CN106446392A - 一种面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于有限状态机技术，提出了一种面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法，将罐区设备映射成有限状态，并模拟各种罐区操作来分析系统本身的动态行为，评估各种操作的影响来保证各种生产操作的合理性，也为规范实际操作人员的操作行为提供可靠依据。
Description
技术领域
本发明属于石油化工行业罐区工艺分析与仿真建模领域，具体涉及一种面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法。
背景技术
目前，流程工业仿真多集中在针对设备和工艺流程进行准备模拟上，通常会以代数方程或者微分方程来描述石油化工生产过程中的质量传递、能量传递、动量传递、反应动力学以及物理化学性质。从而来定量揭示系统稳态或动态变化。比如目前比较成熟的动态仿真商业软件HYSYS。而不同于其他流程工业仿真，石油罐区仿真不仅包含各种动态连续生产行为，同时包含各种离散工艺操作。如此罐区对象通常被看成一个混杂的仿真系统，如何进行统一建模仿真成为罐区建模仿真关键。
有限状态机，简称状态机，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。状态反映从系统开始到现在时刻的输入变化。转移指示状态变更，并且用必须满足来确使转移发生的条件来描述它。动作是在给定时刻要进行活动的描述。该技术能够简单形象地描述一个系统从初始状态到最终状态的时序变迁，因此目前多用于数字控制系统、计算机集成制造系统等离散控制系统的建模中，而很少被应用到流程工业仿真。
公开号为CN 103049838A的中国发明专利文献公开了一种基于有限状态机的包裹运输状态监控方法，用于物流运输系统中包裹运输状态的监控。该方法针对包裹在整个运输过程中的运输状态建模，通过包裹内安置的无线传感器节点监测包裹内发生的各种事件，再根据有限状态机跳转到不同的运输状态，对于每个状态采取相应的处理措施，从而达到实时监控包裹运输过程的目的。
在流程工业罐区仿真领域，有些研究基于三维呈现或者虚拟现实技术来更形象模拟罐区工业生产过程。有些研究则通过机理建模来模拟罐区设备物流生产、组分质量以及能耗等工艺过程。这些多集中在场景模拟，并未涉及罐区操作的动态分析和研究。因此，有些研究者通过仿真手段来优化罐区操作调度策略来优化操作。另外更多研究集中通过事件模拟、应急预案演练来进行罐区安全仿真分析。
周泽伟(基于虚拟现实的流程工业过程模拟仿真系统，《计算机工程与应用》,2011,47(10):204-208.)公开了一种基于虚拟现实的炼油企业过程模拟仿真算法，详细说明了该算法在虚拟现实仿真平台上的应用过程，包括重点装置动态模拟、罐区油品调合仿真、进出厂模拟等。虚拟现实仿真平台通过生产过程与数据的可视化呈现与人机交互以及现场应用，可以为炼油企业流程模拟仿真培训与生产过程三维可视化监控提供有效的支持。
这些研究虽涉及罐区操作，但侧重点均在于事故模拟和安全分析，并未涉及罐区操作的动态分析和研究。
发明内容
本发明目的是针对石化领域罐区连续生产和离散工艺操作的混杂系统进行建模仿真，提供了一种面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法，为理解罐区动态机理和规范罐区操作提供参考依据。
一种面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法，包括以下步骤：
(1)根据实际流程工业罐区结构及生产特点，将罐区对象描述为以下集合：罐区设备模型集合、设备工艺操作集合、设备逻辑约束集合和设备输入输出集合；
所述罐区设备模型集合将罐区模块化和对象化，以罐区设备模型为建模对象，罐区设备主要包括油罐、泵、阀门、管道、加热器以及冷凝器。
所述设备工艺操作集合定义设备不同操作事件和操作状态，并定义不同操作事件下，状态之间的转移逻辑和变量的计算逻辑。罐区工艺操作集合主要涉及罐区常见操作，主要包括收油操作、付油操作、返罐操作以及切罐操作。同时包含其他设备的启停开关操作。
所述设备逻辑约束集合定义不同设备操作的逻辑互斥性及不同设备工艺能力阈值约束，主要包括阈值约束和操作逻辑约束。
所述设备输入输出集合定义对应设备具有的输入数据端口、输入事件端口、输出数据端口和输出事件端口。
(2)利用设备输入映射模块定义不同罐区设备的输入数据和输入事件；
所述输入数据定义为描述该设备基本物理意义的信息或者罐区生产，主要包括设备相关工艺参数等静态数据以及体现设备动态特性的动态数据。
所述输入事件定义为触发设备状态改变的动作变量或者操作变量，具体定义为布尔形式的信号，其具体映射如下：
f:阀门开启事件→信号1
f:阀门关闭事件→信号0
f:离心泵开启事件→信号1
f:离心泵关闭事件→信号0
f:加热器开启事件→信号1
f:加热器关闭事件→信号0
f:冷凝器开启事件→信号1
f:冷凝器关闭事件→信号0
(3)利用设备结构映射模块将罐区设备物理结构映射成信息结构模型；
所述设备结构映射模块通过节点、端口以及连接三个元素将设备结构以及设备间连接逻辑完整描述。
将设备模型定义为节点结构体，包括设备ID、设备名称、设备基本属性参数；设备输入输出定义为端口结构体，包括端口ID、端口名称、端口所依附的节点ID；设备节点间不同端口的连接定义为连接结构体，包括连接ID、连接名称、连接源端口ID以及连接目的端口ID；利用将罐区DCS拓扑结构转换成罐区信息结构图。
(4)利用设备行为映射模块定义不同罐区设备的动态仿真行为，设备的动态仿真行为本质上是状态变量的转移变化，包括连续动态行为和离散逻辑行为；
连续动态行为包括设备各种连续变量，其状态变量转移函数具体定义形式如下：
S(t+Δt)＝f(I(t),S(t))，其中I(t)∈I,S(t+Δt),S(t)∈Sc
式中，I为输入事件集合，Sc为连续状态变化区间，f为变量转移函数关系；
不同于其他流程工业对象，罐区对象除了连续动态行为，由于罐区存在各种常规的罐区操作，比如付油操作、收油操作以及切罐操作，使得罐区对象仿真需要考虑这些离散动态行为，其状态转移函数具体定义形式如下：
S(t+1)＝F(I(t),S(t))，其中I(t)∈I,S(t+1),S(t)∈Sd
式中，I为输入事件集合，Sd为离散状态集合，F为状态转移条件函数。
(5)利用设备约束映射模块将约束转换成设备状态变迁条件约束，具体将操作互斥性映射为状态转换逻辑约束，将工艺限制条件映射为状态阈值约束；
所述状态转换逻辑约束，在罐区对象中主要体现为操作逻辑的互斥性，罐区主要存在付油操作与收油操作的互斥性、付油操作与返罐操作的互斥性以及对罐切罐操作中的相关约束，具体描述形式如下：
IF Si＝ON THEN Sj＝OFF
式中，Si,Sj为不同的操作状态。
所述状态阈值约束主要约束设备不同的工艺参数上下限，保证设备正常运行。其具体定义形式如下：
0≤V≤Ci,Ci∈C
式中，V为某一状态变量，Ci为某一状态下阈值，C为该变量不同状态下阈值集合。
(6)利用设备操作映射模块将不同设备操作映射为不同的设备状态，并定义不同状态之间转移的逻辑；
所述设备状态描述为：油罐状态集合为St:{St1,St2,St3,St4,St5}，离心泵状态集合为Sb:{Sb1,Sb2}，加热器状态集合为Sh:{Sh1,Sh2}，冷凝器状态集合为Sc:{Sc1,Sc2}，其中St1为油罐静止状态，St2为油罐收油状态，St3为油罐付油状态，St4为油罐返罐状态，St5为油罐切换状态，Sb1为离心泵关闭状态，Sb2为离心泵开启状态，Sh1为加热器关闭状态，Sh2为加热器关闭状态，Sc1为冷凝器关闭状态，Sc2为冷凝器开启状态。
设备不同状态转移流程则可以描述为在输入事件驱动下，满足状态转移条件函数前提下，状态的变迁过程，同时也会产生一定得输出行为。
(7)利用设备输出映射模块定义不同罐区设备的输出数据和输出事件，并将核心生产指标输出量传输到人机交互界面。
所述输出数据定义为表征整个仿真系统的核心指标变量的信息，所述输出事件定义为设备状态改变后产生的输出行为，例如储罐液位超过上限带来的报警事件，输出事件与布尔形式信号映射关系如下：
f:罐液位超高限→高限信号1
f:罐液位未超高限→高限信号0
f:罐液位超高高限→高高限信号1
f:罐液位未超高高限→高高限信号0
f:罐液位超低限→低限信号1
f:罐液位未超低限→低限信号0
f:罐液位超低低限→低低限信号1
f:罐液位未超低低限→低低限信号0
利用MATLAB工具GUI设计罐区仿真人机交互界面，将罐区仿真动态过程和结果在实现平台实时显示，并可储存为报表文本文件。
本发明基于有限状态机技术，将罐区设备映射成有限状态，并模拟各种罐区操作来分析系统本身的动态行为，评估各种操作的影响来保证各种生产操作的合理性，也为规范实际操作人员的操作行为提供可靠依据。
附图说明
图1为本发明罐区仿真建模方法流程图；
图2为本发明实施例芳烃分离装置储运罐区的工艺流程图；
图3为本发明实施例芳烃分离装置储运罐区安全应急仿真流程图；其中，
图3a为TK2201组罐模型图；图3b为TK2202组罐模型图；图3c为上下游连接装置；图3d为产品罐TK2204A/B模型实例；
图4为本发明实施例油罐内部仿真模型；
图5为本发明实施例油罐状态转移仿真逻辑图；
图6为本发明实施例油罐设备级仿真模型图；
图7为本发明实施例油罐液位报警模块转移逻辑图；
图8为本发明实施例芳烃分离装置塔仿真模型图；
图9为本发明实施例油罐输入信号序列配置图；
图10是无故障条件下真实液位变化图；
图11是管线故障条件下真实液位变化图；
图12是罐本身故障条件下真实液位变化图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明罐区仿真建模方法流程图如图1所示。
本实施例以某芳烃分离装置储运罐区为对象，其工艺流程图如图2所示，共包含4个原料罐和8个产品罐和2个芳烃分离装置塔。其中油罐的基本信息如表1所示。
表1油罐基本信息表
| 油罐名称 | 油罐类型 | 储油类型 |
| TK2201A/B | 原料罐 | 加氢裂解汽油 |
| TK2202A/B | 原料罐 | 加氢裂解汽油 |
| TK2204A/B | 产品罐 | 粗甲苯 |
| TK2205A/B | 产品罐 | 混合二甲苯 |
| TK2206A/B | 产品罐 | 轻燃料油 |
| TK2208A/B | 产品罐 | 轻组分 |
(1)利用提出的仿真建模方法，分别建立油罐仿真模型和分离塔模型，并通过逻辑连接得到芳烃分离装置储运罐区仿真流程图，其中，图3a为TK2201组罐模型图；图3b为TK2202组罐模型图；图3c为上下游连接装置；图3d为产品罐TK2204A/B模型实例。
仿真全流程主要包括三个基本模块：输入信号发生器、单罐对象模型以及分离装置塔模型。其中，输入信号发生器主要生成并模拟罐不同操作指令和相关事故信号，用于仿真模型功能测试；单罐对象模型则是针对原料罐或者产品罐进行建模，包括连续动态行为和离散操作行为建模；分离装置塔模型则是针对实际生产装置建立的产率模型，来连接上下游罐区。
(2)单罐对象仿真模型包括三个部分：输入端口、输出端口以及罐内部仿真模型。其中输入和输出端口参数定义如表2所示。
表2单罐输入输出端口信息表
罐内部仿真模型同样由三个仿真模块集成，分别为罐状态转移控制模块、罐设备行为模块以及罐报警模块。罐内部仿真模型如图4所示。
罐状态转移控制模块针对罐操作序列进行建模，模拟不同罐操作动作，以便进行操作行为合理性评估，属于离散控制行为建模；罐设备行为模块主要利用物料平衡对油罐动态变化行为进行建模，以便动态观察和监控各项指标动态过程，属于连续行为建模；罐报警模块以油罐液位为报警指标，可以针对液位控制失调进行直接报警，也可针对错误操作序列或事故序列进行间接报警，属于离散事件行为建模。
(3)步骤(2)中罐状态转移控制模块主要功能是实现罐不同操作状态的转移和控制，同时考虑不同状态间的约束逻辑。实现思路是将油罐状态分为静止状态、收油状态、出油状态、付油状态和返罐状态，同时将各阀门或者泵启停操作转换成对应的操作事件。根据工艺操作流程形成状态转移控制逻辑，具体如表3所示。
表3单罐状态转移控制逻辑表
以TK2201A单罐作为示例说明，利用单罐状态转移控制逻辑表可以将单罐操作转换成对应的仿真模型，具体的状态转移仿真逻辑如图5所示，其中该仿真模型输入输出参数说明如表4所示。
表4单罐状态转移控制仿真模型输入输出端口信息表(TK2201A示例)
(4)步骤(2)中罐设备行为模块主要利用物料平衡实现罐液位动态变化和液位控制过程，同时考虑管道、罐本身等泄漏事故对液位变化的影响。该建模过程主要利用simulink模块实现。主流程是液位控制流程，利用液位控制器和流量控制器实现液位的串级控制。同时，将管道以及罐等泄漏事故转换成对流量的影响，实现对泄漏事故对罐液位变化的动态机理。单罐动态行为仿真模型如图6所示。
(5)步骤(2)中罐报警模块主要功能是实现对罐液位的报警，来保证罐区正常的生产。实现思路如下：根据工艺报警原理将罐液位分为5个状态：正常状态、低限状态、低低限状态、高限状态以及高高限状态。同时，各个状态的报警信号为布尔信号，整个报警信号序列就是四个报警状态的布尔序列。具体罐液位状态与报警信号序列对应关系如表5所示，而具体的液位状态转移信息如表6所示。根据罐液位状态转移逻辑表可设计罐液位报警仿真模型如图7所示。
表5罐液位状态与报警信号序列映射表
表6罐液位状态转移逻辑表
(6)通过步骤(3)～(5)可以实现对罐区主要设备油罐的仿真建模，而如步骤(1)中所说，需要针对分离装置塔进行建模来实现原料罐和产品罐上下游连接。
芳烃分离装置仿真模型如图8所示。其实现思路为：采用原料与产品产率模型，可以配置2～3种原料进料，每组进料1～3组工艺操作条件，对应最多3*3种产率模型，可以模拟进料切换、操作条件切换等操作行为。芳烃分离装置故障模拟，可定义为“设备故障导致产率不达标”、“操作失误导致产率不达标”等几类故障。
(7)通过步骤(1)～(6)实现了对罐区对象的结构建模，接下来设计不同的生产场景或者事故场景来模拟罐区动态行为，也就是输入信号序列发生器模块设计。
这里以TK2201A罐为例，根据罐输入端口设计，设置具体输入信号序列。然后基于输入信号序列进行仿真模型测试。具体步骤如下：
a)设定罐各个操作的动作序列以及对应的流量，如图9所示，同时以罐真实液位为观测目标，来反应各操作的对液位的动态影响；
b)在无故障条件下，运行仿真，观察真实液位变化情况，如图10所示；
c)设置管线故障，运行仿真，观察真实液位变化情况，如图11所示；
d)设置罐本身故障，运行仿真，观察真实液位变化情况，如图12所示。
Claims (9)
1.一种面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据实际流程工业罐区结构及生产特点，将罐区对象描述为以下集合：罐区设备模型集合、设备工艺操作集合、设备逻辑约束集合和设备输入输出集合；
(2)利用设备输入映射模块定义不同罐区设备的输入数据和输入事件；
(3)利用设备结构映射模块将罐区设备物理结构映射成信息结构模型；
(4)利用设备行为映射模块定义不同罐区设备的动态仿真行为，包括连续动态行为和离散逻辑行为；
(5)利用设备约束映射模块将约束转换成设备状态变迁条件约束，具体将操作互斥性映射为状态转换逻辑约束，将工艺限制条件映射为状态阈值约束；
(6)利用设备操作映射模块将不同设备操作映射为不同的设备状态，并定义不同状态之间转移的逻辑；
(7)利用设备输出映射模块定义不同罐区设备的输出数据和输出事件，并将核心生产指标输出量传输到人机交互界面。
2.根据权利要求1所述的面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法，其特征在于，步骤(1)中，所述罐区设备模型集合将罐区模块化和对象化，以罐区设备模型为建模对象，罐区设备主要包括油罐、泵、阀门、管道、加热器以及冷凝器；所述设备工艺操作集合定义设备不同操作事件和操作状态，并定义不同操作事件下，状态之间的转移逻辑和变量的计算逻辑；所述设备逻辑约束集合定义不同设备操作的逻辑互斥性及不同设备工艺能力阈值约束；所述设备输入输出集合定义对应设备具有的输入数据端口、输入事件端口、输出数据端口和输出事件端口。
3.根据权利要求1所述的面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法，其特征在于，所述输入数据定义为描述该设备基本物理意义的信息或者罐区生产，所述输入事件定义为触发设备状态改变的动作变量或者操作变量。
4.根据权利要求1所述的面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法，其特征在于，所述设备结构映射模块通过节点、端口以及连接三个元素将设备结构以及设备间连接逻辑完整描述。
5.根据权利要求4所述的面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法，其特征在于，将设备模型定义为节点结构体，包括设备ID、设备名称、设备基本属性参数；设备输入输出定义为端口结构体，包括端口ID、端口名称、端口所依附的节点ID；设备节点间不同端口的连接定义为连接结构体，包括连接ID、连接名称、连接源端口ID以及连接目的端口ID；利用将罐区DCS拓扑结构转换成罐区信息结构图。
6.根据权利要求1所述的面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法，其特征在于，步骤(4)中，所述连续动态行为的状态转移函数具体定义形式如下：
S(t+Δt)＝f(I(t),S(t))，其中I(t)∈I,S(t+Δt),S(t)∈Sc
式中，I为输入事件集合，Sc为连续状态变化区间，f为变量转移函数关系；
所述离散逻辑行为的状态转移函数具体定义形式如下：
S(t+1)＝F(I(t),S(t))，其中I(t)∈I,S(t+1),S(t)∈Sd
式中，I为输入事件集合，Sd为离散状态集合，F为状态转移条件函数。
7.根据权利要求1所述的面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法，其特征在于，步骤(5)中，所述状态转换逻辑约束的具体描述形式如下：
IF Si＝ON THEN Sj＝OFF
式中，Si,Sj为不同的操作状态；
所述状态阈值约束的具体定义形式如下：
0≤V≤Ci,Ci∈C
式中，V为某一状态变量，Ci为某一状态下阈值，C为该变量不同状态下阈值集合。
8.根据权利要求1所述的面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法，其特征在于，步骤(6)中，所述设备状态描述为：油罐状态集合为St:{St1,St2,St3,St4,St5}，离心泵状态集合为Sb:{Sb1,Sb2}，加热器状态集合为Sh:{Sh1,Sh2}，冷凝器状态集合为Sc:{Sc1,Sc2}，其中St1为油罐静止状态，St2为油罐收油状态，St3为油罐付油状态，St4为油罐返罐状态，St5为油罐切换状态，Sb1为离心泵关闭状态，Sb2为离心泵开启状态，Sh1为加热器关闭状态，Sh2为加热器关闭状态，Sc1为冷凝器关闭状态，Sc2为冷凝器开启状态。
9.根据权利要求1所述的面向流程工业罐区的混杂系统建模仿真方法，其特征在于，步骤(7)中，所述输出数据定义为表征整个仿真系统的核心指标变量的信息，所述输出事件定义为设备状态改变后产生的输出行为。
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