基于模糊推理的原油快评自动预处理系统设计

叶彦斐，王柏林，张勇气，张晓军

(1.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100)(2.南京富岛信息工程有限公司，江苏 南京 210061)

基于模糊推理的原油快评自动预处理系统设计

叶彦斐1，王柏林1，张勇气2，张晓军2

(1.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100)(2.南京富岛信息工程有限公司，江苏 南京 210061)

针对原油快速评价预处理中存在的技术难点，设计了适用于不同原油进行快速评价的自动预处理系统。该系统首先对近红外分析仪出口压力及其平均值进行模糊化，然后基于专家推理规则库模糊推理计算出最佳进样或清洗时长模糊量，最后经过解模糊过程获得最佳进样或清洗时长。实际应用效果表明，所设计的原油快评自动预处理系统能适应多种原油，测量精度高、安全环保、方便易用。

原油快评；自动预处理；模糊推理；最佳时长

随着炼化企业的发展，其原油加工能力不断增强，为适应愈加复杂的原油来料及其性质变化，对原油评价提出了更高的要求[1]。采用传统原油评价方法存在样品用量大、分析时间长、评价数据滞后等缺点。近年来，基于近红外光谱分析的原油快速评价系统，因其快捷、准确、环保、经济等优势愈发引起业界重视，逐步应用于原油开采、贸易、加工及控制过程等需对原油进行快速质量检测的场所中[2]。

在原油快速评价预处理系统中，原油的粘度、倾点不同，所需的进样或清洗时长不同。针对某一具体原油，进样或清洗时长过短会导致无法测量或清洗不干净；时间过长可能导致样品、清洗液浪费及测量效率低下。为使不同原油在恒定温度条件下进行快捷、准确测量，自动预处理系统必须能识别不同原油粘稠度以解决样品进样及清洗等关键问题，并给出求解最佳进样和清洗时长的方法。

长期以来，业界一直依靠手动操作的方法对样品进行进样及清洗，劳动强度大，测量精度低，还存在管壁清洗不干净、重油易冷却堵塞、溶剂泄漏排放和污染环境等问题。本文提出了一种适用于不同粘度原油进行快速评价、提供自适应测量条件的自动预处理系统，具有适应多种原油、安全环保、方便易用等特点。

1 自动预处理系统设计

1.1系统构成

如图1所示，原油快评自动预处理系统由测量回路、清洗回路、吹扫回路及安装于各回路的传感器和执行器构成。

图1 原油快评自动预处理系统

测量回路由减压阀RV1、电磁阀EMV4、样品罐、近红外分析仪、电动球阀EBV2构成，加热器EH和温度传感器T1均安装在样品罐上，压力传感器P1安装在近红外分析仪的出口位置。

清洗回路由压入回路和压出回路构成。减压阀RV1、清洗罐、电磁阀EMV2(或EMV3)、电动球阀EBV1、样品罐、近红外分析仪及电动球阀EBV2通过管路连接组成压入回路；减压阀RV1、电磁阀EMV1、电动球阀EBV1、样品罐、近红外分析仪及电动球阀EBV2通过管路连接组成压出回路。

吹扫回路由减压阀RV1、电磁阀EMV4、样品罐、近红外分析仪及电动球阀EBV2通过管路连接而成。

PLC控制器采集样品罐内样品温度及近红外分析仪的出口压力数值，计算最佳进样及清洗时长，控制加热器及原油评价装置中各阀门按设定逻辑工作。操纵面板OP通过RS485总线连接PLC控制器[3]，实现对原油快速评价所需的自动加热、进样、测量及清洗等预处理过程的监视与操作。

1.2预处理工作过程

原油快评自动预处理系统工作过程分为准备、测量、清洗及吹扫4个阶段。准备阶段为样本测量提供必要的温度、气压、阀门初始条件；测量阶段实现设定温度条件下在测量回路中测量原油样本，同时检测分析仪的出口压力大小及变化快慢，基于模糊推理方法辨识原油的流动性，计算出最佳单次进样时长及清洗时长，首次测量所需进样时长按默认值设定，后续重复测量按辨识的进样时长执行，重复5次，以平均测量值作为原油快速评价数据；清洗阶段基于装置自动获得的最佳单次清洗时长在清洗回路中进行自动清洗操作，重复4次；吹扫阶段使用氮气在吹扫回路中吹扫，实现管路的清洁和干燥，为下次测量做好准备[4]。

在原油快评预处理过程中，最佳单次进样时长和清洗时长很难获取，传统的手动操作受人工经验影响，存在误差大、浪费样品、一致性差、波动大、效率低等缺点。为了有效解决这些问题，本文充分利用已有专家经验，基于模糊推理思想，设计了原油快评自动进样和清洗的新方法。

2 基于模糊推理的进样时长计算

图2 模糊推理过程

2.1输入输出的模糊化

模糊化过程主要作用是将确定的输入(输出)量转换成一个模糊矢量。模糊化等级不宜过粗、也不宜过细。过粗无法表征过程状态，过细会大大增加运算量及推理难度。

图3 隶属度曲线

对于压力p1的模糊变量P1，其隶属度曲线参数取a1=Pa1，a2=Pa2，b1=Pb1，b2=Pb2，b3=Pb3，c1=Pc1，c2=Pc2，c3=Pc3，d1=Pd1，d2=Pd2，d3=Pd3，e1=Pe1，e2=Pe2。

定义p1的论域X={Pa1，Pb2，Pc2，Pd2，Pe2}，则p1的5个模糊子集分别为：P11=MSP1=[1,0,0,0,0]，P12=BSP1=[0,1,0,0,0]，P13=MMP1=[0,0,1,0,0]，P14=BBP1=[0,0,0,1,0]，P15=MBP1=[0,0,0,0,1]。

对于不同类别油料进样时长t的模糊变量T，其隶属度曲线相关参数取a1=Ta1，a2=Ta2，b1=Tb1，b2=Tb2，b3=Tb3，c1=Tc1，c2=Tc2，c3=Tc3，d1=Td1，d2=Td2，d3=Td3，e1=Te1，e2=Te2。

定义t的论域Z={Ta1，Tb2，Tc2，Td2，Te2}，则t的5个模糊子集分别为：MST=[1,0,0,0,0]，BST=[0,1,0,0,0]，MMT=[0,0,1,0,0]，BBT=[0,0,0,1,0]，MBT=[0,0,0,0,1]。

2.2推理规则库

原油快评最佳进样时长的推理规则，是基于专家知识或熟练操作人员长期积累的经验，按人的直觉经验推理的一种语言表示形式[7]。将专家或操作者在实际操作过程中遇到的各种情况及相应的辨识结果汇总，见表1。

表1 进样时长模糊推理规则表

模糊推理规则形式为：

(1)

若I=J=5，则每个输入可以量化为5个模糊子集，共有25条规则覆盖全部论域，每一条规则对应一个模糊关系，得到总的模糊控制规则库为：

R=R11∪R12∪…∪R25

(2)

2.3模糊推理

(3)

2.4进样时长计算

通过解模糊过程获得原油的进样时长t：

(4)

式中：Ti为输出进样时长模糊子集T中第i个隶属函数的特征值；μT(Ti)为Ti的隶属度；T的计算[9]公式为：

(5)

3 进样时长模糊推理算例

以样品测量的进样过程为例，最佳进样时长模糊推理过程如下：

Pa1=0.1，Pa2=0.3，Pb1=0.2，Pb2=0.8，Pb3=1.4，Pc1=1.0，Pc2=2.6，Pc3=4.2，Pd1=4.0，Pd2=7.3，Pd3=10.6，Pe1=10.0，Pe2=10.8；

Ta1=2.0，Ta2=3.4，Tb1=3.0，Tb2=4.0，Tb3=5.0，Tc1=4.6，Tc2=6.0，Tc3=7.0，Td1=6.6，Td2=8.0，Td3=9.4，Te1=9.0，Te2=10.0。

将计算获得的模糊关系矩阵事先存于控制器中，供原油快评预处理系统推理辨识。

根据式(5)求出模糊变量

[0.3 0.3 0 0 0]

根据式(4)进行反模糊化，求得

(6)

因此，若平均压力介于“BS”和“MS”之间时，采用通常推理方法很难辨识实际状态，而采用模糊推理可以有效地处理此类采集的实际物理量值处于模糊子集重叠区域的推理辨识问题。

4 结论

原油快评自动预处理系统依据当前原油的流动性特征，能自动辨识如超轻油、轻质油、中质油、重质油和超稠油等不同原油，迅速计算最佳进样和清洗时长，实现对原油的自动进样和清洗，满足各种原油的预处理需求，最大程度减少了原油和化学试剂对人体健康和环境的影响，可实现原油在密闭空间、恒定温度下的测量。不仅保证测量条件的一致性和样品的均匀性，而且有效避免了原油的轻组分挥发，提高了检测的重复性精度。系统通过操作面板实时显示各种阀的开关状态和温度、压力等数据，采用简洁、生动的原油预处理工艺流程实现了一体化自动操作。用户界面直观、友好，操作简便、快捷。此外，基于工业控制级可编程序控制器设计测量精度高、控制准确、抗干扰能力强、响应速度快。

总之，原油快评自动预处理系统具有适应原油品种多、测量精度高、安全环保、方便易用等特点，广泛适用于石油化工行业中炼厂、研究所等需进行油料检测的场所，为石油产品的开发、生产和使用提供了快速、准确、可靠的数据来源。

[1] 蔡智，黄维秋，李伟民，等.油品调合技术[M].1版. 北京：中国石化出版社，2006.

[2] 李建华，崔鸿伟．近红外原油快速评价系统在原油评价中的应用[J]．现代科学仪器，2011(1)：123-125.

[3] 叶彦斐，李训铭．管塔焊接自动化监控系统设计与实现[J]．自动化仪表，2006，27(5)：52-54.

[4] 叶彦斐，梅斌，狄增伟，等. 一种原油快评自动预处理系统及方法：中国，201310157397.0[P]. 2013-04-28.

[5] 李晓磊,赵廷弟. 基于模糊推理的舰载进舰过程安全性仿真分析方法研究[J]. 航空学报，2012，33(6)：1-9．

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[9] 林小峰,廖志伟,谢松.模糊控制中模糊推理算法的研究[J].工业仪表与自动化装置,1999(2):10-12．

AutomaticPreprocessingSystemDesignofCrudeOilRapidAssessmentBasedonFuzzyReasoning

YE Yanfei1, WANG Bolin1, ZHANG Yongqi2, ZHANG Xiaojun2

(1.Hohai University, Jiangsu Nanjing, 211100, China)(2.Nanjing Richisland Information Technology Co., Ltd, Jiangsu Nanjing, 210061, China)

For the rapid evaluation of technical difficulties that exist in the pretreatment of crude oil, it designs an automatic preprocessing system suitable for crude oil of different viscosity. The system firstly blurs the pressure and its average amount of the near-infrared analyzer outlet, then calculates the fuzzy quantity of the optimum injecting or cleaning runtime based on the fuzzy reasoning of expert inference rules, and finally obtains the exact runtime after solving fuzzy process. The practical application indicates that the automatic preprocessing system adapts to various types of crude oil, owns high accuracy, safety, environmental protection, and is easily used.

Rapid Assessment of Crude Oil; Automatic Preprocessing; Fuzzy Reasoning; Best Runtime

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.007

2013-09-25

2013年南京市科技计划项目(201304021)

叶彦斐(1974—)，男，河南新乡人，河海大学讲师，博士，主要研究方向为信息系统、先进控制理论及应用。

TP274

A

2095-509X(2014)02-0031-04