精餾塔智能操作指導系統

宋曉云 田文德 馮海東

(青島科技大學化工學院，山東 青島 266042)

精餾塔的開停車操作是化工領域最復雜的操作之一，是典型的動態變化過程，具有動態特性復雜、操作工況變化大和過程變量之間關聯性強的特點[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的專業知識，而且要求操作人員長時間密切關注裝置的運行狀態[2]。人的失誤，設備、工藝及控制系統等因素等非正常狀況都可能引發事故[3]，所以必須保證精餾塔開停車過程操作中的絕對正確性。

精餾過程的研究經歷了相當長的發展時期。在國內較早時期的化工原理仿真軟件中，浙江工業大學的鄭祖銘老師在20世紀90年代開發的精餾實驗仿真系統比較具有代表性[4]，2009年北京東方仿真軟件公司和天津大學合作開發了化工原理實驗仿真軟件[5]，兩款軟件都有側重點，但單純把人工智能應用到精餾過程的DCS仿真系統中，開發可移植的智能指導系統卻未見報道。

筆者提出的精餾過程智能指導系統是以專家系統CLIPS語言為基礎，用于技術人員在進行開停車操作練習時的實時指導。該指導系統利用CLIPS強大的推理和表示功能開發專家系統的知識庫和推理機部分，利用VC2005開發人機交互界面和與外界進行數據交換，給操作人員在操作過程的任一時刻提出指導和解釋，在開停車過程中較好地輔助工藝人員操作，確保開停車過程的順利進行。主要介紹精餾塔智能指導系統的開發方法和過程，給出軟件的組成和每部分的功能，規則和規則庫的創建，對規則庫修改、增加和刪除管理，并以以脫丙烷精餾塔為例，說明其實際應用情況。

1.1 整體結構

精餾塔智能指導系統由CLIPS知識庫、實時數據采集及專家指導意見等組成，如圖1所示。知識庫中存儲了大量以規則形式存在的領域專家的經驗知識和已知事實，通過采集的實時數據決定在每個控制信息下要觸發的規則，并給出相應的指導意見。運行該操作指導系統，首先要運行精餾塔的DCS仿真系統；其次加載專家系統引擎和CLIPS文件；然后從DCS仿真系統中獲取實時數據；最后系統會判斷需觸發的規則并給出指導信息。

圖1 精餾塔智能指導系統整體結構框圖

1.2 規則的建立

精餾塔智能指導系統的主要功能是實現對精餾塔開停車過程中設備開啟順序和工況參數的監視和指導，這就需要把開停車步驟條理化，如果用諸如C語言等編程，過程會非常復雜，而且也達不到預期的理想效果。而基于規則的CLIPS專家系統的設計開發，則可以滿足這些需要。

CLIPS采用的是產生式規則系統，每條規則都是“if(某條件成立)，then(某結論成立)”的形式[6]。這就要求把精餾塔的開停車步驟整理成“條件-行動”式。精餾塔的開車過程包括4部分：系統(儲罐和精餾塔)氮氣置換；儲罐進料；精餾塔進料和升溫；精餾塔出料并使之運行平穩。以儲罐氮氣置換為例，建立規則，這時所有閥門和泵處于關停狀態。根據工藝和操作經驗，把充氮過程整理成“if…then…”形式，具體如下：

Rule1 如果放空管線手閥打開，那么可以打開充氮閥

Rule2 如果充氮閥和放空手閥打開，那么充氮開始，注意氧氣變化

Rule3 如果氧氣含量小于1%，那么可以關閉氮氣閥和放空閥

Rule4 如果氮氣閥和放空閥關閉，那么充氮結束，可以進行下一步

Error1 如果充氮閥關或原料閥開，那么就給出錯誤警告，提示關閉充氮閥

前4個規則是順序執行的，也就是說，只有Rule1被激發，且滿足Rule2的條件時，才會執行Rule2。通過這種規則的建立，使得操作提示也按順序完成。如果充氮過程中打開放空手閥后，沒有打開充氮閥，而是打開了原料閥，這時便會觸發Error1，給出相應的警告。錯誤規則沒有嚴格的觸發順序，只有在進行錯誤操作時才會給出相應的提示。

精餾塔操作指導中的主要變量包括進料泵、回流泵、采出泵、預熱器、冷凝器、再沸器、進料閥、塔頂回流閥、塔釜采出閥、儲罐充氮閥、塔充氮閥、儲罐放空閥、回流罐放空閥、儲罐瓦斯手閥、回流罐瓦斯手閥，皆為開/關量；其余為高/適中狀態，包括儲罐液位、精餾塔液位和回流罐液位。充氮過程的規則如下：

Rule1 儲罐充氮閥關/儲罐放空閥關，準備對進料罐充氮氣

Rule2 儲罐充氮閥關/儲罐放空閥開，可以打開儲罐充氮閥開始充氮氣

Rule3 儲罐充氮閥開/儲罐放空閥開，開始充氮氣，注意儲罐中氧氣的含量變化；充氮結束時需關閉儲罐充氮閥和儲罐放空閥

Rule4 儲罐充氮閥關/儲罐放空閥開，則關閉儲罐放空閥

Rule5 儲罐充氮閥關/儲罐放空閥關，則第一階段充氮完成，可以開始下一階段的氮氣置換，先打開塔頂的放空閥和回流罐放空閥

Rule6 塔充氮閥關/回流罐放空閥開，則打開塔充氮閥，精餾塔開始充氮

Rule7 塔充氮閥開/回流罐放空閥開，注意觀察塔頂和回流罐中的氧氣含量變化，精餾塔充氮結束先關閉塔充氮閥

Rule8 塔充氮閥開/回流罐放空閥關，關閉回流罐放空閥

Rule9 塔充氮閥關/回流罐放空閥關，充氮完成

在CLIPS中，規則的開頭包括3個部分，即關鍵詞defrule、規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"可以打開儲罐充氮閥開始充氮氣"crlf)

)

1.3 規則庫的設計

知識庫是實現系統高智能運行的關鍵，用于存放由知識獲取程序所獲取的專家知識[7]。為了實現推理機和解釋機的快速高效運行，知識庫分為便于解釋機讀寫的專家知識數據庫主便于推理機推理的專家系統規則庫。專家系統規則庫為用于存儲CLIPS規則的.clp文件，方便推理機進行規則的調用。

精餾塔開停車指導系統設計的重點在于設置CLIPS規則庫，建立規則庫之前必須先進行模板的自定義。如，開車規則庫的模板定義為：

(deftemplate phase-state

(slot type)

(slot state)

)

CLIPS知識庫觸發規則實現推理的過程不能缺少輸入輸出，輸入是觸發規則的前提條件，輸出的則是推理結果。而在CLIPS知識庫中這種能被有效識別的輸入則稱為事實。沒有事實的輸入，CLIPS知識庫就無法啟動推理。因此，事實的建立是進行CLIPS推理的前提條件。事實以deffacts開頭，其定義格式如下：

(deffacts initial-state

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

)

在規則庫中，有時一個事實可以同時觸發多個規則，為此需要對已觸發的規則進行標記，然后修改其觸發狀態，使之成為觸發其他規則的一個條件。標志變量的模板定義如下：

(deftemplate phase-flags

(slot rule)

(slot flags(type INTEGER))

)

比如，對充氮過程的rule1進行標記，并對其觸發狀態進行修改，語句如下：

?phase<-(phase-flags(rule 1)(flags 0))

=>

(modify?phase(flags 1))

其中flags 0表示rule1未觸發，flag1表示已觸發。

2 仿真應用

精餾塔智能指導系統采用Visual和CLIPS語言混合編程技術，并不依賴具體精餾塔開停車的數學模型，對于不同的化工裝置和物料，只需更新知識庫即可實現對開停車過程的智能指導，具有很好的可移植性。此指導系統是基于仿真軟件開發的，現以脫丙烷精餾塔仿真為例來介紹其具體應用。

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 脫丙烷流程簡圖

來自催化裂化裝置的液化石油氣經脫硫處理后進入脫丙烷流程，來料首先進入儲罐D-701，由脫丙烷塔進料泵P-701A/B抽出，流經脫丙烷塔進料加熱器E-701時，用來自催化裂化裝置吸收-穩定系統的穩定汽油加熱至79℃，之后進入脫丙烷塔C-701，從塔頂得到C2和C3的混合物，塔釜得到各種C4的混合物。塔頂汽相物料經脫丙烷塔頂空冷器EC-701冷凝后進入回流罐D-702，罐內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品由塔壓送往脫丁烷塔。

2.2 操作指導分析

智能指導系統的界面要求簡潔友好，這就要求把復雜的DCS圖轉化為簡單的流程圖，只保留關鍵設備、泵和閥門，并對其進行組態，組態框中輸入其對應設備的ID號，并且每個設備都必須有對應的ID號。

使用智能指導系統時，首先打開精餾塔的DCS仿真軟件，將指導系統與DCS相連接，獲取仿真實時數據，獲取成功后的畫面如圖3所示，因為此時所有的閥還處于關閉狀態，所以界面出現第一步指導信息，提示操作人員應該先打開儲罐放空閥，準備充氮氣。操作人員執行之后，接著提示開始充氮氣，請注意D-701中氧氣的含量變化。這樣，在指導信息的詳細提示下，操作人員即可快速準確地完成精餾塔的開車過程。

圖3 仿真實時數據界面

圖4為操作指導信息界面，操作人員在DCS中每執行一步，指導系統就會有相應的提示。如果操作錯誤，就會給出警告，并提出相應的處理措施。例如，操作人員在還沒有進行系統充氮時，就打開了原料閥，這時就會給出相應的報警提示：警告請不要打開原料閥，先進行設備充氮，執行上一步驟。進行氮氣置換時，氧氣含量達到1%以下才算置換合格，如果氧氣含量達標之前就關閉充氮閥，也會觸發報警提示：充氮未完成，請不要關閉充氮閥。只有當一切符合條件之后，才會提示下一步的動作。

圖4 操作指導信息界面

精餾塔的進料溫度要穩定在79℃左右，這就需要對預熱器E-701有嚴格的控制。當打開預熱器時，指導系統會時刻監視原料溫度的變化，當溫度還未達到79℃就打開D-702的瓦斯手閥，這時指導系統就會給出錯誤提示：原料溫度未達到79℃，請關閉瓦斯手閥。如果溫度超過了79℃，系統就會馬上給出警告：原料溫度已超過79℃，請減少熱量輸入。只有當溫度穩定在79℃左右時，指導系統才會給出正確的提示，繼續執行開車步驟。

3 結束語

筆者以脫丙烷塔為例，設計精餾過程智能指導系統，將精餾開停車過程轉換為以CLIPS語言表達的規則庫，實現了用戶界面與CLIPS推理機間的信息傳遞，完成了對精餾裝置開停車過程的智能指導。仿真測試結果表明：該指導系統簡單方便，反饋效果準確，能夠及時指出錯誤操作，并給予正確的指導信息，達到了實時安全指導的目的。但是，軟件還有待完善，需補充多方位錯誤操作提示功能，同時進一步擴充規則庫。

[1] 付饒,穆彥軍.精餾操作技術的研究[J].山東化工,2013,42(5):137～138.

[2] 王振恒.化工過程開車過程故障診斷方法研究[D].北京:北京化工大學,2009.

[3] 謝慧明.基于人工智能的精餾實驗導師系統[D].杭州:浙江工業大學,2011.

[4] Fan X H,Wang Y,Chen X L,et al.Mathematical Models and Expert System for Grate-kiln Process of Iron Ore Oxide Pellet Production(Part Ⅱ):Rotary Kiln Process Control[J].中南大學學報(英文版),2012,19(6):1724～1727.

[5] 肖應旺.基于軟測量的化工精餾過程推斷控制策略[J].控制工程,2012,19(2):301～306.

[6] 譚大鵬,李培玉,潘曉弘,等.基于CLIPS的故障診斷專家系統開發環境[J].浙江大學學報(工學版),2009,43(2):240～243,393.

[7] 韋洪龍,田文德,李傳坤,等.基于CLIPS的開停車指導系統研究與應用[J].化工自動化及儀表,2014,41(2):191～194.