（机械电子工程专业论文）催化裂化智能监控及诊断指导专家系统的研究与开发.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗堡墨望睦或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 仟何可j 献均己存论文一_ f 作了明确的晚明并表示了谢意。 学位论文作者签名：方葬群 签字日期：f 年月2 ；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗堡墨鲎睦 有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨洼堡兰望睦 可以将学位论文的全部或部分内容编入有 哭数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供 直阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：艿舞拜 导师签名： 砖 应 ， 签字日期：知。f 年f 月上，日签字日期：撕3 年月够日 摘要 催化裂化智麓监控及 诊断指导专家系统的研究与开发 摘要 f k 催化裂化过稷是石油二次加工过程中最重要的一环，其工麓复杂，控制回路较多， 焉且怒个连续静生产过程，产晶蒺蓬兹瓣嚣、 | 雯率懿嵩低秘节熊降耗等都专系统静乎 稳运行有关。而由于原料品种和性质的频繁变化，导致系统经常处在较大的波动状态。 因此完成装鬻运行状态的评价和诊断并给出专家处瑗意觅和措施对实现系统的平稳运 行积後佬具蠢重要意义。 由于催化裂化系统的多变量、非线性、强耦合的特性，要分析系统运行状态并给 密相应的处理搐濂，穰难通过建立合适的系统模型- 泉实囊。专家系绫艟逶过利臻久类 专家知识和模拟专家的推理过程使人们w 以融含数学算法和控制工稷的操作经骏，最 大限度利用已有知识，避免精确数学模数的要求，囿时将专家系统与组态软件结合， 充分裂瘸其在动态菠嚣摄示，实爵数据袋集、处秘方嚣豹强大功戆，实现嚣豢往势 互补，达到传统监控方式难以取得的监控效果j 专家系统技术通过基于知识结构的启 发式逻辑的应用，为处逢对象过程不甚了解的溢控提供了较为有效鹃方法。蔺辩，计 簿李且褒过程工业中应用数习蕊普及，大大的促避了智能控臻在生产过程系统中的成用。 为此，本文在完成整个系统组态和常规控制的基础上，以催化裂化系统中的分馏系统 作为耋点篮控对象，蔫能l 淤开发了分镄塔整控专家系统软传，淡减少软佟开发瘸麓。 本论文工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 利用三维力控软件完成了赘个灌亿裂纯系统的流程组态，实现运行系统流程的 动态鼹示、报警、趋势湿示、掇表等功能，完成了系统鹃鬻援控铡熟p 国控剁。 ( 2 ) 以催化裂化系统中的分馏塔为重点监控对象，开发了分馏塔监控专家系统软件。 采雨专家系统舞巍c l l p s 楚开发工具，完成系统熟识瘁戆构蘧，茭稚识表示采 用规则表示法，实现系统正向链推理，并月疆内链规则模拟反向链雄理。对机 器学习进彳亍了探讨和研究，并采用机械式学习和实例学习的方法使系统具备一 定静蜜学习能力。 ( 3 ) 通过组态软件的d b c o m 接口，使组态软件姆专家系统软件有机的结合，研究 并实现两者的集成，幂g 用前者实时数据库的数据采集与疑理功能，通过专家系 绞的推理绘出系统的逡嚣状；蠡趋势及对异誊现象豹处理意见。 ( 4 ) 构建企业信息化网站，实现网络信息发布和系统的远程监视、分析和评价。 关键词：催化寂钇分馏罾组态 诊断指导远程监视采 v 、- 芷疋 a b s t r a c t _一一一一 a b s n a c t c a t a l y t i ca n dc r a c k i n gp r o c e s si so n eo f t h em o s tl m p o r t a n tp a n sm d e t r o l e u ms e c o n d a r yp m c e s s i n g b e c a u s eo f i t sc o m p l e x i 劬l a r g eq u a n t i t yo f c o n t r 0 1 1 0 0 p sa n d i t sc o n t i n u i t y ，t h ep r o d u c tq u a l i t y ，y i e l da n ds oo na r ec l o s e l y r e l a t e dt ot h es t a b i l i t ) ro f t h es y s t e m f r e q u e n tc h a n g e si nc r u d e o i lt y p ea n d q u a l i t yo r e nm a k ef c c f l u c t u a t e ， a n dt h a tm a k e si ts i g n l 矗c a n tt oe v a l u a t et h es y s t e mw o r k i n g s t a t u sa n d d i a g n o s e t h ef a u l t 、h i l eg i v i n gt h ee x p e n sp r o p o s a lt od e a lw i t ht h es i t u a t i o n ，w h i c h h e l pt oo p t i m i z et h ep m c e s s w h i l ef c cp m c e s si sam u l t i v a r i a b l e ，n o n l i n e a r a n dc o u p l 亡dp i a n t ，i ti so fg r e a td i m c u l t yt oa n a l y s e sa n dm a k et h ep r o p e r a c t i o nb ys y s t e mm o d e l i n g e x p e r ts y s t e mc a ni n t e g r a t et h em a t ha r i t h m “c a n do p e r a t i o ne x p e r i e n c ei nc o n t r o l l i n ge n g i n e c r i n gb ym a l 【i n gu s eo fe x p e n k n o w l e d g e a 1 1 ds i m u l a t i n ge x p e r t si n f e r e n c i n gp r o c e s s ，w h i l ea v o i d i n gm a k i n g a c c u r a t em o d e l c o m b i n i n ge x p e r ts y s t e mw i t hc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ec a n g a i n g o o dm o n i t o r i n ge 日e c tb yu t i l i z i n gt h ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ss t r o n gf u n c t i o n i nd a t ac o l l e c t i n g ，h a n d l i n g ，d y n a m i cp i c t u r eo f t h ep l d c e s sa n ds oo n e x p e r t s y s t e mt e c h n i q u ep r o v i d e se f r e c t i v e m e t l l o dt om o n i t o rt h o s ep l a n t sw h o s e d m c e s s e sa r ed i 髓j c u l tt ok n o we x a c t l yb yu s i n g t h ek n o w l e d g e b a s e ds t m c t u r e a n di 1 1 u m i n a t i v el o g i c t h ew i d e s p r e a du s eo fc o m p u t e ri np m c e s si n d u s t r y g r c a t l ye n h a i l c e s 印p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n ts y s t c mi np r o c e s si n d u s t 阱0 nt h e b a s i so ft h ec o m p l e t eo fs y s t e mc o n f i g l l r a t i o na n dr e g u l a rc o n t m l ，f h c t i o n a t i n g t o 、v e rm o n i t o r i n ge x p e r ts y s t e mi sd e v e l o p e db yu s i n gs h e nc l i p s ，w h i c h g r e a t i ys h o r t e n s t h ed e v e l o p i n g c y c l e t h em a i nw o r kt h a tt h ew r i t e rh a sd o n ei sa sf o l l o w s ： i f i n i s h i n g t h ew h o l e c o n 6 昏l r a t i o n o ff c cs y s t e mu s i n gf o r c e c o n t r o ls o f t w a r e ，r c a l i z i n gt l l ef u n c t i o no ft h ed y n a m i cp i c t u r eo f p r o c e s s ，a l a m l i n 舀t r e n ds h o w i n g ，r e p o r t a i l de t c ，r e g u l a rc o n t m ls u c h a sp i dc o n t m la r ea l s o a c c o n l p l i s h e d 试 e x p e r ts y s t e mf o rf h c t i o n a t i n gt o 、v e rm o n i t o r i n g i s d e v e i o p e db y u s i n gd e v e l o p t o o lc l i p s ，w i t hw h i c h k i l o w l e d g eb a s ei sc o n s t m c t e d k n o w l e d g e i s p r e s e n t e du s i n g m l e - b a s e dm e m o d f o n a r d 试f e r e n c i n gi sa c h i e v e d ，s oi sb a c k w a r di n f e r e n c i n gb ys i m u l a t i n g f b r 、v a r do n e i i i r e s e a r c hi ni t sc o m b i n a t i o nb e t w e e nf o r c e c o n t r o ls o f t w a r ea n d e x p e r ts y s t e m i sm a d 邑 i v aw e b s i t em 旬o r i n gi ne m e r p r i s ei n f o m l 砒i o n z a t i o ni sc o n s t m c t e d ， i n f b 肿a t i o na b o u tt h e、v r i t e r sw o r ki s p r e s e n t ， 锄dd i s t a n t m o n 王t o r i n g ，a 1 1 a l y s i sa n d e v a i u a t i o na r ea c h i e v e d k e yw o r d s ：c a t a l ”i cc r a c k i n g ，f r a c t i o n a t i n gt o w e r ，c o n f i g w a t i o n ，e x p e r ts y s t e m ， k n o w l e d g e ，i n f b r e n c i n g ，s e l f 1 e a m i n g ，d i a g n o s i sg u i d i n g ， d i s t 趾t m o n i t o r i n g 2 第一章绪论 第一章绪论 近年来，计算机和网络技术突飞猛进的发展迅速改变着工业自动化的现状。 过程控制t f 朝着高级阶段即综合化、智能化方向发展1 2 ”。以智能理论和技术为 基础，以计算机及网络为主要手段，将智能技术与过程控制结合，促使当前的 催化裂化d c s 系统跃升到新的高度，逐步实现生产、管理和控制的全面综合。 借助专家系统技术，把传统的、智能的控制算法都集合在知识库中，利用专家 经验和启发式逻辑以提高过程控制的安全性、适应性和可靠性。 1 1 问题的提出 上世纪九十年代初期起，国内各炼油厂开始相继采用集散控制系统 f d i s t r i b u t e dc o n 仃o ls v s t e m 简称d c s ) 。据统计，至1 9 9 8 年中国石化集团公司 所属企业已有3 3 7 套d c s 系统投入使用【2 2 j 。催化裂化装置是炼油厂的核心效 益装置，d c s 的应用极大地增强了系统的控制能力，使劳动生产率和产品质量 获得了很大地提高。 然而，由于催化裂化装置本身的工艺复杂、操作条件千差万别给操作和维 修带来很大的困难，加之所使用的d c s 型号繁多，而且出各不同肯4 造商生产， 其功能结构上差异很大。另外，为了使系统j 下常运转，企业不得不将大量的人 力、物力投到操作和维修人员的技术培训中，而新的操作维修人员往往无法马 上掌握技术，故常会产生误操作，故障设备不能得到及时维修，从而影响了生 产装置的正常运行。 为解决这个问题，一方面在管理上下手，另一方面主要通过采用新技术来 改进。因此如何实现整个催化裂化生产过程的自动监控和管理以进一步地提高 生产的自动化水平，提高生产过程操作和控制的稳定性、安全性，保证产品质 量、目标产品的收率并节能降耗，降低生产成本，达到提高综合经济效益的目 的成为当前研究的热点。同时，出于催化裂化装置具有工艺复杂、设备繁多， 操作条件千差万别的特点，在催化装簧因各种异常状态和数簿引起的非计划停 工占效益流失的7 0 之多。所以研究如何准确麴评价系统的运行状态，实时 诊断，进行出现的异常状态进行操作指导，及时采取合理措施，预防和减少设 备和工艺操作的故障，防止非计划停工具有非常重要的意义。 1 2 国内外催化裂化监控及诊断专家系统发展现状 由于d c s 具有可靠性高、适应性强、灵活性强、扩展性能好、控制功能 强、精度高、维护工作量小等优点。目前，国内各炼油厂f c c ( 流化催化裂化) 装置都已逐步采用d c s 取代常规控制仪表。在应用水平上，大多数f c c 装置 的d c s 在一定程度上满足了生产安全、稳定、长周期运行的要求，发挥了d c s 的基本功能，有一定的经济效益。就整体而言，各炼油厂f c c 装置采用的d c s ， 在硬件方面达到了国际先进水平。但在软件应用和开发方面，大多数是初级的， 应用深度不够。只有少数装置实现了先进、优化控制。虽然专家系统在很多领 域已有广泛的应用，但在石化方面的应用还是比较新的，尤其是在国内。近几 第一章绪论 年国内外在智能髓控方面的研究开发和应用如下： 扰顺石油一厂子1 9 9 7 年开始实施催化袭化系统反应稃笺单元鹩先进和优 化控翎试验，采精的是荚圈a s p e n s 公司的多变量预估控制帮奁线实孵优化控制 技术。 长蛉炼港化工总厂与华中理工大学曾联合开展了c l p s ( 计算孛且集成过程系 统) 浆套关班变工 乍，开发了基于c i p s 环境下的生产调度专家系统，用以协 助企业的总调度室管理与控制，实现生产安垒化、集约化，进一步实现计算机 集成过程。 长岭炼油化工厂于1 9 9 9 购买0 2 丌发工具，玎发出针对l # 催化裂化装置 的过程监视和故障诊断，并结合总公司推广的r m p c t ( 鲁棒多变蹙预估控制技 术) 来实现系统的先迸控制。由予p i 实时数据库向美国m o r e 公司d c s 系统 写数问题没有解决，控制只能遴行在绒指导，没有实王霓闭环控蒂，觚一定程度 上降低了系统静篌期效果。 1 9 9 7 年在海湾的一家美国炼油厂滚化催化裂化装置中年采媚7 多变羹颈 锆控铡。控铡器包括输入预热系绞、反应器、再生气，主爱黝分缓爨及瀑气压 续极。 1 9 9 8 年德国的一家炼油厂对逑续催化荆再生单元实施了基于计算机的先 进控制系统。此项目融合了覆盖整个单元的大量a p c ( 先进过程控制) 应用。 纵观国内外石油化工自渤化技术发展趋势，在监控方面，a p c ( 先进过程 控制) 中的模糊控制、神经随络控制、模型预测控制和预测爵数控蒂0 已开始试 验应厢，专家控制也处于研究和试验阶段。 1 3 本系统所采用的方法 本系统采用大庆三维力控软 牛公司开发的力控组态软 譬卷完成系统的数据 采集和处理，完成整个系统的滤程组态，实现以下几项任务： ， l 、运行系统流程画丽的实时动态显示； 2 、自动打印各种实时，历史生产报袭； 3 、自由浏览各个实时历史趋势画面； 4 、及时得到并处理各种生产过程报警糯系统报警； 5 、在需要时，人为干预生产过程，修改生产过穰参数和袄态； 6 、与管理部门豹计算梳联两，为管理都秘提供所需生产数据 在完成组态静基磷上，利用专家系统外竞c 己i p s 开发掰以分馏垮为主要蓝 控对象静专家系统，遴过组淼软件d b m 接日实骥与专家系统瓣集成，实现 系统运纾状态的评价，教障诊叛秘异索憾提处理瓣掺最。慕用e l 氆8 软彳牛可以 大大缨短专家系统的磺制周期，尤其对犬专院援进群专家寨统方疆的研究翻开 发很适合。采用专家系统完成系统评价和救障诊断主要有以下意义： 1 、专家系统根据生产过程的需臻及生产进程的情况，进行工况分析和故障 诊断进行操作指导、事故报譬。 2 、专家系统可将操作、维修人贸多年的经验通过一定的方法收集起来，存 储子知识库，雨知识痒不会溺为人员的离职而丢失 3 、专家系统可将多个专家的知识存储在一超，西藏耩用专家系统所作静判 数速度稻准确饿榴辩一般的搡佟工和维修入虽要离 4 、利用专家系统霹对耩遴躲人爨进行培稿| ，逶避专家系统豹模拟运行，新 本 第一章绪论 酌搡佟、维修人员能够较快毽掌摇技术 系统的总体结构如图1 示 隧l 、系统总体结构圈 5 课题另一部分 第一章绪论 诊断指导专家系统从数据库获取所需的数据对系统的各监控点进行实 时的评价和诊断。作者对分馏子系统8 个监控点进行了重点研究和开发，以 下8 个监控点对系统的稳定性和产品的影响最大：塔2 0 1 液位监控、塔2 0 1 压力监控、容2 0 2 液位监控、容2 0 i 液位监控、粗汽油干点监控、轻柴油闪 点监控、塔2 0 2 液面监控、中段回流监控。8 个监控点的知识、规则和推理 框图见附录。 1 4 系统实现所应用启勺计算机技术 一、力控软件组念技术 在自动监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据采集处 理中心、远程监视中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组念软 件与各种控制、检测设备( 如d c s 、p l c 、智能仪表等) 共同构成快 速响应控制中心。利用组态软件涉及图形界面的开发技术、实时数据 库的组态技术、控制功能模块的构建及与第三方软件的接口技术。 二、c l i p s 软件的专家系统丌发语言 c l i p s 是“c l a l l g u a g ei n t e g r a t e dp m d u c t i o ns y s t e m ”的缩写，意为 c 语言集成产生式系统，是美国宇航局推出的用于编写基于规则的专 家系统程序的专用语言1 2 j 。此部分涉及到c l i p s 知识库的构建技术、 模糊技术、反向推理实现技术、机器学习以及与第三方软件的集成 技术。 三、信息发布及远程监控技术 利用网站开发软件d r e a m w e a v e r 构建一个工业企业信息化 的专业性小网站，将所做课题相关信息及工作在网上发布。利用力控 w e b s e e r 功能使用户在客户端的技 l 览器中鱼接查看力控实时动念画 面、实时数据、历史数据。在远程浏览器上可寅接访问服务器中的数 据，无需在远程客户端机器上安装力控软件。 四、网络体系结构 本系统采用客户服务器结构，它是一种基于网络的、从独立式结 构扩展来的结构。在这种系统中，网络上一台节点作为服务器，其他 多个节点作为客户端，客户端通过网络服务器程序可以访问服务器端 的过程数据，客户端本身没有数据库，过程工，0 数据全都集中连接在 服务器端。 本文各章节的主要内容和结构安排如下： 第一章主要介绍了课题的研究的背景和意义、智能监控的发展状况、 专家系统的研究应用情况及课题所涉及的计算机技术。 第二章介绍了系统总体结构和催化裂化的工艺流程，详细叙述了整个 系统的组态，重点论述了专家系统知识库的构建、推理方法， 研究了专家系统的自学习，简介了解释机制和软件测试方法， 给出了网络结构和系统远程监控。 第三章论述了系统组态各功能的实现，系统的状态评价、诊断和异常 情况处理措施，介绍了网络发布及远程监控的实现。 6 第一章绪论 第四章给出了组态的进一步完善，专家系统的发展和改进以及网站内 容的丰富。 第一章系统的结构与设计 第二章系统的结构与设计 本章介绍了催化裂化系统的工艺流程，给出了系统监控的整体结构，论述了 系统各部分组态和控制策略的实现，详细的介绍了针对分馏塔监控故障诊断专 家系统的构建过程。探讨了力控软件与专家系统的结合，给出了系统的网络结 构和系统的远程监控。 第一节系统结构 催化裂化监控系统的硬件结构如图2 1 示。系统结构可分为三级：第一级 为工业现场级，传感器和仪表测量生产过程采集实时数据传送到中控室，这些 数据和信息包括系统反应温度、流量、液位和操作压力等，这些生产过程数据 和设备运行状念的信息是实现系统监控的基础。第二级为直接控制级，该级由 p l c 、专用控制器和d c s 设备等组成，直接面对生产现场的各类设备，完成各 现场设备的检测和控制。第三级为监控管理级，该级上主要有监控计算机、操 作站、工程师站。它综合监视直接控制级中各站点的所有信息，集中显示，集 中操作，进行各控制回路的组念，参数设定和修改，实施远程监控、先进控制 过程等。 2 1 系统硬件结构圈 第二章系统的结构与漫计 第二节流化催化裂化工艺流程 要完成系统的组态、监控和诊断首先需要熟悉其工艺流程。催化裂化 是石油二次加工最主要的方法之一，在炼油生产中占有重要的地位。原油 在炼制成石油产品的整个过程中，通常首先要经过第一道加工程序蒸 馏。蒸馏是物理加工过程，把原油分割成若干个馏分，较轻的馏分直接作 为产品。较重的馏分含蜡油较多，凝固点在3 0 4 0 ，需要经过化学加工 裂化，爿能变成汽油、煤油、柴油等轻质燃料油品。 催化裂化是靠催化剂的作用在一定的温度条件下，使原料油经过一系 列化学反应，裂化成轻质油产品的。流化催化裂化的催化剂是固体，原料 油在与催化剂接触反应时，总是要生成一些焦炭，沉积在催化剂的表面上， 并且很快使催化剂失去催化作用。因此，必须不断地用空气把沉积在催化 剂表面上的焦炭烧掉，以恢复它的催化作用，该步骤叫做催化剂再生。再 生过的催化剂又可用来继续进行裂化反应。这种不断地循环反应和再生的 过程是催化裂化生产装霹的主要部分，催化裂化装置工艺流程简图如图2 2 所示。 1 1 反应再生子系统工艺流程 常压渣油直接进入装置内与从罐区来的减压蜡油进入原料缓冲罐，经 泵从原料缓冲罐低抽出依次送入至换热系统及原料加热炉，原料油进提升 管前与回炼油和钝化剂汇合，经管道混合后一并进入提升管进料喷嘴i l ”。 提升管反应器进料进入提升管下部，通过两个喷嘴用蒸汽进行雾化， 分散成与催化剂粒径相近的微粒，与来自再生器的再生催化剂接触，立即 汽化并反应，产生的反应油气携带催化剂沿提升管向上流动，在出口处通 过旋风分离器，使催化剂与油气迅速分离，以减少二次反应，油气及夹带 的一部分催化剂经一个单级旋风分离器分离，分离出来的油气去分馏塔， 回收下来的大部分催化剂经料腿流入汽提段，底部送入蒸汽，汽提段内设 有盘形挡板，使沉积有焦炭并吸附一定量的油气的催化剂与蒸汽逆流接触， 除去催化剂上所吸附的油气。 沉降器的压力由气体压缩机入口压力调节汽轮机转速来控制，正常时 保持沉降器顶压力为0 1 8 0 1 9 m p a 。反应温度由再生斜管单动滑阀的丌 度控制催化剂循环量来恒定，沉降器内催化剂斜位由待生斜管单动滑阀的 开度控制。 9 箱二章系统的结构与设计 图2 2f c c u 工艺流程简图 1 0 第二章系统的结构与设计 2 2 分馏子系统工艺流程 图2 _ 3 分馏塔流程简图 来自沉降器的反应油气进入分馏塔( 塔- 2 0 1 ) 下部，塔下部装有人字 挡板，塔内装有2 8 层塔盘，将反应油气分离为粗汽油、轻柴油、重柴油、 回炼油和油浆。为了控制塔底油浆固体含量和降低焦炭产率，油浆可以送 出装置，或部分返回提升管回炼。为了提供足够的内回流和使塔负荷分布 均匀，在塔中部设了回流。塔2 0 1 顶油气经前冷干空气器冷却，再经后冷 器，冷凝冷却至进入油气分离器。在4 0 ，o 0 6 m p a 的条件下，达到气液 平衡，气体去气体压缩机，粗汽油用泵2 0 2 加压送往吸收塔做吸附剂。正 常生产时，粗汽油不作为塔顶回流，当开工初期，顶回流未建立之前，或 顶回流量不足时，粗汽油可作冷回流使用。 项回流抽出后与脱氧水换热，轻柴油自1 7 层塔盘流出，一部分入汽 提塔上段，最后去精制部分，另一部分去吸收塔。 一中断回流自塔1 3 层抽出，去脱吸塔底重沸器作热源，换热后返回 塔1 6 层。 回炼油从塔第3 层自流入中间罐，然后用回炼油泵抽出一部分回塔的第 2 层上方做回流，一部分与常压渣油混合入提升管。另一部分作为二中断 回流，作为稳定塔底重沸器的热源，降温至2 5 0 左右返回分馏塔第5 层 塔盘。 循环油浆回流作用是冷却反应油气，脱除塔底下部的过剩热量以便分 馏，同时洗涤反应油气中夹带的催化剂，防止反应油气中的催化剂进到塔 的上部，造成塔盘阻塞。油浆自塔底用油浆泵抽出，经蒸汽过热器后再与 原料换热，其中一部分回人字形挡板上，控制塔板下气温度，保证分割， 少部分返回塔底部，以防结焦。 第二章系统的结构与设计 2 3 吸收稳定系统的工艺流程 从容2 0 1 来的富气被压缩机压缩到1 6 m p a ，经冷凝器冷凝到4 0 进入 油气分离器，分离出压缩富气和凝缩油。从容3 0 1 来的压缩富气进入吸收 塔下部，从分馏系统来的粗汽油由塔上部进入，进行逆流吸收。吸收塔顶 来的贫气，进入再吸收塔，用轻柴油做吸收剂，将贫气中大于c 2 的组分再 次吸收下来，塔顶出来的干气一部分去提升管作为预提升气体，另一部分 进入系统瓦斯网，塔顶的富吸收油返回塔2 0 1 。自容3 0 l 出来的凝缩油用 泵3 0 1 1 2 加压，与脱丁烷汽油换热到7 0 进入塔3 0 2 上部脱除c 2 等成分。 自塔3 叭底流出的饱和吸收油和塔一3 0 2 顶出来的脱吸气体与富气混合 冷却后在容3 0 1 中进行相平衡，不凝油气和凝缩油分别去吸收塔和脱吸塔。 塔3 0 2 底的脱乙烷汽油，用泵3 0 3 加压，经换热器被脱丁烷汽油加热进入 脱丁烷塔。 第三节系统的软件组成部分 系统智能监控和诊断专家系统软件结构如图2 4 示，主要由系统组 态、专家系统和网络发布三部分组成。 图2 4 系统软件总体结构 3 1 催化裂化系统流程组态部分 此部分完成监控系统与操作人员间的交互界面，是实现对整个系统的 监视、控制、调度和管理的核心与关键。人机界面分为两部分：用于同 常监视、系统参数设置的主界面和用于非日常监视信息、各种报表、趋 势图及帮助信息或完成各工艺流程操作的子界面。同时对工艺参数、设 备运行参数通过一览表的形式来汇总。系统组态的过程实质是把组态显 示界面上的按钮、报警以及生产趋势图形等与现场执行设备或仪表建立 对应连接，使操作员在操作站通过系统组态画面上相应地控制对象实现 对现场的执行设备和仪表所进行操作和监视的过程。 2 第二章系统的结构与设计 3 1 1 组态软件的选择 组态软件是用户可定制功能的软件平台工具，是随着集散控制系统 ( d js t r i b u t e dc o n t r 0 1s y s t e m ) 及计算机控制技术的r 趋成熟而发展起 来的。实际上组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自 动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组念方 式( 而不是编程方式) 提供良好的用户丌发界面和简捷的使用方法其 预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能， 并能同时支持各种硬件厂家的计算机和i o 设备，与高可靠的工控计算 机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进 行系统集成。 本系统组念采用大庆三维公司开发的力控软件是运行在 w j n d o w s 9 8 斛t 2 0 0 帜p 操作系统上的一种组态软件。使用力控，用户 可以方便、快速地构造不同需求的数据采集与监控系统。 本系统软、硬件环境： 1 ) 本系统采用w i n d o w s 2 0 0 0 作为系统软件，开发的系统软件安装在系统 下： 2 ) 数据处理、系统组态由力控软件完成，诊断指导专家系统由c l i p s 完成，主程序由v i s u a lc + + 完成： 3 ) p e n t i u m 4 ，2 5 6 m 内存，4 0 g 硬盘： 4 ) t c p i p 网络通讯协议统。 3 12 系统各部分组态 组念软件通过i o 驱动程序从现场i o 设备获得实时数据，对数据 进行必要的加工后，方面以图形方式直观的显示在计算机屏幕上；另 一方面按组态要求和操作员的指令将控制数据送给i ，o 设备，对执行机 构实施控制或调整参数控制。数据流程如图2 5 所示 笙三童墨竺盟笙丝兰墼堕 一 幽2 5 数据流稗 本系统组态的步骤如下： 1 ) 将所要 d 点的参数收集整理成表格，以备组态时使用；格式如图2 6 所示 i ，o 位号名称说明 工程单位量程上限量程下最报警上限报警下限正常值 f r 2 2 0开工冷回流重池 2 1 0 02 5 0 02 2 0 d2 4 0 02 3 叩 u 配a 2 0 2 p v 油气分离器液位 d n r 。i 0 l o2 0 图2 6 i o 点参数表 2 )根据工艺过程绘制、设计画面结构和画面草图； 3 )根据1 ) 统计出来的表格建立实时数据库，组态各种变量参数； 4 )根据2 ) 所得的画面结构和画面草图，组态出每一幅静态操作画面； 5 ) 将操作画面中图形对象与实时数据库变量建立动湎连接； 6 )对组态内容进行分段和总体调试； 将催化裂化系统分为反应再生、分馏和吸收稳定三部分进行组态 a 反应再生系统组态 反再系统涉及三大平衡：物料平衡、热量平衡和压力平衡。这三大平 衡是整个装置进行正常生产的基础。因此要对其中的各关键工位给出各自 的控制与监视界面，以对其温度、流量、压力分别进行监控。其中反应温 度是控制反应深度、产品分布及产品性质的重要参数。而温度的保证和维 持主要是通过调节催化剂流量，即调节再生单动滑阀开度来实现。对单动 滑阀的丌度可通过手动或自动调节实现。反应压力则通过控制气压机输出 气压来实现控制的。反再系统的温度点分布如图2 7 所示。 1 4 第二章系统的结构与设计 图2 7 反再流程温度点 a 分馏系统组态 分馏系统的首要原则是控制好各段回流和温度，稳住各处液面，合理调 整热平衡，实现平稳操作。因此在组态时要重点监控各段回流温度、流量。 其组态主画面如下图2 8 所示： 第二章系统的结构与设计 图2 8 分馏流程主画面 当运行过程出现故障时，系统自动报警并将出现故障的时间、类型、 报警级别等参数记录下来，如图2 9 所示： 图2 9 报警记录 第二章系统的结构与殴计 b 吸收稳定系统组态 幽2 1 0 吸收稳定流程主画面 吸收稳定流程主画面如图2 1 0 所示，该部分完成吸收稳定总览图、 报警图和数据表。数据表由温度、压力、流量、液位和气压状态等组成。 与其他系统一样，每天的运行情况都能自动汇总，形成报表如图2 1 1 所示 图2 1 1 报表 3 1 3 系统的常规控制 在监控系统中，监控硬件设备是必不可少的，这些设备可以是p l c 、 d c s 、智能仪表或基于p c 的工业计算机( p c - b a s e d 设备) 。在传统的 控制系统中，这些设备是参与控制的主角，监控组态软件的控制功能 第二二章系统的结构与设计 也离不开这些设备，过程信号的输入和输出必须经由这些硬件设备与 现场设备相连。利用组态软件的控制功能可以弥补传统设备控制能力 的不足、扩大p c 山a s e d 设备在控制系统中所占比例。 p l c 、d c s 、智能仪表的内部都具有现成的控制算法，通过组态 就可以实现预定的控制方案和策略。但其存在不足，首先，这些控制 设备修改起来很不方便，有些控制策略在系统运行期间甚至不允许修 改。其次，这些控制设备的控制能力有限，只能完成一些简单的常规 控制，例如d c s 的逻辑操作速度不高，p l c 的控制算法种类偏少。 这些缺陷严重制约了设备性能的发挥。这些设备与p c 间都提供了便 利的通信手段，借助p c 上组态软件提供的控制器的丰富算法，可以 弥补这些设备在运算、控制能力上的不足，充分发挥其作用。 用策略来描述组态软件的控制功能，策略相当于计算机语占中的 函数，是在编译后可以解释执行的功能体。策略生成器s t r a t e g yb u i l d e r 既可运行在w i n d o w s9 8 2 0 0 0 n t 环境，也可运行于w i n d o w sc e 、d o s 等嵌入式环境的控制功能软件模块。 在s t r a t e g yb u i l d e r 中，一个应用程序可以有很多控制策略，但是 有且只能有一个主策略。主策略首先执行，可以调用或间接调用其他 策略。控制策略由一些基本的功能块组成，一个功能块代表一种操作、 算法或变量。基本功能块分为5 类：变量功能块、数学运算功能块、 程序控制功能块、逻辑功能块和控制算法功能块。每个基本功能块由 下面几部分组成，如图2 1 2 所示 图2 1 2 功能块豹参数 系统的常规控制以p i d 为主，所以在此以p i d 控制为例。p i d 控制功 能块如图2 1 3 所示 图2 1 3p i d 控制功能 控制器根据设定值( s v ) 和过程测量值( p v ) 的偏差完成p i d 第一二章系统的结构与没计 ( 比例积分微分) 算法，其中o p 为p i d 输出，控制回路可以采用三种 控制方法：手动( m a n ) 、自动( a u t ) 和串级( c a s ) 。 当回路处于m a n 状态时，s v 具有自动跟踪p v 功能，以便从m a n 切换到a u t 状态时，确保切换是无扰动的。在串级控制回路中，当下 一级回路处于a u t 状念时，上一级控制回路具有下一级控制回路s v 自动跟踪功能，以便当下一级控制回路从a u t 切换到c a s 时，转换过 程也是无扰动的。其中p i d 参数的设置和整定在属性框中实现。 控制目标：首先模拟一个控制对象( 一阶惯性系统) ，利用p i d 功能 块控制该对象。控制对象用一阶传递函数实现，它的传递函数形式是 ( c + d s ) ( a + b s ) ，假设控制对象是一个惯性环节，且其参数是：a = 1 ， b = 3 ，c = l ，d = 0 。p i d 的参数是：输入的高低限是0 1 0 0 ，输出的高低 限是0 1 0 0 。采集周期是1 秒。画出的控制策略如图2 1 4 所示 幽2 1 4 控制策略图 3 2 智能监控及诊断指导专家系统部分 催化裂化装霹具有工艺复杂、设备繁多，操作条件千差万别的特点， 在催化装置因各种异常状态和故障引起的非计划停工占效益流失的7 0 之多。所以研究如何准确的评价系统的运行状念，找出故障原因，进 行操作指导，并及时采取合理措施，预防和减少设备和工艺操作的故障， 对于防止非计划停工非常重要。因此，_ 丌发分馏塔过程监控和诊断指导 专家系统具有非常重要的意义，但受时间和资金的限制，作者采用n a s a 公司开发的c l i p s 作为专家系统的开发外壳。 3 2 1 专家系统简介 对于专家系统的定义，目前尚无统一、精确和公认的定义。人们研 究专家系统的出发点不同，看待问题的观点不同，追求的目标不同， 导致对专家系统的定义看法不一致。专家系统的先导者之一e d w a r d f e i g e n b a u m 教授把专家系统定义为“利用存储在计算机内的某一特 定领域人类专家的知识，通过一定的推理来解决需要人类专家才能解 决的现实问题的计算机系统”。它涉及到人工智能、计算机、知识工 程等多方面技术知识，能根据领域专家提供的知识和经验进行推理和 诊断，模拟人类专家的决策过程来解决复杂问题，并解释其推理行为。 专家系统具有以下特点： 1 ) 可存储一个或多个专家的知识和经验，能以接近专家的水平在特定 领域内工作。 2 ) 能高效、准确、迅速地工作，不会像人类专家那样产生疲惫和不稳 第二章系统的结构与设计 定性。 3 ) 使人类专家的领域知识突破了时间和空间限制，专家系统可以永久 保存，并复制任意多的副本，以在不同的地区和部门使用。 4 ) 可通过符号处理进行各种形式的推理，也可以对不确定数据进行处 理。 5 ) 具有学习能力，可总结规律，不断扩充和完善系统自身。 专家系统的功能和结构随所处理的任务类型而各不相同。按照所 处理的问题类型，专家系统分为十大类： a 解释型，根据输入信息对情况进行解释； b 预测型，由已知情况推断出可能结果； c 诊断型，由观察情况退出系统故障； d 设计型，根据约束条件制定目标； e 规划型，用于设计行动步骤； f 监视型，将观察情况与设计安排对照比较； g 调试型，给出故障纠正方法； h 修正型，执行为纠正错误而制定的计划； i 教学型，诊断、调试和修正学生行为： j 控制型，诊断、预测、修正和监视系统行为； 上面几大类型并非完全独立而是相互关联的。作者所开发的专家 系统具有诊断和教学型功能。 3 2 1 专家系统外壳的选择及c l i p s 开发专家系统是一个非常复杂的过程，相关的研究和实践表明：一 个难度适中的专家系统若从头开发大约需要一个人工作4 5 年，大型的 专家系统开发则在9 年以上，而使用专家系统外壳，开发周期可以缩短 近一半。显然限于时间和精力，选择合适的外壳开发专家系统，而不是 从零开始是明智之举。 当前专家系统外壳种类很多，那么究竟选择何种外壳最为合适? 对于 简单的应用，有人建议可以选择价格较便宜的外壳。事实表明，专家系 统外壳选用适当与否也是专家系统开发成败的一个关键因素。本系统采 用了专家系统外壳c l i p s 来丌发诊断指导专家系统。 c l i p s 平台简介 1 9 8 5 年，美国国家航空航天局约翰逊太空中心( n a s a ，s j o h n s p a c ec e m e r ) 开发了基于c 语言的专家系统开发平台一一c l i p s ( c l 觚g u a g ei n t c g 例 e dp m d u c t i o ns y s t e m ) ，现已升级为6 2 版本。其平台基本 结构如图2 1 5 所示。 阔2 1 5 c l l p s 基本组成 2 0 第二章系统的结构与设计 c l i p s 结构简洁、程序设计具有模块化的特点。此外还具有以下特点： ( 1 ) 支持过程和面向对象程序设计 作为一种非过程性的语言，c l i p s 支持三种形式的程序设计： 基于规则的程序设计( r u l e _ b a s e dp r o g r 锄m i n g ) 。把知识表示成产生 式规则的形式，在规则模式匹配后，执行规则r h s 的动作部分。 面向对象程序设计( 0 0 p ，o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 。支持类、 旬柄( m e s s a g e 咄a n d l e r s ) 、抽象、封装、继承、多态性等面向对象设 计特征：在模式匹配时，规则能与事实和对象( o b j e c t e d ) 匹配。 支持过程性语言程序设计( p r o c e d u r a lp r o g r a m m i n g ) 。c l i p s 具有 c ，c + + ，p a s c a l ，a d a ，l i s p 等过程性语言所具有的特点。 ( 2 ) 基于c l i p s 系统有很好的兼容性 丌发的程序能很好地与c + 十，c ，a d a 等语言兼容。 c l i p s 开发的系统能作为一个子程序嵌入其他系统中；同时，用其他 过程语言编制的程序，能以外部函数的形式植入c l i p s 的系统调用。 3 2 2 诊断指导专家系