强强联合 | 用Matlab与Aspen Plus通信

本文作者Devin，现为加拿大滑铁卢大学在读博士，研究方向为疫苗生产的建模、优化与过程控制。推荐大家去关注学长的知乎专栏：“过程系统工程学习笔记”————https://zhuanlan.zhihu.com/chemicalengineeringnotes

　　Aspen Plus (下文简称AP)有的时候难以实现一些特殊的高级用户需求，比如多目标优化等。

举个例子，买东西的时候我们都喜欢物美价廉，但是物美和价廉两个目标在现实生活中是一定程度矛盾的，这种问题在运筹学里就叫多目标优化。在工程学里，操作费用和设备费用，也是某种多目标优化问题。要实现多目标优化，我们就需要在AP中植入多目标优化的算法，对于这种封装好的软件是非常难的，除非利用一些软件已有的接口（API）。

Matlab的NSGA-II算法（一种多目标优化遗传算法）

Matlab、Python中有很多的库可以实现多目标优化算法。如果我们能把AP里建好的流程模拟当做一个函数，在Matlab、Python中调用这个函数，那么结合各种库就可以实现多目标优化了。不仅多目标优化，像自建的软测量、故障分析等都很难直接在AP中实现。更甚至，我要基于AP的流程模拟，产生大量数据，用来训练各种机器学习算法，也很难依靠手动去操作去一个一个完成；AP自带的优化、敏感性分析，也可能不能满足我的需求。为了实现这些复杂的高级需求，突破AP既有的功能，都需要与AP通信，修改AP中模拟流程的参数，然后获取搜索需要的数据。实现Matlab与Python通信，相当于打开了更大的可能性。这篇文章和另一篇文章，我将简单介绍如何利用Matlab去实现对AP的输入和输出。

AP的用户界面是一种基于ActiveX自动化的服务端。其他编程语言可以利用ActiveX技术，实现与AP的直接交互。AP的用户手册第38章节里，提供了详细的基于Visual Basic （VB）语言与AP交互。网上比较常见的资料，通常采取一种曲折的方法，通过Matlab与VB通信，然后用VB与AP通信，这样可以实现更多的功能。这种方法需要你得懂一点VB。但客观说，今天用VB的人越来越少了。

Matlab、Python其实可以直接跟AP通信，但很遗憾AP的用户手册里，没有提到如何利用Matlab和Python进行交互，网上资料也是非常非常少。不过用户手册里依然有很多有用的信息值得参考，如有疑问请参考用户手册。

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步骤概述

1.在AP中构建好流程模拟，运行成功后，保存成bkp文件格式。

2.确定输入变量和输出变量的变量名，并在AP的变量浏览器（Variable Explorer）中查找到相应变量的调用地址（Call）。

3.在Matlab的程序中根据需要，利用调用地址（call）改变输入变量、获取输出变量。

4.检查该次运算中，AP是否存在你认为严重的警告（Warning）或者错误（Error），从而在Matlab中取舍某些结果。

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详细步骤

1.构建模型

为了方便解说和读者实验，这里将用AP自带的三效蒸发的例子来解说。在AP的默认安装目录下，找到用户图形界面（GUI）文件夹下的案例（Examples）文件夹，里面是各种Aspen公司构建的各行业的经典案例。在其中找到大宗化学品（Bulk Chemical）文件夹，其中有一个Triple-Effect Evaporator.bkp文件（即三效蒸发器），同名的pdf是该模型的背景介绍。下文讲通过Matlab操作这个三效蒸发器文件，所以可以拷贝到其他文件夹，以供实验。（读者可以根据自己的需要在AP中构建、调试自己的流程模拟过程。）

三效蒸发器文件的目录

2.运行调试，确保可以正常运行。

三效蒸发器的流程图

3.从结果汇总（Results Summary）的运行状态（Run status）中，确定软件版本。AP第10版对应的是36.0，11版对应37.0，以此类推。这个信息在程序里面会用到

确定AP的版本

4.确定输入变量和输出变量。在这个项目中， 输入变量是进料总流量，输出变量是蒸发器的热负荷，如下图黄色标记所示。我将用Matlab修改输入流量1000为1200、1400，然后用Matlab获取，运行AP的模拟后，三个蒸发器相应的热负荷。

5.单击鼠标左键进料流股BRINE的对话框。在总流量一栏，选定这个变量，单击右键复制这个变量。

6.复制变量后，选择自定义（Customize）的标签页。在设置（Settings）下，找到变量浏览器（Variable Explorer）。

7.进入变量浏览器，在空白处鼠标单击右键，选择“去节点（Go to Node）”。（注：这里的Node是指AP的各种对象。在AP中，各种数据、各种参数，都是在面向对象编程的思想，组织起来的复杂数据结构。这种数据结构是树状的，每一个分叉都可以看做一个节点，节点上又有各种子节点。详细内容请查看AP的用户手册第38章。）

8.弹出一个对话框，点击确定（OK）。

9.在TOTFLOW下面找到混合（MIXED）一项，即为混合物的进料总流量的节点。下图右侧显示了这个节点的各种属性（Attribute）和相应的属性值（Value）。其中有两个最重要，一个是Call（变量的调用地址），另一个是Value（变量值）。Call就是在Matlab中，要调用这个变量时的调用地址，Value就是目前这个变量的值，此时流量是1000。

10.类似上面的操作，我们可以找到输出变量，即三个蒸发器的热负荷的Call和Value。

11.运行Matlab程序，分别修改流量为1200、1400。

流量为1200时

流量为1400时

12.Matlab运行中，我的电脑上流量为1200时会报错，不收敛。原因是温度超过Solver默认的上限，修改默认的上限会收敛。但有趣的是，继续进行流量为1400的计算时，能收敛不报错。我推测，原因是1400的迭代计算中应该没有触碰到上限，所以1400的能收敛，反倒1200的不能收敛。

既然AP计算时，会有各种的错误（Error）和警告（Warning），有的计算结果是不可靠，Matlab运行程序时，就需要处理这些复杂情况，取舍某些结果。实现的方法是检查历史文件（his），历史文件存储了所有输入变量和计算细节，所有的警告和错误都会被记录下来。需要注意历史文件是临时文件，历史文件的名字会变，每次计算可能都不一样。这个历史文件的名字变量是运行ID（Run ID），其Call为Application.Tree.FindNode("\Data\Results Summary\Run-Status\Output\RUNID")。利用这个Call，可以在Matlab中以文本格式读取历史文件，搜索报错和警告信息。

计算中产生的各种临时文件，后缀为his的是历史文件

这里用记事本文件格式，展示下历史文件的内容。可以看到运行流量为1200的模拟时，AP有一个严重错误（Severe Error），原因是温度超过上限。所以这一次的计算结果不可靠。Matlab需要去搜索“Severe Error”这个关键词。如果有这个关键词，可以在Matlab中，通过条件语句，丢弃这次的模拟结果。（注：关键词的确定， 需要在前期的实验中，摸索尝试，确定可能会出现的各种报错、警告情况）

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Matlab程序

计算过程中，可以在Matlab中使用断点，来暂停程序的运行；此时可以检查AP的运行，是否一切正常。需要注意，整个计算过程中有点容易死机，需要有耐心。

下面的Matlab程序，进行了详细的注释

clear;
clc;

%% 连接Aspen Plus

% AP8.8版替换下面的36.0为34.0; 9.0替换为35.0; 10.0替换为36.0；11.0替换为37.0
% 创建AP的本地服务器
Application = actxserver('Apwn.Document.36.0'); 

% 获取当前文件夹的地址，三效蒸发器文件和本程序文件需放置在同一个文件夹
[~,address] = fileattrib; 

% AP的bkp文件的文件名，即三效蒸发器bkp文件的文件名
SimulationName = 'Triple-Effect Evaporator';

%打开三效蒸发器文件
Application.invoke('InitFromArchive2',[address.Name '\' SimulationName '.bkp']);

% 设置AP用户界面的可见性，1为可见，0为不可见
Application.Visible = 1; 

% 压制对话框的弹出，1为压制；0为不压制
Application.SuppressDialogs = 1; 

% 试运行三效蒸发器模拟
Application.Engine.Run2(1); 

% 因为AP运行比较慢，所以用一个循环语句，每两秒钟检查一次是否运行完毕
while Application.Engine.IsRunning == 1 
    pause(2);
end

% 定义输入、输出变量、收敛标签
FeedFlow = [1200 1400];
HeatDuty = zeros(2,3);
SimulationConvergency = zeros(2,1);


%% 程序核心部分

% 用for循环依次改变流量为1200、1400，并运行模拟，然后存储数据，检查历史文件  
for ii = 1:length(FeedFlow)

    %设置输入流量
    Application.Tree.FindNode("\Data\Streams\BRINE\Input\TOTFLOW\MIXED").Value = FeedFlow(ii); 
    
    %初始化，用于清除之前的数据
    Application.Reinit; 

    %运行程序
    Application.Engine.Run2(1);

    %每两秒钟检查一次是否运行完毕
    while Application.Engine.IsRunning == 1 
        pause(2);
    end

    %获取三个蒸发器的热负荷
    HeatDuty(ii,1) = Application.Tree.FindNode("\Data\Blocks\STAGE-1\Output\QCALC").Value;
    HeatDuty(ii,2) = Application.Tree.FindNode("\Data\Blocks\STAGE-2\Output\QCALC").Value;
    HeatDuty(ii,3) = Application.Tree.FindNode("\Data\Blocks\STAGE-3\Output\QCALC").Value;
    
    %获取历史文件的名字
    name = Application.Tree.FindNode("\Data\Results Summary\Run-Status\Output\RUNID").Value;
    Filename = [address.Name,'\',name,'.his'];
    fid = fopen(Filename,'r');

    %读取历史文件信息，并存储在Data中
    Data = textscan(fid,'%s','delimiter','\n','whitespace',' ');
    fclose('all');
    contents = Data{1};

    %定义搜索关键词
    SearchingString = 'SEVERE ERROR';
    isStringExist = strfind (contents, SearchingString );

    %检查关键词是否出现
    isError = find(~ cellfun ('isempty', isStringExist),1);

    %如果关键词出现，则标记这一次结果为没有收敛
    if isempty(isError)
        SimulationConvergency(ii) = true;
    else
        SimulationConvergency(ii) = false;
    end

end


%% 关闭AP
Application.Close;
Application.Quit;

    

（可滑动查看）

参考文献

Aspen Plus User Guide

Andrés F. Abril，MathWorks FileExchange， Aspen Plus - Matlab Link

END

（文章已获作者Devin的转载许可‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍，点击下方阅读原文即可关注学长的知乎和过程系统工程专栏哦！）

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创作：Devin整理：yeti

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