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農(nóng)藥化工企業(yè)數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用
浙江中控軟件技術(shù)有限公司

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是人們長期對(duì)數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)的結(jié)果。起初各種商業(yè)數(shù)據(jù)就保存到數(shù)據(jù)庫中,然后發(fā)展到可對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢和訪問,進(jìn)而發(fā)展到對(duì)數(shù)據(jù)庫的即時(shí)遍歷。數(shù)據(jù)挖掘使數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)更高級(jí)的階段,它不僅能對(duì)過去的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和遍歷,并且能夠找出過去數(shù)據(jù)之間的潛在聯(lián)系,從而促進(jìn)信息的進(jìn)一步利用。

本項(xiàng)目研究的問題和采用的技術(shù)路線是根據(jù)我國傳統(tǒng)農(nóng)藥化工技術(shù)發(fā)展的實(shí)際情況首次提出來的,因此在國內(nèi)具有獨(dú)創(chuàng)性,同時(shí)又滿足國家采用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策。

技術(shù)構(gòu)架

本項(xiàng)目的技術(shù)構(gòu)架是建立在以集散控制系統(tǒng)(DCS——Distributed Control System)為基礎(chǔ)自動(dòng)化軟硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上,建立歷史數(shù)據(jù)庫平臺(tái),通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)生產(chǎn)工藝、操作條件和配方進(jìn)行優(yōu)化,并形成通用的數(shù)據(jù)挖掘軟件平臺(tái)。其系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。



1.首先將原有基本手工控制的操作模式,改造成自動(dòng)化程度較高的基于SUPCON JX-300X集散控制系統(tǒng)的操作模式,使三唑磷合成生產(chǎn)過程穩(wěn)定,信息采集完備;
2.通過浙江中控軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)ESP-iSYS中的數(shù)據(jù)采集及歷史數(shù)據(jù)庫模塊建立三唑磷合成過程的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)庫,用于積累豐富的三唑磷合成生產(chǎn)過程的歷史數(shù)據(jù);
3.通過對(duì)生產(chǎn)信息的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,找出工藝參數(shù)和工藝配方對(duì)三唑磷收率和有效成分含量的規(guī)律,并提出優(yōu)化的配方、優(yōu)化的工藝參數(shù)和優(yōu)化的生產(chǎn)工藝。

基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)改造

對(duì)于三唑磷合成過程的基礎(chǔ)自動(dòng)化改造,首先要熟悉三唑磷合成的工藝路線,設(shè)計(jì)一套較為先進(jìn)的儀表檢測(cè)系統(tǒng),選用較為可靠的、高性能的壓力傳感器、pH傳感器以及流量計(jì)、溫度傳感器等。以確保獲得準(zhǔn)確、可靠的生產(chǎn)過程信息。
對(duì)三唑磷合成過程的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),選擇模擬量輸入卡、模擬量輸出卡及開關(guān)量輸入、輸出卡,重要卡件(主控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、電源)及重要信號(hào)點(diǎn)設(shè)置成1:1冗余,提高系統(tǒng)的可靠性。設(shè)置二個(gè)操作站和一個(gè)控制站,使該生產(chǎn)過程穩(wěn)定運(yùn)行并獲取可信數(shù)據(jù)。
經(jīng)分析,三唑磷合成過程操作要求如下:
1.反應(yīng)溫度控制:三個(gè)反應(yīng)釜的反應(yīng)溫度控制分別需控制的精度為±1℃。合成反應(yīng)為吸熱反應(yīng),保持一定反應(yīng)溫度,可提高反應(yīng)速率,穩(wěn)定操作,提高收率。但溫度過高,會(huì)引起原料分解,影響收率。
2.pH控制:因?yàn)檎麄€(gè)反應(yīng)需在堿性水溶液中完成,反應(yīng)過程要求物系的pH值控制在8.0~9.0之間即偏堿性,不足可通過加堿來調(diào)節(jié)。
3.脫溶甲苯濃度控制:因?yàn)楹铣僧a(chǎn)物三唑磷存在于甲苯有機(jī)相中,所以在反應(yīng)結(jié)束后,要進(jìn)行脫溶處理,將甲苯和反應(yīng)物三唑磷分離。甲苯濃度控制得好壞,直接影響反應(yīng)物的濃度和三唑磷的損耗,造成收率降低。
考慮到三唑磷合成過程的規(guī)模、具體控制要求和各控制系統(tǒng)的性價(jià)比,本方案采用了浙江中控技術(shù)股份有限公司的SUPCON JX-300X集散控制系統(tǒng)。該集散控制系統(tǒng),融合了最先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、故障診斷技術(shù)、冗余技術(shù)和軟件技術(shù)。具有成本低、可靠性高、使用方便、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)容易等特點(diǎn)。系統(tǒng)全部數(shù)字化,規(guī)??纱罂尚?,兼容性、開放性好,支持標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議,且符合各種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。
JX-300X集散控制系統(tǒng)由工程師站(ES)、操作站(OS)、現(xiàn)場(chǎng)控制站(CS)、通信網(wǎng)絡(luò)cnetⅡ等組成,它覆蓋了大型集散系統(tǒng)的安全性、冗余功能、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能、集成的用戶界面及信息存取功能,除了具有模擬量信號(hào)輸入輸出、數(shù)字量信號(hào)輸入輸出、回路控制等常規(guī)DCS的功能,還具有高速數(shù)字量處理、高速順序事件記錄(SOE)、可編程邏輯控制等特殊功能;它不僅提供了功能塊圖(SCFBD)、梯形圖(SCLD)等直觀的圖形組態(tài)工具,又為用戶提供開發(fā)復(fù)雜高級(jí)控制算法(如模糊控制)的類C語言編程環(huán)境SCX。系統(tǒng)規(guī)模變換靈活,可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)單元的過程控制,到全廠范圍的自動(dòng)化集成。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

而近年來,隨著實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫理論的日益成熟和完善,各種商業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品層出不窮,其中國際上比較著名的產(chǎn)品包括美國的OSI公司的Plant Information System,簡(jiǎn)稱PI;美國AspenTech公司的Infoplus系統(tǒng);美國Honeywell公司的PHD(Process History Database)系統(tǒng)。這些產(chǎn)品在石油、化工、鋼鐵、電力等多個(gè)重要行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用,并且為實(shí)施企業(yè)帶來了較好的效率。
本項(xiàng)目選用浙江中控軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件ESP-iSYS,ESP-iSYS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和正確的DCOM配置和組態(tài)過程,按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式采集數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。組態(tài)軟件將數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)源的位號(hào)等信息組態(tài)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。ESP-iSYS根據(jù)這些信息,配置相應(yīng)的模塊,采集數(shù)據(jù)源中的位號(hào)數(shù)據(jù),計(jì)算處理后提供給實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的客戶端應(yīng)用軟件,如數(shù)據(jù)挖掘軟件應(yīng)用。
ESP-iSYS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分成組態(tài)管理、OPC/DDE/API接口軟件管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問接口、歷史數(shù)據(jù)庫存取五大模塊。

數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的應(yīng)用

1.ESP-Miner數(shù)據(jù)挖掘軟件應(yīng)用簡(jiǎn)介

三唑磷合成過程中在線測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)入了SUPCON JX-300X的DCS系統(tǒng),然后通過OPC Server進(jìn)入了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫ESP-iSYS,經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后與人工錄入數(shù)據(jù)(通過人工化驗(yàn)的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)及其他離線數(shù)據(jù))整合后進(jìn)入關(guān)系數(shù)據(jù)庫中,經(jīng)數(shù)據(jù)挖掘得到的結(jié)果(優(yōu)化規(guī)則、優(yōu)化的工藝控制參數(shù)、優(yōu)化的工藝配方等)通過優(yōu)化建議圖、餅圖、柱圖或報(bào)表的形式提供給工藝工程師進(jìn)行決策,決策的結(jié)果通過DCS系統(tǒng)進(jìn)行貫徹執(zhí)行。
2.數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的應(yīng)用操作流程
流程工業(yè)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及軟件在三唑磷合成過程中應(yīng)用研究項(xiàng)目的應(yīng)用操作流程如下:

第一步:系統(tǒng)配置;

第二步:人工數(shù)據(jù)錄入(每天錄入);

第三步:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集;

第四步:數(shù)據(jù)預(yù)處理;

第五步:人工錄入數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合;

第六步:數(shù)據(jù)挖掘操作;

第七步:數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果呈現(xiàn)。

3.系統(tǒng)配置

系統(tǒng)安裝完畢后,一般需要進(jìn)行系統(tǒng)配置,系統(tǒng)配置只需配置一次,系統(tǒng)安裝時(shí)有一個(gè)根據(jù)新農(nóng)化工需求的默認(rèn)配置,主要功能如下:

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集位號(hào)的組態(tài),缺省組態(tài)保存在安裝目錄下的:newtagdef.cfg

數(shù)據(jù)整合時(shí)的信息組態(tài),缺省組態(tài)保存在安裝目錄下的:tagdef.cng

4.人工數(shù)據(jù)的錄入

三唑磷合成過程中除了可在線測(cè)量的數(shù)據(jù)以外,還有許多數(shù)據(jù)如產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)等只能每班或每天離線分析化驗(yàn)一次,這些數(shù)據(jù)均需要人工錄入到系統(tǒng)中,并需要與生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。
根據(jù)實(shí)際情況,系統(tǒng)提供了班次的設(shè)定功能,化驗(yàn)數(shù)據(jù)的人工錄入界面。

5.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)通過OPC Server把在線測(cè)量數(shù)據(jù)從SUPCON JX-300X提取并保存到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)ESP-iSYS中,因此數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)源是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)ESP-iSYS和人工錄入數(shù)據(jù)。

具體操作舉例如下:

(1) 打開數(shù)據(jù)采集的配置文件

(2) 設(shè)定數(shù)據(jù)采集的時(shí)間和采樣周期以及保存數(shù)據(jù)的文件名

例如:采集04.04.01-04.04.28的3個(gè)溫度(TRC-202.PV、TRC-203.PV、TRC-204.PV),產(chǎn)品流量FRC-254.PV,原料1流量FRC-251.PV,原料2流量FRC-252.PV, 原料3流量FRC-253.PV保存到SrcData040401_040428.dpp文件中,其中采樣周期為180秒。

(3)數(shù)據(jù)采集并保存成功。

6.數(shù)據(jù)預(yù)處理

從DCS等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中采集的原始數(shù)據(jù)可能存在嚴(yán)重的隨機(jī)誤差和過失誤差,會(huì)使數(shù)據(jù)品質(zhì)嚴(yán)重惡化。因此必須對(duì)采集來的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先處理,包括數(shù)據(jù)段選擇修改、濾波和剔除野值等,有效防止失效數(shù)據(jù)參與運(yùn)算,保證在數(shù)據(jù)挖掘計(jì)算中所得結(jié)果的正確性。
從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)導(dǎo)入生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),使用數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對(duì)這些參與數(shù)據(jù)挖掘的原始數(shù)據(jù)經(jīng)加工處理(變量信息修改、剔除野值或一階濾波等)后存入離線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件中,使得數(shù)據(jù)挖掘計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

7.人工錄入數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合

三唑磷合成過程的兩類生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)即人工化驗(yàn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),經(jīng)過人工錄入和在線數(shù)據(jù)采集以后,需要把它們整合得到待挖掘數(shù)據(jù),以供數(shù)據(jù)挖掘使用,當(dāng)數(shù)據(jù)整合完成以后,需要把待挖掘數(shù)據(jù)保存到一個(gè)數(shù)據(jù)文件。

8.數(shù)據(jù)挖掘操作

數(shù)據(jù)挖掘操作的步驟如下:

(1) 打開數(shù)據(jù)挖掘操作界面:使用GUI框架載入數(shù)據(jù)挖掘軟件的Snapin插件并選擇“挖掘操作”以后,出現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘操作界面;

(2) 導(dǎo)入進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù);

(3) 屬性的選擇;

(4) 關(guān)聯(lián)屬性的設(shè)置;

(5) 目標(biāo)屬性的設(shè)置;

(6) 最小置信度的設(shè)置;

(7) 數(shù)據(jù)挖掘操作:當(dāng)關(guān)聯(lián)屬性、目標(biāo)屬性和最小置信度設(shè)置好以后,就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘了,在菜單項(xiàng)中選擇“操作”-> “挖掘”就可以完成數(shù)據(jù)挖掘操作。

9.數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果呈現(xiàn)

在數(shù)據(jù)挖掘操作中如有規(guī)則產(chǎn)生,就可以生成數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果的各種報(bào)表,如圖3所示,在該報(bào)表中,可通過點(diǎn)擊“規(guī)則餅圖”、“規(guī)則箭頭圖”、“優(yōu)化建議圖”、“最佳操作數(shù)”相關(guān)連接得到數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果各種呈現(xiàn)辦法。