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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

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      更新時間:2022-02-22 12:31:53瀏覽次數(shù):337次

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      數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是人們長期對數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行研究和開發(fā)的結(jié)果
        數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是人們長期對數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行研究和開發(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)展到可對數(shù)據(jù)庫進行查詢和訪問,進而發(fā)展到對數(shù)據(jù)庫的即時遍歷。數(shù)據(jù)挖掘使數(shù)據(jù)庫技術(shù)進入了一個更高級的階段,它不僅能對過去的數(shù)據(jù)進行查詢和遍歷,并且能夠找出過去數(shù)據(jù)之間的潛在聯(lián)系,從而促進信息的進一步利用。

      本項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)展的實際情況提出來的,因此在國內(nèi)具有性,同時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)自動化軟硬件平臺的基礎(chǔ)上,建立歷史數(shù)據(jù)庫平臺,通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對生產(chǎn)工藝、操作條件和配方進行優(yōu)化,并形成通用的數(shù)據(jù)挖掘軟件平臺。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)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的實時數(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.通過對生產(chǎn)信息的歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘,找出工藝參數(shù)和工藝配方對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)自動化系統(tǒng)改造

      對于三唑磷合成過程的基礎(chǔ)自動化改造,首先要熟悉三唑磷合成的工藝路線,設(shè)計一套較為*的儀表檢測系統(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、溫度傳感器等。以確保獲得準確、可靠的生產(chǎn)過程信息。
      對三唑磷合成過程的計算機控制系統(tǒng)進行設(shè)計,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)及重要信號點設(shè)置成1:1冗余,提高系統(tǒng)的可靠性。設(shè)置二個操作站和一個控制站,使該生產(chǎn)過程穩(wěn)定運行并獲取可信數(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,會引起原料分解,影響收率。
      2.pH控制:因為整個反應(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:因為合成產(chǎn)物三唑磷存在于甲苯有機相中,所以在反應(yīng)結(jié)束后,要進行脫溶處理,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),融合了的自動化技術(shù)、計算機技術(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、安裝簡單、維護容易等特點。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)準網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議,且符合各種現(xiàn)場總線協(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輸入輸出、數(shù)字量信號輸入輸出、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,可以實現(xiàn)從一個單元的過程控制,到全廠范圍的自動化集成。

      實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

      而近年來,隨著實時數(shù)據(jù)庫理論的日益成熟和完善,各種商業(yè)實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品層出不窮,其中國際上比較的產(chǎn)品包括美國的OSI公司的Plant Information System,簡稱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、電力等多個重要行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用,并且為實施企業(yè)帶來了較好的效率。
      本項目選用浙江中控軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的實時數(shù)據(jù)庫軟件ESP-iSYS,ESP-iSYS實時數(shù)據(jù)庫軟件通過計算機網(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)源的位號等信息組態(tài)到實時數(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)源中的位號數(shù)據(jù),計算處理后提供給實時數(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實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分成組態(tài)管理、OPC/DDE/API接口軟件管理、實時數(shù)據(jù)庫管理、實時數(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)用簡介
      三唑磷合成過程中在線測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過現(xiàn)場儀表進入了SUPCON JX-300X的DCS系統(tǒng),然后通過OPC Server進入了實時數(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)(通過人工化驗的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)及其他離線數(shù)據(jù))整合后進入關(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、柱圖或報表的形式提供給工藝工程師進行決策,決策的結(jié)果通過DCS系統(tǒng)進行貫徹執(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)用研究項目的應(yīng)用操作流程如下:

      步:系統(tǒng)配置;

      第二步:人工數(shù)據(jù)錄入(每天錄入);

      第三步:實時數(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)與實時生產(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,一般需要進行系統(tǒng)配置,系統(tǒng)配置只需配置一次,系統(tǒng)安裝時有一個根據(jù)新農(nóng)化工需求的默認配置,主要功能如下:

      實時數(shù)據(jù)采集位號的組態(tài),缺省組態(tài)保存在安裝目錄下的:newtagdef.cfg

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

      4.人工數(shù)據(jù)的錄入

      三唑磷合成過程中除了可在線測量的數(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)實時數(shù)據(jù)進行整合。
      根據(jù)實際情況,系統(tǒng)提供了班次的設(shè)定功能,化驗數(shù)據(jù)的人工錄入界面。

      5.實時數(shù)據(jù)采集

      本系統(tǒng)通過OPC Server把在線測量數(shù)據(jù)從SUPCON JX-300X提取并保存到實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)ESP-iSYS中,因此數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)源是實時數(shù)據(jù)庫平臺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)場控制系統(tǒng)中采集的原始數(shù)據(jù)可能存在嚴重的隨機誤差和過失誤差,會使數(shù)據(jù)品質(zhì)嚴重惡化。因此必須對采集來的原始數(shù)據(jù)進行預(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)參與運算,保證在數(shù)據(jù)挖掘計算中所得結(jié)果的正確性。
      從實時數(shù)據(jù)庫平臺導(dǎo)入生產(chǎn)實時數(shù)據(jù),使用數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對這些參與數(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)計數(shù)據(jù)文件中,使得數(shù)據(jù)挖掘計算結(jié)果準確。

      7.人工錄入數(shù)據(jù)與實時生產(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)即人工化驗數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實時數(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,就可以進行數(shù)據(jù)挖掘了,在菜單項中選擇“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)果的各種報表,如圖3所示,在該報表中,可通過點擊“規(guī)則餅圖"、“規(guī)則箭頭圖"、“優(yōu)化建議圖"、“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。

      結(jié) 論

      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的應(yīng)用研究,采用SUPCON JX-300X對生產(chǎn)過程進行了基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的改造,通過對工藝過程數(shù)據(jù)的采集,利用ESP-iSYS建立實時和歷史數(shù)據(jù)庫,通過對歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘和融合找出了配方、工藝控制參數(shù)對三唑磷產(chǎn)品的得率及其有效成分的影響規(guī)律,并提出了工藝改進的方法及其控制參數(shù)的調(diào)整,在此基礎(chǔ)上形成針對化工及制藥生產(chǎn)過程的通用數(shù)據(jù)挖掘軟件,可產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。
      本項目于2004年7月通過了浙江省組織的科技成果鑒定,鑒定結(jié)果為“該項目在數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)藥化工領(lǐng)域處國內(nèi)水平"。

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