)則庫(kù)的創(chuàng)建，對(duì)規(guī)則庫(kù)修改、增加和刪除管理，并以以脫丙烷精餾塔為例，說(shuō)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(shí)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及專(zhuān)家指導(dǎo)意見(jiàn)等組成，如圖1所示。知識(shí)庫(kù)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(shí)和已知事實(shí)，通過(guò)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(jiàn)。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(zhuān)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(duì)精餾塔開(kāi)停車(chē)過(guò)程中設(shè)備開(kāi)啟順序和工況參數(shù)的監(jiān)視和指導(dǎo)，這就需要把開(kāi)停車(chē)步驟條理化，如果用諸如C語(yǔ)言等編程，過(guò)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(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)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(kāi)停車(chē)步驟整理成“條件-行動(dòng)”式。精餾塔的開(kāi)車(chē)過(guò)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(mén)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(guò)程整理成“if…then…”形式，具體如下：

Rule1 如果放空管線手閥打開(kāi)，那么可以打開(kāi)充氮閥

Rule2 如果充氮閥和放空手閥打開(kāi)，那么充氮開(kāi)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(kāi)，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(shuō)，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(guò)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(guò)程中打開(kāi)放空手閥后，沒(méi)有打開(kāi)充氮閥，而是打開(kāi)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(méi)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(kāi)/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(guò)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(duì)進(jìn)料罐充氮?dú)?/p>

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

Rule3 儲(chǔ)罐充氮閥開(kāi)/儲(chǔ)罐放空閥開(kāi)，開(kāi)始充氮?dú)猓⒁鈨?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(kāi)，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(kāi)始下一階段的氮?dú)庵脫Q，先打開(kāi)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(kāi)，則打開(kāi)塔充氮閥，精餾塔開(kāi)始充氮

Rule7 塔充氮閥開(kāi)/回流罐放空閥開(kāi)，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(kāi)/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(kāi)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(guò)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(kāi)儲(chǔ)罐充氮閥開(kāi)始充氮?dú)?crlf)

)

1.3 規(guī)則庫(kù)的設(shè)計(jì)

知識(shí)庫(kù)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(shí)獲取程序所獲取的專(zhuān)家知識(shí)[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(shí)庫(kù)分為便于解釋機(jī)讀寫(xiě)的專(zhuān)家知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)主便于推理機(jī)推理的專(zhuān)家系統(tǒng)規(guī)則庫(kù)。專(zhuān)家系統(tǒng)規(guī)則庫(kù)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(kāi)停車(chē)指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于設(shè)置CLIPS規(guī)則庫(kù)，建立規(guī)則庫(kù)之前必須先進(jìn)行模板的自定義。如，開(kāi)車(chē)規(guī)則庫(kù)的模板定義為：

(deftemplate phase-state

(slot type)

(slot state)

)

CLIPS知識(shí)庫(kù)觸發(fā)規(guī)則實(shí)現(xiàn)推理的過(guò)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(shí)庫(kù)中這種能被有效識(shí)別的輸入則稱(chēng)為事實(shí)。沒(méi)有事實(shí)的輸入，CLIPS知識(shí)庫(kù)就無(wú)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(kāi)頭，其定義格式如下：

(deffacts initial-state

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

)

在規(guī)則庫(kù)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(duì)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(duì)充氮過(guò)程的rule1進(jìn)行標(biāo)記，并對(duì)其觸發(fā)狀態(tài)進(jìn)行修改，語(yǔ)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(yǔ)言混合編程技術(shù)，并不依賴(lài)具體精餾塔開(kāi)停車(chē)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于不同的化工裝置和物料，只需更新知識(shí)庫(kù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)停車(chē)過(guò)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(kāi)發(fā)的，現(xiàn)以脫丙烷精餾塔仿真為例來(lái)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(jiǎn)圖

來(lái)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(lái)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(lái)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(jiǎn)潔友好，這就要求把復(fù)雜的DCS圖轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的流程圖，只保留關(guān)鍵設(shè)備、泵和閥門(mén)，并對(duì)其進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)框中輸入其對(duì)應(yīng)設(shè)備的ID號(hào)，并且每個(gè)設(shè)備都必須有對(duì)應(yīng)的ID號(hào)。

使用智能指導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)，首先打開(kāi)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(huà)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(kāi)儲(chǔ)罐放空閥，準(zhǔn)備充氮?dú)狻２僮魅藛T執(zhí)行之后，接著提示開(kāi)始充氮?dú)猓?qǐng)注意D-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(kāi)車(chē)過(guò)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(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)充氮時(shí)，就打開(kāi)了原料閥，這時(shí)就會(huì)給出相應(yīng)的報(bào)警提示：警告請(qǐng)不要打開(kāi)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(qǐng)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(duì)預(yù)熱器E-701有嚴(yán)格的控制。當(dāng)打開(kāi)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(kāi)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(qǐng)關(guān)閉瓦斯手閥。如果溫度超過(guò)了79℃，系統(tǒng)就會(huì)馬上給出警告：原料溫度已超過(guò)79℃，請(qǐng)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(kāi)車(chē)步驟。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者以脫丙烷塔為例，設(shè)計(jì)精餾過(guò)程智能指導(dǎo)系統(tǒng)，將精餾開(kāi)停車(chē)過(guò)程轉(zhuǎn)換為以CLIPS語(yǔ)言表達(dá)的規(guī)則庫(kù)，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(duì)精餾裝置開(kāi)停車(chē)過(guò)程的智能指導(dǎo)。仿真測(cè)試結(jié)果表明：該指導(dǎo)系統(tǒng)簡(jiǎn)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(kù)。

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