WSA制酸过程数据挖掘技术的应用开发

发布时间：2007-06-29 作者：曹王剑，株洲冶炼集团公司；贾涛，浙江大学

　　株冶是我国主要的铅锌生产和出口基地，锌、铅、银三种产品均获国际认可。炼铅采用传统的烧结焙烧——鼓风炉熔炼工艺流程，烧结机在生产中产生的低浓度二氧化硫烟气对周边环境空气、农作物等会造成严重的影响，2001年在国内有色冶炼为首创、投资引进了丹麦WSA制酸技术及美国孟山都动力波气体净化技术和装备用于铅锌烟气混合制酸。WSA工艺是先对烟气进行洗涤净化，不经干燥直接进行湿式转化，湿转化气冷凝成酸。该系统在工序检测控制、总线网络与生产过程管理和监控层分别采用了FF现场总线仪表（变送器）、Profibus现场总线设备和美国艾默生公司的Delta V系统，于2002年2月正式投运生产。
　　由于目前烟气净化、预热、冷凝系统均处于最大生产负荷甚至超负荷运转，原工艺参数难以满足系统稳定和优化运行的要求，而系统工艺和设备之间关联度大、耦合性强，因此系统调整和优化运行困难，企业迫切需要一种能够根据生产操作历史记录，分析系统在不同负荷工况下的操作特性进，进而寻找其优化操作参数的手段。本项目利用数据挖掘技术，通过对相关生产过程的历史、实时及正常工况数据的预处理与数据挖掘建模，开发具有指定功能的计算机用户界面软件，建立实现在线或离线的数据分析处理平台，解决设备的负荷能力评价和操作参数优化问题，同时为工艺人员掌握过程的控制机理并进一步提高生产管理水平提供一个良好的工作平台。

图1：项目功能结构图

　　项目概况
　　DeltaV控制系统提供OPC接口，项目过程数据采用中控软件公司的ESP-iSYS实时数据库自动实时采集。项目具体目标及主要功能以下：
　　为动力波洗涤器的过程变量提供可视化描述，在其关联复杂程度有限情况下给出最高二次多项式的解析表达及参数估计。
　　提供WSA制酸系统的熔盐换热器E103基于历史数据的换热能力评估参数，并实现可视化。
　　提供酸雾控制器的优化操作指导，从而根据实时操作工况优化冷凝效果。在稳定工况下通过优化操作指导，使用后的平均尾气酸雾检测指标接近或超过近期操作的稳态最好水平与平均水平的均值。
　　提供冷凝酸浓度与原料、相关过程参数的关联分析并提供用户界面。
　　本项目实施内容包括软件开发、算法理论两部分，所实现的功能及结构如图1所示。
　　软件架构
　　软件开发部分主要工作为数据可视化、数据库接口及操作、软件框架及在线帮助。软件框架包括整体的界面设计和软件架构。
　　数据可视化内容包括二维到三维图形的可视化呈现和打印、保存；可视化采用OpenGL接口的代码实现或使用满足功能要求的OCX控件。
　　数据库接口内容包括数据挖掘系统与实时库（SUPCON ESP-iSYS-A）的查询接口、因使用处理后的内部样本库而需的关系库（使用免费的MSDE库或Microsoft SQL Server）查询及操作功能；帮助文档使用PDF方式编译并链接；软件使用Microsoft Visual C #编写，部分功能模块采用集成调用外部程序的方式实现。
　　算法理论部分主要工作为数据预处理、关联规则提取、多项式回归。数据预处理包括时间序列的分段线性趋势化处理、数据清理、有效样本归约、线性或多项式滑动平滑法；关联规则提取采用离散化和apriori关联规则提取；采用二次正交多项式回归。
　　数据挖掘软件体系结构
　　软件结构框架
　　系统通过实时数据库平台进行历史数据采集，经预处理后导入关系数据库建立分析样本集，在此基础上实现针对具体对象的数据挖掘流程。
　　生产实时数据由DeltaV控制系统提供，然后通过OPC接口导入实时数据库。考虑到数据查询的效率及数据可重用的问题，将实时数据库中的历史数据按对象分别经稳态化、离散化合并处理后存入样本库中，各定制的分析模块在此基础上完成数据分析并将结果呈现给用户。如图2所示。

图2：数据流程

　　软件使用.net技术开发，实时库采用中控软件公司自行开发的ESP-iSYS-A实时数据平台。关系库采用MSDE 2000或Microsoft SQL Server 2000。可视化功能采用OpenGL API和Java开发集成。各内部功能针对具体对象定制开发，软件及各算法模块不提供COM接口，主要的计算工作都封装在可执行文件内完成，少量数据处理工作由关系数据库完成。所提供的可视化功能其交互性能取决于系统硬件显示设备的配置；软件采用多文档界面，部分功能为方便操作采用了独立窗口的外部进程调用完成。
　　实时数据库
　　本系统采用浙江中控软件公司的ESP－iSYS-A作为实时历史数据采集和查询平台，通过DeltaV系统OPC接口完成数据采样并使用内部接口查询历史数据。ESP-iSYS-A服务器端软件包括ESP-iMonitor-A软件、ESP-iConfig-A软件、ESP-iTrend-A软件、ESP-iBrowser-A软件。其中：
　　ESP-iMonitor-A软件监控软件通过直观、形象的方式反映当前实时数据库的运行状态，是实时数据库的核心控制台；
　　ESP-iConfig-A软件组态软件以方便、友好、高效的操作为实时数据库提供组态功能，包括服务器组态、源位号组态、虚位号组态等；
　　ESP-iTrend-A软件趋势图软件为更好地掌握生产过程数据的变化规律；
　　ESP-iBrowser-A软件数据浏览软件以简洁的方式浏览实时数据、内存历史数据以及磁盘历史数据。
　　关系数据库
　　MSDE数据库(Microsoft SQL Server 2000 Desktop Engine)是建立在SQL Server的核心技术基础上的数据引擎。通过提供针对于单/双处理器桌面级计算机的支持，MSDE 2000为企业级应用的桌面扩展提供可靠的存储引擎和查询处理器，开发者可将创建的数据库应用无缝地应用于自便携机至集群的各类平台。
　　MSDE 2000是相对于Microsoft Jet的另一种数据存储与管理方案的选择。可以把MSDE 2000视作一种C/S架构的数据库访问方式，它区别于Microsoft Access 2002内嵌的Microsoft Jet所采取的文件服务器数据库方式——将数据内嵌于应用程序中。MSDE 2000没有自己的用户界面，主要是因为它被设计来在后台运行。用户通过应用程序与MSDE 2000进行交互。OSQL实用工具是MSDE 2000唯一提供的管理工具，它允许用户输入Transact-SQL语句、系统过程、脚本文件以维护一个MSDE 2000的数据库。MSDE组件允许应用程序开发人员用他们的应用程序分发SQL Server 2000关系数据库引擎的复本。因为SQL Server 2000 Desktop Engine 中的数据库引擎的功能与SQL Server各版本中的数据库引擎相似，所以Desktop Engine单个数据库的大小不能超过2 GB。
　　项目实施主要内容
　　熔盐换热器换热能力评估
　　由于熔盐流量无法直接测量，故只能提供离线的换热系数估算及可视化，即：对用户提供的冷、热烟气流量与出入口温度等参数给出各种工况下的换热系数估计，参考换热器设计的通用图表给出相应的可视化呈现。目前按流量和估算出的总传热系数作平面图，传热系数按等高线绘制，并按故障诊断（即换热器管路堵塞等引起的换热能力下降）角度作出分析。
　　换热器分析样本选择功能是为了用户手工处理导入的Excel数据，并且可以拷贝所需的典型样本。换热的分析样本选择子窗口如图3所示，用户可以在其中定义考查样本的起始时间和终止时间或直接选择全部样本分析，然后通过设备维护经验提供指定同一工期内初、中、后期的时间段，以获得充分的数据特征值。

图3：换热的分析样本选择子窗口

图4：计算功能子窗口

图5：换热效果变化图

　　换热器的典型工况计算功能子窗口如图4，可通过拷贝先前的库中样本值或手工输入要考查的典型工况（此时允许将新记录添入样本库），通过基本的热力学方程可以求出该条记录所代表的总换热系数；另一方面，由于生产过程中扰动和系统所带来的随机性，为增强用户查询计算可信度，允许用户定义相似度衡量和相关记录数，获取一定数量的相似样本后对换热能力做平均化处理，所得到的换热系数样本可以被直接指定为典型工况的评估值，并将其存入评估值列表以作为同型换热器的参考标准。
　　图5的界面是用户所查询的典型工况下换热系统的换热效果随时间的变化。即用户只需要输入典型工况的冷热流体入口温度和流量，即可通过定义最小查询时间间隔和属性偏差阈值，得到其整个工期按时间排列的相似工况运行结果记录，即通过系统相同输入条件下观察其输出在整个工期中的变化来评价系统的运行水平。以初期样本为基准，可以获得系统换热系统在整个工期中的相对变化即相对例因子，该参数应该可以满足对换热器状态的评估。
　　酸雾控制器在线优化操作指导
　　在数据趋势化的基础上，提取近稳态样本和单调操作趋势存入有效样本库，按时间加权后进行矛盾样本的剔除和近重复样本的归约。运行时按设定间隔时间自动根据系统上游稳定工况（如烟气SO2含量、净化后温度、烧嘴燃气用量、反应温度等）的当前值，首先查询有效样本库中的最近似样本，再取出历史记录中最优操作结果（在线酸雾检测值）所对应的最优历史操作提供给操作人员参考。
　　对于系统的非稳定单调工况，根据历史操作的单调趋势给出操作建议。操作人员可以直接查询所给出记录的原始数据。另因控制量较少（硅油加热温度和压缩气阀门开度），可采用局部建模在线优化的方式给出操作趋势性的建议。
　　酸雾控制稳态样本表的查询：（返回值）FogSearch（始时间，终时间）；
　　样本批量查询：（返回值）FogSearch（工况位号典型值列表，相似阈值（可选），个数（可选））；
　　样本相似查询：返回值以二维数组形式（时间，位号值列表）存入内存变量待引用。
　　动力波过程数据可视化
　　由于过程数据波动较大，局部趋势信息意义不大，故对过程时序数据直接从实时库采样并采用线性或多项式平滑滤去高频噪声后，按用户定义的查询时段和间隔内给出（烟气入口压力、压力损失、喷液压力）之间的三维可视化呈现，并对用户选择区域的样本给出二次多项式回归的解析表达。

图6：动力波过程数据稳态化的操作界面

　　采用实时数据可视化可能遇到的问题是样本点数过多，如果过多则需采用数据预处理模块加以离散化并合并重复样本。图6是动力波过程数据稳态化的操作界面，提供趋势化方法选择（目前只使用线性法），分段长度防止趋势化过程产生过长或过短的趋势而造成稳态样本的失配。时序匹配允许偏差决定了在存在大时滞情况下由位号组实时趋势按滞后时间匹配为稳态样本时的条件松驰度。
　　制酸浓度与操作工况关联提取
　　采用离散化处理和APRIORI关联规则提取，这部分内容因相关变量与酸雾控制器大部分重合，因而采用相同的趋势化稳态样本提取，然后用关联规则提取密集项集。按机理分析目前制酸浓度的关键影响因素是净化温度和燃烧器使用量，因前者决定了烟气中含饱合水量，后者决定了燃气后带入的生成水量。由于目前超负荷生产情况下主要相关参数的调整会带来较大的经济成本，因此只能得到定性的操作建议以判断最有效的调节手段，采用关联规则提取技术可以较好地满足对连续、按工况集中分布的数据分析需求。加入决策树分析功能，能辅助确定主要影响因素及优化操作趋势。
　　实施效果
　　在株冶和浙江中控软件公司联合成立的项目组通力合作下，历经现场调研和功能需求分析，系统方案设计，系统软件开发，系统现场试运行与人员培训，软件功能修订，于2006年2月正式投入运行，所有模块使用正常，达到了预期的功能并取得了良好的结果。
　　软件操作简便，人机界面友善，功能交互性能较强；
　　实时数据采集模块功能正常，运行稳定可靠，在不影响FCS系统功能及服务器正常使用情况下可采集并保存满足分析需求的实时数据；
　　动力波数据可视化及压降关联变量二次多项式回归模块工作正常，显示清晰操作方便，能够达到辅助用户分析设备操作特性的效果；
　　换热系数计算及操作期分析功能正常，结果基本符合现场情况，对设备状态评估及维护有一定指导意义；
　　制酸浓度关联规则及决策树分析工作正常，可视化效果良好，所提取的规则数量和质量较好，符合现场经验，基本达到辅助分析的效果；
　　酸雾控制模块的历史工况相似查询结果正确，最优操作建议的产生速度满足在线指导的要求，依据充分，建议可靠。
　　结语
　　数据挖掘技术在工业领域应用，对实施对象的背景分析和基础数据要求都较高。在项目的开发攻关和实施过程中，仅有完善的技术路线和软件开发能力是不够的，还需要有技术人员的通力配合，从需求分析，软件功能设计，到软件开发投运，针对企业现场具体情况是确保工业对象数据挖掘项目真正服务技术人员产生经济效益的关键。采用定制方式针对具体需求开发数据挖掘软件在工业领域尚属较先进的软件技术应用，与商业领域针对特定数据提交分析报告的实施方式不同，用户获得可重用的数据挖掘工具后，可以针对不断变化的现场情况积极主动地实施分析流程，藉以获得对现场系统特性的深入了解。但数据挖掘技术提取出的只能是根据现场记录使用各种数据处理分析手段得到的模式特征，从技术角度上如何解释并应用这些特征知识也就对生产技术人员的知识水平提出了更高的要求。