（控制理论与控制工程专业论文）钢铁企业过程数据集成平台的研究与开发.pdf

原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 作者签名：塑盟茸 日期：- 兰型侈 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的规 定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅， 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 。作者签名：立塑哑 导师签名：幺t 衄丝w 摘要 摘要 随着市场经济体制的进一步成熟和发展，作为市场主体的企业面临着日益激烈的 市场竞争。以信息技术为核心的钢铁企业综合自动化建设为企业在竞争中取胜提供了 一个新思路。过程数据集成平台作为核心的关键技术之一，为过程控制系统提供集成 数据支撑，在钢铁企业综合自动化建设中起着极其重要的作用。基于此，本文自主研 究并开发了全面支持过程控制系统的过程数据集成平台。 本课题的研究内容和所取得的研究结果可以概括为以下几个方面： 1 、针对钢铁企业过程控制系统现状，提出了为过程控制系统提供数据服务的过 程数据集成平台体系结构。该体系采用了m s n e tr e m o t i n g 技术，具有良好的分布 式特性。 2 、考虑到过程控制系统对数据监控、数据分析、报表、模型的需求，设计了数 据监控组件、数据分析组件、报表服务组件、模型服务组件。 3 、考虑到过程控制系统多样化的数据需求，提供了多种数据访问接口，方便进 行二次开发。 4 、以某钢厂高炉智能诊断与决策支持系统项目为例，说明了所开发的过程数据 集成平台为过程控制系统提供的集成数据支撑作用。 最后总结了全文的工作，指出了过程数据集成平台的进一步应用研究发展方向。 关键词：钢铁企业；数据平台；过程控制系统 a b s t r a c t a b s t r a c t e n t e r p r i s e sa sap r i n c i p a lp a r to fm a r k e ta r ef a c i n gi n t e n s ec o m p e t i t i o ni nt h er a p i d d e v e l o p i n ga n dm a t u r i n gm a r k e te c o n o m i cs y s t e m i tp r o v i d e san e w i d e af o ri r o na n ds t e e l e n t e r p r i s et ow i n i nc o m p e t i t i o nt ob u i l dc o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns y s t e mw i t hac o r eo f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y a sak e yt e c h n o l o g y , i n t e g r a t e dp r o c e s sd a t ap l a t f o r m ，w h i c h p r o v i d e si n t e g r a t e dd a t as u p p o r tt op r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e b u i l d i n go fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s ec o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o n b a s e do nc u r r e n tt r e n d ， t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p i n go ft h ei n t e g r a t e dp r o c e s sd a t a p l a t f o r mw h i c hp r o v i d e sa l l a r o u n ds u p p o r tf o rp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c ho nt h i st o p i ca n di t sr e s u l t sc a l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 、a ni n t e g r a t e dp r o c e s sd a t ap l a t f o r ma r c h i t e c t u r ep r o v i d i n gi n t e g r a t e dd a t as e r v i c e s f o rp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，w a sp u tf o r w a r dc o n s i d e r i n gt h es t a t u so fp r e s e n tp r o c e s s c o n t r o ls y s t e mi ni r o na n ds t e e le n t e r p r i s e t h i sa r c h i t e c t u r ew a sb a s e do nm s n e t r e m o t i n gt e c h n o l o g y , a n dt o o kt h ea d v a n t a g e so fm u l t i - l a y e rd i s t r i b u t i o n 2 、d a t am o n i t o r , d a t aa n a l y z e r , r e p o r ts e r v i c e sa n dm o d e ls e r v i c e sm o d u l e sw e r e d e s i g n e da n dd e v e l o p e dt os a t i s f yt h ed e m a n do fd a t am o n i t o r i n g , d a t aa n a l y s i s ，r e p o r t s a n dm o d e l si np r o c e s sc o n t r o ls y s t e m 3 、v a r i o u st y p e so fd a t aa c c e s si n t e r f a c e sw e r ea v a i l a b l eb yi n t e g r a t e dp r o c e s sd a t a p l a t f o r mt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m 4 、t h ei n t e g r a t e dp r o c e s sd a t ap l a t f o r mi ni r o na n ds t e e le n t e r p r i s eh a sb e e na p p l i e dt o ap r o j e c to fb l a s tf u r n a c ee x p e r ts y s t e ms u c c e s s f u l l y , w h i c hs h o w st h ee f f e c t i v e n e s so fi t s i n t e g r a t e dd a t as u p p o r tf u n c t i o n f i n a l l y , s u m m a r i z i n gt h er e s e a r c hw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f u r t h e rd e v e l o p m e n to f i n t e g r a t e dp r o c e s sd a t ap l a t f o r mi sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：i r o na n ds t e e le n t e r p r i s e ；d a t ap l a t f o r m ；p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m i i 目录 摘要 目录 目录 第一章绪论 i 1 1 弓i 言l 1 2 课题背景2 ，21 越攫挖蒯彩糖2 ，22 秀翠白矛i 敷：。3 1 3 过程数据集成平台4 ，a1 集成孕考运行昂西毫4 ，3 2 集成平台对过程控制系统的支持5 1 4 论文主要内容7 第二章系统分析与设计 2 1j ；i 言8 2 2 设 十目标8 221 买胡矿i 笙。9 2 2 2 舞玖自咝一9 22 了剽戆9 2 24 诣阴咝j d 2 3 功能分析1 l 2 a1 勇膀l ；i 理j j 2 皇2 硝像 势罄。j 2 2 置? 茧f 角l f ：务j 3 2 置4 孚含叠 碴e j 彳 2 4 结构设计1 4 241 基于c $ 钐多屏绣赛纺彬j 彳 2t2 孚；台童当荜缘铭缎萝六1 5 2t 了孚台跣够蕉焚狰兢。1 6 244 镆咧硒黝晚超= j 7 2t5 芏宝；静赢j 9 2 5 数据模型2 0 2 覆1 燕馏骠砺i 形式加 2 曩2 兹锈锄潞嚣秀枣! 酸2 j 2 点? 孕含殿务器麓型2 2 2 互4 舅翰虽亭筠勃枣- 型2 2 2 6 本章小结一2 3 i 目录 第三章主要支撑模块的设计与实现 3 1 引言2 4 3 2 过程数据集成平台的数据访问方式2 4 曼2 ，传绕彩数据苏闽方芜2 5 童22 谭劈接口瑟刁i ：筘 a 27 兹- 缓芟攒器( o p c 客户端j 励实觋嬲 3 3 集成平台远程通讯实现方式3 0 最矗，r e m o t i n g 誊笨原理3 ， aa 2r e m o t i n g 彪务端嘤j 醪3 2 aa3r e m o t i n g 薯户端窖搴：琢粥 3 ，3 4 生命周期、事件订阅，并发控锄3 4 3 4 数据存储3 5 3 5 数据服务3 6 皇5 ，粝| 签乒心巧 a 点2 苏登镬勺事器3 9 a 五，裂锘锲0 器。卯 3 6 组件服务4 2 a 最，禊望仍觋参铊 a 岔2 按曩谚配亭一柑 童最3 教r 缓篮经籀馓岛劳分枥谚骣务钳 3 7 本章小结4 5 第四章应用实例 4 6 4 1 实验室应用4 6 t ，办盗勺鳝戡筘 4 ，2 蓬彷名统雾筘 t ，3 磊绕拦麓分析4 7 4 2 集成平台在高炉智能诊断与决策支持系统中的应用4 8 4 3 本章小结5 l 第五章总结与展望s 2 5 1 总结5 2 5 2 展望5 3 萱参考文献。5 4 附录一攻读硕士学位期间发表的论文靳 致谢5 7 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 钢铁行业作为市场竞争程度和国际化程度较为充分的行业，如何不断提高企业竞 争力，减少能耗降低成本为摆在我国钢铁企业面前的一个迫切需要解决的课题。而在 上世纪8 0 年代以来，以计算机技术、网络技术、通讯技术为代表的信息技术的迅速 发展为钢铁企业提供了一个新的发展契机。一方面，以集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 、现场仪表等为代表的新型控制系统的出现，以及在钢铁工业得到成 功运用，加快了钢铁企业基础控制系统的改造，大大地提高了控制系统的稳定性和可 靠性，提高了企业的生产效率和产品质量。另一方面，以美国学者约瑟夫。哈林顿 ( j h a r r i n g t o n ) 博士于1 9 7 3 年提出的计算机集成制造c i m ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g ) 概念为代表的新生产模式的出现，使人们对生产过程有了全新的认识， 更加注重企业的信息集成、传递和利用能力。它强调了生产过程的系统观点、信息观 点，是信息时代新型企业的一种生产模式。按照该模式和技术构成的具体实现便是计 算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 。这两方面的结 合实现了过程控制逐渐从底层向上渗透，集成控制、优化、管理、经营于一体的综合 自动化新模式【。因而利用先进的控制技术和一体化的信息技术来改造传统钢铁工业 是钢铁企业立足市场，增强企业综合竞争力的必由之路。 钢铁工业综合自动化系统是将先进的工艺装备技术、现代管理技术和以先进控制 与优化技术为代表的信息技术相结合，将企业的生产过程控制、优化、运行、计划与 管理作为一个整体进行控制与管理，提供整体解决方案，以实现企业的优化运行、优 化控制与优化管理，从而成为提高企业竞争力的核心高技术。实现钢铁工业企业综合 自动化系统的关键之一在于解决企业底层过程控制网络与上层管理信息网络间的数 据集成和应用集成问题。 由于技术发展的原因，钢铁企业过程控制网络上分布着不同厂商的不同种类的监 控系统，这些控制系统都是面向装置和设备的，每个系统只能采集和管理相应装置或 设备在运行过程中产生的部分实时数据。而在整个连续工业生产过程中存在着诸多的 1 第一章绪论 装置和设备，有大量的实时数据需要进行处理、存储和集成。因而企业迫切希望能提 供一个综合数据平台来解决整个企业的数据集成问题。通过该平台，企业能有效地集 成各类异构控制系统，建立工厂控制层( 现场总线、d c s ，p l c 等) 与上层管理信息系 统m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 之间的实时数据连接，实现企业生产过程控 制和业务管理相结合。同时该平台也为企业进一步实施先进控制、实时在线优化和制 造执行系统m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i n gs y s t e m ) 等提供底层的实时数据支持 2 - 3 。 过程数据集成平台的应用成功实现了现场控制系统的过程生产数据的集中，为全 厂过程实时信息的综合集成奠定了基础。由于控制现场的实时数据记录了实际的生产 历史过程，其中包含了丰富的信息，因而仅通过过程数据集成平台采集并存储这些数 据是不够的，更关键的是如何更好地支持其他软件，使其他软件能方便地从实时数据 库中得到所需要的实时数据和历史数据。其中过程控制系统是过程数据集成平台的最 主要应用对象，它能真正地指导工业现场生产，给企业带来最直接的收益。本课题正 是在此背景下提出，设计并实现适合钢铁企业的过程数据集成平台，使得该平台在集 成基层数据的基础上能更好地支持过程控制系统的应用。 1 2 课题背景 1 2 1 过程控制现状 钢铁工业由于面临：( 1 ) 要求高效率、节能降耗、提高质量，( 2 ) 用户要求生产更 多的品种，( 3 ) 多品种和批量生产并按不同质量而附加价格，这就导致要求提高过程 控制自动化水平，开发更多高精度和适应性更强的数学模型4 1 。 钢铁生产过程是一类复杂的工业过程，还没有被人们充分认识，而且这类过程往 往还受到众多随机因素的干扰和影响，传统的工艺理论建模已难以适应多参数、非线 性和高度不确定的对象，因此多采用人工智能技术建模。 人工智能技术主要包括专家系统、模糊控制和人工神经网络等。它已被世界钢铁 工业列为上世纪末本世纪初的关键技术，是9 0 年代国际钢铁行业的前沿课题。目前， 人工智能技术已广泛应用于钢铁企业过程控制系统。在高炉、炼钢、连铸、热轧、冷 轧的过程控制方面涌现出了一大批采用智能控制技术建立的模型。列举如表1 1 所示。 - 2 第一章绪论 表1 - 1人工智能技术在钢厂过程控制系统中的应用 项目 模型 异常炉况诊断 高炉炉料分布操作指导 炉热预报 连铸作业诊断 炼钢、连铸连铸漏钢预报 连铸质量预报与诊断 加热炉出炉操作指导 热轧、厚板 板带热连轧机负荷分配及辊缝设定 镀锌线产品品质诊断 冷轧设定模型、轧制负荷预报 冷轧、表面处理 冷轧过程诊断系统 连续退火炉作业a i 系统 1 2 2 存在问题 过程控制系统在钢铁企业中的运用日渐广泛，采用的技术也日渐成熟。但现有过 程控制系统还存在着许多问题，主要表现在以下方面： ( 1 ) 钢厂针对不同的炼钢炼铁设备有不同的过程控制系统，每个过程控制系统都要 解决数据采集的问题，延长了过程控制系统开发周期，增加了开发成本，不能使开发 人员把更多的精力投入到控制方法和控制效果上。 ( 2 ) 由于基础自动化控制系统与过程控制系统通常来自于不同的厂商，相互之间的 通讯极其复杂，甚至不少系统由于通讯接口不够灵活，基础自动化控制系统与过程控 制系统之间数据的互操作性差、功能受到限制而没有充分发挥过程控制的作用。 ( 3 ) 由于过程控制系统的应用是建立在基础自动化控制系统基础之上的，如d c s 、 p l c 等系统。当这个基础发生变化时很有可能使得原有接口发生变化，对过程控制系 统的运行产生影响，导致维护困难。 ( 4 ) 钢厂过程控制系统功能模块一般都涉及数据分析，模型，报表等，但现有过程 控制系统中的这些模块风格各异，不具有通用性。 不同过程控制系统存在着许多共同点，如都需要采集现场实时数据以满足控制算 法的需要；又如一些在线运行的模型还需要把计算结果写到基础自动化控制系统中， 以实现控制【5 】。这些共同点为过程数据集成平台提出了需求。 3 第一章绪论 过程数据集成平台定位为基础自动化控制系统和过程控制系统之间的一个中间 层，解决了过程控制系统和基础自动化控制系统之间的数据交互问题、统一了过程控 制系统过程数据的表示形式和消息的表示形式，并为过程控制系统提供了报表服务、 模型服务、数据监控、数据分析组件，使过程控制系统开发者专著于控制方法和控制 效果的研究上。 1 3 过程数据集成平台 数据集成平台是指在一定的行业领域内，根据行业的专业性质，建立针对该领域 的数据标准，依据这个数据标准，采用合适的现代软硬件技术，建立一个对该行业领 域的各种数据，都可以进行复杂的数据信息存储、提取、交换操作的数据管理系统。 系统既可以提供直接对数据进行存取交换操作的工具，提供完善的数据操作接 口，以支持行业内的各种应用软件系统，实现数据的共享，又可以实现以中心数据平 台服务器的方式来提供服务【6 1 。 1 3 1 集成平台运行环境 1 、硬件环境 此系统包括数据检测及控制站若干，过程数据集成平台服务器一台，过程控制系 统服务器一台，连接到过程控制系统服务器上的打印机一台。过程数据集成平台服务 器和控制站之间通过工业以太网通讯，和过程控制系统服务器之间通过企业局域网通 讯，构成了系统的硬件平台。如图1 1 所示。过程数据集成平台通过o p c 数据源服 务器实现对控制站上数据的读写。过程控制系统通过m s n e tr e m o t i n g 通讯协议和 过程数据集成平台通讯，实现对过程数据集成平台中数据的读写，从这个角度讲，过 程控制系统为过程数据集成平台的一个客户端。 在企业局域网内的各过程控制系统均作为集成平台的客户端，通过集成平台来读 写控制站中的数据。由此体现出过程数据集成平台对过程控制系统的支撑作用。 4 第一章绪论 控制站控制站控制站控制站 。 图1 1 硬件环境 2 、过程数据库 采用关系型数据库，记录了所有采集的过程数据、生产数据表、手工录入数据、 配置数据。按记录是否递增分为动态表和静态表。 动态表主要是历史数据表、模型输出表、消息表、生产数据表、手工录入数据。 其中历史数据表用来记录历史数据，分为5 分钟表、小时表、日表，分别为每5 分钟、 1 小时、1 天纪录一条数据；模型输出表用来记录模型计算的结果；消息表记录了系 统内所有消息；生产数据表和手工录入数据是针对不同的过程控制系统提供的生产数 据、工艺数据表。 静态表主要是配置表。主要包括标签配置表、数据交换器配置表、标签缓存器配 置表、标签初始化器配置表、标签计算器配置表、时钟标签生成器配置表、数据写入 器配置表、数据删除器配置表、事件标签生成器配置表等配置表。 数据删除器定期清理超过存储日期的记录，确保数据库不过度膨胀。 1 3 2 集成平台对过程控制系统的支持 冶炼过程控制系统是提高钢铁企业经济效益的有力手段之一。目前，冶炼过程过 程控制包括了多变量预测、报表、工艺计算、软测量等。过程控制系统可以利用实时 数据和历史数据对生产过程进行优化控制，掌握生产过程规律，实时调整工艺参数， 使过程处于优化状态。同时也可以通过在线监控、统计分析产品的产量和质量数据， 预测产品的产量和质量，从而达到提高经济效益的目的。 5 第一章绪论 通常过程控制系统的直接控制对象是基础自动化控制系统，控制器将运算结果直 接写回到基础自动化控制系统中，调整某些参数设定值，以达到控制和实时优化的目 的。因而建立与基础自动化控制系统之间的数据通讯成为过程控制系统所必需的功 能。 如果把过程控制系统与基础自动化控制系统间的数据通讯功能独立出来，并提供 统一的数据接口，过程控制系统只需要使用该统一的访问接口就可以访问基础自动化 控制系统中的生产数据，则将会大大地简化过程控制系统的开发设计，降低过程控制 系统的复杂度。过程数据集成平台正是该理想设计的最佳选择，它通过设计通用的软 件来采集基础自动化控制系统中的实时数据，同时能提供各种类型的接口以供过程控 制系统使用。此外集成平台具有一定的数据存储能力，因而过程控制系统可以方便地 从中查询所需的实时和历史数据。平台提供的数据统计和趋势分析等工具，也能为过 程控制系统更好地分析和利用数据提供强有力的支持。以过程数据集成平台为基础的 面向钢铁企业的过程控制系统的体系结构如图1 2 所示。 i 数据采集接口 i d s p , p l c , 各种仪器仪表 图1 2 平台与过程控制系统的集成 6 第一章绪论 1 4 论文主要内容 本论文立足于我国钢铁企业冶炼过程控制系统应用的实际情况，提出了过程数 据集成平台的新方案。 全文共分为五章： 第一章：绪论，介绍了课题研究背景，说明了集成平台运行环境以及平台对过程 控制系统的支持。 第二章：系统分析与设计，本章系统地分析了过程数据集成平台的设计目标和 功能需求以及冶炼过程控制系统对过程数据集成平台的设计要求。在此基础上给出了 系统体系结构设计方案和数据模型设计方案。 第三章：介绍了平台主要支撑模块的设计与实现，突出说明了过程数据集成平台 的数据访问方式、集成平台内模块间以及集成平台与过程控制系统之间的通讯方式、 集成平台中过程数据的存储、集成平台如何为过程控制系统提供数据服务、组件服务 等几个方面。 第四章：介绍了集成平台实验室测试运行情况，并以某钢厂高炉智能决策与支持 系统为例，说明了集成平台对高炉智能决策与支持系统软件的良好集成和数据支持。 第五章：对过程数据集成平台的研究和开发进行了总结和展望。 7 第二章系统分析与设计 2 1 引言 第二章系统分析与设计 钢铁企业为了不断提高自身的竞争力以及在市场中占据有利地位，越来越重视企 业信息化建设以及应用人工智能等先进控制技术和软件技术来提升现有的生产能力。 在此背景下，一方面，过程控制系统在钢铁企业中的运用日渐广泛，采用的技术也日 渐成熟。但国内现有的过程控制系统普遍存在着扩展性差，系统各模块间互操作性较 差等缺点，使得企业在实施中难以综合运用这些软件，发挥其整体优势。另一方面， 过程数据集成平台的应用使得企业能方便地集成基础自动化控制系统的实时和历史 数据信息，提供各类数据的查询和分析，为进一步广泛利用和深度发掘这些数据提供 了有效的基础信息平台。 综合分析以上两方面不难发现，如果能把过程数据集成平台和过程控制系统结合 起来考虑的话，那将改变过程控制系统扩展性差，系统各模块间互操作性差的状况。 换言之，即在过程数据集成平台中实现各过程控制系统在数据读取、数据存储、数据 查询、运行监控、统计分析、报表管理等基础功能的需求，而在过程控制系统中仅需 调用过程数据集成平台提供的这些统一接口即可实现所需基础功能。过程控制系统开 发者可以专注于各自先进控制算法、模型建立和界面的设计。 2 2 设计目标 过程数据集成平台是连接基础自动化控制系统和过程控制系统之间的桥梁，在钢 铁企业过程自动化体系中具有举足轻重的地位。自上世纪9 0 年代以来，软件开发技 术得到突飞猛进的发展，各种先进的软件技术纷纷出现，如面向对象的编程技术、分 布式组件技术、u m l 建模技术、设计模式等。这些新软件技术和开发工具的运用使 得开发复杂的应用系统变得更加高效，更易于维护。由于钢铁企业中存在着各种各样 炼铁炼钢设备，导致过程控制系统多种多样。要求过程数据集成平台有良好的集成性、 扩展性和灵活性，能够应用于各种冶炼过程控制系统，还要求平台具有友好的操作界 r 第二章系统分析与设计 面，便于操作人员快速熟练地掌握和维护。此外，冶炼过程控制系统是过程数据集成 平台的重要应用对象，故在设计时应充分考虑过程控制系统的特殊需求。具体而言， 对过程数据集成平台的设计目标可以从实时性、稳定性、集成性、通用性4 个方面说 明。 2 2 1 实时性 过程数据集成平台为过程控制系统提供的数据是现场冶炼状态的一个客观反映， 只有数据与现场装置内部实际情况相吻合，数据才有意义。因而实时性是过程数据集 成平台的基本要求。 集成平台的主要处理对象是数据，要求平台本身能够高效地管理和组织数据，保 证数据满足各种一致性的要求网。为了保证平台具有较高的实时性，必须要求在设计 时平台具有优化的数据存储和访问结构，同时还应该考虑到平衡负载以及并发控制等 因素。 2 2 2 稳定性 集成平台是一个大型复杂的系统，能支持冶金过程各种不同类型的过程控制系统 实时访问，需要长时间实时在线运行，其运行是否稳定可靠对整个过程控制系统运行 是否稳定可靠息息相关。因而在设计过程数据集成平台时必须保证平台本身的稳定 性，即使在大量访问量和采集量的情况下仍能稳定运行【8 】。 另外，集成平台还应当提供良好的出错处理机制，即使在发生异常的情况下也不 影响系统的正常运行。 2 2 3 集成性 过程数据集成平台作为基础自动化控制系统与过程控制系统之间的信息通道，要 求其必须具有良好的集成性，包括与基础自动化控制系统的集成和与过程控制系统之 间的集成。 ( 1 ) 与基础自动化控制系统的集成 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是与厂商无关的软件数据交换标准和规程。主要解决 0 第二章系统分析与设计 过程控制系统与其数据源的数据交换问题，可在各应用之间提供一种透明的数据访问 【9 】。o p c 标准的出现，使得针对硬件的驱动程序不再由软件开发商开发，而是由硬 件开发商根据硬件的特征提供统一的o p c 接口程序。由于硬件开发商对自己的硬件 特征比较了解，从而能够最大限度的挖掘硬件的潜力，全面支持硬件特性，提高驱动 程序的性能。软件开发商只需开发遵循o p c 标准的软件就可以采集到现场数据。 过程数据集成平台提供了基于o p c 标准的数据交换器模块，实现过程数据集成 平台与基础自动化控制系统之间的数据交换。过程数据集成平台与基础自动化控制系 统的集成如图2 1 所示。 过程数据集成平台 l 数据交换器i | o p c 服务器i 弋夕 l 基础自动化控制系统 图2 1 数据平台与基础自动化系统的集成 ( 2 ) 与过程控制系统的集成 过程控制系统的数据存取很大一部分依赖于过程数据集成平台，故为过程控制系 统提供安全、稳定、方便的实时数据服务也是过程数据集成平台必须达到的要求。与 过程控制系统的集成除了提供访问接口之外，更重要的是从功能上达到真正的集成， 如为过程控制系统提供报表服务、模型服务，数据监控与分析服务等功能。 2 2 4 通用性 任何一部分发生变化，不管这种变化是过程数据集成平台的变化还是实现技术的 变化，只要接口维持不变就可以无缝的和其他部分集成到一起，具有很好的适应性和 扩展性。 1 0 第二章系统分析与设计 2 3 功能分析 基于以上提出的设计目标，过程数据集成平台为了能更好的支持过程控制系统的 应用，在功能上至少必须包括数据采集、数据存储、数据处理、数据服务、数据分析 等，如图2 2 所示。 2 3 1 数据管理 图2 2 过程数据集成平台的基本功能构成 l 、数据采集 过程数据集成平台必须具有强大的数据采集功能。数据采集是实施过程控制的基 础。所以数据平台首先必须从基础自动化控制系统中获取足够多的实时信息，并且在 需要写回数据的时候能够及时地写到基础自动化控制系统中3 。1 0 】。过程数据集成平台 与基础自动化控制系统的通信基于o p c 协议。集成平台作为o p c 数据访问的客户端 访问o p c 数据服务器中的数据，二者可以是本地访问，也可以是基于以太网的远程 访问。 2 、数据存储 过程数据集成平台必须具有稳定可靠的数据存储功能，能存储和管理钢厂过程控 制系统所需要的各种数据。它不仅包含采集实时数据，还应该包含中间计算结果数据， 统计数据、化验室数据等。存储采取的方式可以是自动写入也可以是手动写入。存 第二章系统分析与设计 储采取的介质可以是内存，也可以是磁盘文件。在内存中存储历史数据的优点是存取 速度快，缺点是内存空间有限，只能存储较短时间内的数据，它满足了某些应用( 如 过程控制系统对近期历史数据的访问频率高，要求响应时间短的需求) 。在磁盘文件 中存储历史数据的特点与内存中正好相反，它可以满足某些应用( 如趋势分析) 要求浏 览长时间短内历史数据，但对响应速度要求不高的需求。两种存储方式可以互为补充， 满足不同应用的需求【1 1 。 3 、数据处理 过程数据集成平台中可以提供一些简单的数据预处理功能，例如进行公式计算、 滤波计算、量程转换等，这些功能可以减轻过程控制系统的计算量。同样，为了方便 用户进行数据分析、质量分析等操作，过程数据集成平台还可以提供计算某个数据在 一段时间内的累计值、平均值、最大值、最小值等统计量的功能。 4 、数据服务 过程数据集成平台的宗旨是为过程控制系统提供稳定可靠的集成数据服务，因此 在平台中必须提供多种数据接口以支持过程控制系统对数据的访问和应用【1 2 1 。根据实 际需求，本文主要开发了标签中心数据接口，标签缓存器数据接口，数据读取器接口。 标签中心接口：提供在线实时数据服务； 标签缓存器接口：提供短时间内历史数据服务； 数据读取器接口：提供长时间历史数据服务。 2 3 2 消息管理 消息描述了系统的状态，主要是信息、警告、生产事件、生产事故等。消息服务 是用户了解系统运行状态的主要途径，当系统出现异常时，用户通过消息服务及时处 理异常，保证系统能够安全稳定的运行。因此集成平台必须提供消息处理机制，能够 对消息统一处理f 1 4 1 。主要是消息的存储和消息服务。 1 、消息存储 消息本身应当是被分级分类的，类型和消息的来源有关，级别为信息、警告、错 误。因此消息在存储时也应当是分级分类的，消息能够按照级别类别配置选择要存 储的位置，可以是日志文件，也可以是数据库。 1 2 第二章系统分析与设计 2 、消息服务 对于生产事件、生产事故、警告或者是错误级别的消息需要用户介入。用户通过 请求消息可以查看当前系统运行状况以及生产状况，并做出相应的处理。集成平台提 供了一个统一接收和发布消息、提供消息服务的模块。 2 3 3 组件服务 冶炼过程控制系统功能模块中往往都包含有数据监控、数据分析、报表、以及模 型计算等功能模块，且这些模块在功能上有很多相似之处。目前这些模块的开发过程 为：开发商根据实际需求单独开发，模块不具有通用性。每个系统都要开发这些模块， 增加了重复劳动，延长了过程控制系统的开发周期。本文通过分析这些模块，抽象出 他们的共同点，并利用过程数据集成平台的基础设施、数据资源等，为过程控制系统 提供服务。 1 、实时监控 过程数据集成平台需要提供强大的数据监控功能。通过实时地跟踪过程数据的变 化趋势，以及在线地监测各控制系统的运行状况及时发现系统的异常状况，相应地采 取措施进行纠正以减少损失。冶金过程过程控制系统通常需要通过实时跟踪趋势变化 来调节控制器参数、原料配比和工艺参数，以达到良好的控制效果。因此，过程数据 集成平台在数据采集的基础上，还需要提供实时监控功能。 2 、报表服务 随着钢铁企业信息化程度的不断提高，钢铁企业对过程控制系统报表功能提出了 更高的要求。过程控制系统每天都要生成大量不同类型的报表，包括统计报表、考核 报表等。这些报表中有年报、月报、日报等。 日积月累会生成很多报表，如何高效的管理这些报表，让用户能够快速的浏览历 史报表是每个过程控制系统都要解决的问题。另外报表的配置、生成等也是报表共性 的东西。因此提供一个报表服务框架，并充分利用平台对集成数据的支持，为用户自 动生成报表并对报表高效管理也是集成平台必不可少的部分。 3 、模型服务 冶炼过程控制系统中，数学模型占有很重要的地位，给定输入变量，通过模型计 1 3 第二章系统分析与设计 算可以预报下一时刻的状态，如铁水含硅量，钢水温度、钢水成分等等。 模型主要为线形回归、非线性回归、神经元网络、支持向量机等。在模型使用过 程中，为了提高模型预报的准确性，往往需要试验很多模型，最后采用准确度比较高 的模型，这个过程需要在模型之间进行替换。另外模型何时运行，模型如何获取输入 数据、模型运行结果保存到哪里等等都是模型使用过程中共性的部分。因此很有必要 提供一个模型通用框架，为过程控制系统提供模型服务。 4 、数据分析 冶金工业生产过程是一个复杂的物理和化学过程，尚有许多机理问题在理论上没 有完全搞清。特别是在工业生产中，影响因素多，各种扰动瞬息万变，迫切需要一种 强大的数据分析工具帮助人们发现数据间的关系。 工长或者是决策者常常需要对历史数据进行静态趋势、频度、相关、回归分析， 通过分析各相关数据问的变化趋势，找到其中隐藏的关联规则，调整控制器参数、原 料配比以及工艺参数，从而指导生产过程。因此过程数据集成平台中也迫切的需要为 过程控制系统提供一个通用的数据分析软件。 2 3 4 平台管理 平台管理是指与平台运行相关的基础管理功能。过程数据集成平台要长期稳定运 行，必须提供平台运行管理相关功能，这里主要包括平台正常运行所需配置项的设置， 各进程运行状态的监视和控制，也即配置管理和进程管理。 2 4 结构设计 2 4 1 基于c s 的多层体系结构 多层c s 结构是传统c s 结构的发展。三层c s 结构分为三部分：客户、应用服 务器和数据库服务器。客户通常实现用户界面，它提供了一个可视化接口，用来显示 信息和收集数据它只与应用服务器打交道。应用服务器通常实现应用逻辑，是连接客 户与数据库服务器的桥梁。它响应用户发来的请求执行某种业务任务，并与数据库服 务器打交道。在实际应用过程中，该层的组件通常可分为两个以上的层次，因此这种 1 4 第二章系统分析与设计 结构也被称为多层次结构。数据库服务器通常实现数据的定义、维护、访问、更新以 及管理，并响应应用服务器的数据请求。它的物理实现可以在某一种数据库管理系统 中，也可以是多个异种数据库的集合，这种数据库可以驻留在多种平台上【i5 1 。 在三层或n 层c s 结构中，中间件( m i d d l e w a r e ) 是最重要的部件。所谓中间件是 一个用a p i 定义的软件层，是具有强大通信能力和良好可扩展性的分布式软件管理框 架。它的功能是在客户机和服务器或者服务器和服务器之间传送数据，实现客户机群 和服务器群之间的通信。和两层c s 结构相比，三层c s 结构具有更灵活的硬件系统 构成，对于各个层可以选择与其处理负荷和处理特性相适应的硬件【l 酬。合理地分割三 层结构并使其独立，可以使系统的结构变得简单清晰，这样就提高了程序的可维护性。 在过程数据集成平台中采用多层c s 结构将提高系统的安全性、访问效率、维护 性和开发性。 2 4 2 平台整体结构设计 结合多层分布式体系的优点，整个系统的结构如图2 3 所示。 圆圈圈圈臣至习 图2 3 系统结构图 从图中可以看出，整个体系分为三层：上层为过程控制层，是过程数据集成平台 的应用对象；中间层为过程数据集成平台；底层是数据采集层。过程数据集成平台主 要包括五个部分： ( 1 ) 应用服务：提供过程控制系统访问实时数据、历史数据、消息等功能。 第二章系统分析与设计 ( 2 ) 组件服务：提供数据监控、数据分析、报表服务、模型服务功能。 (