PetroSIM接口工具箱在LPG回收过程优化的应用

汪佳 王成林

摘 要：石油化工复杂流程的分析评价和优化操作需要多个软件的交互，开发数据接口工具箱，可实现流程模拟软件和优化算法程序的数据传递。基于CAPE-OPEN标准及COM数据接口技术开发Matlab-PetroSIM接口工具箱，将Matlab优化算法的功能与模拟软件相结合。以LPG回收过程模拟流程为例介绍了接口工具箱访问PetroSIM数据的基本功能，并采用遗传算法解决优化问题，验证其实用性。

关 键 词：流程模拟；接口工具箱；PetroSIM；遗传算法

中图分类号：TP 391.9 文献标识码： B 文章编号： 1671-0460（2016）04-0791-03

Abstract： Data-interaction of multiple softwares is of importance to the data evaluation of complex process and optimization analysis. Based on CAPE-OPEN and COM technology， the MPe interface toolbox for Matlab and PetroSIM was developed. The MPe toolbox enables to drive a PetroSIM simulation in Matlab environment， integrating the computation capability of Matlab and simulation capability of PetroSIM. The basic functions and advanced application of MPe interface toolbox were clarified by using the simulation of LPG recovery process as an instance. Genetic Algorithms was used in optimization of the process， which could prove the practicability of the MPe toolbox.

Key words： Process simulation； Interface toolbox； PetroSIM； Genetic algorithms

流程模拟、先进控制及实时优化系统推动着石化行业信息化的发展，对企业的节能增效和安全生产起到重要作用。而生产装置数据量大，机理复杂，现行的流程模拟软件在模拟及优化上存在不足：（1）软件输入数据前，需要处理繁杂的原始生产数据；（2）模拟软件内部的优化算法对于某些模型不能求解或效率很低，选择性差，难以实现全流程优化；（3）输入信息量大，界面布局分散，应用人员难以熟练掌握，有必要开发简洁界面。数据接口技术使得流程模拟软件支持数据调用，可实现第三方的模型和算法的嵌入和集成[1]，为上述问题提出解决方案。

PetroSIM软件基于Hysys.Refinery界面开发，是功能齐全、精细严密的流程模拟软件，能够建立典型的“桌面炼油厂”，在石化企业炼油化工装置的工艺设计、优化操作、设备改造等领域广泛应用。基于Matlab平台开发Matlab-PetroSIM接口工具箱（MPe Toolbox），以此为桥梁，实现PetroSIM与数据处理软件、优化软件以及其他不同软件的数据传递，将多个软件平台与智能优化方法协同合作，解决复杂问题，同时还可以建立更简洁的用户界面。

1 数据接口技术原理

数据接口技术，即通过开放软件的部分接口对象，使得其他程序可以通过调用，执行数据的输入与输出。CAPE-OPEN（Computer-Aided Process Engineering-Open，开放式计算机辅助过程）标准旨在实现过程仿真软件组件的无缝替换，是欧洲委员会自1997年发起并资助的项目。目前主流的石油化工模拟软件如Hysys、Aspen Plus、gPROMS、ProII等都提供CAPE-OPEN接口[2]，可实现相关化工过程的集成开发。

COM[3，4]（Component Object Model，组件对象模型）提供了组件应遵循的二进制和网络标准以及应用程序间的基本接口，包括标准接口和用户自定义的接口。基于COM接口的Automation技术通过使应用程序能够对另一个应用程序中可用的对象进行操作，或者将程序的对象公开以便可以对其进行操作。自动化服务器是向其他软件公开可编程对象的应用程序，如PetroSIM模拟软件；自动化控制器就是可以访问和操纵自动化服务器对象的软件，如Matlab软件。

2 PetroSIM接口工具箱

PetroSIM流程模拟软件支持COM标准，在与之相关的功能扩展软件开发中，给予了完善的对象开放与接口支持。可通过编程语言，如Matlab、Visual Basic、C++、Excel VBA及Java等，编写程序与PetroSIM进行相互通信，实现数据交互。

2.1 PetroSIM 接口对象

对象（Objects）是包含一系列函数和变量（称为对象的方法和属性）的容器。PetroSIM对象与其相关组件精确地一一对应。针对最常用的接口对象，建立了图1所示的PetroSIM自动化接口的对象层次简图，提供了上一级与下一级对象之间的关系及访问路径。

PetroSIM继承了Hysys软件的对象模型[5]，开放了340多个Automation对象，这些对象集合包含超过5 000种属性和方法。在进行数据通信时，只关注类型库中最常访问的对象即可。根据关键对象及其属性，这些对象被分为以下7大类，见表1。

2.2 PetroSIM与Matlab的数据交互

Matlab作为一款常用的功能强大的科学计算软件，能方便地编写各种计算函数及工具箱。基于Automation技术，实现在Matlab平台环境下调用PetroSIM的功能。

2.2.1 访问变量

在Matlab中，可以通过运行actxcontrol命令和aetxserver命令来创建一个ActiveX自动化服务器对象，返回一个ActiveX对象句柄，即代表自动化服务器的默认接口。PetroSIM中任何变量的引用从SimulationCase或Application开始。例如：

peapp=actxserver（‘PetroSIM.Application） %首先需要建立Matlab与PetroSIM的连接

peapp.SimulationCases=Open（FileNameString） %打开相应的模拟案例

myCase=peapp.ActiveDocument %当前激活模拟文件

T1=myCase.Flowsheet.MaterialStreams.Item （‘FeedStream）.TemperatureValue%获取物流“FeedStream”的温度值。

2.2.2 修改变量的值

当某变量是可指定的，可以通过Matlab修改它的值。例如：

myCase.Flowsheet.MaterialStreams.Item （‘FeedStream）. TemperatureValue = 40 %设定物流温度为40。

2.3 MPe接口工具箱

基于以上原理开发Matlab-PetroSIM接口工具箱（Mpe Toolbox），所包含的接口工具箱函数，按功能分为5类，共70个函数（仅实现基本调用的函数，其他功能可根据实际需要编写）。接口函数库中函数类别及功能如表2所示。

在MATLAB中将某些变量的值及单位或变量类型以结构体形式结合起来，以方便用户获得变量的全面信息。利用接口函数可以实现对PetrSIM中的重要输入变量的访问，控制PetroSIM GUI和模拟的运行，并能获取所需要的模拟运行结果。

3 MPe Toolbox在LPG 回收过程优化的应用

3.1 优化问题的描述

通过在约束范围内调节冷却温度和膨胀器出口压力，获得最高的经济效益，其中成本主要是电力的消耗，因此，经济效益要减去膨胀机以及两个压缩机的电耗费用。整个优化问题的描述为：

决策变量为：

冷却温度（Chiffer Exit Temp）Tc， ℃

膨胀器出口压力（Expander Exit Pressure）Pe， kPa

约束范围为：-64≤Tc≤-60； 2 000≤Pe≤2 200

目标函数：以总效益（Profit）为目标函数，Profit计算方法为：

Profit = Product（LPG）Value–Cost of Power

3.2 PetroSIM软件自带算法优化

通过PetroSIM自带的Optimiser，采用Ipopt算法进行优化，得出优化结果，见表3。根据CaseStudy模块对两个决策变量对经济效益做灵敏度分析，可以得出其影响规律：在约束范围内，当Tc越低，Pe越大，经济效益越大。

3.3 基于MPe Toolbox 和 GA Toolbox优化

遗传算法（Genetic Algorithms，GA）于1962年Holland教授提出[6]，与传统搜索算法相比，遗传算法搜索覆盖面大，有利于搜索得到全局最优解，适用于求解大规模复杂问题的优化问题。

本例以Matlab自带的遗传算法工具箱GA Toolbox对模拟流程进行优化计算，首先实现LPG 回收过程模拟流程相关变量的连接。通过MPe接口工具箱实现Matlab与PetroSIM模拟案例Tc、Pe、Profit的连接，在Matlab环境中运行GA Toolbox，通过迭代计算，得到优化结果见表4，可以看出其决策变量和目标函数的值与PetroSIM模拟软件本身自带的优化器计算结果接近。

4 结 论

采用基于CAPE-OPEN标准和COM技术的数据接口技术，开发Matlab-PetroSIM接口工具箱，实现在Matlab环境下调用PetroSIM模拟案例数据的功能，通过Matlab强大的科学计算能力，可以实现化工过程复杂优化问题的解决。以LPG 回收过程流程模拟的优化为例，验证了接口工具箱MPe Toolbox的实用性，对今后以PetroSIM软件建立的大型石油化工过程的模型的优化分析起指导作用。

参考文献：

[1] 杨小健，孙忠潇.炼油装置流程模拟及优化系统设计与应用[J].石油炼制与化工，2011，42（9）：87-90.

[2] 黄昔良.基于CAPE-OPEN的计算机工业建模[J]. 工业控制计算机， 2006， 19（8）：49-52.

[3] Dale Rogerson.COM技术内幕[M]. 北京：清华大学出版社， 1997：232-235.

[4] 耿大钊，陈曦，邵之江，等.基于COM技术的MATLAB与Aspen Plus接口及高级应用[J].化工自动化及仪表，2006（03）：30-34.

[5] 沈翠霞，张贝克，吴重光，等.HYSYS软件及其自动化接口研究[J].计算机仿真，2005，22（11）：247-251.

[6] Holland J H. Adaptation in natural and artificial system， an introduction analysis with application to biology， control and artificial intelligence [D]. The university of Michigan Press， Ann Arbor， USA， 1975.