炼焦配煤专家系统开发与实现

2016-10-18欧叡，朱刚，秦涛

制造业自动化 2016年9期

关键词：炼焦焦炭数据库

欧　叡，朱　刚，秦　涛

（江苏永钢集团有限公司，张家港 215628）

信息与管理

炼焦配煤专家系统开发与实现

欧叡，朱刚，秦涛

（江苏永钢集团有限公司，张家港 215628）

根据生产实际需求设计开发炼焦配煤专家系统，综合应用计算机、自动控制、信息网络等技术，通过对单种煤的全面评价和配煤方案的试验为焦炭预测模型的建立提供科学的依据，借助于专家系统预测模型实现配煤比的计算和优化决策，自适应的系统不断修正超限的偏差，最终得到质量稳定的合格焦炭，并能有效控制生产成本。

炼焦配煤；专家系统；焦炭质量预测；优化配煤比

0　引言

优质炼焦煤价格相对贵，随着焦化工业的发展，其资源还将日益短缺。把优质炼焦煤同其他类别的煤按恰当的比例混合后炼焦，既可充分利用煤资源，又能保证焦炭质量。但由于混煤特性不是单煤特性简单的加权，呈现出复杂的非线性特征，过往企业大多依靠个人经验及人工计算，难以做到质量好成本低的两全［1］。囊括大量专门知识、智能化、信息化、网络化且易操作是炼焦配煤专家系统的特点，它运用知识和推理技术求解和模拟通常要由行业专家才能解决的各种复杂、具体的问题，普通操作人员可以不受时间和空间的限制很方便的使用，有效地发挥专家经验的作用［2］。

1　系统框架及技术要求

1.1配煤专家系统框架

配煤专家管理系统由煤资源信息管理、煤场信息管理、焦炭质量管理等子系统组成。其中煤资源信息管理通过数据库对来煤品种和质量进行分析，煤场信息管理系统确保各种煤堆取准确，不发生混煤现象。专家模型系统由优化配煤比、焦炭质量预测等子系统组成。其中优化配煤比系统建立了原煤、配煤与焦炭质量关系的数学模型，小焦炉的实验过程控制及数据分析用以指导大焦炉的生产工艺，通过焦炭质量的预测分析来对自动配煤系统进行优化。系统框架如图1所示。

图1　配煤专家系统框图

1.2技术要求

1）焦炭质量预测误差

焦炭冷态强度M40预测误差小于3%，M10预测误差小于1.5%，热态强度CRI、CSR预测误差小于3%，灰分预测误差小于0.3%，硫分预测误差小于0.1%。

2）配煤比误差

根据焦化厂生产要求确定焦炭质量和配煤成本，专家系统自动进行配煤比预测，预测配煤比与实际配煤比误差不超过±5%。

3）预警和指导生产功能

焦炭质量预测结果须对炼焦生产起到预警和引导作用。

4）优化配煤比

以保证焦炭质量为前提，提供可选配煤比方案，能够自动选择最优的方案。

5）系统软件功能齐备、方便易用

软件界面友善，可操作性强，功能设置贴近用户，要求适用性好，要便于扩充和修改。

2　炼焦配煤专家系统的开发

2.1开发流程

设计开发炼焦配煤专家系统，先要明确用户需求并选择合适的工具，而对知识的采集、整理及概念化处理是专家系统开发的难点和关键，其中确定性和非确定性知识都要分类妥善处理。灵活运用回归分析及其修正模型来实现较为精确的预测并选择恰当的控制策略，最后考虑模型校验等信息能够及时形成反馈，保证系统不断修正以适应各种变化。开发流程如图2所示。

图2　系统开发流程图

2.2系统的结构

知识库用以存放海量的炼焦领域知识，经过计算机处理后的数据存储在数据库。推理机演算和结果导出要根据变化中的数据库状态，并结合知识库中的内容。存储知识、推理中间及最终结果的是数据库，为提高效率其需要与推理机配合。知识库的创建及其更新都是通过知识获取器实现，同时它还要保证知识库中内容的统一和完整。解释器用以应答用户疑问，解问过程也通过解释器加以说明。人机接口使人和系统之间实现顺畅的交流互动。

炼焦配煤专家系统结构如图3所示。

图3　炼焦配煤专家系统结构

3　系统实现与功能

首先，尽可能全面地收集单种煤各种数据和信息，建立炼焦用煤资源数据库。其次，在系统框架下选好软件平台，这要求在生产经验和企业历史数据基础上充分利用计算机、自动控制及信息网络等技术。第三，通过煤资源数据库的相关信息，统计分析单种煤的各项数据，主要针对企业已用过和将来可能用到煤种。第四，进行单种煤炼焦试验研究，掌握单种煤成焦性能等信息。第五，根据工艺和煤的各项数据建立的函数关系确定约束条件。第六，生成优化配煤比算法。第七，预测焦炭质量，经由系统自动或技术专家认可，下达指导生产的配煤比指令。第八，自动配煤系统按指令完成自动化配煤操作。最后将产品信息反馈回系统模型，自动更新知识库并完成配煤比修正。过程中还包括如下要点：

1）基础自动化及网络系统的配置

在中心机房配置1台数据库服务器、1台专家模型处理服务器和1台工程师站。数据库服务器主要是存储系统各种信息数据，专家系统可随时按需调用，用户也可分类查询。专家模型处理服务器主要是完成各种模型关系的建立、焦炭质量预测、提供优化配煤比及煤资源供给策略等，实现指导生产的目的。

在备煤车间配置煤资源信息管理操作站，负责煤资源信息的管理。

化验室和小焦炉计算机系统与专家系统通过网络互连，实现化验室和小焦炉的各种试验数据和生产化验数据录入专家系统的数据库。

完善备煤PLC系统，同时将自动配煤等原来各自独立系统与专家控制系统网络互连，实施后煤耗等信息能够实时上传至专家系统处理，处理结果通过优化配煤比指令下达给自动配煤系统，自动配煤系统根据具体情况决策是否执行，专家系统还提供煤质、库存等数据指导煤资源管理工作。

2）建立煤资源信息数据库

数据库包括一般信息和煤质信息。一般信息包括产地、煤种、可供给量、路程、运输时间、到厂价等。煤质信息包括煤的工业分析、全硫、性质、煤岩指标、单种煤成焦性能等。

3）数据采集

某抽水蓄能电站总装机4×320 MW，其最高净水头502.7 m，输水系统水平总长度2 449 m，其中中平洞衬砌后直径为9.2 m，衬砌厚60 cm，静水头约300 m。中平洞存在长约40 m的V类围岩洞段，该洞段发育有f24、f20和f80三条较大断层。断层均为全风化构造角砾岩，围岩见高岭土化，地下水多呈渗滴～线流状，最大渗水量约5 L/min～6 L/min。断层外围岩裂隙发育，裂隙走向总体与断层垂直。该洞段地质平面展布图见图1。

试验数据：包括焦化厂炼焦开工后的试验报告。

直接来自于生产实际的数据：由于配煤专家系统最终是为生产服务的，所以生产实际数据的获得和整理为本系统开发中最为重要的部分。包括开工初期的煤资源数据、近期的煤资源数据、本企业历史数据、入炉煤质量数据、焦炭质量数据、以及配比数据等。

来自外部专家的数据：包括网上查询得到的最新信息，相关单位多年工作的资料以及有关专家长期积累的有关材料。

4）数据处理

对于确定性知识经过分析、整理后成为数学模型，可以直接存储和调用。对于非确定性知识用布尔量表达式，所以也可以用数学公式的方式加以管理。对稳定性很高的知识，可以处理成程序模块。另一些知识则通过自定义函数方式处理。

3.2系统的主要功能

1）煤资源信息管理子系统

煤资源信息管理子系统可以进行有关数据录入、权限修改和查询，也可以进行输入数据的检查和异常数据的修订，还具备单种煤牌号的自动判别、分类和查询报表的生成功能。

2）焦炭质量预测子系统

焦炭质量预测子系统可以实现焦炭抗碎强度M 40、耐磨强度M10、硫分、灰分和焦炭热性质（CRI和CSR）以及焦炭成本的预测。系统在接收到单种煤质量、价格、炼焦成本和配比的情况下，借助于推理机和模型运算可以直接预测稳定生产条件下的焦炭质量和成本。因为在煤资源质量发生波动时，产品质量会受到一定的影响，所以用户需要得到及时的反馈和预警。

3）配煤优化子系统

配煤优化子系统根据用户对焦炭质量和成本的要求，借助于专家经验规则和预测模型进行综合运算，实现配煤比的演算和优选，并于知识库中找出符合质量和成本要求的全部配煤方案，自动提交最优方案并允许生产技术管理人员根据实际情况进行手动选择。每一种配煤方案都包含有煤源数量、费用等信息。出焦后，焦炭产品质量数据将反馈回系统同质量设定值要求进行比对，如果出现超差，系统将依据预测模型来重新计算，经技术管理人员确认后下达新的配煤指令，如果偏差依然超限，此过程将多次循环，直至质量达标并得到低成本的配煤方案。

4）炼焦生产信息管理子系统

炼焦生产信息管理子系统记录生产过程中的实时数据，主要包括炼焦用煤质量信息和焦炉生产工艺操作信息等。系统具备权限修改、数据录入和查询功能，并可进行输入信息的检查和异常数据的修订。数据归纳形成焦炉热工日报、旬报、月报和年报等，可通过计算机系统自动进行打印和网上传输。

5）综合报表子系统

该系统自动生成有关生产报表，支持合法用户显示、查询、打印。通过操作权限设置规范系统数据录入、查询、修改等操作。