選煤生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)平臺建設(shè)及其關(guān)鍵技術(shù)

孫小路，周春俠，張永志，匡亞莉

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 科學(xué)技術(shù)處，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 寺河礦選煤廠，山西 晉城 048000；4.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

選煤作為煤炭潔凈利用的源頭和基礎(chǔ)，是加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、增加清潔能源供應(yīng)的重要手段。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能在各行業(yè)的強勢崛起，選煤行業(yè)的智能化建設(shè)也開始逐步推進(jìn)，主要體現(xiàn)在三個方面[1-5]：①網(wǎng)絡(luò)環(huán)境完善，裝車等偏遠(yuǎn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入，生產(chǎn)車間的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，選煤廠4G網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋；②集控系統(tǒng)升級，原獨立的控制系統(tǒng)信號納入集控系統(tǒng)，如泵房，增加計量計質(zhì)相關(guān)檢測儀表，原手動控制環(huán)節(jié)的升級替換；③信息化系統(tǒng)建設(shè)，先后建立了眾多管理信息系統(tǒng)，如人力資源管理系統(tǒng)、生產(chǎn)成本控制系統(tǒng)、設(shè)備管理信息系統(tǒng)等。

隨著選煤行業(yè)智能化的發(fā)展，以下問題日益突出[6-10]：①生產(chǎn)集控系統(tǒng)建設(shè)之初，只實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示功能，過程數(shù)據(jù)未得到有效保存；②生產(chǎn)系統(tǒng)的升級過程中，采購了不同廠家的設(shè)備與檢測儀表，這些廠家的系統(tǒng)相對獨立，形成了一座座數(shù)據(jù)孤島；③已有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，未設(shè)置通用的數(shù)據(jù)開放接口，這大大增加了后續(xù)選煤信息化建設(shè)的工作量。

基于選煤生產(chǎn)智能化的發(fā)展需求及目前存在的問題，本文針對選煤生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)倉庫建立過程中的技術(shù)難點，開發(fā)了選煤信息交換平臺，采用通用的標(biāo)準(zhǔn)為不同需求方提供服務(wù)，為后續(xù)選煤生產(chǎn)和管理提供基礎(chǔ)。

1 平臺簡介

選煤生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)平臺研究的內(nèi)容主要包括以下三部分：①采集不同設(shè)備廠家的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)與計量計質(zhì)儀表檢測數(shù)據(jù)；②建立選煤基礎(chǔ)信息分類標(biāo)準(zhǔn)，定義統(tǒng)一的編碼規(guī)則，建立數(shù)據(jù)倉庫；③為不同的基礎(chǔ)信息需求者建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口。各部分之間的關(guān)系如圖1所示。CPSDP平臺的開發(fā)基于.NET框架，C#編程語言，SQL Server數(shù)據(jù)庫。

圖1 技術(shù)路線示意

2 關(guān)鍵技術(shù)

為保證生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的安全，選煤廠的集控網(wǎng)絡(luò)相對獨立，數(shù)據(jù)的共享一般通過設(shè)置網(wǎng)閘解決。集控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包括各設(shè)備的開關(guān)量、原煤量、產(chǎn)品量、在線灰分、旋流器壓力、循環(huán)介質(zhì)密度等，這些數(shù)據(jù)大部分匯總于PLC(可編程邏輯控制器)中。其他技檢化驗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)多存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(SQL Server、Access等)或平面文件(Excel、TXT等)中。這些生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集過程的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 選煤生產(chǎn)信息采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

2.1 信息分類

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集存儲利用之前，信息的合理分類更有利于標(biāo)準(zhǔn)化的實現(xiàn)。選煤生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)平臺建設(shè)的目的是為選煤生產(chǎn)過程的模擬與優(yōu)化控制提供服務(wù)，故以選煤生產(chǎn)過程中涉及的設(shè)備及檢測儀表進(jìn)行分類，從選煤工藝要求的角度出發(fā)，根據(jù)不同設(shè)備在選煤生產(chǎn)中的使用用途將選煤設(shè)備分為八個類別，篩分、破碎、分選、脫水、運輸、給料和準(zhǔn)備、泵和其他設(shè)備[4，11]。CPSDP平臺的信息主要分類、二級子類，及相關(guān)編碼規(guī)則如圖3所示。選煤生產(chǎn)過程基元數(shù)據(jù)的表結(jié)構(gòu)見表1，其中C_TagID字段為后續(xù)數(shù)據(jù)采集時配置表的對應(yīng)ID信息。

圖3 CPSDP信息分類表(部分)

表1 CPSDP基礎(chǔ)信息字典表

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 PLC數(shù)據(jù)的采集與存儲

隨著萬物互聯(lián)、無人工廠等智能制造模式的興起，選煤廠已有的傳統(tǒng)工業(yè)形式的集控生產(chǎn)系統(tǒng)已不能滿足信息化發(fā)展的需求，面對不同廠商不同硬件的差異，CPSDP選擇通過OPC(OLE for Process Control)技術(shù)來實現(xiàn)底層信息的通信與集成[12，13]，進(jìn)而實現(xiàn)對產(chǎn)生于控制系統(tǒng)PLC中的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。針對管理層、領(lǐng)導(dǎo)層需在辦公室、移動端掌握生產(chǎn)實時情況的需求，以及企業(yè)后續(xù)精細(xì)化管理、生產(chǎn)成本控制需海量在線生產(chǎn)數(shù)據(jù)做支撐的需求，PLC數(shù)據(jù)采集后分別存儲到了實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫中。其中，實時數(shù)據(jù)庫只存儲最新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)頻率較高，以保證數(shù)據(jù)的時效性。歷史數(shù)據(jù)庫為減少數(shù)據(jù)冗余，可以選擇差異存儲，并降低采集頻率到分鐘級。具體的采集流程如圖4所示，為保證PLC數(shù)據(jù)采集端的復(fù)用性，在數(shù)據(jù)采集初始，同時配置存儲選煤廠實際設(shè)備信息標(biāo)簽。

圖4 PLC數(shù)據(jù)的采集存儲流程

2.2.2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫、平面文件數(shù)據(jù)的采集存儲

對于選煤廠的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，由于信息化的建設(shè)階段實施，形成了眾多獨立的子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)一般各自獨立，有的使用了關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲，如微軟的SQL Server、Access等，還有部分按一定規(guī)則存儲于平面文件中，大部分選煤廠的計檢化驗數(shù)據(jù)被化驗人員記錄于Excel文檔中形成了質(zhì)量報表。上述類型數(shù)據(jù)的采集，可以通過.NET提供的訪問不同數(shù)據(jù)庫接口進(jìn)行通信。關(guān)系數(shù)據(jù)庫在配置表中記錄鏈接地址及用戶密碼，平面文件的采集采用客戶端上傳的形式，文件目錄固定，格式須統(tǒng)一，文件命名包含時間信息。具體的數(shù)據(jù)采集存儲流程如圖5所示。與PLC數(shù)據(jù)的采集存儲不同，這里面臨著數(shù)據(jù)的批量插入問題，尤其是多個數(shù)據(jù)源同時訪問歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)更新時，數(shù)據(jù)更新的效率顯得尤其重要，此處，CPSDP平臺采用了SqlBulkCopy方法替換常規(guī)Insert方法，數(shù)據(jù)執(zhí)行效率可達(dá)到10000條/s。

圖5 關(guān)系數(shù)據(jù)庫、平面文件數(shù)據(jù)的采集存儲流程

CPSDP平臺的歷史數(shù)據(jù)庫采用了類似KEY-VALUE形式的存儲模式，這保證了程序后續(xù)的擴(kuò)展性。根據(jù)部分目標(biāo)數(shù)據(jù)調(diào)用的頻繁性以及量級的大小輕松擴(kuò)展成基于內(nèi)存的NOSQL非關(guān)系數(shù)據(jù)庫，便于大數(shù)據(jù)的處理。

2.3 數(shù)據(jù)交換平臺接口

建立了數(shù)據(jù)倉庫后，數(shù)據(jù)共享過程需解決不同平臺(Android、IOS等)、不同編程語言架構(gòu)(Java、Python、PHP等)間的數(shù)據(jù)通訊問題。CPSDP平臺采取的統(tǒng)一接口使用Web Service技術(shù)返回JSON格式數(shù)據(jù)。Web Service是一種通用的跨編程語言、跨操作系統(tǒng)、無須借助第三方軟件或硬件的遠(yuǎn)程調(diào)用技術(shù)[14，15]。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，易于機器解析與生成。數(shù)據(jù)接口的訪問需驗證訪問用戶的秘鑰，以保證數(shù)據(jù)的安全性，具體需求參數(shù)及過程如圖6所示。為了便于信息的查詢、展示及技術(shù)開發(fā)人員調(diào)用數(shù)據(jù)接口，CPSDP建立了基于B/S架構(gòu)的WEB平臺，WEB界面包括數(shù)據(jù)分類導(dǎo)航樹、數(shù)據(jù)圖表展示區(qū)和數(shù)據(jù)獲取方法說明區(qū)。

圖6 CPSDP數(shù)據(jù)接口調(diào)用示意

3 應(yīng) 用

選煤生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)平臺于2013年開始在淮北礦業(yè)集團(tuán)渦北選煤廠進(jìn)行了試運行，基于該平臺的二次開發(fā)應(yīng)用也陸續(xù)得到了現(xiàn)場使用。具體包括選煤廠生產(chǎn)統(tǒng)計報表的無紙化，計量計質(zhì)儀表(如皮帶秤、灰分儀、料位計等)數(shù)據(jù)的WEB端實時展示，關(guān)鍵質(zhì)量信息復(fù)用于生產(chǎn)作業(yè)平臺的LED查詢，以及生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的移動終端的顯示探索(如圖7所示)。通過以上實踐表明，選煤生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)平臺可以有效支撐整個選煤廠的信息化建設(shè)。

圖7 CPSDP二次應(yīng)用實例—移動終端顯示示例

4 結(jié) 論

1)CPSDP建立了以選煤設(shè)備和檢測儀表為基礎(chǔ)的選煤生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)，以此來劃分不同來源、不同類型的海量數(shù)據(jù)。但數(shù)據(jù)的分類在使用過程中依然存在一定的局限性，煤炭行業(yè)應(yīng)盡快出臺選煤廠信息化相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2)CPSDP通過實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫建立，來保證數(shù)據(jù)獲取的高效性同時減少數(shù)據(jù)冗余。通過類KEY-VALUE形式的存儲模式，以保證平臺的擴(kuò)展性與數(shù)據(jù)獲取的高并發(fā)問題。

3)選煤生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)平臺通過Web Service技術(shù)提供了JSON數(shù)據(jù)接口，為不同的應(yīng)用開發(fā)者建立了統(tǒng)一的訪問接口，為選煤廠的管理人員提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取的統(tǒng)一平臺。