PetroSIM接口工具箱在LPG回收過程優化的應用

汪佳 王成林

摘 要：石油化工復雜流程的分析評價和優化操作需要多個軟件的交互，開發數據接口工具箱，可實現流程模擬軟件和優化算法程序的數據傳遞。基于CAPE-OPEN標準及COM數據接口技術開發Matlab-PetroSIM接口工具箱，將Matlab優化算法的功能與模擬軟件相結合。以LPG回收過程模擬流程為例介紹了接口工具箱訪問PetroSIM數據的基本功能，并采用遺傳算法解決優化問題，驗證其實用性。

關 鍵 詞：流程模擬；接口工具箱；PetroSIM；遺傳算法

中圖分類號：TP 391.9 文獻標識碼： B 文章編號： 1671-0460（2016）04-0791-03

Abstract： Data-interaction of multiple softwares is of importance to the data evaluation of complex process and optimization analysis. Based on CAPE-OPEN and COM technology， the MPe interface toolbox for Matlab and PetroSIM was developed. The MPe toolbox enables to drive a PetroSIM simulation in Matlab environment， integrating the computation capability of Matlab and simulation capability of PetroSIM. The basic functions and advanced application of MPe interface toolbox were clarified by using the simulation of LPG recovery process as an instance. Genetic Algorithms was used in optimization of the process， which could prove the practicability of the MPe toolbox.

Key words： Process simulation； Interface toolbox； PetroSIM； Genetic algorithms

流程模擬、先進控制及實時優化系統推動著石化行業信息化的發展，對企業的節能增效和安全生產起到重要作用。而生產裝置數據量大，機理復雜，現行的流程模擬軟件在模擬及優化上存在不足：（1）軟件輸入數據前，需要處理繁雜的原始生產數據；（2）模擬軟件內部的優化算法對于某些模型不能求解或效率很低，選擇性差，難以實現全流程優化；（3）輸入信息量大，界面布局分散，應用人員難以熟練掌握，有必要開發簡潔界面。數據接口技術使得流程模擬軟件支持數據調用，可實現第三方的模型和算法的嵌入和集成[1]，為上述問題提出解決方案。

PetroSIM軟件基于Hysys.Refinery界面開發，是功能齊全、精細嚴密的流程模擬軟件，能夠建立典型的“桌面煉油廠”，在石化企業煉油化工裝置的工藝設計、優化操作、設備改造等領域廣泛應用。基于Matlab平臺開發Matlab-PetroSIM接口工具箱（MPe Toolbox），以此為橋梁，實現PetroSIM與數據處理軟件、優化軟件以及其他不同軟件的數據傳遞，將多個軟件平臺與智能優化方法協同合作，解決復雜問題，同時還可以建立更簡潔的用戶界面。

1 數據接口技術原理

數據接口技術，即通過開放軟件的部分接口對象，使得其他程序可以通過調用，執行數據的輸入與輸出。CAPE-OPEN（Computer-Aided Process Engineering-Open，開放式計算機輔助過程）標準旨在實現過程仿真軟件組件的無縫替換，是歐洲委員會自1997年發起并資助的項目。目前主流的石油化工模擬軟件如Hysys、Aspen Plus、gPROMS、ProII等都提供CAPE-OPEN接口[2]，可實現相關化工過程的集成開發。

COM[3，4]（Component Object Model，組件對象模型）提供了組件應遵循的二進制和網絡標準以及應用程序間的基本接口，包括標準接口和用戶自定義的接口。基于COM接口的Automation技術通過使應用程序能夠對另一個應用程序中可用的對象進行操作，或者將程序的對象公開以便可以對其進行操作。自動化服務器是向其他軟件公開可編程對象的應用程序，如PetroSIM模擬軟件；自動化控制器就是可以訪問和操縱自動化服務器對象的軟件，如Matlab軟件。

2 PetroSIM接口工具箱

PetroSIM流程模擬軟件支持COM標準，在與之相關的功能擴展軟件開發中，給予了完善的對象開放與接口支持。可通過編程語言，如Matlab、Visual Basic、C++、Excel VBA及Java等，編寫程序與PetroSIM進行相互通信，實現數據交互。

2.1 PetroSIM 接口對象

對象（Objects）是包含一系列函數和變量（稱為對象的方法和屬性）的容器。PetroSIM對象與其相關組件精確地一一對應。針對最常用的接口對象，建立了圖1所示的PetroSIM自動化接口的對象層次簡圖，提供了上一級與下一級對象之間的關系及訪問路徑。

PetroSIM繼承了Hysys軟件的對象模型[5]，開放了340多個Automation對象，這些對象集合包含超過5 000種屬性和方法。在進行數據通信時，只關注類型庫中最常訪問的對象即可。根據關鍵對象及其屬性，這些對象被分為以下7大類，見表1。

2.2 PetroSIM與Matlab的數據交互

Matlab作為一款常用的功能強大的科學計算軟件，能方便地編寫各種計算函數及工具箱。基于Automation技術，實現在Matlab平臺環境下調用PetroSIM的功能。

2.2.1 訪問變量

在Matlab中，可以通過運行actxcontrol命令和aetxserver命令來創建一個ActiveX自動化服務器對象，返回一個ActiveX對象句柄，即代表自動化服務器的默認接口。PetroSIM中任何變量的引用從SimulationCase或Application開始。例如：

peapp=actxserver（‘PetroSIM.Application） %首先需要建立Matlab與PetroSIM的連接

peapp.SimulationCases=Open（FileNameString） %打開相應的模擬案例

myCase=peapp.ActiveDocument %當前激活模擬文件

T1=myCase.Flowsheet.MaterialStreams.Item （‘FeedStream）.TemperatureValue%獲取物流“FeedStream”的溫度值。

2.2.2 修改變量的值

當某變量是可指定的，可以通過Matlab修改它的值。例如：

myCase.Flowsheet.MaterialStreams.Item （‘FeedStream）. TemperatureValue = 40 %設定物流溫度為40。

2.3 MPe接口工具箱

基于以上原理開發Matlab-PetroSIM接口工具箱（Mpe Toolbox），所包含的接口工具箱函數，按功能分為5類，共70個函數（僅實現基本調用的函數，其他功能可根據實際需要編寫）。接口函數庫中函數類別及功能如表2所示。

在MATLAB中將某些變量的值及單位或變量類型以結構體形式結合起來，以方便用戶獲得變量的全面信息。利用接口函數可以實現對PetrSIM中的重要輸入變量的訪問，控制PetroSIM GUI和模擬的運行，并能獲取所需要的模擬運行結果。

3 MPe Toolbox在LPG 回收過程優化的應用

3.1 優化問題的描述

通過在約束范圍內調節冷卻溫度和膨脹器出口壓力，獲得最高的經濟效益，其中成本主要是電力的消耗，因此，經濟效益要減去膨脹機以及兩個壓縮機的電耗費用。整個優化問題的描述為：

決策變量為：

冷卻溫度（Chiffer Exit Temp）Tc， ℃

膨脹器出口壓力（Expander Exit Pressure）Pe， kPa

約束范圍為：-64≤Tc≤-60； 2 000≤Pe≤2 200

目標函數：以總效益（Profit）為目標函數，Profit計算方法為：

Profit = Product（LPG）Value–Cost of Power

3.2 PetroSIM軟件自帶算法優化

通過PetroSIM自帶的Optimiser，采用Ipopt算法進行優化，得出優化結果，見表3。根據CaseStudy模塊對兩個決策變量對經濟效益做靈敏度分析，可以得出其影響規律：在約束范圍內，當Tc越低，Pe越大，經濟效益越大。

3.3 基于MPe Toolbox 和 GA Toolbox優化

遺傳算法（Genetic Algorithms，GA）于1962年Holland教授提出[6]，與傳統搜索算法相比，遺傳算法搜索覆蓋面大，有利于搜索得到全局最優解，適用于求解大規模復雜問題的優化問題。

本例以Matlab自帶的遺傳算法工具箱GA Toolbox對模擬流程進行優化計算，首先實現LPG 回收過程模擬流程相關變量的連接。通過MPe接口工具箱實現Matlab與PetroSIM模擬案例Tc、Pe、Profit的連接，在Matlab環境中運行GA Toolbox，通過迭代計算，得到優化結果見表4，可以看出其決策變量和目標函數的值與PetroSIM模擬軟件本身自帶的優化器計算結果接近。

4 結 論

采用基于CAPE-OPEN標準和COM技術的數據接口技術，開發Matlab-PetroSIM接口工具箱，實現在Matlab環境下調用PetroSIM模擬案例數據的功能，通過Matlab強大的科學計算能力，可以實現化工過程復雜優化問題的解決。以LPG 回收過程流程模擬的優化為例，驗證了接口工具箱MPe Toolbox的實用性，對今后以PetroSIM軟件建立的大型石油化工過程的模型的優化分析起指導作用。

參考文獻：

[1] 楊小健，孫忠瀟.煉油裝置流程模擬及優化系統設計與應用[J].石油煉制與化工，2011，42（9）：87-90.

[2] 黃昔良.基于CAPE-OPEN的計算機工業建模[J]. 工業控制計算機， 2006， 19（8）：49-52.

[3] Dale Rogerson.COM技術內幕[M]. 北京：清華大學出版社， 1997：232-235.

[4] 耿大釗，陳曦，邵之江，等.基于COM技術的MATLAB與Aspen Plus接口及高級應用[J].化工自動化及儀表，2006（03）：30-34.

[5] 沈翠霞，張貝克，吳重光，等.HYSYS軟件及其自動化接口研究[J].計算機仿真，2005，22（11）：247-251.

[6] Holland J H. Adaptation in natural and artificial system， an introduction analysis with application to biology， control and artificial intelligence [D]. The university of Michigan Press， Ann Arbor， USA， 1975.