（冶金工程专业论文）通化钢铁集团能源平衡控制系统的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 通化钢铁集团能源平衡控制系统的研究 摘要 对能源进行平衡控制使用，减少能源浪费，是冶金企业不断追求的目标。然 而由于冶金企业的工艺设备复杂性，直至今天对企业的能源进行平衡控制使用仍 谣临着巨大的困难，主要是在线平衡和调整方面缺乏有效的控制手段。信息网络 技术的快速度发展，为企业建设能源平衡控制系统带来全新的技术和解决方案， 通过建设能源平衡控制系统，利用x m l 、o p c 、专家系统和数据仓库等技术， 使得企业对于能源进行平衡控制成为可能。这是因为，利用各种先进的玎结合 冶金技术建设的系统使得能源数据的处理、能源设备的联动控制成为可能。 节能降耗、降成本是钢铁企业提高市场竞争力的最重要手段之一。国内外钢 铁企业的主要领导均十分重视企业的节能工作，并且把节能与环保工作紧密地结 合在一起，制定出企业的节能规划，能源管理办法，充分利用已开发出来的各项 新技术、新设备、新方法来最大限度地在钢铁生产过程中实现回收余热余能，达 到能源平衡控制，在有条件的情况下，形成能源控制自动化，减少煤气放散等能 源浪费。“创造节能型工厂”已纳入了国家经贸委编制的冶金工业“十五”规划 之中。钢铁工业开展节能工作要系统节能，而不能各工序单打一的简单考虑。系 统节能的思路是，实现管理节能、技术节能、结构给能并举，达到以较少的资金 投入，实现最大的节能效果和经济效益。建立和完善企业的能源控制和管理系统， 对企业各工序生产过程进行监控，进行故障分析诊断、能源平衡预测，利用系统 运行优化、专家系统、高速采集数据和及时分析、归档处理，实现能源系统的分 散控制、集中管理。管理节能可为企业创出节约总能耗的5 。 目前国外有p o s d a t a 公司、台湾中钢集团网络公司等开发出了能源平衡控制 软件。但系统应用限制于自动化程度较高的大型企业，投资相对比较大，对于国 内企业，特别是中小企业的进一步推广应用困难。本次研究的重点是实现通钢主 要能源：煤气、蒸气、氧气、电力平衡自动控制系统开发；进行通用性改造，实 现总体能源自动控制系统的开发；解决大型企业能源控制软件不适合中小型企业 的问题。 本次研究主要内容包括： 开发数据采集存储系统( d c ) ，包含：符合o p c 标准的工控单元数据标准 接口系统和实时数据存储系统( 实时数据库i d a t a ) 两个模块；实时数据库i d a t a 的应用；集成数据清洗和转储系统( e t l 系统) ；数据挖掘和展现系统的应用； 流程建模系统( e m d ) 的研发；能源平衡控制系统专家模型的研发。 各能源系统的仪表数据通过符合o p c 标准的借口进行提取，经过过滤转储， i i 东北大学硕士学位论文 摘要 存储在数据仓库中，专家系统通过对实时数据和数据仓库中的数据进行综合分 析，得出分析结果，通过展现平台展现，操作人员可根据数据分析情况进行能源 控制阀的调整，达到能源平衡使用的目的。 能源平衡控制系统中的煤气平衡控制系统、氧气平衡控制系统己经在通钢得 到应用，创造效益可观。 关键词能源平衡控制o p c d c e m d 模型 i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t ar e s e a r c hi ne n e r g yb a l a n c ea n dc o n t r o ls y s t e mo ft i s c o a b s t r a c t u s ee n e r g yb a l a n c ea n dc o n t r o ls y s t e mt h a tt or e d u c et h ew a s t ee n e r g yi so n eo f t h em i s s i o n so fm e t a l l u r g i c a le n t e r p r i s e t h e r ea r eal o to fd i f f i c u l t i e s i nt h i so b j e c t b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h et e c h n i q u ea n de q u i p m e n to fm e t a l l u r g i c a le n t e r p r i s e ， t h em a i nd i f f i c u l t yi st h e r ew a sn o n ea c t i v em e t h o di nb a l a n c ea n dc o n t r o lo ft h e e n e r g ym a n a g es y s t e m o i ll i n e t h en e w t e c h n o l o g yo f & n tb r i n gan e ww a y t o c o n s t r u c tt h eb a l a n c ea n dc o n t r o ls y s t e mo fe n e r g y , u s et h en e wt e c h n o l o g yo fi t & n t ，s u c ha sx m k o p c ，e x p e r ts y s t e m ，d w je t c ，b e c a u s et h es y s t e mt h a tc o n s t r u c t w i t ht h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo fi ti n t e g r a t ew i t hm e t a l l u r g ym a k ei tp o s s i b l et o m a n a g ed a t aa n dc o o r d i n a t e dc o n t r o le q u i p m e n t o ft h ee n e r g ys y s t e m t or e d u c ee n e r g ya n dc o s ti so n eo ft h ei m p o r t a n tm e t h o d so ft h es t e e lm a k i n g e n t e r p r i s et h a tc a ni m p r o v ea b i l i t yo fc o m p e t i t i o ni nm a r k e t t h em a i nl e a d e ro fs t e e l m a k i n ge n t e r p r i s ea r ev e r ya t t a c hi m p o r t a n c et or e d u c ee n e r g y ，a n ds e tc l o s er e l a t i o n t oe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nw i t hr e d u c eo fe n e r g y , w i t hl a yd o w nap l a na n d m a n a g e m e n tr u s e s 。u s en e wt e c h n o l o g y ，n e we q u i p m e n ta n dn e w m e t h o dt or e t r i e v e w a s t eh e a ta n dw a s t ee n e r g yi nm a x i m u mr a n g ei np r o d u c ep r o c e s s ，a n dg e t e q u i l i b r a t i o no fe n e r g yc o n t r 0 1 a tf a v o r a b l ec o n d i t i o n s ，w ec a nc o n s t r u c te r i e r g y a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m ；r e d u c et h ew a s t eo fe n e r g yl i k et h eg a sd i s c h a r g ei n t os k y “m a k er e d u c ee n e r g yf a c t o r y ”i sw r i t t e ni n t ot h e “t h et e n t hf i v e y e a rp l a n ”m a d e b vo fn a t i o n a ld e v e l o p m e n tr e f o r mc o m m i s s i o n w o r ko fe n e r g yr e d u c em u s t c o n s i d e rs y s t e m a t i c ，j u s tc o n s i d e ro n eo fp r o d u c t i o np r o c e s s e ss i m p l yi sd i s a b l ef o r e n e r g yr e d u c e t h em e t h o do fe n e r g yr e d u c ei ns y s t e mi se m p l o yb o t hm a n a g e m e n t m e t h o d ，t e c h n o l o g ym e t h o da n du s ee n e r g yi np l a n ，s ow ec a nb r i n go u tm a x i m u m e f f e c ta n db e n e f i tw i t hm i n i m u mc o s t b yc o n s t r u c tc o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e m o fe n e r g y , m o n i t o ra l lo ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s e s ，a n a l y s et h ec a u s e so ff a i l u r e ， e n e r g yb a l a n c ef a r ec a s t i n g , o p t i m i z et h es y s t e mo i ll i n e ，u s ee x p e r ts y s t e m ，u s eh i 曲 s p e e dd a t ac o l l e c ta n da n i l y s es y s t e m ，f i l ed a t a ，w ec a nc o n t r o le n e r g ys y s t e mm d e c e n t r a l i z e dm o d ea n dm a n a g ee n e r g ys y s t e mi n u n i f i e dm o d e i ts a i de n e r g y m a n a g e m e n tc o u l dr e d u c ea b o u t5 o f a l lt h ee n e r g yc o s t t h es o f t w a r eo fb a l a n c ea n dc o n t r o lo fe n e r g yw a sd e v e l o p e db yp o s d a t aa n d c s c n e t b u ti to n l yf i ti nh i g hl e v e la u t o m a t i o nf a c t o r ya n di tw i l lc o s tm o r ec a p i t a l ， n o ti nm i d d l ea n ds m a l le n t e r p r i s e t h i sr e s e a r c hi sa b o u tt h ed e v e l o p m e n t o fb a l a n c e a n dc o n t r o ls y s t e mo fe n e r g ys u c ha sg a s ，s t e a m ，o x y g e n ，e l e c t r o n i c ，t h e nr e m o u l dt h e p r o d u c tb ei nc o m m o nu s e b ym a d ei ti n t oac o m m o np r o d u c t ，w ec a nw o r ko u tt h e p r o b l e mt h a te n e r g yc o n t r o ls o f t w a r eo fl a r g ee n t e r p r i s ed o e sn o tf i t i nm i d d l ea n d 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s m a l le n t e r p r i s e - i nt h i sr e s e a r c h ，w ew i l ld ot h ef o l l o w i n gw o r k s t h ed e v e l o po fd a t ac o l l e c ta n ds a v es y s t e m ( d c ，i n c l u d ec o l t n t i o i ) i n t e r f a c e w h i c hi su pt ot h es t a n d a r do fo p ca n da c t u a lt i m ed a t as a v es y s t e m ( a c t u a ld a t a b a s e i d a t a ) ；a p p l i c a t i o no fa c t u a ld a t a b a s ei d a t a ；d a t ac l e a n i n ga n d r e s a v es y s t e m ( e t l s y s t e m ) ；a p p l i c a t i o no fd a t am i n i n ga n ds h o w i n gs y s t e m ；d e v e l o p m e n to fw o r kf l o w m o d u l es y s t e m m d ) ；d e v e l o p m e n to fe x p e r tm o d u l es y s t e m d a t ao fm e t e r si na l lt h ee n e r g ys y s t e mw i l lb ec o l l e c t e db yi n t e r f a c eu pt ot h e s t a n d a r do fo p c ，t h ed a t ag ot h r o u g he t ls y s t e ma n di ss a v e di n t od w , i ne x p e r t s y s t e m ，a n dt h ea n a l y z e dr e s u l tw i l lb em a d e w i t ht h ed a t ai na c t u a ld a t a b a s ea n dd w b yu s ee x p l o r e lo p e r a t o r sc a na d j u s tt h ev a l v eo fe n e r g ys y s t e m ，s ot h eu s eo fe n e r g y i sk e e pb a l a n c e t h eg a sb a l a n c es y s t e ma n do x y g e nb a l a n c es y s t e ma r eu s i n g i nt i s c o s u c c e s s f u l l y ；i th a sm a d e l o t so fb e n e f i t s k e yw o r d se n e r g yb a l a n c ec o n t r o lo p c d ce m dm o d u l e v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王夺= 三麓 日期：，钔心、，芎 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同 意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章前言 第一章前言 1 1 研究背景 世界经济一体化加剧，面向全球的企业竞争更加激烈。 随着经济全球化的加剧和中国成功加入w t o ，传统的经济运行方式和管理 已经不能适应新的宏观经济形势的需要，随着我国经济建设和信息化建设的稳步 推进，利用全新的信息网络技术，改造传统的经济运行方式，提高经济运行效率， 以信息化带动工业化，提高企业核心竞争能力，成为全中国乃至全世界各城市应 对经济全球化的主要措施之一j 。 贯彻国家以信息化带动工业化的方针，提高企业工业化水平。 通钢集团在工业化建设方面己取得一定的成就，拥有多条现代化的生产线， 但集团自动化水平距先进企业尚有一定差距，通钢集团计划加强基础自动化建 设，以信息化带动工业化，切实提高集团工业化水平。 在制造业企业中，尤其是能源消耗型企业，节约能源耗用和能源使用平衡形 成自动化控制一直是企业努力实现的目标f2 1 ，信息技术的发展为企业提供了全新 的能源控制技术，即：网络化的能源平衡控制技术，信息网络技术、自动化技术、 工艺技术充分的融合，使能源在线管理和能源实现平衡成为可能1 3 。 由于技术条件和资金条件的限制，我国只有少数几个大型企业引进了能源平 衡控制自动化系统，耗资几亿元人民币，绝大多数企业尚未建设能源平衡控制自 动化系统【4 ，通钢是我国大型钢铁联合企业，能源管理自动化水平比较低，能耗 指标较先进水平差距较大，针对这一情况，通化网航信息技术股份有限公司( 简 称网航公司，通钢控股) 决定建设通钢能源平衡控制自动化系统，为通钢提供一 套实用、适用、投资少、效益高的能源平衡控制自动化系统。 在制造业中，尤其是老工业企业，能源浪费现象较为严重，能耗指标偏高直 接影响了产品成本的降低，加上负担沉重，老工业企业在市场竞争中往往处于劣 势，利用自动化、信息化、工艺控制三项技术的深入结合，改善能源消耗指标， 是以信息化带动工业化，以信息化改造传统产业的一个重要应用 s l 。企业信息化 有三部分内容组成：e r p ( 企业资源计划) 系统、m e s ( 制造执行) 系统、p c s ( 过 程控制) 系统【叫，以信息化带动工业化主要体现为利用信息技术提升企业自动化 水平，即信息化在m e s 和p c s 两个层面的应用，能源平衡控制自动化系统是 m e s 和p c s 两个层面应用的重要组成。 钢铁企业由于设各众多、流程复杂，其信息化应用被公认为最为复杂、困难 n 如图所示，适用于钢铁企业的信息化系统由三部分组成：处于上层的e r p ( 企 业资源计划) 系统、处于底层的p c s ( 过程控制) 系统和处于承上启下核心地位 的m e s ( 制造执行) 系统( 见图1 1 ) 。 东北大学硕士学位论文 第一章前言 图1 1 冶金企业信息化系统结构图 f i g 1 1t h e s t r u c t u r eo fi ts y s t e mo fm e t a l l u r g ye n t e r p r i s e 其中，e r p 主要根据企业的人、财、物各种资源的状况和产、供、销各个环 节的信息，对生产进行合理有效的计划、组织，使生产经营活动协调有序地进行， 并对企业的战略计划进行决策。m e s 则根据e r p 系统下达的合同计划，通过生 产调度、生产统计、成本控制、物料平衡和能源管理过程组织生产，并将信息加 以采集、传递和加工处理，及时呈报e r p 系统。p c s 系统根据i v i e s 下达的生产 指令进行各工序的过程控制，设定各种设备的具体动作参数，进行各种模型计算 和控制计算，同时收集执行过程中的实时数据上传i v i e s 和e r p 系统。m e s 层 起到承上启下的作用，能源平衡控制系统绝大多数功能在m e s 层次。企业为了 应对两个市场的激烈竞争，应用能源平衡控制系统，节能降耗，降低成本，是一 项重中之重的工作。 钢铁企业是能源消耗大户，由于工序组织复杂，煤气、氧气、蒸汽、电力等 能源很难达到平衡，浪费现象严重。能源平衡是钢铁企业能源管理的目标，所谓 能源平衡即：合理利用现有能源，减少浪费，协调能源分配，实现能源的相对平 衡，从而达到节约能源，降低生产成本的目的i 。能源平衡对能耗型企业意义重 大，能源平衡自动控制系统，在能耗性企业中市场巨大。 1 _ 2 钢铁工业能源结构和节能分析 据统计，近年来世界钢铁工业能源消耗占世界总能耗的1 0 左右，我国钢 铁工业总能耗也占全国总能耗的1 0 左右。2 0 0 1 年全国产钢量为1 5 2 6 亿吨， 其能耗为1 1 4 5 5 7 1 万吨标煤【9 】。 ( 1 ) 我国钢铁工业能源结构 据统计，1 9 9 9 年我国钢铁工业能源结构是：7 0 煤炭( 其中：4 8 为炼焦 用煤，2 2 为动力用煤) ，2 6 8 为电力，3 为燃料油，2 为天然气【1 0 】。其中 煤炭转化为焦炭和煤气后，成为冶金企业直接使用能源【1 1 】。 根据2 0 0 1 年冶金重点企业统计汇总能源消耗情况进行计算得出，各主要工 序能耗占钢铁工业总能耗的比例【1 “，( 见表1 1 ) 。 从表1 1 可看出铁系统的能耗占钢铁工业总能耗的6 1 4 3 【1 3 】，其次为电炉 和轧钢，分别为2 0 8 2 和9 4 0 。 2 东北大学硕士学位论文 第一章前言 表1 1 钢铁企业工序能耗比例表 t a b l e1 1p r o p o r t i o no f e n e r g yc o s to fp r o d u c tp r o c e s s e so fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e 工序烧结焦化 炼铁球团转炉电炉轧钢动力合讦 比例 5 3 01 3 2 73 8 6 93 5 42 4 j 02 0 8 2 9 4 05 9 41 0 0 f 2 ) 钢铁工业节能分析 由于钢铁企业工序繁多，工序间能量转换、物料转换复杂，生产组织受各种 因素影响，计划变更频繁，节能工作也相对复杂【1 4 。 据分析，国内外现代化钢铁企业生产过程中可回收利用的余热余能，一般占 能源消耗量的7 ，其总能耗成本约占其钢铁产品成本的2 0 左右 1 5 。 日本新日铁钢铁公司的余热余能回收利用率已达到9 2 以上，其企业能耗 占成本的比例是1 4 1 6 j 。我国宝钢的余热余能回收率在6 8 ，其能耗占生产成 本的2 0 t 1 7 1 ，我国大多数钢铁企业的余热余能回收利用率在3 0 - - 5 0 ，其能 耗占生产成本的3 0 - - 4 5 。 2 0 0 1 年我国重点钢铁企业平均吨钢综合能耗为8 2 3 k g 。英、日、德、法、美 等国平均吨钢综合能耗约为5 7 6 k g 。我国重点企业的能耗要比国外先进企业的能 耗高出3 0 以上。我国能耗最高的企业达1 2 9 5 k g t 。这说明，我国钢铁企业节 能潜力是较大的【1 b 】( 见表1 2 ) 。 应用能源平衡自动化控制技术，节能降耗，前景广阔。 表1 22 0 0 1 年钢铁企业主要工序能耗比较k g c 叭 t a b l e1 1ac o m p a r i s o no f e n e r g yc o s to f p r o d u c tp r o c e s s e so f i r o na n ds t e e le n t e r p r i s e 平均值先进值最差值落后一先进差值 吨钢综合能耗，k g c e t 8 2 3 吨钢可比能耗，k 譬c e t 7 4 7 高炉煤气放散率 88 702 88 32 8 8 3 焦炉煤气放散率 2 0 8 0 1 3 1 71 3 1 7 转炉煤气回收率r n 3 t 3 81 1 201 1 2 烧结，k g c e t 6 8 7 15 3 4 91 1 0 8 65 7 3 4 炼铁，k g c e t 4 4 8 3 24 0 2 35 9 5 71 9 3 。4 焦化，k g c e t 1 5 3 7 81 2 1 8 92 3 1 8 81 0 9 9 9 转炉k g c e t 2 7 8 29 8 49 0 08 0 1 6 电炉，k g c e t 2 4 1 2 91 5 85 93 8 8 5 62 2 9 9 7 轧钢，k g c e t 1 0 8 9 75 8 5 83 5 60 7 2 9 7 4 9 ( 3 、钢铁企业节能思路与措施 我国加人w t o 后，钢铁工业面临着激烈的国内外市场竞争，主要表现在产 品质量、价格和售后服务上。节能降耗、降成本是钢铁企业提高市场竞争力的最 重要手段之一。国内外钢铁企业的主要领导均十分重视企业的节能工作，并且把 节能与环保工作紧密地结合在一起，制定出企业的节能规划，能源管理办法，充 分利用已开发出来的各项新技术、新设备、新方法来最大限度地在钢铁生产过程 。3 。 东北大学硕士学位论文 第一章前言 中实现回收余热余能，达到能源平衡控制，在有条件的情况下，形成能源控制自 动化，减少煤气放散等能源浪费。 “创造节能型工厂”已纳入了国家经贸委编制的冶金工业“十五”规划之中【1 9 l 。 钢铁工业开展节能工作要系统节能，而不能各工序单打一的简单考虑。系统节能 的思路是，实现管理节能、技术节能、结构给能并举，达到以较少的资金投入， 实现最大的节能效果和经济效益m j 。建立和完善企业的能源控制和管理系统，对 企业各工序生产过程进行监控，进行故障分析诊断、能源平衡预测，利用系统运 行优化、专家系统、高速采集数据和及时分析、归档处理，实现能源系统的分散 控制、集中管理。管理节能可为企业创出节约总能耗的5 【2 1 】。 1 3 本次研究重点问题 本次研究重点解决能耗型企业能源节约和平衡控制问题，建立企业节能降耗 支持软件系统，在通钢集团进行应用。系统开发实施完成后，将成为通钢节约能 源、制止浪费、降低成本的重要手段，主要研究内容如下： 开发数据采集存储系统( d c ) ，包含：符合o p c 标准的工控单元数据标准 接口系统和实时数据存储系统( 实时数据库d 煳渔) 两个模块；实时数据库 d a t a 的应用；集成数据清洗和转储系统( e t l 系统) ；数据挖掘和展现系统的应用； 流程建模系统( e m d ) 的研发；能源平衡控制系统专家模型的研发 各能源系统的仪表数据通过符合o p c 标准的借口进行提取，经过过滤转储， 存储在数据仓库中，专家系统通过对实时数据和数据仓库中的数据进行综合分 析，得出分析结果，通过展现平台展现，操作人员可根据数据分析情况进行能源 控制阀的调整，达到能源平衡使用的目的。 。4 。 东北大学硕士学住论文 第二章能辣平衡控制系统蛄构 第二章能源平衡控制系统结构 2 1 系统总体结构 2 1 1 开发数据采集存储系统( d c ) 包含：符台o p c 标准的工控单元数据标准接口系统和实时数据存储系统( 实 时数据库i d a t a ) 两个模块。 o p c 标准 o p c 标准为过程控制和工，自动化提供真正的即插即用软件技术，使得过 程控制和工厂自动化的每一系统、每一设备、每一驱动器能够自由地连接和通信。 有了这样一个标准，使得系统及设备之间，包括从车间级到m i s ( 管理信息系统1 和更远距离，完全无缝地、真正开放和方便地进行企业级的通信成为可能| 笠1 。该 标准的名称o p c ，来源于o l e o b j e c tl i n m n ga n de m d e d d i n g ( 对象链接与嵌 a ) - f o rp r o c e s sc o n t r o l ( 用于过程控制) ，o l e 已从面向对象重新定义为基于对象 并改名为a c t i v ex ) i ”i 。 宴时数据库i d a t a 主要功能： 永久数据管理，包括数据库的定义、存储、维护等； 有效的数据存取，各种数据操作、查询处理、存取方法、完整性检查； 事务管理事务的概念、调度与并发控制、执行管理； 存取控制安全性检验； 数据库的可靠性恢复机制； 2 1 2 集成数据清洗和转储系统( e t l 系统) e t l 系统包括：数据抽取( e x t r a c t ) 、转换( t r a n s f o r m ) 、清洗( c l e a n s i n g ) 、 装载( l o a d ) 的过程。从实时数据库抽取出所需的数据，经过数据清洗，晟终按 照预先定义好的数据仓库模型，将数据加载到数据仓库中去。 2 1 3 数据挖掘和展现系统 在线分析处理( o l a e ) 概念最早是由关系数据库之父e e c o d d 于1 9 9 3 年提出 的。当时c o d d 认为联机事务处理f o l r p l 已不能满足终端用户对数据库查询分析 的需要，s q l 对大数据库进行的简单查询也不能满足用户分析的需求。用户的 决策分析需要对关系数据库进行大量计算才能得到结果，而查询的结果并不能满 足决镀者提出的需求。因此c o d d 提出了多维数据库和多维分析的概念，即 o l a p 。c o d d 提出o l a p 的1 2 条准则来描述o l a p 系统：准则1o l a p 模型必 须提供多维概念视图；准则2 透明 生准则；准则3 存取能力推测；准则4 稳定 须提供多维概念视图；准则2 透明 生准则；准则3 存取能力推测；准则4 稳定 东北大学硕士学位论文第二章能源平衡控制系统结构 第二章能源平衡控制系统结构 2 1 系统总体结构 2 1 1 开发数据采集存储系统( d c ) 包含：符合o p c 标准的工控单元数据标准接口系统和实时数据存储系统( 实 时数据库i d 御a ) 两个模块。 o p c 标准 o p c 标准为过程控制和工厂自动化提供真正的即插即用软件技术，使得过 程控制和工厂自动化的每一系统、每一设备、每一驱动器能够自由地连接和通信。 有了这样一个标准，使得系统及设备之间，包括从车间级到m i s ( 管理信息系统) 和更远距离，完全无缝地、真正开放和方便地进行企业级的通信成为可能田j 。该 标准的名称o p c ，来源于o l e o b j e c tl i n k i n ga n de m d e d d i n g ( 对象链接与嵌 入、一f o rp r o c e s sc o n t r o l ( 用于过程控制) ，o l e 已从面向对象重新定义为基于对象 并改名为a c t i v ex ) t ”j 。 实时数据库 d a t a 主要功能： 永久数据管理，包括数据库的定义、存储、维护等； 有效的数据存取，各种数据操作、查询处理、存取方法、完整性检查： 事务管理事务的概念、调度与并发控制、执行管理； 存取控制安全性检验； 数据库的可靠性恢复机制； 2 1 2 集成数据清洗和转储系统( e t l 系统) e t l 系统包括：数据抽取( e x t r a c t ) 、转换( t r a n s f o r m ) 、清洗( c l e a n s i n g ) 、 装载( l o a d ) 的过程。从实时数据库抽取出所需的数据，经过数据清洗，最终按 照预先定义好的数据仓库模型，将数据加载到数据仓库中去。 2 1 3 数据挖掘和展现系统 在线分析处理( o l a p ) 概念最早是由关系数据库之父e e c o d d 于1 9 9 3 年提出 的。当时c o d d 认为联机事务处理( o i 胛) 已不能满足终端用户对数据库查询分析 的需要，s o l 对大数据库进行的简单查询也不能满足用户分析的需求。用户的 决策分析需要对关系数据库进行大量计算才能得到结果，而查询的结果并不能满 足决策者提出的需求。因此c o d d 提出了多维数据库和多维分析的概念，即 o l a p 。c o d d 提出0 l 垤的1 2 条准则来描述o i a p 系统：准则1o l a p 模型必 须提供多维概念视图；准则2 透明性准则；准则3 存取能力推测；准则4 稳定 5 东北大学硕士学位论文第二章能源平衡控制系统结构 的报表能力：准则5 客户胡最务器体系结构；准则6 维的等同性准则；准则7 动 态的稀疏矩阵处理准则；准则8 多用户支持能力准则；准则9 非受限的跨维操 作；准则1 0 直观的数据操纵；准则1 1 灵活的报表生成；准则1 2 不受限的维 与聚集层次【掷。本次开发准备集成b u s i n e s so b j e c t3 1 具。 2 1 4 流程建模系统( e m d ) 控制建模系统包括建模工具、扩展应用工具、流程和关键控制环节分析工具， 系统支持控制流程的自由建模和设计，使企业可利用系统自由定义流程和控制环 节，解决以往软件不支持流程和关键控制环节自由定义的问题，为数据流和控制 流的流程自由定义提供支持平台。 2 1 5 能源平衡控制系统专家模型系统 利用专家制作的冶金企业或其他企业的能源平衡和分析数学模型，对收集到 的数据进行分析，最后给出操作数据，控制系统可以依据操作数据对相应的自动 控制系统发出指令，使设备动作，按照参数运行。专家系统利用神经元网络技术 构建，支持自学习功能，支持模型偏离参数自动修正功能。能源平衡控制系统 专家模型是本次系统开发的核心之一。 2 1 ，6 系统总体结构 系统总体结构如下图所示( 图2 1 ) ： 数 医磊菊订瓯i 否习。 数 1 工业设备lr 设 据 数据展现 据 实 数 备 清 对 据 控 用 广一 洗 _ 数 一 叫工业设备2r 接 制 户 赢w 研 和 据口 转匿 系 il1i 储 统 叫工业设备卜一 千 i 窗陧建模工具 图2 1 能源平衡控制系统结构图 l r i g 2 。1s t r u c t u r ep i c t u r eo f e n e r g yb a l a n c ea n dc o n t r o ls y s t e m 2 2 软件系统结构 整个软件系统共分四个部分：数据平台、能源平衡专家系统、物理隔离系统、 操作界面。 2 2 1 数据平台 数据平台包括三层：采集层、传输层、管理层及数据挖掘系统。 6 东北大学硕士学位论文 g _ - 章能源平衡控制系统结构 采集层： 包括智能一次表和二次表。多个模拟信号输出的流量一次表将其信号传到数 据采集器中( 个别二型一次表须加转换器，以便输出4 2 0 r r 溘信号) ，变成一路 数字信号进传输层。某些参数还须作补偿后方可变成一路数字信号进传输层 2 6 1 。 电量检测则由智能电能表直接输出数字信号进数据采集分站。 传输层： 由采集层来的各路串行信号上行数据有的直接经双绞线到数采分站的计算 机中去，有的需转成光信号，经光纤到数采分站的计算机中去，经数采分站计算 机处理后的数据有的经专线直传系统数据服务器。由于防爆的要求，从煤气储柜 外传数据的线路都由光缆来完成。 经过专家系统生成的操作数据( o d ) 经由传输系统，传递至设备p l c ，设 备动作，完成能源平衡所需的设备操作。 管理层： 数据管理层由3 台服务器若干台工作站来控制，二台服务器负责现场数据处 理，另一台服务器负责连入光线总网，实现数据共享，服务器都设在能源中心， 同时设有工程师工作站，用于对现场仪表进行维护，如累计量清理等。对数采分 站中软件进行维护。 采用i d a t a 分布式实时数据库，它具有o p c 接口能力，可提供o r a c l e 数据库支持。结合b o 的数据挖掘和数据展现功能，实现网上发布，各个授权客 户可网上浏览有关数据和曲线。 i d a t as e r v e r 是 d a t a 实时数据库的核心，主要功能是对实时数据和历史 数据进行存储管理，与其它模块进行通讯，支持各种应用对数据的访问，设置组 态信息和对用户权限进行控制管理。 图2 , 2 i d a t a 系统结构图 f i 9 2 2s t r u c t u r ep i c t u r eo fi d a t as y s t e m i d a t a 客户端应用不仅有对实时数据和历史数据的多种查询工具，如流程 东北大学硕士学位论文 第二章能源平衡控制系统结构 组态、报警、数据列表、历史曲线等，还有一套具有自我特色的、实用性很强的 实时数据分析和管理的工具，如工艺参数分析等。 设备数据接口c i m i os e r v e r ，是实时数据库与各种设备和应用进行数据通讯 的接口。它从各种设备获取实时数据，并将数据传送给i d a t a s e r v e r 进行管理。 同时，通过它可以与多种实时数据库系统和关系型数据库实现双向数据交换。 d a t a 的工作流程和各模块之间关系如图( 见图2 2 ) 。 i d a t a 服务器接收并管理各采集站采集的实时数据，响应客户端对实时数 据和历史数据的查询。i d a t a 服务器的核心部分是对实时数据和历史数据的管 理，它将所采集到的数据进行压缩处理后存贮，保证数据的真实性、完整性。提 高了磁盘的利用率，而且其先进的压缩技术和数据存取方式保证了对客户端的请 求作出快速响应。i d a t a 数据库中的数据不仅可用于生产现场监控、计划调度、 工艺改进、事故分析，同时还可以将数据传送至关系型数据库中，为厂领导及相 关管理部门服务。在i d a t a 的支持下，可实现装置的先进控制、流程模拟、优 化、计划、专家系统等。服务器操作系统平台可以采用u n i x 或w i n d o w ss e r v e r ， 在服务器上安装有实时数据库的d a t a s e r v e r 和c i m i os e r v e r 两个模块。 设备接口c i m i o 主要功能是与d c s 、p l c 和数据库系统交换数据。c i m i o 是多功能、多层次、多服务对象的标准设备数据接口，向下可采集数十种d c s 、 p l c 及数采机的数据，向上不仅与i d a t a 服务器交换数据，还可与各种关系数 据库( o r a c l e 、d b 2 、s y b a s e 、m ss q l s e r v e r ) 双向交换数据 2 7 1 。 c i m i o 分为服务器端( c i m i os e r v e r ) 和数采机端( c i m i oc l i e n t ) 两部分。 c i m i os e r v e r 主要功能是把实时数据库的数据请求传递给c i m i oc l i e n t ，并把 c i m i oc l i e n t 发送来的数据写入数据库。c i m i oc l i e n t 的主要功能是根据需求从 下层实时设备上取得实时数据，发送实时数据和历史数据给c i m i os e r v e r 并在 采集站本地保存两天的历史数据。 c i m i os e r v e r 与实时数据库服务器安装在同一台服务器上，c i m i oc l i e n t 安装在另一台机器上，我们称为数采机。采用此模式采集实时数据，其主要目的 是确保对实时数据的采集、操作不影响d e s 控制层的安全稳定。企业管理网和 d e s 控制网采用物理隔离机隔离开，数据的交换是由接口软件实现【2 8 】。 c i m i o 数据流图如图所示( 见图2 3 ) ： o p c 是目前最流行的用于过程数据动态交换的标准，无论从开放性、易实 施性、稳定性等各方面都比其它协议更具优势。在支持o p c 的控制系统工程师 站增加一块网卡，通过双绞线与数采工控机相连。o p cs e r v e r 通讯接口软件安装 在控制系统的工程师站上，工程师站运行w i n d o w s n t4 0 平台，在数采机上可安 装三维公司的数据接口a m i oc l i e n tf o ro p c 。 8 。 东北大学硕士学位论文 第二章能源平衡控制系统结构 图2 3c 1 m i o 数据流圈 f i 9 2 3d a t af l o wp i c t u r eo fc i m i o 数据挖掘系统 数据挖掘就是从数据中发现知识和寻找规律，并用它们指导生产或管理，提 高效益。由于现实世界中产生的数据都是复杂数据，其复杂性表现为：非线性、 多因子、高噪声、非高斯分布、非均匀分布、以及自变量相关【2 9 1 。因此，如何处 理复杂数据，研究数据挖掘的理论，寻求运用这些理论解决各种实际问题的方法， 是形成核心技术的基础。开发实用的数据挖掘软件产品，组成一支通晓数据挖掘