（计算机应用技术专业论文）煤气平衡认证分析系统应用软件的研究与开发.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 煤气是工业生产中重要的产品和燃料，是宝贵的能源资源。因此， 如何尽可能的减少煤气计量系统的的计量误差，当计量系统出现故障 导致煤气的总发生量与总消耗量失去平衡时，如何合理的平衡各种煤 气的总发生量与总消耗量，科学的认证各个煤气用户的煤气消耗量， 成为一项意义重大的研究和开发课题。 本文以某钢铁集团公司为背景，建立了一个煤气平衡认证分析系 统。该系统通过使用网络数据库采集各煤气用户的相关历史数据，建 立了用户消耗模型；通过综合考虑消耗模型数据、历史数据、故障诊 断设置和煤气计量管理文件，提出了一种新的煤气自动平衡认证的方 法，实现了高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气和转炉煤气的自动分类平 衡；通过在线获取煤气检测点的实时数据，实现了煤气热值和密度的 软测量：通过分析比较检测点的实时数据，建立了一种新颖的虚拟仪 表，能够在线显示实时数据、检测流量计算公式的参数设置、检测测 量装置的量程配置和辅助现场操作人员校正仪表量程；通过建立w e b 服务器，实现了煤气平衡认证过程的公开化和透明化。 关键词煤气，消耗模型，平衡认证，软测量，虚拟仪表， w 曲服务器 中南大学硕十学位论文 a b s t r a c t g a si sn o t o n l y a i l i m p o r t a l l tp r o d u c t a n d向e li ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，b u ta l s oav a l u a b l ee n e r g yr e s o u r c ea sw e l l n e r e f o r e ，i t h a s b e e nas i 印i 6 c a l l ta i l di m p o r t a n ti t e mi nr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h a t h o wt om i n i m i z et h ee r r o ro ft l l em e a s u r es y s t e ma n d ，w h e ng a s t o t a l o u t p u t sa n dc o n s u m e sl o s tb a l a l l c er e s u l t i n gf 幻me r r o r so c c u r r i n gi nt h e g a sm e t e r i n gs y s t e m ，h o wt o 洲o n a l l y b a l a i l c ea us o r t sg a s t o t a lo u t p u t s a i l dc o n s u m e sa n ds c i e n t i f i c a l l ya t t e s to fm e 锄o u mo fg a st h a tu s e r s h a v ec o n s u m e d t h i sp a p e rp r e s e n t s 柚a t t e s t a t i o na n da i l a l y s i ss y s t e mf o rt h eg a s b a l a r l c eb a s e do ns o m es t e e lc o m p a n y i nt 1 1 es y s t e m ，b yc 0 1 l e c t i n gm e g a s c u s t o m e r s r e l a t i o n a lh i s t o r i c a ld a t au s i n gar l e t w o r k d a t a b a s e ，a c o n s u m p t i o n m o d e li se s t a b l i s h e d b yc o m p r e h e n s i v eu s i n g t h e c o n s u m p t i o nm o d e ld a t a ，也eh i s t o r i c a ld a t a ，m ef a u l td i a g n o s i sa n dt h e f i l e so fg a sm e a s u r em a i l a g e m e n t ，an e wt e c h n i q u eo ft h ea u t o m a t i c a _ t t e s t a t i o nf b rt l e g a sb a l a i l c e i s p u tf o r w a r d ，a i l dm e n t 1 1 ea u t o m a t i c b a l a n c e so fb l a s tm m a c eg a s ，b u m ts t o v ec o a l g a s ，m i x e dg a s a n d c o n v e r t e rc o a lg a sa r er e a l i z e dr e s p e c t i v e l ya d o p t i n gt l l et e c h n i q u e b y c o l l e c t i n gm eo n - l i n er e a lt i m ed a t a ，s o rm e a s u r e m e n to fd e n s i t y a n d c a l o r i f i cv a l u eo fg a si si m p l e m e n t e d b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gm e o n l i n er e a lt i m ed a t ao f e a c hm e a s u r e p o i n t ，ao r i g i n a lv i r 七u a l i n s t m m e n t i sb ep u tu p ，w h i c hi s c 印a b l eo fd i s p l a y i n gt h e o n - l i n er e a lt i m ed a t a ， v e r i 匆i n gt 1 1 ef o n i l u l ao fc o m p u t i n gm e f l o wo f g a s ，t e s t i n gt h em e a s u r e q u a m i t yo n eo fm ed e v i c e ，a i l dh e l p i n gm eo n m e s p o to p e r a t o r s t o e m e n dt h em e a s u r eq u a l l t i t yo n eo ft 1 1 ed e v i c ea sw e l la s b ys e t t i n gu p t 1 1 ew e bs e r v e r ，t l l eg a sb a l a n c ea t t e s t a t i o np m c e s si sp m v i d e di n t ot h e o p e n 胁s p a r e n t l y k e y w o r d s g a s ，c o n s u m p t i o nm o d e l ，b a _ l a n c ea t t e s t a t i o n ， s o f tm e a s u r e n l e n t ，v i n u a li n s t n l m e n t ，w e bs e r v e r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：丝! 垒盔日期：竺型年月鱼日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：噬导师签名： 壶过日期：型年月丛日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了课题的研究背景，并结合某钢铁厂的实际需求阐明了课题研 究的实际意义，然后分析了国内外的研究现状，引出了课题的主要研究内容，最 后简要说明了本文的主要工作。 1 1 研究背景及意义 在钢铁企业中，高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气、转炉煤气是在生产过程中 副产的优质气体燃料，占企业总能耗的比例很大，是宝贵的能源资源。煤气的供 应从气源、储配、输送到计量是一项较为复杂的系统工程，是大生产过程中个 不可缺少的予系统【1 1 。目前，我国的煤气流量计量大约6 0 使用的是节流式差压 流量计，当煤气类型不相同时，差压流量计的设计测量范围和误差限就不相同【2 j 。 当出现差压流量计坏死或误差超出误差限、部分煤气量无法测量、数据采集系统 故障等意外情况时，各种煤气的生产计量与消耗计量势必失去平衡。而由于能源 计量是当前工业企业经济核算的重要依据，能源计量数据的准确程度直接影响到 各单位投入产出比率最佳、最合理的分配方向，可以说“计量就是计钱”，计量与 企业的经济效益直接相关1 4 j 。 因此，如何尽可能的减少煤气计量系统的的计量误差，当总发生量与总消耗 量之差不在误差范围以内时。如何合理的平衡各种煤气的总发生量与总消耗量， 如何科学的认证各个煤气用户的煤气消耗量，进而既保证平衡了煤气的发生量与 消耗量，又符合实际、公正合理的认证了煤气用户的煤气消耗量，即如何科学合 理的进行煤气计量自动平衡认证，以减少计量系统的误差，提高煤气的利用率， 成为一项意义重大的研究和开发课题 5 1 。 本课题针对某钢铁公司的煤气计量现状，研究开发了一个“煤气平衡认证分 析系统”，实现了煤气计量的自动平衡认证。该钢铁公司的煤气流向和主要煤气 用户分布如图1 1 所示。 在图1 1 中，焦炉煤气由焦化厂生产，一部分用于焦化厂自身的生产，一部 分送入一加压站和三加压站，另一部分经过焦炉煤气加压站后得到精制煤气。精 制煤气的主要用户是民用煤气和仓储部煤气。高炉煤气由炼铁厂生产，一部分用 于炼铁厂自身的5 个热风炉，一部分送入以加压站和三加压站，直接使用高炉煤 气的主要用户有机制公司、炉料公司、钢渣厂和热电厂。一加压站混合煤气( 简 中南大学硕士学位论文第一章绪论 称一混煤气) 和三加压站混合煤气( 简称三混煤气) 都属于高炉煤气和焦炉煤气 的混合煤气。一混煤气的主要用户有烧结老区、型材厂、转炉炼钢厂和带钢厂， 三混煤气的主要用户有电炉炼钢厂、棒材一厂、棒材二厂和1 3 0 立方米烧结厂。 转炉煤气由转炉炼钢厂生产，转炉煤气与焦炉煤气的混合煤气经过转炉加压站加 压以后得到转焦炉混合煤气，其主要用户是带钢厂。 因卜1 某钢铁公司煤气流向示意图 “煤气平衡认证分析系统”投入运行以前，该钢铁公司原有一套煤气采集监 控系统，该系统能够实现的功能主要有：采集相关的煤气实时数据，并能够在监 控站上实时显示，实现了在线监控：对采集的煤气实时数据进行统计和汇总，生 成相关报表；对统计后的数据上发至信息中心，给经营和生产者反馈有效的信息。 该系统同时存在如下一些主要的问题： ( 1 ) 对数据的采集还不够全面，只能对数据做出简单的显示和统计处理， 缺乏对数据的深层挖掘，导致数据的利用率不高； ( 2 ) 各煤气使用单位的煤气消耗没有进行数据分析以及自动平衡认证，而 是采用的手工平衡认证的方式，即根据部分历史数据等，凭借个人经验和管理文 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 件来平衡整个煤气的生产计量和消耗计量，从而导致了不全面、不科学的认证结 果，大大降低了煤气的利用效率： ( 3 ) 对于测量仪表缺乏科学和远程的校准方法： ( 4 ) 系统中存在一些不能测量或不容易直接钡4 量的因素，使得系统反馈失 去重要的数据，操作者不能把控制状况掌握到最好。 所有这些问题都制约着企业资源利用率和总体经济效益的提高。为了解决现 有的煤气采集监控系统存在的主要问题，提高煤气的乖j 用率，进而提高企业的经 济效益，迫切要求对原系统进行改造。因此“煤气平衡认证分析系统”的研究与 开发具有很强的迫切性和实用性，该系统与原有的煤气采集监控系统相辅相成、 互为补充，以满足煤气采集、计量平衡和仪表测量方面的实际需要。 1 2 国内外研究现状 很多国内外钢铁和燃气企业已经开始认识到煤气的计量平衡对于企业经济 效益的影响，因此在减少计量误差和进行合理的计量平衡方面，各企业根据自身 实际情况都制定了完整的措施，目前尚无企业间通用的煤气计量平衡标准。 武汉钢铁集团公司每年的混合煤气发生量与混合煤气消耗量相差3 0 左右， 针对这种情况武钢运用目标管理法，将能源消耗特别大的一些单位实行强化计量 管理，对发现的煤气介质测量点运行情况不正常、节流装置选型选点不合理、设 计参数不准确、安装地点不规范等问题作了调查与处理，使得发生量与消耗量之 差稳定在l o 左右【j j 。 马鞍山钢铁公司为了实现煤气计量平衡，在组织生产时同时考虑煤气的分 配、平衡问题。各单位根据公司下达的生产计划安排作业计划时，应当同时申报 煤气用量计划，由公司管理部门进行分配平衡。当某时段煤气供应出现问题时， 依照获得最大效益的原则分出轻重缓急进行调控【6 l 。 平顶山燃气总公司因为气源厂的生产计量与公司的消耗计量不一致而与气 源厂经常产生纠纷，为解决计量纠纷问题，使公司免受由计量问题带来的经济损 失，该公司斥资建立了“自动计量系统”，该系统基于5 8 6 工控机，由采样软件、 计算软件、管理软件等组成，实现煤气流量的自动测量。供耗双方以此系统的测 量结果为标准从而解决了纠纷【”。该方法适用于小型企业，雨对于大型钢铁联合 企业则难以适应。 美国的v n i i m s 煤气公司，m o s g 舵煤气公司和m o s o b l g 昵煤气公司共同开 发了一个v m m 模型1 8 】，当煤气的入管网流量计量和出管网流量计量不一致时， 该模型首先主要根据计量仪器的空闲时间和公司统一的管理文件来补偿计算煤 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 气的未平衡流量，然后根据设置的计量点计量仪器绝对误差的情况来分配未平衡 流量。 此外，国外很多科研机构如n t n u ( n o n e g i 强u i l i vo fs c i e n c ea l l d t e c l l i l o i o g y ) 删、c s i r o( c o m m o n w e a 怂s c i e 嘣f i ca n di n d u 姒a lr e s e a r c h o r g a i l i z a t i o n ) 【i o j 等正着手研究超声波流量计，超声波流量计己在某些新建立的 公司投入了试验性的应用，如美国的m u l i e ii n d u s 仃i e s 公司【i l 】。使用超声波流量 计虽然减小了计量误差，有可能保证生产计量和消耗计量的平衡，但是超声波计 量仪成本高，使用局限性大，因此对于大多数企业来说，使用超声波流量计代替 节流式流量计在经济性和实用性方面都是不可行的。 由此可见，许多企业在计量平衡方面使用的是根据相关文件或标准进行手工 平衡，采用自动平衡方式的企业很少，而个别国外企业则采用超声波流量计来减 少计量误差以保证生产计量和消耗计量的自动平衡，但是这种方式受到超声波流 量计的局限，因而难以推广应用。 1 3 主要研究内容 当计量系统故障或者误差超标时，煤气的生产计量和消耗计量将失去平衡， 煤气平衡认证则解决的是当失去平衡时，如何科学合理的平衡各种煤气的发生量 与消耗量，客蕊公正的认证煤气用户的煤气消耗量的问题。 本课题基于节流式差压流量计采用了一种煤气计量自动平衡认证的方法，课 题研究的主要内容包括： ( 1 ) 通过数据采集系统和网络数据库采集与煤气流量相关的各种实时数 据、累积数据和历史数据； ( 2 ) 通过分析不同用户的煤气消耗特性，使用多层递阶回归分析方法建立 各用户的煤气消耗模型； ( 3 ) 综合考虑煤气计量过程中的各种可能性故障，依照具体的计量管理文 件，设计相应的平衡认证算法，并使用该算法实现高炉煤气、焦炉煤气、高焦炉 混合煤气和转炉煤气的自动平衡认证： ( 4 ) 以实时数据为依据，建立一个虚拟仪表模型用于计量系统的远程校 准，减少计量系统的误差； ( 5 ) 基于实时数据，建立软测量模型用于煤气的密度和热值的实时测量； ( 6 ) 建立数据库，用于合理的存储和安全的管理平衡认证过程中采用或者 生成的各种数据； ( 7 ) 建立个w 曲服务器，使得各种相关数据能在局域网内通过浏览器 中南大学硕士学位论文第一章绪论 直接访问，使得平衡认证的过程透明化； ( 8 ) 将上述内容集成为一个系统，即“煤气平衡认证分析系统”，并使用 0 豫c l e 数据库、s u a lc r + 和s u a lb a s i c 语言设计实现该系统的应用软件。 1 4 论文构成 本文第一章首先介绍了钢铁企业煤气计量平衡的意义以及目前国内外的平 衡方法，然后介绍了本课题研究的背景、意义和研究的主要内容。 第二章从系统的需求着手，引出了系统的总体设计方案，包括系统总体结构、 系统的数据流程和系统的功能分配，并简要介绍了系统用到的两个主要数学模 型。 第三章先对系统应用软件进行了功能划分，然后重点描述了数据接口和各个 功能模块的实现方法，对于实现方法的描述精确到了程序流图级。 第四章首先对数据库的物理结构进行了简要说明，然后着重讲述了数据库的 逻辑设计和数据通信方案，最后对数据库的备份与恢复策略作了详细阐述。 第五章首先介绍了系统调试的具体方法，然后说明了在现场所遇到的一些实 际问题和相应的解决方法，最后给出了系统的部分运行结果数据。 第六章对本文所做的工作加以总结，并对系统的完善和课题进一步深入研究 提出了建议，最后肯定了课题的现实意义，展望了课题的推广价值。 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 系统总体设计阶段要求详细、准确的搞清楚系统必须做什么，需要实现哪些 功能，是关系到软件开发成败的关键阶段，总体设计的主要内容包括系统流程图、 数据流程图、实体关系图、系统功能划分、环境配置要求、软件结构设计、接口 设计和软件开发方法等。 本章从系统的需求着手，熏点阐述了系统环境配置、系统总体设计方案、系 统数据流程和系统功能分配，并简要介绍了所使用的两个数学模型。 2 1 系统需求分析 将用户需求和现场状况相结合进行综合分析得到系统的主要需求如下： ( 1 ) 几个大型炼钢厂的煤气消耗波动很大，系统需要对这几个炼钢厂建立 煤气的消耗模型，包括日、月、年煤气的消耗模型，便于用户分析判断煤气的实 际消耗是否合理。对于炼钢厂，影响到煤气消耗的因素有很多，如放散率、热装 率、热效率、轧费率和产量等，但是由于现场的很多数据无法采集存储，因此模 型可以利用的数据只有历史流量、产量和热装率。 ( 2 ) 由于煤气的生产单位和消耗单位相分离，生产单位的计量和消耗单位 的计量往往出现不平衡，导致了单位之间存在经济纠纷，从而使整个企业的经济 效益受到影响，因此必须对生产计量和消耗计量进行平衡认证。人工平衡认证的 方式主观因素较重，平衡的科学依据不足，不能从根本上解决问题，因此，系统 需要建立模型实现自动平衡认证，要求能够实现高炉煤气、焦炉煤气、一加压站 混合煤气、三加压站混合煤气和转炉煤气的日、月、年自动平衡认证，并且平衡 过程中还应该充分考虑到煤气用户的停产、检修和仪表故障等等情况。 ( 3 ) 由于煤气计量系统经常出现仪表量程设置不正确、计算公式参数设置 错误等问题，导致计量系统误差太大，对煤气的平衡认证也会有相当大的影响， 因此用户需要经常利用实时数据判断计算公式是否错误和量程是否合理。为了方 便用户实现上述目的，系统需要建立一个虚拟仪表模型，使用煤气检测点的实时 数据自动判断计算公式和量程是否正确，并能够协助用户校正量程，从而达到减 小计量误差的目的。 ( 4 ) 由于加压站的混合煤气热值和密度经常出现波动，而对于使用加压站 混合煤气的用户而言，其煤气消耗量与加压站混合煤气热值和密度直接相关，因 6 中南大学硕士学位论文第二章系统总体设计 此，用户需要监控加压站煤气的热值和密度以便适时的调度煤气。由于热值和密 度不能够直接测量，故系统需要利用检测点实时数据实现热值和密度的软测量。 ( 5 ) 对于煤气的原始数据和平衡以后数据，要求公开透明，所有的煤气用 户都应该能够直接使用浏览器浏览所有用户的煤气流量，而企业的煤气总调度室 则需要根据昨天各种煤气的总流量预测今天的总流量，以便为今天的煤气调度提 供参考，因此系统需要建立一个w 曲服务器，在企业内联网上发布煤气数据。 ( 6 ) 用户在设置计量公式时经常需要计算一些参数值，这些参数值手工计 算很繁琐，精度低，出错率高，因此系统需要设置相应模块以简化手工计算。 ( 7 ) 用户需要保留原有的煤气采集监控系统，并尽可能少的对原系统作变 动。此外，还要求新的系统界面友好，操作简单方便，对于各种模型可以手工修 改参数，对于平衡以后的数据，特定的人员可以手工修改，对于特定的i p 可以 限制其访问w 曲服务器，对于流量、热值和密度等数据可以查看其数据的趋势， 并且可以打印各种相关的报表。 2 2 总体设计方案 由于本系统以企业内部网络和原有的煤气采集监控系统为依托，因此设计系 统的总体方案之前应充分考虑到原有网络和系统的结构特点。 2 2 1 原有系统的结构分析 原有煤气采集监控系统结构简图如图2 1 所示( 不包括新增i b m 服务器) 。 图2 1 系统结构简图 中南大学硕士学位论文第二章系统总体设计 该系统基于i f i x 平刽“】，利用一台i f i xs c a d a ( i f i ) ( 数据采集服务器) 连 接p l c ，通过p l c 采集煤气、氮气、氧气、水和蒸汽的温度、差压和压力等相 关实时数据。i f i xs c a d a 存储部分实时数据并对实时数据进行相关运算以后送 往i b m r s 6 0 0 f 8 小型机进行存储。网络上的f i xn 0 d e 节点直接访问i f i xs c a d a 的过程数据库【l3 1 ，实现了在线监控。通过现场调查和研究发现，该系统具有如 下一些主要特点： ( 1 ) 系统主要实现的是对现场实时数据的在线监控，i f i xs c a d a 属于计 控部，它只存储一天三班的实时数据，并对实时数据运算后送往位于信息中心的 i b m r s 6 0 0 f 8 ，其他部门如果需要累积数据则必须访问i b m r s 6 0 0 f 8 。 ( 2 ) 通过p l c 采集数据时，p l c 的默认目标地址为i f i xs c a d a 的i p 地 址，因此i f i ) cs c a d a 无法实现双机热备份，只能使用两台配置相同的i f i x s c a d a 进行冷备份。 ( 3 )由于i f i xs c a d a 采集了煤气、氮气、蒸汽等等诸多类型的数据，对 数据进行了多种运算，且服务器的访问量比较大，因此服务器响应缓慢，而且当 现场的检测点出现增加、修改等变动时，必须手工修改i f i xs c a d a 的相关设置。 如p l c 的源地址等。 ( 4 ) i f i xs c a d a 的操作系统为w m d o 粥n t 4 o 版，i b m r s 6 0 0 f 8 为u n i x 操作系统，数据库为o m c i e 8 i ，网络上的其他数据库均为0 r a c l e 数据库。 2 2 2 系统的总体结构设计 系统的总体结构设计方面关键是解决三个方面的问题，一是系统在何处运 行，二是选择操作系统和数据库，三是在何处建立w e b 服务器。 ( 1 ) 确定系统的运行地点 分析原有系统的结构图和结构特点可以看出，如果“煤气平衡认证分析系统” 系统在i f i xs c a d a 上运行可以节省设备开支，但是势必导致服务器负担过重， 系统响应更加缓慢；如果在备份i f i ) ( s c a d a 上运行，则由于备份i f i xs c a d a 没有联网而无法正确采集数据：如果在i b m r s 6 0 0 f 8 运行，则必须使用u n i x 平 台，虽然数据安全性更高，但是给设计开发和用户管理维护带来不便。 考虑到上述情况，新增加一台服务器安装运行“煤气平衡认证分析系统”十分 有必要，因此，本系统的结构简图如图2 1 所示( 含新增m m 服务器) 。 ( 2 ) 选择操作系统和数据库 w i n d o 、s 操作系统操作方便、管理简单，因此是首选的操作系统，为增强系 统稳定性，这里选取了w i n d o w s2 0 0 0 辩r v e r 版作为新增服务器的操作系统。由 于企业内部网络中有诸如u n i x 等非w i n d o w s 操作系统，而且网络中的分布式数 8 中南大学硕士学位论文第二章系统总体设计 据库均采用的是o r a c l e 数据库，为了尽可能的避免异种数据库通信，有效防止 出现数据格式不匹配等问题，选取了0 r a c l e 8 1 7 作为数据库。o r a c l e 8 1 7 是 o r a c l e 8 i 数据库的最高版本，具有良好的平台无关性、兼容性和数据安全性，由 于企业网络中的数据库均为o r 扯l e 7 i 和o r 扯l e 8 i 数据库，因此选取0 r a c l e 8 1 7 利 用其向下兼容的特点，非常适合现场的状况。 ( 3 ) 确定w 曲服务器的建立地点 理论上，w 曲服务器和数据库服务器并不要求建立在同一台机器上。当w 曲 服务器和数据库服务器不在同一台机器上时( 非本地方式) ，数据库不易受到攻 击破坏，数据安全性更好，但是w 曲服务器另需机器设备，且需要专门管理， 因此非本地方式适合于i m 锄c t 上的大型网站的w 曲服务器。而采用w 曲服务 器的本地方式则由于没有网络延迟，因而系统响应较快，且便于维护管理，但是 容易导致数据库遭到破坏。 分析发现，本系统的w 曲服务器可以建立在i f i xs c a d a 或i b mr s 6 0 0 f 8 或本地i b m 服务器上，考虑到本系统的w 西服务器属于企业内部网络，数据库 不易受到攻击破坏，为了便于用户集中管理数据库和w 曲服务器，因此将w 曲 服务器直接建立在i b m 服务器本地机上。这样数据库管理员和w 曲服务器管理 员是同一个人，有利于企业的人员配置。 2 。3 系统数据流程 依照图2 1 的系统结构简图，得出原有系统的数据流程图如图2 2 所示( 不 含新增服务器和虚线表示的数据流) 。 图2 2 原有系统的数据流程图 9 中南大学硕士学位论文第二章系统总体设汁 从图2 2 可以看出，“煤气平衡认证分析系统”在实时数据和累积数据的获 取方面有多种方案： ( 1 ) 实时数据的获取 可以从p l c 直接获取或者从i f i x 过程数据库获取。如果从p l c 直接获取， 如图2 2 中的实时数据1 ，则必须更改煤气检测点p l c 的目标地址，导致原有系 统的煤气数据采集部分停用，从而使得实时监控节点无法监测到煤气检测点，也 无法再向i b m r s 6 0 0 f 8 小型机发送煤气数据，破坏了原有系统，而且所设计的 系统必须与p l c 直接通信，增加了课题开发的复杂度。如果从i f i x 过程数据库 获取，如图2 2 中的实时数据2 ，则只需要修改i f i xv b a 模块，使其向新增的 i b m 服务器发送煤气的实时数据，这样既保持了原有系统的完整性，也降低了 开发的复杂度。因此，本系统选择了从i f i x 过程数据库直接获取实时数据的方 式。 ( 2 ) 煤气累积数据的获取 主要是煤气的班累积数据，可以从所获取的实时数据赢接计算累积得到，或 者从i f i xs c a d a 得到或者从i b m r s 6 0 0 f 8 得到。 如果从实时数据直接计算累积，则获取的速度最快，但是由于企业要求 i b m r s 6 0 0 f 8 上的数据作为企业e r p 的决策数据，因此新增服务器与 m m r s 6 0 0 f 8 的累积数据必须完全一致，这就要求新增服务器与i f i xs c a d a 使 用完全相同的方式计算累积，而i f i xs c a d a 随着工业现场的变化，其计算方式 也经常出现修改参数、增加变量、精度减少等变动，所以采用这种方式时，用户 不得不同时修改新增服务器的计算方式，给用户的管理维护带来不便，也容易导 致错误发生。 如果从i f i xs c a d a 得到，如图2 2 中的累积数据l ，则新增服务器和 i b m r s 6 0 0 f 8 可以同时得到相同的数据，但是由于累积数据量很大，采取这种方 式必然会使网络流量和i f i xs c a d a 服务器负担加重。研究发现，可以对这种方 式进行改进，改进的方式就是i f i ) 【s c a d a 的煤气累积数据只发送到新增服务器， 不发送到i b m r s 6 0 0 f 8 ，然后新增服务器再将煤气累积数据发送到i b m r s 6 0 0 f 8 。 这种改进的方式使得谭i xs c a d a 所发送的数据量不变，既能够保证数据的同步 性，也可以有效的避免增加网络流量和服务器负担，缺点是必须在很大程度上修 改原有系统，因此，企业综合考虑修改原系统对于工业生产所带来的影响，舍弃 了这种改进方式。 如果从i b m r s 6 0 0 f 8 得到，如图2 2 中的累积数据2 ，则既保证了新增服务 器和i b m r s 6 0 0 f 8 的数据一致性，又无需修改原有的系统，缺点是数据的实时 性差。 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 考虑到本系统对于累积数据的实时性要求不高，因此综合上述几种累积数据 获取方式，选取了从i b m r s 6 0 0 f 8 获取的方式。 本系统除了需要实时数据和累积数据之外还需要检测点参数数据、产量数 据、热装率数据等不属于原有系统的数据，这些数据的流向和获取方式如图2 3 所示。图2 3 中所包括的数据种类和数据流向描述如下： ( 1 ) 检测点参数数据 检测点参数数据包括检测点编码、检测点名称以及各个检测点的相关量程和 系数等数据。由于测量现场需要，用户经常需要在i f i xs c a d a 上修改这些参数， 为了保持与i f i xs c a d a 完全一致，我们对i f i xs c a d a 的v b a 程序作了少量 修改，使得i f i xs c a d a 每次启动时自动向新增i b m 服务器发送一次最新的检 测点参数数据，这样既保证了数据的一致性，又简化了系统的维护工作，用户不 必修改了i f i xs c a d a 之后又修改新增服务器的数据。 p l c 系统l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - j 煤气i 实时数据 i f j x 过程数据库 热装率数据库 产量与热装率 数据采集系统 煤气实时 检测点参数 煤气实时数据 f - x d e 实时监控节点 i 叫r s 6 0 0 f 8 0 服务器 煤气累积数据 热装率 热装率 产量数据 煤气原始数据 煤气平衡数据 煤气原始数据 煤气平衡数据 消耗模型数据 产量数据 热装率数据 w e b 服务器 煤气平衡认证分析 系统功能模块 新增m m 服务器 产量数据 产量数据库 圈2 3 系统数据流程示意图 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 ( 2 ) 产量数据 产量数据由专有的产量数据采集系统采集计算并发送到0 r a c l e 8 i 产量数据 库。从图2 3 可以看出，产量数据也可以通过产量采集系统获取或者直接从产量 数据库获取。由于产量数据属于累积数据，对于实时性的要求也不高，因此，相 对来说，直接从产量数据库获取是一种最简单的方式。 ( 3 ) 热装率数据 热装率数据指的是钢坯的热装温度，由专有的热装温度数据采集系统采集 计算并发送到o r l e 7 i 热装率数据库，由于热装温度是一天的平均值，并不属于 实时数据，因此直接从热装温度数据库获取也是一种最简单的方式。 ( 4 ) 煤气原始数据 主要是煤气班累积数据和由班累积数据生成的日累积原始流量、月累计原始 流量和年累积原始流量。煤气原始数据被系统功能模块调用并通过w 曲服务器 进行发布。 ( 5 ) 消耗模型数据 指的是通过煤气平衡认证分析系统的用户消耗模型模块计算所得到的煤气 流量数据，包括日消耗模型数据、月消耗模型数据和年消耗模型数据，由于系统 在本地服务器上运行，因此消耗模型数据直接存放在本地数据库中。 ( 6 ) 煤气平衡数据 指的是通过煤气平衡认证分析系统的平衡认证模块计算所得到的煤气流量 数据，包括日平衡认证数据、月平衡认证数据和年平衡认证数据，这些流量数据 也直接存放在本地数据库中并通过w 曲服务器进行发布。 2 。4 系统功能分配 根据系统需求分析和总体结构设计的要求，系统功能分配如下： ( 1 ) 消耗模型模块 根据煤气历史数据、产量和热装率数据建立针对不同煤气用户的消耗模型。 当流量计出现故障或者出现其他不稳定因素，从而导致煤气计量出现错误时，能 够使用其相应的消耗模型数据作为参考。该模块对日累计和月累计年累计煤气流 量分别建立了用户消耗模型。 ( 2 ) 平衡认证模块 平衡认证模块代替人工平衡认证，综合考虑原始流量、消耗模型流量和历史 流量，科学的进行平衡认证，保证结果误差在给定的范围以内。这个模块能够对 高炉煤气、焦炉煤气、高焦炉混合煤气、转炉煤气进行自动分类平衡，实现了煤 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 气流量的日平衡、月平衡和年平衡。 ( 3 ) 虚拟仪表模块 根据气体流量测量节流装置的特点【b l ，煤气的流量必须通过煤气的差压、压 力和温度三者由公式计算得到，是一个由差压、压力和温度三个量所决定的间接 测量的量，因此通过改变测量仪表的量程可以验证煤气流量计算公式的正确性。 根据上述煤气流量测量方面的实际情况，这里的虚拟仪表主要有三个方面的功 能：第一，对流量、差压、压力和温度值进行在线显示；第二，检测流量计算公 式的参数是否正确，检测测量装置的量程是否配置合理；第三，当测量装置的量 程不合理时，辅助现场操作人员校正量程。 虚拟仪表模块建立了温度、压力、差压三种类型的虚拟仪表模型，提供了手 工输入校准方式和自动校准方式，实现了科学点检和系统校准。 ( 4 ) 虚拟仪表单机版模块 虚拟仪表单机版在任何一台能源网内的计算机上都可以运行，方便了用户的 现场校准作业。虚拟仪表单机版除了具有和虚拟仪表模块相同的功能以外还具备 校准报表的自动打印功能。 ( 5 ) 技术计算模块 输入相关参数，利用公式求一定条件下差压和节流孔直径，简化了手工计 算的繁琐，减少了计算误差，提高了计算精度。 ( 6 ) 软测量模块 对混合煤气的热值和密度建立了软测量模型，实现了参数自动检测和在线监 控功能。 ( 7 ) w 曲发布模块 w 曲发布模块实现了煤气原始流量与平衡流量在内联网上发布，使得任何一 台在能源网上的计算机可以通过浏览器直接查询和打印煤气的各类数据、报表和 直方图，实现了能源信息的远程监视。该模块还具备了煤气流量预测功能，用户 通过浏览器直接输入昨天的高炉煤气热值、昨天的焦炉煤气热值、昨天的转炉煤 气热值和今天的混合煤气热值，系统可以根据昨天的相关流量和热值自动预测今 天达到指定的混合煤气热值需要的高炉煤气流量与转炉煤气流量。 中南大学硕士学位论文第二章系统总体设计 2 5 主要数学模型 本系统主要建立了用户消耗模型和平衡认证模型两个数学模型。这两个数学 模型的算法设计由项目开发小组的其他成员负责实现，因此这里只简要说明用户 消耗模型和平衡认证模型的基本原理。 2 5 1 用户消耗模型 由于煤气消耗系统是决策变量与因变量之间不存在固定参数关系的动态系 统，采用固定参数模型时不仅拟合效果较差，而且在将超出求解参数样本范围的 因子代入固定参数模型时，预测误差有时会达到难以容忍的程度【l4 1 。为此，针 对煤气消耗系统的动态特性，本系统选取一种将回归分析与多层递阶方法相结合 的预报方法；多层递阶回归分析预报方法来建立消耗模型【l ”。 多层递阶回归分析方法的数学模型为1 1 6 1 ： y ( ) = 口屈( 七) “，( 七) + e ( 七) ( 2 一1 ) l l 其中嘞，锄，啦，锄为非时变的回归系数，屈( 七) 为系统时变参数，y ( 七) 为 预测对象，“，( 七) 为影响因子，e ( 劝为零均值白噪声，m 为预测因子个数，七为 流动时间。 例如，在对轧钢厂使用多层递阶回归分析预报方法建立消耗模型时，选择下 一天的高焦炉混合煤气流量作为预测对象y ( 七) 。考虑到影响煤气流量的诸多因 素，选取钢产量、热装温度两个因素作为主要输入量，即取m = 2 ，l ( 七) 为钢产 量，“2 ( 胁为钢坯的热装温度。以前两年的数据作为历史数据，即扣7 3 0 。所选取 的数据如表2 - 1 所示。 表2 1 煤气流量相关因子2 0 0 l 一2 0 0 2 年数据 七 日期煤气流量妖妁钢产量撕( 妁热装温度以七) 12 0 0 1 - 0 1 0 l 。3 0 8 5 6 31 6 6 2 6 5 83 9 1 9 22 0 0 l 一0 l - 0 23 1 2 5 0 21 6 7 4 0 0 02 2 6 2 7 3 02 0 0 2 1 2 - 3 13 2 6 2 2 21 7 3 5 7 8 82 8 5 5 针对表2 1 数据。利用线性估计最小二乘法求得y ( d ，“l ( ，地( 曲三个因 子的回归系数依次为缅= 1 2 0 1 4 3 ，矾= o 1 8 7 7 ，啦= 一1 5 4 1 6 7 6 ，然后令 1 4 中南大学硕士学位论文第二章系统总体设计 甜；( ) = 口1 “i ( 盘) ，：( ) = 吐2 钳2 ( ) ，y ( ) = y 一仅o ，则公式( 2 - 1 ) 所描述的数 学模型形式变为： ，( 七) = ，( 七) i ( 七) 十声2 ( 七) “：( 七) ( 2 2 ) 应用如下多层递阶方法中的时变参数跟踪递推算法公式【 】： 22 芦。= 声，( 一1 ) + 越聃( 七) 一t l 胁筘。( 女一1 ) 】侄西：( k ) 】2 ( 2 3 ) j 。lf ；l 求得鼻。( 肋的估值序列如表2 2 所示。 表2 2 值 时变参数估值序列的值( 七= l ，2 ，7 3 0 ) 七 l口2 10 8 2 0 6川2 6 8 l 20 7 1 9 7珈2 7 4 4 7 3 00 7 2 2 3o 2 8 0 l 针对表2 2 数据，采用均值近似法【l 即对卢。( 勋进行预测，得出p 。( 七) 下一步 的预测值( 肛7 3 1 ) ：芦l ( 七) = 0 7 6 8 8 ，卢2 ( 助= o 2 6 8 5 。 由公式( 2 2 ) 可得l ，( 七) 的预报值公式为： y ( ) = 崩( 七) “1 ( 七) + 卢j ( k ) “：( 七) + 口o ( 2 - 4 ) 对公式( 2 4 ) 代入七= 7 3 l 时的数据即得到y ( 七) 的值。 上述算法的实现函数有两个： ( 1 ) 日消耗模型算法函数b o o l r c o m p u t e l i u l i a l l g ( i n tn 啪b e r i n tl e n g m ) 函数第一个参数代表用户代号，例如o 代表带钢厂，1 代表棒材一厂，第二 个参数代表历史数据的天数，例如l e n g t l l 取6 0 则代表取当前日期前6 0 的数据作 为历史数据。函数执行成功返回1 ，否则返回0 。函数每调用一次则计算出一个 用户的日消耗模型流量，并将该流量值存入全局数据区。 ( 2 ) 月消耗模型的算法函数b o o l y c o m p u t e l i u l i a n g ( i n t n 瑚曲e r i n t l e n g t l l ) 函数参数与返回值与日消耗模型函数类似，函数每调用一次则计算出一个用 户的月消耗模型流量，并将该流量值存入全局数据区。 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 5 2 平衡认证模型 煤气平衡认证解决的是当煤气的生产计量与消耗计量失去平衡时，如何科学 合理的平衡各种煤气的发生量与消耗量，客观公正的认证煤气用户的煤气消耗量 的问题。平衡认证模型具有三个特点。 ( 1 ) 平衡认证的数学模型，属于智能型的数学统计模型。平衡认证过程的 依据为涟源钢铁集团公司煤气平衡计量管理文件，该文件对于停记、停产等 不同仪表故障情况下煤气流量计量的取值做了不同的处理。平衡认证参考了消耗 模型的预测结果和各检测点的历史平均流量，以检测点为单位实现高炉、焦炉、 混合和转炉煤气四种煤气的分别平衡。 ( 2 ) 平衡认证所选取的检测点的历史平均流量为的当前时间前一个月的数 据，样本数据动态跟随，提高了平衡模块的合理性。 ( 3 ) 平衡认证还要考虑各个检测点停记诊断的情况。停记诊断指的是检测 点由于仪表故障、仪表检修或者停产等导致该检测点的煤气流量计停止计量的情 况。对于仪表故障和停产的情况取检测点的历史平均煤气流量，对于检修停记的 情况需要加上停记的流量，计算停记的流量时，需以最小量程或者最大量程( 由 用户设置) 作为为单位时间的流量。 平衡认证的基本步骤分为如下的三步： 印j ：停记检测，即根据检测点故障日志数据表的数据，对各个检测点的 停记诊断情况自动进行检测： 岛印2 ：如果由发生量与总用量之差计算所得到的计算管损率小于允许管损 率( 平衡管理员手工给定