（电气工程专业论文）催化重整产品质量与收率预测建模的研究.pdfVIP

v 、： l at h e s i si ne l e c t r i c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h ep r o d u c t sq u a l i 哆a n dy i e l do f c a t a l y t i cr e f o r m e r p r e d i c t i o nm o d e l b yz h a n gc h e n g t a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh a op e i f e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 n o v e m b e r2 0 0 8 一一， - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚 挚的谢意。 学位论文作者签名： 罗菩 签字日肌砷百 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师 半年口 学位论文作者签名： 签字日期： 流的时间为作者获得学位后： 一年半口两年口 爹 狮衍 黟 ， i ： 气 一 k ， 、 东北大学硕士学位论文摘要 催化重整产品质量与收率预测建模的研究 摘要 催化重整是一个以汽油( 主要是直馏汽油) 为原料生产高辛烷值汽油及轻芳烃( 苯、甲 苯、二甲苯、简称b t x ) 的重要的炼油过程，同时也生产相当数量的副产氢气。催化重 整汽油是无铅高辛烷值汽油的重要组分。在发达国家的车用汽油组分中，催化重整汽油 约占2 5 3 0 。苯、甲苯、二甲苯是一级基本化工原料，全世界所需的b t x 有一半以 上是来自催化重整，同时催化重整是廉价的氢气来源。 工业监控系统是一种涉及现场总线技术、计算机技术、通信技术、数据库技术、多 媒体技术、控制技术和网络技术等的综合集成技术。本文首先分析了催化重整监控系统 的系统要求。然后分别对监控系统中上位机和下位机的设计，特别是对上位机监控部分 工艺界面和功能界面的设计、实现，以及系统冗余，系统维护等方面进行了深入研究。 在统计学习理论框架下产生的“支持向量机”这一新的通用机器学习方法，它植根 于统计学习理论的v c 维理论和结构风险最小化原则，根据有限的样本信息在模型的复 杂性和学习能力之间寻求最佳折衷，以获得最好的推广能力。本文研究了支持向量机的 四类主要核函数及其主要特性，最终选择了r b f 核函数。探讨了支持向量机参数选择 问题，通过实验总结了一些规律。 催化重整产品收率以及产品质量的预测，对整个炼化企业的利润预测及生产方案的 增效分析都有十分重要的意义。本文分别对影响产品回收率和产品质量的各种工艺参数 进行了深入的分析，采用支持向量机的建立了催化重整产品收率以及产品质量的预测模 型。 支持向量机在对模型参数的选择传统方法中人为干预较多，选择过程较为复杂，而 且有时很难得到满意解。基于此问题，本文在充分分析支持向量机和粒子群优化的基本 理论基础上，采用粒子群优化算法进行支持向量机模型参数选择。仿真结果表明，该方 法在预测精度上和仿真时间上都优于传统方法。 关键词：催化重整：监控系统：预测；支持向量机；粒子群算法 一i i 1 。 一 | - 一 - ， r 、 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ep r o d u c t sq u a l i t ya n dy i e l do f c a t a l y t i cr e f o n n e rp r e d i c t i o nm o d e l a b s t r a c t t h ec a t a l y t i cr e f o m i n gi so n et a k et h eg a s o l i n e ( i sm a i n l ys t r a i g h tm n g a s o l i n e ) a st h e m a t e r i a lp r o d u c t i o nh i g ho c t a n ev a l u eg 硒0 1 i n ea n dt h el i g h ta r o m a t i ch y d r o c a r b o n ( b e n z e n e ， t o l u e n e ，x y l e n e ，a r ec a l l e db t x ) t h ei m p o r t a n tr e f i n e r yp r o c e s s ，s i m u l t a n e o u s l ya l s op r o d u c e s t h ec o n s i d e r a b l e 锄o u n tt h eb y - p r o d u c th y d r o g e n c a t a l ”i cr e f o m i n gh i g hp e t r o lw i t ha n o c t a n en 啪b e ro fu n l e a d e dp e t r o li sa ni m p o r t a mc o m p o n e n t i nd e v e l o p e dc o u n t r i e st h e c o m p o n e n t si nt l l e c a r 、析t hg a s o l i n e ，c a _ t a l 如cr e f o r n l i n gg a s o l i n ea c c o u n t sf o ra b o u t2 5 p e r c e n tt o3 0p e r c e n t b e n z e n e ，t o l u e n ea n dx y l e n ei sa b a s i cc h e m i c a l r a wm a t e r i a l s ，a l lo v e r 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i t a ls i g n i f i c a i l c e t l l i sp 印e ru s e ds u p p o r tv e c t o rm a c l l i n e se s t a b l i s l u l l e n tc a t a l ”i cr e f o 肿i n g p r o d u c ty i e l da n dt h ep r o d u c tq u a l i 够p r e d i c t i v em o d e l s b u t ，h o wt 0s e l e c tt h em o d e lp a r 锄e t e r ss v m m u c hs u 仃e r e d 丘o mm a n m a d ei n f l u e n c e ， a n dt h ec h o i c ep r o c e s si sm o r ec o m p l e x ，m o r e o v e ri sv e 巧s o m e t i m e sd i 伍c u l tt oo b t a i nm e s a t i s f a c t o 巧s o l u t i o n c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e m ，o nab a s i so fm 1 1 yd i s c u s s i n gs v m a n dp s o p b a s i ct h e o r y ，也ep a p e ru s e dan e wt e c m q u eb a s e do np s ot os e l e c tt h em o d e lp a r 锄e t e r sf o r s v m t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt 1 1 a tt 王l i sm e t h o ds u r p a s s e st h ec o n v e m i o n a lr o u t e si n t h ep r e d i c t i o na c c u r a c ya n dt h es i m u l a t i o nt i m e - 曩 工 - 、l 东北大学硕士学位论文目录 目录 摘要i i 第一章绪论l 1 1 论文选题目的和意义1 1 2 催化重整过程概述1 1 3 工业监测系统的发展及研究现状5 1 4 基于统计学习理论的支持向量机的研究概况8 1 5 本文的主要工作9 第二章催化重整监控系统设计1 1 2 1 系统分析1 1 2 1 1 系统要实现的功能1 1 2 1 2 系统需要解决的问题1 2 2 2 系统上位机设计l3 2 2 1 系统组态软件ifix 介绍13 2 2 2i f i x 与其它几种典型组态软件的性能比较1 4 2 2 3 上位机系统实现一1 7 2 3 监控系统下位机设计2 l 2 3 1 h o n e y w e i lh c 一9 0 0 21 2 3 2 控制柜( ib x ) 2 2 2 3 3 监控计算机和系统启动步骤2 3 2 3 4h o n e y w eiih c9 0 0d e sig n e r 软件2 3 2 4 本章小结2 3 第三章支持向量回归的理论基础2 5 3 1 统计学习理论2 5 3 2 支持向量机回归估计方法2 7 3 2 1 线性情况2 7 3 2 2 非线性情况3 0 3 3s v m 参数的影响3 1 3 3 1 不敏感系数占3 2 3 3 2 惩罚系数c 3 2 3 3 。3 舳f 函数参数盯2 。3 3 一v 一 东北大学硕士学位论文目录 3 4 本章小结3 3 第四章催化重整预测研究3 5 4 1 高辛烷值汽油辛烷值预测建模3 5 4 1 1 工艺变量分析一3 5 4 1 2 应用支持向量机建立高辛烷值汽油辛烷值预测模型3 6 4 2 基于支持向量机的收率预测建模3 7 4 2 1 原始数据分析3 7 4 2 2 应用支持向量机建立催化重整收率预测模型3 9 4 3 本章小结4 1 第五章催化重整模型支持向量机参数优化4 3 5 1 目前常用的参数的搜索方法4 3 5 1 1 试凑法4 3 5 1 2 最优化方法4 3 5 1 3 网格搜索机制4 4 5 1 4 基于梯度的搜索机制4 4 5 2 粒子群算法基本原理4 5 5 2 1 粒子群算法算法背景一人工生命一4 5 5 2 2 鸟群觅食策略4 6 5 2 3 粒子群算法模型一4 6 5 2 4 算法工作流程一4 8 5 3 催化重整预测模型支持向量机参数优化5 0 5 3 1p s 0 参数选择5 0 5 3 2 仿真结果及分析一5 1 5 4 本章小结5 2 第六章结论与展望5 3 6 1 全文总结5 3 6 2 工作展望5 4 参考文献5 5 致j 射5 8 一v i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题目的和意义 催化重整是以石脑油为原料，生产高辛烷值汽油调和组分和化工原料芳烃，副产氢 气用于石油产品加氧改质的石油炼制工艺过程。装置效益足炼厂和石油化工厂经济效益 的重要组成部分。 工业豁测技术作为2 0 世纪现代制造领域中最币要的技术之一，主要解决生产效率 与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它可以使生产过程集中管理， 便于监测和控制，提高生产效率，节省人力和物力：同时使用计算机控制可以达到更高的 精度，使生产有序进行，提高产品质量，增加企业经济效益。 催化重整产品及其收率预测对整个炼化企业的利润预测及生产方案的增效分析都 具有十分霞要的意义。目前炼油装置收率预测的建模方法很多，如集总模型、人工神经 网络、统计f u j 归方法等。目盼用的比较多的是b p 网路，但由于所建神经网络模型规模 大、适应能力差、通用性差、辨识精度以及b p 网路的局部极小点问题而得不到满意的 效果。 从上世纪9 0 年代开始一种基于统计学习理论( s t a t i s t i c a ll e a n l i n g t h e o r y 或s l t ) 的方 法一支持向量机( s u p p o nv e c t o rm a c h i n e 或s v m ) 初步表现出很多优于已有方法的性能， 并受到越来越多人的关注。本文就足利用支持向景机方法对炼油装置收率预测建模，并 在此基础上，利用粒予群算法过程进行优化控制。本文提出的方法均用m a t l a b 进行 了仿真，证明这是行之有效的方法。 1 2 催化重整过程概述 催化重整是催化过程在工业上应用最成功的实例之一，也是石油加工过程中重要的 二次加工过程及典型的复杂反应体系之一。它是以石脑油( 主要为c 1 c 1 2 的烷烃、环烷 烃以及芳烃混合物，大约有3 0 0 种纯组分) 为原料，在重整催化剂的作用下发生复杂的 重整反应，主产品为高辛烷值汽油或者芳烃，副产品为氢气以及液化烃( l p g ) 。 催化重整过程中发生的化学反应主要使饱和烃生成芳烃，如环己烷的脱氢、烷基环 戊烷的脱氢异构化、烷烃的脱氢环化等；同时也发生烷烃的异构化反应，氢解和加氢裂化 反应。 重整催化剂具有金属和酸巾l 两种功能：金属功能( 一般是铂金属) 可以促进脱氢和环 一】一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 化等反应；酸性功能( 一般为用氯处理过的厂一彳，：d 3 载体) 可以促进异构化和加氢裂解反 应。 经典的重整反应机理认为，烷烃环化生成芳烃的过程是这样的：烷烃首先在催化剂 金属活性中心上脱氢生成烯烃，烯烃再进行异构化或环化，环化时先生成 元环烷，经 异构化生成六元环烷，六元环烷在金属t 心上脱氢生成片烃；但加氢裂化反应是在酸性 中心与金属中心进行的双中心作用机理，烷烃可在金属中心直接加氢裂化，也可由脱氧 。 后生成的烯烃在酸性中心再裂化。表1 1 概括了催化藿整中各类反应的特点和各种凶素 的影响。 表1 1 催化重整中符类反应的特点和操作刚袭的影响 t h b l ei 1e f r e c t so ft h eo p c r a t i i ) nf k t o r sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c 一 旦! 型i 业兰堡箜! i o n si 翌c a t a l 丝i cr e 塑i n gu n j t 反心特点对产 矗产率的影响 肭热妣，黧、萎譬鑫素芳烃差竺c l 4 气体氢气 ( k h k g ) 速度产鼎 世界上第一套催化重整装置是1 9 4 0 年在美国建成的，使用的催化剂为氧化铝氧化 铝。催化重整的大发展，出现在1 9 4 9 年美国环球油品公司( u o p ) 开发出了钔重整催化剂 以后。目前在全世界，催化重整装置1 i 要有两种：连续催化霆整和半再生催化晕利2 训。 其中，连续重整是催化剂循环再生的，一般采用钔锡氧化铝双金属催化剂，其流程比较 复杂( 见图1 1 ) ；半再生重整的催化剂不足连续再生的，而是装置运行一段时间( 1 年 一，) 一二 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 2 年) 后再生催化剂，装瞥锻脚车，椎化剂采用铂徕氧化铝双金属催化剂，流程 图见图1 2 。 图1 1u o p 第1 代连续重整过稗流稃图 f i g 1 1t h ef l o wc h a to fu o p sf i r s tg e n e m t i o nc o n t i n u o u sc a t a 州cr e f o 咖i n gu n i t 图1 27 f 再生式催化重整流科图 f i g 1 2t h ef l o wc h a to fs e m i - r e g e n e r a t i o nc a t a 州cr e f o m i n g 据统计，截至1 9 9 6 年，全世界连续催化重整装置( 串联径向反应器) 约1 5 5 套， 其中美国u o p 叠置式1 4 0 套，法田i f p 并列式1 5 套；而半再生重整装置( 串联轴向反应 器) 则多达5 0 0 多套：另外还有循环再生式及其它类型的重整装置5 7 套。 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 自从1 9 6 5 年我国在大庆建成了第一套霞整装置以来，重整装置规模有了很大发展。 到1 9 9 9 年底我国共有催化重整装置5 3 套，总加工能力为1 5 7 7 lm 妇，其中有4 3 套半 再生重整装置，1 4 套连续重整。半再生重整由于流程比较简单、投资较省很适合对于产 品苛刻度不高、规模相对较小的汽油生产装置，因而仍占据了主导地位。但随着工艺技 术的发展和对芳烃及汽油产品各项技术指标的要求不断提高，连续重整发展很快，并朝 着超低压( o 3 5 m p a ) 和低氢烃摩尔比( 1 3 ) 方向发展，不仪提高了c 5 + 重整生成油的 收率和氢气产量，而且产品辛烷值w 高达1 0 5 。 - 美国的调合汽油的体积组成是3 0 3 5 的重整! t 成油，4 0 5 0 的催化裂化汽油 和不同含量的异构化油、烷基化油及其他调合组分。欧洲的调合汽油中催化重整汽油的 比例更高，约为4 7 4 ，2 0 0 3 年我国在调合汽油的组成中催化重整汽油的比例占1 4 6 。 随着清洁汽油质量的提升，高辛烷值、低硫和低烯烃的重憋汽油在调合汽油巾要占到l 3 左右，按此要求，今后我国催化重褴能力增加主要目的是生产高辛烷值汽油组分1 4 1 。在美 国约7 0 的催化重整装置用于生产汽油，大约3 0 的催化重整装置用于苯、甲苯、二甲 苯( b t x ) 石化产品的生产。 未来的清洁汽油除了在限制硫含量和禁用m t b e 之外，在提高汽油辛烷值的基础 上，还对汽油的烯烃、苯和芳烃提出了苛刻的要求。这样，除了相应增加烷基化油和异 构化油之外，要求生产汽油组分的催化重整装置生产低劳烃的高辛烷值汽油【5 i 。 对催化重整装嚣的汽油生产技术的调整，主要是对苯的控制。汽油中的芳烃特别是 苯，主要来自催化重整汽油。燃料型炼油j 一重整油中的苯体积分数通常为2 0 4 o ， 化工型炼油厂重整油中的苯体积分数为9 0 。一般汽油调合组分中5 0 9 0 的苯是来 自霞整生成油。因此，炼油厂可以降低重整苛刻度来减少重整汽油中的芳烃含量。为此， 在2 0 世纪9 0 年代初期，炼油厂也曾做过努力。但是，重整操作苛刻度降低，氢产量就 大幅度减少，为了满足生产低硫和超低硫柴油对氢气的需求，炼油厂又迫不得已提高重 整操作苛刻度，这样对降低汽油中的芳烃特别是苯含量义带来问题。 由于目前重整装置仍然是高辛烷值汽油、芳烃以及氢气的主要来源之一，以及新的 环境保护条例对车用汽油芳烃含量的限制，重整装置的重要性没有丝毫下降，其装置效 。 益仍然是炼厂和石油化工厂经济效益的重要组成部分。如何对重整装置进行改造适应新 的产品要求以及挖潜增效已经成为各企业决策者关心的t 题，特别是我固的情况。据资 料显示，国外炼油厂催化重整装置能耗( 不包括芳烃抽提装胃能耗) 较低，一般为1 8 8 2 5 1g j t ，而我国一般都高于3 6 0 g j t 。d j 此可见，在节能降耗上就有很大的降低成本、 提高效益空间。因此，催化重整汽油：# 烷值和产品收率预测对整个炼化企业的利润预测 一4 一 东北大学硕士学位论文 枣，、。3 i ， 剐 j h 、。? i 鸭 r 摹，- i ! 一：，t 。 第一章绪论 及生产方案的增效分析都有叶分重要的意义f o 哺抄饽 1 3 工业监测系统的发展及研究现状 工业监测技术作为2 0 世纪现代制造领域中最重要的技术之一，它是一种运用控制 理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调 度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术。 主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。主要解决生产效率与一致性问题。 虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。 在工业过程控制中，压力，温度，湿度以及液化的控制最为常见也是最为重要，特别是 在压力或温度等要求精确、稳定的控制量中，控制的好坏直接影响生产过程的顺利与否 及产品的质量，所以监控系统的设计尤为重要1 6 捌。 目前，世界上工业监测技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。 ( 1 ) 以工业p c 为基础的低成本工业控制自动化将成为主流 众所周知，从2 0 世纪6 0 年代丌始，西方国家就依靠技术进步( 即新设备、新工艺 以及计算机应用) 开始对传统工业进行改造，使工业得到飞速发展。在我国，中小型企 业以及准大型企业走的还是低成本工业控制自动化的道路。工业控制自动化主要包含三 。嘲 个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化 和过程自动化。 ， 、一 传统的自动化系统，基础自动化部分基本被p l c 和d c s 所垄断，过程自动化和管 理自动化部分主要是由各种进口的过程计算机或小型机组成，其硬件、系统软件和应用 软件的价格之高令众多企业望而却步。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于工业计算机( 简称i p c ) 的发展，以i p c ，i o 装置、监 测装置、控制网络组成的p c - b a s e d 的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工 业自动化的重要途径。由于基于p c 的控制器被证明可以像p l c 一样可靠，并且被操作 和维护人员接受，基于p c 的控制系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，为系统集 成商提供了更灵活的选择，所以，制造商至少在部分生产中正在采用p c 控制方案。从 长远角度看，p c 控制系统维护成本更低。 ( 2 ) p l c 在向微型化、网络化、p c 化和开放性方向发展 长期以来，p l c 始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制 设备提供非常可靠的控制方案，与d c s 和工业p c 形成了三足鼎立之势。同时，p l c 也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业p c 所带来的冲击。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是e t h e m e t 技术的扩展，p l c 也不例外。 现在越来越多的p l c 供应商开始提供e t h e m e t 接口。可以相信，p l c 将继续向开放式 控制系统方向转移，尤其是基于工业p c 的控制系统。 ( 3 ) 面向测控管一体化设计的d c s 系统 集散控制系统d c s ( d i s t 衲u t e dc o n t m ls y s t e m ) 问世于1 9 7 5 年。小型化、多样化、 p c 化和开放性是未来d c s 发展的主要方向。目前小型d c s 所占有的市场，已逐步与 p l c 、工业p c ，f c s 共享。今后小型d c s 可能首先与这三种系统融合，而且“软d c s 一 技术将首先在小型d c s 中得到发展。p c b a s e d 控制将更加广泛地应用于中小规模的过 程控制，各d c s 厂商也将纷纷推出基于工业p c 的小型d c s 系统。开放性的d c s 系 统将同时向上和向下双向延伸，使来自生产过程的现场数据在整个企业内部自由流动， 实现信息技术与控制技术的无缝连接，向测控管一体化方向发展。 ( 4 ) 控制系统正在向现场总线( f c s ) 方向发展 由于3 c ( c o m p u t e r 、c o n 仃o l 、c o m m u n i c a t i o n ) 技术的发展，将由d c s 发展到f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。f c s 可以将p i d 控制彻底分散到现场设备( f i e l dd e v i c e ) 中。基于现场总线的f c s 又是全分散、全数字化、全丌放和可互操作的新一代生产过程 自动化系统，它将取代现场一对一的4 2 0 m a 模拟信号线，给传统的工业自动化控制系 统体系结构带来革命性的变化。 根据i e c 6 1 1 5 8 的定义，现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制窀内 的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线使测控设 备具备了数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、传输和控制精度，提高了系统 与设备的功能、性能。 采用现场总线技术构造低成本的现场总线控制系统，促进仪器仪表向智能化方向发 展，产生智能仪器仪表；测控设备的p c 化，虚拟仪器技术将迅速发展；仪器仪表网络化， 产生网络仪器与远程测控系统和控制功能分散化、控制系统行放化，这也符合工业控制 系统的技术发展趋势。 ( 5 ) 工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展 自从1 9 7 7 年第一个民用网系统a r cn e t 投入运行以来，有线局域网以其广泛的适 j h 性和技术价格方面的优势，获得了成功并得到了迅速发展。然而，在工业现场，一些 工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，有线局域网很难发挥作用，因此无线局 域网技术得到了发展和应用。随着微电子技术的不断发展，无线局域网技术将在工业控 制网络中发挥越来越大的作用。 一6 一 t 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 无线局域网( w i r e l e s s t 州严镀术可歧非常便捷地以无线方式连接网络设备，人们 可随时、随地、随意地访问网络资源，是现代数据通信系统发展的重要方向。无线局域 网可以在不采用网络电缆线的情况下，提供以太网瓦联功能。 计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了“基于无线技术的 网络化智能传感器”的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器使得工业现场 的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线局域网技术能够在工厂 环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽 的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不 足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。 ( 6 ) 工业控制软件j 下向先进控制方向发展 自2 01 址纪8 0 年代初期诞牛奄今，工业控制软件已有2 0 年的发展历史。工业控制 软件作为一种应用软件，是随着p c 机的兴起而不断发展的。工业控制软件主要包括人 机界面软件( h m l ) ，基于p c 的控制软件以及生产管理软件等。“一， 目前，我国己丌发出一批具有自主知识产权的实时监控软件平台、先进控制软件、 过程优化控制软件等成套应用软件，工程化、产品化有了一定突破，打破了国外同类应 用软件的垄断格局。通过在化工、石化、造纸等行业的数百个企业( 装置) 中应用促进 了企业的技术改造，提高了生产过程控制水平和产品质量，为企业创造了明显的经济效 益。缸，帕 作为工控软件的一个重要组成部分，国内人机界面组态软件研制方面近几年取得了 较大进展，软件和硬件相结合，为企业测、控、管一体化提供了比较完整的解决方案。 在此基础上，工业控制软件将从人机界面和基本策略组态向标准化、网络化、智能化和 开放性的先进控制方向发展。 总之，计算机监测系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式 模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统( d c s ) 后，将朝着现场总 线控制系统( f c s ) 的方向发展。虽然以现场总线为基础的f c s 发展很快，但f c s 发 展还有很多工作要做，如统一标准、仪表智能化等。另外，传统控制系统的维护和改造 还需要d c s ，因此f c s 完全取代传统的d c s 还需要一个较长的过程，同时d c s 本身 也在不断的发展与完善。可以肯定的是，结合d c s 、工业以太网、先进控制等新技术的 f c s 将具有强大的生命力。工业以太网以及现场总线技术作为一种灵活、方便、可靠的 数据传输方式，在工业现场得到了越来越多的应用，并将在控制领域中占有更加重要的 地位。 一7 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 基于统计学习理论的支持向量机的研究概况 基于数据的机器学习是现代智能技术中的重要方面，研究从观测数据( 样本) 出发 寻找规律，利用这些规律对未来数据或尤法观测的数据进行预测，包括模式识别、神经 网络等在内。现有机器学习方法共同的理论基础之一是统计学。 传统统计学研究的是样本数目趋于无穷大时的渐近理论，现有学习方法也多是基于 此假设。但在实际问题中，样本数往往是有限的，因此一些理论上很优秀的学习方法在 实际中表现却可能不尽人意。与传统统计学相比，统计学习理论( s t a t i s t i c a ll e 姗i n g t h e o u 或s l t ) 是一种专门研究小样本情况下机器学习规律的理论。它的研究起始于2 0 世纪6 0 年代术，在其后的2 0 多年罩，涉足这一领域的人很少。这期间，前苏联人v v a p n i k 等人做了大量开创性、奠定性的工作l l0 1 。到九十年代中期，随着其理论的不断发展和成 熟，也由于神经网络等学习方法在理沦上缺乏实质性进展，统计学习理论开始受到越来 越广泛的重视【l l q3 1 。 统计学习理论建立在一套较i 隆实的理论基础之上的，为解决有限样本学习问题提供 了一个统一的框架。它能将很多现有方法纳入其中，有望帮助解决许多原来难以解决的 问题( 比如神经网络结构选择问题、局部极小点问题等) ；在这一理论基础上，v v a p n i k 等人在9 0 年代提出了一种新的通用学习方法一支持向量机。 支持向量机出现以后，由于工业发展的需要，其理论研究的发展和应川研究非常迅 速。国外最初的工作主要集中在o c r ( 光学字符识别) 。在很短的时间内，支持向量分 类机已经可以同最好的光学字符识别和目标识别任务系统相竞争【l4 1 。关于支持向量分类 机的一个全面指南在1 9 9 8 年已有b u r g e s 发表。 当支持向量机被用来处理函数近似问题和回归估计问题时，被称为支持向量回归 ( s u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n ，简称s v r ) 。支持向量回归是把支持向量机在估计指示函数 中得到的结果推广到估计实函数中，因此它是支持向量机在实函数域的研究内容。支持 向量回归用来处理函数近似问题是非常有效的，特别适合处理高维函数近似问题。 在每年神经信息处理系统会议上可看出支持向量机技术迅速发展。s u y k e n s 等采用 了s v r 进行优化控制的研究，使支持向量机的研究向控制领域发展。不仅开创了智能 控制的新方向，而且进一步拓宽了支持向最机的研究领域。支持向量机现在已经成为一 个活跃的研究领域，它j 下在进入机器学习标准方法工具箱的过程中。 在国内，8 0 年代术期，边肇祺等就注意到统计学习理论的基础成果，但没有引起广 泛的关注【l5 1 。直到9 0 年代术期尤其最近两年，支持向吊机的优异的性能吸引了广大学 者和科研工作者，使我国支持向量机的研究进入了一个新的时期。1 9 9 9 年至2 0 0 0 年关 一8 一 东北大学硕士学位论文 吣 “w 第一章绪论 于支持向量机的论文仅8 擀。确6 r 就增为。f 篇，劐2 0 0 2 年就为7 9 篇，2 0 0 5 关于支持 向量机文章的总数日达到7 6 0 篇。 由于支持向量机找到的是全局最优解，能克服一些传统机器学习方法不能克服的缺 点，因此，在很多问题上都有着其他统计学习技术难以比拟的优越性，所以正在被广泛 地应用于各个领域，比如模式识别( 字符识别、文本自动分类、人脸检测，头的姿态识 别) 、函数逼近、数据挖掘和控制f 1 6 】、预测1 7 j 、综合评价剐、知识获取f 1 9 1 等领域。 支持向量机虽然具有很峰实的理论基础和基于此的优越性能，但在一些方面仍需继 续完善。例如：核函数的选择，支持向量机参数的选择，用于多分类、多输出方面的 s v m ，更快捷更简便的优化算法等等。随着s v m 各项技术的不断完善，相信s v m 会 成为科学研究中又一种强有力的工具。 化学化工领域同样有很多的分类、建模问题，因为过程的机理通常都很复杂，变量 之i h j 存在着高度非线性关系，冈此用传统的方法往往不能很好的完成建模任务，而支持 向量机作为一种有着很强推广能力的建模方法，也已被用于不少化学、化工过程由渺比 如：药物设计、物质溶解度的热力学分析等。催化重整过程足一个典型的复杂化工过程， s v m 在这一领域的应用还鲜见报道，本文其后将对s v m 在催化重整过程中的应用进行 的探讨。 1 5 本文的主要工作 即 第一章：介绍石油催化重整过程。针对本文研究的高辛烷值汽油辛烷值和催化重整 收率问题，阐述预测高辛烷值汽油辛烷值和收率的现实意义；分析国内外化工监控系统 与支持向量机理论与应用方面的发展及研究现状。 第二章：分析石油催化重整过程监控系统的系统功能和要解决的问题，设计丌发石 油催化重整过程监控系统。深入研究计算机监控系统上位机、下位机的设计，对系统的 软硬件进行了详细的分析。 第三章：本章足论文的基础理论部分。统计学习理论是研究关于小样本的学习理论， 支持向量机是统计学习理论的算法实现。本章介绍了本文用到的支持向量机基本理论， 对模型中各参数对预测结果的影响做了较为详细的分析。为采用支持向量机建立石油催 化重整产品质量及产品叫收率预测模型理论准备。 第四章：分析现有支持向量机参数选择方法及其存在的问题。在深入分析粒子群优 化算法的基础上，采用粒子群算法对模型参数进行优化。通过仿真表明，这是一个行之 有效的参数选择方法。 一9 一 ， ， ， l 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第五章：给出了本文的结论，指出目前石油催化重整产品质量及产品凹收率研究中 存在的主要问题以及下一步的发展趋势。 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第二章催化重整监控系统设计 第二章催化重整监控系统设计 本监控系统由h o h e y w e l lh c9 0 0 控制器和i f i x 管理软件组成。i f i x 安装在 监控计算机上，在w 州d o w s2 0 0 0 或x p 下运行二i f i x 通过h o n e y w e l l 控制系统 来盟测工艺过程，改变操作参数、收集和管理装置数据，通过用户友好的i f i xh m l ( 人 机接口) 界面，实现用户全部j l i 控和管理功能。 h o h e y w e l lh c9 0 0 控制器是h o n e y w e l l 开发的，用于中、小规模系统的控 制器，h c 9 0 0 控制器含有电源、c p u 、模拟和数字输入输出、通讯等各种模块，通过 以太网实现c p u 模块与监控计算机之问进行通讯。c p u 模板、监控计算机都有以太网 口。通讯驱动软件为k e p w a r e ，监控计算机是人机接口，监控计算机意外停机并不影 响摔制器的控制过程，但数据存储和人机会话在豁控计算机停机期间不能进行。 2 1 系统分析 本系统所监测的设备众多，包括温度、压力、液位传感器和变频器，气动阀门，两 位式阀门以及电机等。空间分布位置比较复杂，信号形式多种多样，有开关量，有模拟 量，有串行通信，需要将这些信号集中在中控室实时监测，并通过网络将实时数据和历 史数据传送给办公室管理人员【2 0 。2 2 1 。 2 1 1 系统要实现的功能 根据工艺要求，我们制定项目需求分析书，该项目主要实现以下功能： ( 1 ) 实时监测 本项目的现场设备较多，对设备的数据的实时采集和显示尤为重要，这样可以在豁 控界i 百i 一目了然的看到当前设备的工作状态，运行数据或生产过程中温度，压力，液位 等生产过程参数是否符合生产要求，而这些最终关系到产品质量能否达到指标。其中存 在大餐的控制叫路，包括常规p i d 控制，串级分程p i d 控制，自整定p i d 控制，泵与 两位式阀门之间的联动等。 ( 2 ) 数据分析，信息提取 对于管理和工艺人员来说，他们关心的不是某一个时刻某个传感器的采样值或某个 设备的运行状态和运行数据，而是经过处理后有价值的信息以及操作数据一记录。既应 该有某一设备实时的曲线也应该可以调用历史数据，打印历史曲线。并且能够产生并打 印同报表、周报表、月报表甚至年报表。这对于操作责任的明确有很大好处，更熏要1 1 勺 一1 1 东北大学硕士学位论文第二章催化重整监控系统设计 是对工艺人员的工艺改造和管理人员的生产管理决策起到极大的支持作用。 ( 3 ) 报警发布 化学发生原料泄漏或聚合时发l ：泄漏或爆炸，后果是相当严重的。当异常情况发生 时，能及时产生报警，就可以使得相关人员在笫一时阳j 得到准确可靠的第一手资料，及 时处理发生的险情，提高安全水平。 ( 4 ) 系统远程监测 对于管理人员来说不可能像操作工一样，一直呆在中控室进行观察、记录和操作， 或者通过简单的对话机和内部电话询问生产进程，因为这样很难以真正清楚的了解当时 的情况，他们更希望在办公室可以实时的调看监控界面，实时数据和历史数据，然后根 据这些情况作出决策，发出指令。 2 1 2 系统需要解决的问题 ( 1 ) 工艺监控界面设计 1 ) 尊重原理图。 2 ) 考虑实际空间位置及实际设备外脱。 3 ) 界面简洁，美观，易懂而且重点突出，长时i f i j 观看不易疲劳。 ( 2 ) 方便调用设备实时监测内容 1 ) 实时数据的采集与分析，以箨种图形显示，数字显示，动画显示。 2 ) 每个监测量的报警限设置，即高报警，高高报警，低报警和低低报警。当信号 值超限时发出报警。并设置不同的报警优先级，提高设备的安全性。 3 ) 各被监控点的状态数据及报警清单的显示。查询和打印。 4 ) 各被监测点或操作员操作记录的h 报表、周报表、月报表和统计报表等。 ( 3 ) 实时监测数据共享 各个被监测点的信号被集中到中控室，写入数据库中，可以访问中控室电脑，浏览 监控界面，查询整个系统的实时数据和历史数据，做到数据共享。并且被监测点的数据 可以查询及打印，重视实用性，操作简便，方便用户使用。 ( 4 ) 系统冗余 基于系统稳定运行和应付突发情况( 如电脑突然死机) 的