乙烯生产调度人机交互系统设计与开发 本科毕业论文.docx

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乙烯生产调度人机交互系统设计与开发本科毕业论文

乙烯生产调度人机交互系统设计与开发

DesignandDevelopmentofMan-MachineInteractiveSchedulingSystemforEthyleneProduction

毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目：

乙烯生产调度人机交互系统设计与开发

设计（论文）的基本内容：

（1）了解乙烯生产过程、物料流率以及国内外乙烯管理信息系统的研究现状；

（2）学习C#和SQL语言并进行界面设计与开发；VisualStudio2010设计与实现人机交互界面和功能模块；实现优化调度方案的图形、表格显示；实现评价调度方案模块，人机交互模块，打印报表模块等；

（3）对所设计的软件进行稳定性和效率测试；

（4）总结研究成果，撰写毕业论文。

毕业设计（论文）专题部分：

题目：

设计或论文专题的基本内容：

学生接受毕业设计（论文）题目日期

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指导教师签字：

年　　月　　日

乙烯生产调度人机交互系统设计与开发

摘要

随着石油化工水平的发展，作为石油化工发展水平标志，乙烯的产量提高已越来越受到关注。

乙烯生产调度系统对企业实现生产统一管理、数据及时更新和提高生产效率都有决定性的指导作用。

本文工作以乙烯生产调度管理为背景，分析其管理的特点，进行乙烯生产调度人机交互系统各功能模块的设计与开发。

采用Visualstudio2010作为开发工具，运用C#编程语言，以SQLServer2008R2作为服务器数据库平台，使用面向对象的设计方法，实现乙烯生产调度人机交互系统的开发与设计。

设计的主要内容包括：

1）依据乙烯生产流程进行界面整体构架和功能模块设计；

2）实现优化调度结果的图形、表格显示；

3）实现调度方案评价功能；

4）实现人机交互功能，人工可对调度方案进行调整；

5）实现人工调整后调度方案的打印报表功能。

本系统的主要功能模块包括：

乙烯生产调度优化结果显示模块，人机交互模块，打印报表模块等。

该系统为科学管理、制定乙烯生产调度提供了基于人机交互的可视化信息平台，能够实现对乙烯生产调度的结果显示、方案评价、调整和打印报表等功能，方便调度人员管理和操作。

同时系统具有界面友好、操作简单和良好的扩展性等优势。

关键词：

乙烯；调度；人机交互；系统开发

DesignandDevelopmentofHuman-computerInteractiveSchedulingSystemforEthyleneProduction

Abstract

Withthedevelopmentofpetroleumandchemicalindustries,raisingtheoutputofethylenehasobtainedmoreandmoreattentionasasymbolofpetrochemicalindustrydevelopmentlevel.Schedulingsystemofethyleneproductionplaysadecisiveroleinguidingenterprisesmanagement,suchasachievingunifiedproductionmanagement,updatingdataintimeandimprovingproductionefficiency.

Basedonrealethyleneproductionschedulingmanagement,thispaperanalysesthemanagementcharacteristics,designsanddevelopsfunctionmodulesofhuman-computerinteractionschedulingsystemforethyleneproduction.AnduseVisualStudio2010asthedevelopmenttool,thec#asprogramminglanguage,theSQLServer2008softwareastheServerdatabaseplatform,andtheobject-orienteddesignmethod.Themaincontentsare:

1）Designoverallarchitectureandfunctionmodulesoftheinterfacebasedontheethyleneproductionprocess

2）Displayofoptimizingschedulingresultsbytableandfigures.

3）Evaluatetheschedulingschemebasedondifferentrules;

4）Achievethefunctionofhuman-computerinteractionandmanualadjustment.;

5）Printthereportsforadjustedschedulingscheme.

Themainfunctionmodulesinthedevelopedsystemincludeoptimizationresultsdisplayingmoduleforethyleneproductionscheduling,human-computerinteractionmodule,printingreportsmodule.Basedonhuman-computerinteraction,thesystemprovidesavisualizationinformationplatformformanagingandschedulingethyleneproductionscientifically.Itachievethefunctionsofdisplayingethyleneproductionschedulingresults,evaluatingscheme,manualadjusting,printingreportsandsoon,whichbringconvenienceforschedulingoperators.Meanwhile,therearetheadvantagesoffriendlyinterfaces,simpleoperationsandgoodextensibilityforthedevelopedsystem.

Keywords：

Ethylene;Scheduling;Human-computerInteraction;SystemsDevelopment

第一章绪论

乙烯是石油化学工业中最重要的基础原料之一，乙烯工业发展的水平总体上代表了一个国家石油化学工业的水平。

本文主要通过对目前国内外乙烯生产调度管理发展现状的研究，简单介绍乙烯生产人机交互系统设计与开发。

本章主要介绍乙烯及生产流程、国内外乙烯生产调度研究现状和本文的主要工作。

一.1乙烯及其生产流程简介

一.1.1乙烯

乙烯作为现代石油化学工业的基础的原料，可以通过聚合、氧化、卤化、烷基化、水合、羟基化、齐聚等反应，获得大量多种极其重要的化工原料，其下游衍生物和制品对整个国民经济的发展起着非常重要的作用。

乙烯主要衍生物及其用途如图1.1[1]。

图1.1乙烯主要衍生物及其用途

近些年，世界乙烯工业保持了很快的发展速度，尤其是亚洲和中东地区乙烯工业的发展明显快于世界其他国家和地区。

近年来，中东地区是世界上乙烯发展最快的地区，2001~2006年生产能力的年均增长率达到6.8%，明显高于世界2.7%的平均增长率。

目前，除沙特外，科威特、伊朗等国家已经成为世界上重要的乙烯生产国家。

根据2007年《油气杂志》统计数据显示，2006年全世界乙烯的总生产能力为12042.7万吨，比2005年增长1.86%。

其中北美地区的生产能力为3568.8万吨/年，约占世界乙烯总生产能力的29.63%；南美地区的生产能力为501.8万吨/年，约占总生产能力的4.17%；西欧地区的生产能力为2443.8万吨/年，约占总生产能力的20.29%；东欧地区的生产能力为846.2万吨/年，约占总生产能力的7.03%；中东和非洲地区的生产能力为1236.7万吨/年，约占总生产能力的10.27%；亚太地区的生产能力为3445.4万吨/年，约占世界乙烯总生产能力的28.61%[2]。

我国乙烯生产90年代以来发展很快，从1990年到1999年的10年间，乙烯总产量增长了1.8倍，从157万吨增长到435万吨，年增长率11.9%，年生产能力达到450万吨，名列世界第五名。

1999年上半年，全国共有16家石化公司拥有18套乙烯生产装置，年生产能力共计420万吨[3]。

虽然受全球经济危机影响，乙烯需求疲软，乙烯工业出现低迷。

但是中国乙烯产能增长迅速，地位进一步巩固[4]。

“十二五”期间，我国将新建乙烯项目5个至7个，增加乙烯产能630万吨/年。

去年中国乙烯产能达1709.5万吨，位居世界第二。

乙烯的生产规模、产量是衡量一个国家化工水平的重要指标。

中国石油经济技术研究院发布的《2012年国内外油气行业发展报告》显示，截至2012年年底，我国乙烯新增产能140万吨/年，总产能达1709.5万吨/年，比2011年增长6.3%，位居世界第二位。

根据国家发改委2011年颁布的产业结构调整指导目录规定，所有规划和新建乙烯装置规模应达到100万吨/年，新建煤基烯烃MTO装置规模需在50万吨/年以上。

目前国内在建、新建的石脑油裂解装置项目规模均在80万吨/年或以上[5]。

一.1.2乙烯生产流程

乙烯裂解原料的来源主要有两个方面，一是天然气加工厂的轻烃，如乙烷，丙烷，丁烷，天然汽油等；二是炼油厂的加工产品，如炼厂气，汽油，煤油，柴油，重油，渣油等，以及炼油厂二次加工油，如焦化加氢油，加氢裂化油等。

乙烯生产是利用这些原料，在不断加热的高温裂解炉内进行的，裂解温度大于800℃，压力为0.2Mpa。

为了抑制二次反应，提高烯烃收率，用急冷方式中止反应，并采用一定比例的水蒸气来稀释烃的分压和减轻裂解过程的结焦[6]。

裂解产生的裂解气为多组混合气，经分离后可获得高纯度产品。

分离前，先将裂解气经过多段压缩至3.0Mpa~4.0Mpa，在经过碱洗除去硫化氢、二氧化碳的等酸性气体，分离筛干燥脱出水分，加氢脱炔，然后在-30℃~-165℃超低温下冷凝，再送入精馏塔精馏，最后得到乙烯[6]。

乙烯生产流程如图1.2。

图1.2乙烯生产流程

一.2乙烯生产调度管理

虽然我国乙烯工业发展很快，但是与国外先进水平存在一定差距。

一方面由于生产技术落后于国外；另一方面生产管理水平有限。

80年代起，乙烯工厂均逐步用集散控制系统（DCS）取代了传统的电动仪表，显著提高了自动化水平[7]。

但DCS在实际生产中并未充分发挥其功能，只是改善了稳定性和可靠性，大部份应得效益并未得到。

为进一步挖掘生产潜力，追求更好的控制性能，基于模型的控制算法（即先进控制）和基于严格模拟的优化技术成为研究热点[8]。

目前，国外超过半数的乙烯生产厂家应用了该技术，取得了显著的经济效益。

先进控制和优化系统通过严格遵守装置的各种约束，来提高控制水平、优化生产操作，最终提高生产效率。

将其应用于生产过程中可提高操作平稳性、产品质量合格率、提高目的产品收率和装置处理能力、优化产品分布、节能降耗、延长开工周期，从而提高装置效益如何应用先进控制与优化技术指导生产已成为当今我国乙烯生产企业的一个迫切需求[9]。

我国的多家乙烯厂已引进了国外的先进控制和优化软件，但由于各种原因，许多技术（如裂解炉裂解深度实时控制等）至今不能投用，且国外技术和软件的高昂费用也制约了它的推广应用。

近年来，国内也在乙烯装置优化操作方面进行了大量的工作，不过大都集中在平稳操作以及仪表控制水平的提高等方面[10]。

一.3国内外研究现状

国外从二十世纪六十年代年至今，对乙烯生产过程的先进控技术进行了大量的理论上和应用上的研究。

Tjoa等基于混合整数非线性规划方法（NINLP）对乙烯厂计划调度和全厂优化问题进行了研究[11]。

WarrenHuang研究了石脑油裂解炉的优化操作问题[12]；Apostolos介绍了1994年在美国德州毕蒙特的Mobil化学公司乙烯装置中实施的一种新型闭环稳态实时优化系统（CTRTO）的情况。

据介绍，1996年该技术使得Mobil乙烯装置在计算机控制应用水平上在北美所罗门联合烯烃装置中位居第一，同年该装置在计算机控制应用水平上位居世界第二[13]。

先进过程控制（APC）技术在乙烯生产过程中用得最成功的是当属动态矩阵控（DMC）法，代表产品是AspenTech公司的DMCPlus。

据报道，至1997年底，全世界已实施的乙烯工厂APC项目中，采用DMCPlus的占70%以上。

DMCPlus主要包括预估模块、线性规划模块和动态控制模块[7]。

原Setpoint公司开发了烯烃装置计算机优化控制系统，采用了稳定化控制、约束控制、局部优化控制和整体优化控制的四级递阶控制策略，并在实际应用中取得了很好的效果。

据该公司称，采用这种优化控制软件包，在相同的烃进料下，可提高乙烯产量3%-5%，降低能耗10%-15%，且在较高的裂解深度下裂解炉的运行时间可延长30%[14]。

另外，ABBSimcon公司也开发了烯烃工厂模拟和优化软件包OPSO（OlefinsPlantSimulationandOptimization），已在多套乙烯装置上成功应用。

目前，在线闭环实时优化技术在乙烯生产过程的优化中得到了广泛的应用，其典型产品是AspenTech公司的RT-OPT软件，其实质是稳态流程模拟与优化，但这种实时优化计算是根据现场实测数据为输入，并要在1~2h之内算出结果[15]。

在国内，王振雷等对大型工业裂解炉优化问题进行了研究。

实施裂解炉先进控制后，极大稳定了裂解炉的操作裂解炉平均炉管出口温度波动范围保持在±1℃之内，各组炉管间出口温度偏差不大于1℃，裂解炉生产负荷波动幅度不大于0.25%；实施裂解炉裂解深度后，使裂解炉出口丙烯和乙烯浓度的在线估计误差小于3%，裂解炉的“双烯”收率平均提高0.4%，每年可产生5000万元的直接经济效益[16]。

胡大俊等开展了乙烯生产装置的优化操作研究。

由于严格地执行了操作调优，使裂解炉的运行周期大大延长，裂解炉的开工率得到保证。

整个调优期间，没有因为异常烧焦问题而影响。

炉的正常运行。

而没有调优的裂解炉，一年多停车21天，造成较大损失[17]。

李平等对CBL-Ⅱ型乙烯裂解炉的先进控制进行了研究。

开发了裂解炉管平均COT温度先进控制系统、裂解炉各组炉管出口温度平衡控制系统、总进料及总进料流量提/降量控制系统，并结合DCS的特点，设计了可靠的安全运行机制，确保系统的安全、平稳运行。

该系统已分别在5台裂解炉上实施应用，通过“卡边”操作，提高了目标产品的收率和装置的处理能力，降低了燃料消耗，延长了裂解炉运行周期，减轻了操作人员劳动强度，取得了显著的经济效益和社会效益[18]。

此外，匡卓贤等对乙烯装置的在线优化技术进行了分析平均COT波动在2℃以内，大大提高了企业年效益[19]；谢国学从乙烯原料油的平衡出发探讨了裂解炉的优化操作与配置问题，为解决乙烯原料供应紧张的问题,将乙烯原料进行多样化和重质化平衡，为企业赢得了巨大的经济效益和社会效益[20]；李铭新对烷烃裂解反应的最佳收率进行了研究

用极小值原则求解了烷烃裂解的最佳收率[21]；袁丁等论述了工厂裂解原料的优化问题[21]。

但是，长期以来我国在乙烯生产过程先进控制和优化技术的研究上还是非常不够，在拥有自主知识产权的产品方面更是一片空白，这种情况应该引起我们的高度重视[23]。

一.4本文主要工作

本文主要是在C#的开发环境下对乙烯系统的人机交互部分进行设计和开发。

主要通过与数据库进行连接，实现对优化调度方案图形显示，然后进行调度方案评价，根据评价结果修改方案，实现人机互动，最后进行相关报表的打印。

因此，主要工作包括了如下几个方面：

（1）阅读乙烯发展背景、生产流程及乙烯生产管理的国内外研究现状程等，了解已有的乙烯系统的整体框架和功能。

（2）通过对C#语言的学习，完成优化结果、方案评价和人机交互界面的设计，并且深入学习画图时和人机交互时需要用到的控件。

（3）通过对MicrosoftSQLServer2008R2的学习，了解数据库的建立，与VS2010平台的连接，以及实现读取数据，修改数据等功能。

（4）在完成界面设计及数据库学习后，完成优化结果柱状图，方案评价图的绘制以及人机交互功能。

同时实现打印报表功能。

（5）在对C#控件以及Windows窗体属性做深入研究之后，优化界面外观，使完成的界面尽量简洁美观。

第二章系统开发工具介绍

乙烯生产调度人机交互系统设计与开发是在MicrosoftVisualStudio2010和MicrosoftSQLServer2008R2的环境下完成的。

本章主要就是对C#语言，以及MicrosoftVisualStudio2010和SQL2008R2的新建、连接以及在界面开发中的基本运用作简单的介绍。

二.1开发语言C#及开发平台VisualStudio2010

二.1.1C#背景介绍

C#是由Microsoft公司开发的一种新型的编程语言。

由于它是从C和C++中派生出来的，因此具有C++的功能；同时，由于是Microsoft公司的产品，他又像VisualBasic一样简单。

对于Web开发而言，C#像Java一样，同时具有Delphi和VisualBasic的一些优点。

Microsoft宣称：

C#是开发.NET框架应用程序的最好的语言。

C#是一种最新的、面向对象的编程语言。

它使得程序员可以快速地编写各种基于Microsoft.NET平台的应用程序，Microsoft.NET提供了一系列的工具和服务来最大程度地开发利用计算与通讯领域。

正是由于C#面向对象的卓越设计，使它成为构建各类组件的理想之选——无论是高级的商业对象还是系统级的应用程序。

使用简单的C#语言结构，这些组件可以方便的转化为XML网络服务，从而使它们可以由任何语言在任何操作系统上通过Internet进行调用。

最重要的是，C#使得C++程序员可以高效的开发程序，而绝不损失C/C++原有的强大的功能。

因为这种继承关系，C#与C/C++具有极大的相似性，熟悉类似语言的开发者可以很快的转向C#[24]。

二.1.2C#特点介绍

C#是一种现代的、面向对象的语言，它结合了C\C++和VisualC++的强大功能，以及Delphi和VisualBasic的易用性。

C#具有以下特点。

（1）简单

◆C#在很多方面与C/C++极其相似。

语句、表达式、操作符以及一些其他功能是直接来自C/C++的。

同时为了语言简单，只是做了些简单的改进，它简化了C/C++类、命名空间、方法重载和异常处理等方面的操作。

◆在C#中，没有C#使用指针，而采用了单元收集程序自动管理程序内存。

默认情况下，程序员工作在受管理的代码中。

◆C#提供了一些实用类型，如decimal这个企业级运用开发带来了方便。

另外，还可以自定义类型。

◆C#使用统一类型系统，如字符就是字符，不需要对char，unsignedchar，signedchar等做出区分。

（2）面向对象

◆在C#中，不存在全局函数、变量或常量。

所有的东西都封装在类中，包括静态成员和非静态成员。

这使C#代码更加易读且减少潜在的命名冲突。

◆在C#中，去掉了多重继承，通过利用多个接口隐式地实现多重继承。

（3）类型安全

C#去掉了指针，这从根本上保证了程序的稳定性和类型安全，此外，C#中保证类型安全的措施还有：

◆在C#中不允许使用为初始化的变量。

编译器负责将对象的成员变量清零，并将所有动态分配的对象和数据都初始化为零，儿局部变量则由程序员自己负责初始化。

◆C#会进行边界检查。

如果访问一个有n个元素的数组，则C#自动检查数组边界，不允许越界访问第n+1个元素。

◆C#取消了不安全的类型转换。

不能把一个整形强制装换为一个引用类型（如对象），而当向下转换时，C#验证这种转换是正确的。

也就是说，派生类事实上是从向下装换的那个类派生出来的。

（4）版本控制

几乎所有的程序员都遇到过“DLL地狱”，就是在同一台机器上安装了DLL相同的不同的应用程序版本。

有时，老版本的应用程序能够很好地和新版本的DLL在一起工作，但更多的时候他们会中断运行。

C#从以下两个方面来解决这个问题。

◆内建语言支持。

C#命名空间支持了版本，如在不同的命名空间中定义同名类不会引起名字的冲突，也就是说，如果命名空间Namespace1中定义了一个类student，那么在命名空间Namspace2中在定义一个student类不会引起冲突。

◆CLP环境的支持。

CLP提供并执行了（side-by-sideexecution）功能，既允许同时运行同一类型的多个版本。

（5）兼容性

◆支持对C语言形式的API的交互。

动态链接库的任何入口点都是以C语言形式给出的，调用时需要使用sysimport属性声明函数的类型，指定自定义列集和返回信息。

◆支持对C语言形式的API的交互。

动态链接库的任何入口点都是以C语言形式给出的，调用时需要使用comlmport属性声明函数的类型，指定自定义列集和返回信息。

◆支持所有的OLE特性。

（6）灵活性

◆C#是在托管和类型安全的环境下运行的。

但很多API函数都需要传递指针类型的数据，C#为此提供了他它的灵活性。

◆C#允许声明一些不安全的方法或类，从而使用指针、结构和静态数组。

这些方法和数组虽然是不安全的，但它们仍在托管环境中运行，不需要再安全代码和不安全代码之间进行设置。

二.1.3创建WinForm程序

窗体也称窗口，是开发Windows桌面的应用程序的基础。

窗体通常是屏幕上显示出来的一个矩形区域，可以用来获取用户输入数据和向用户显示数据。

WinForm是.NET开发平台中对WindowsForm的一种简称。

下面将通过具体的Form类来说明VisualC#开发WinForm程序的具体过程。

启动VisualStudio2010，进入开始页，选择新建项目。

单击新建项目创建新项目。

选择Windows窗体应用程序。

名称，位置，解决方案名称用户可以进行修改。

单击确定按钮，将打开Windows窗体设计器，显示所创建项目的窗体Form1，进入开发环境。

到现在为止，程序就完成了，单击运行就可以运行该程序了，也就是一个WinForm窗体创建完毕。

二.1.4Chart控件介绍及简单示例

（1）Chart控件介绍

微软在自己的产品中对Chart控件的定义是：

Chart控件是公开事件的图表对象，可以绑定到