选煤生产过程标准数据平台建设及其关键技术

孙小路，周春侠，张永志，匡亚莉

(1.内蒙古工业大学 矿业学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学 科学技术处，内蒙古 呼和浩特 010051；3.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 寺河矿选煤厂，山西 晋城 048000；4.中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)

选煤作为煤炭洁净利用的源头和基础，是加快调整能源结构、增加清洁能源供应的重要手段。随着大数据、人工智能在各行业的强势崛起，选煤行业的智能化建设也开始逐步推进，主要体现在三个方面[1-5]：①网络环境完善，装车等偏远系统的网络接入，生产车间的Wi-Fi网络建设，选煤厂4G网络的全覆盖；②集控系统升级，原独立的控制系统信号纳入集控系统，如泵房，增加计量计质相关检测仪表，原手动控制环节的升级替换；③信息化系统建设，先后建立了众多管理信息系统，如人力资源管理系统、生产成本控制系统、设备管理信息系统等。

随着选煤行业智能化的发展，以下问题日益突出[6-10]：①生产集控系统建设之初，只实现了数据的显示功能，过程数据未得到有效保存；②生产系统的升级过程中，采购了不同厂家的设备与检测仪表，这些厂家的系统相对独立，形成了一座座数据孤岛；③已有信息系统的数据，未设置通用的数据开放接口，这大大增加了后续选煤信息化建设的工作量。

基于选煤生产智能化的发展需求及目前存在的问题，本文针对选煤生产过程标准数据仓库建立过程中的技术难点，开发了选煤信息交换平台，采用通用的标准为不同需求方提供服务，为后续选煤生产和管理提供基础。

1 平台简介

选煤生产过程标准数据平台研究的内容主要包括以下三部分：①采集不同设备厂家的生产过程数据与计量计质仪表检测数据；②建立选煤基础信息分类标准，定义统一的编码规则，建立数据仓库；③为不同的基础信息需求者建立统一的数据访问接口。各部分之间的关系如图1所示。CPSDP平台的开发基于.NET框架，C#编程语言，SQL Server数据库。

图1 技术路线示意

2 关键技术

为保证生产网络的安全，选煤厂的集控网络相对独立，数据的共享一般通过设置网闸解决。集控系统的数据主要包括各设备的开关量、原煤量、产品量、在线灰分、旋流器压力、循环介质密度等，这些数据大部分汇总于PLC(可编程逻辑控制器)中。其他技检化验数据、生产信息系统数据多存储于关系数据库(SQL Server、Access等)或平面文件(Excel、TXT等)中。这些生产相关数据的采集过程的网络架构如图2所示。

图2 选煤生产信息采集网络架构示意

2.1 信息分类

在进行数据采集存储利用之前，信息的合理分类更有利于标准化的实现。选煤生产过程标准数据平台建设的目的是为选煤生产过程的模拟与优化控制提供服务，故以选煤生产过程中涉及的设备及检测仪表进行分类，从选煤工艺要求的角度出发，根据不同设备在选煤生产中的使用用途将选煤设备分为八个类别，筛分、破碎、分选、脱水、运输、给料和准备、泵和其他设备[4，11]。CPSDP平台的信息主要分类、二级子类，及相关编码规则如图3所示。选煤生产过程基元数据的表结构见表1，其中C_TagID字段为后续数据采集时配置表的对应ID信息。

图3 CPSDP信息分类表(部分)

表1 CPSDP基础信息字典表

2.2 数据采集

2.2.1 PLC数据的采集与存储

随着万物互联、无人工厂等智能制造模式的兴起，选煤厂已有的传统工业形式的集控生产系统已不能满足信息化发展的需求，面对不同厂商不同硬件的差异，CPSDP选择通过OPC(OLE for Process Control)技术来实现底层信息的通信与集成[12，13]，进而实现对产生于控制系统PLC中的生产过程数据进行采集。针对管理层、领导层需在办公室、移动端掌握生产实时情况的需求，以及企业后续精细化管理、生产成本控制需海量在线生产数据做支撑的需求，PLC数据采集后分别存储到了实时数据库和历史数据库中。其中，实时数据库只存储最新的生产数据，采集的数据频率较高，以保证数据的时效性。历史数据库为减少数据冗余，可以选择差异存储，并降低采集频率到分钟级。具体的采集流程如图4所示，为保证PLC数据采集端的复用性，在数据采集初始，同时配置存储选煤厂实际设备信息标签。

图4 PLC数据的采集存储流程

2.2.2 关系数据库、平面文件数据的采集存储

对于选煤厂的生产控制系统，由于信息化的建设阶段实施，形成了众多独立的子系统，这些系统一般各自独立，有的使用了关系数据库存储，如微软的SQL Server、Access等，还有部分按一定规则存储于平面文件中，大部分选煤厂的计检化验数据被化验人员记录于Excel文档中形成了质量报表。上述类型数据的采集，可以通过.NET提供的访问不同数据库接口进行通信。关系数据库在配置表中记录链接地址及用户密码，平面文件的采集采用客户端上传的形式，文件目录固定，格式须统一，文件命名包含时间信息。具体的数据采集存储流程如图5所示。与PLC数据的采集存储不同，这里面临着数据的批量插入问题，尤其是多个数据源同时访问历史数据库进行数据更新时，数据更新的效率显得尤其重要，此处，CPSDP平台采用了SqlBulkCopy方法替换常规Insert方法，数据执行效率可达到10000条/s。

图5 关系数据库、平面文件数据的采集存储流程

CPSDP平台的历史数据库采用了类似KEY-VALUE形式的存储模式，这保证了程序后续的扩展性。根据部分目标数据调用的频繁性以及量级的大小轻松扩展成基于内存的NOSQL非关系数据库，便于大数据的处理。

2.3 数据交换平台接口

建立了数据仓库后，数据共享过程需解决不同平台(Android、IOS等)、不同编程语言架构(Java、Python、PHP等)间的数据通讯问题。CPSDP平台采取的统一接口使用Web Service技术返回JSON格式数据。Web Service是一种通用的跨编程语言、跨操作系统、无须借助第三方软件或硬件的远程调用技术[14，15]。JSON是一种轻量级的数据交换格式，易于机器解析与生成。数据接口的访问需验证访问用户的秘钥，以保证数据的安全性，具体需求参数及过程如图6所示。为了便于信息的查询、展示及技术开发人员调用数据接口，CPSDP建立了基于B/S架构的WEB平台，WEB界面包括数据分类导航树、数据图表展示区和数据获取方法说明区。

图6 CPSDP数据接口调用示意

3 应 用

选煤生产过程标准数据平台于2013年开始在淮北矿业集团涡北选煤厂进行了试运行，基于该平台的二次开发应用也陆续得到了现场使用。具体包括选煤厂生产统计报表的无纸化，计量计质仪表(如皮带秤、灰分仪、料位计等)数据的WEB端实时展示，关键质量信息复用于生产作业平台的LED查询，以及生产过程数据的移动终端的显示探索(如图7所示)。通过以上实践表明，选煤生产过程标准数据平台可以有效支撑整个选煤厂的信息化建设。

图7 CPSDP二次应用实例—移动终端显示示例

4 结 论

1)CPSDP建立了以选煤设备和检测仪表为基础的选煤生产过程数据分类标准，以此来划分不同来源、不同类型的海量数据。但数据的分类在使用过程中依然存在一定的局限性，煤炭行业应尽快出台选煤厂信息化相关的行业标准。

2)CPSDP通过实时数据库和历史数据库建立，来保证数据获取的高效性同时减少数据冗余。通过类KEY-VALUE形式的存储模式，以保证平台的扩展性与数据获取的高并发问题。

3)选煤生产过程标准数据平台通过Web Service技术提供了JSON数据接口，为不同的应用开发者建立了统一的访问接口，为选煤厂的管理人员提供了基础数据获取的统一平台。