煉焦配煤專家系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

歐　叡，朱　剛，秦　濤

（江蘇永鋼集團(tuán)有限公司，張家港 215628）

信息與管理

煉焦配煤專家系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

歐叡，朱剛，秦濤

（江蘇永鋼集團(tuán)有限公司，張家港 215628）

根據(jù)生產(chǎn)實際需求設(shè)計開發(fā)煉焦配煤專家系統(tǒng)，綜合應(yīng)用計算機、自動控制、信息網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，通過對單種煤的全面評價和配煤方案的試驗為焦炭預(yù)測模型的建立提供科學(xué)的依據(jù)，借助于專家系統(tǒng)預(yù)測模型實現(xiàn)配煤比的計算和優(yōu)化決策，自適應(yīng)的系統(tǒng)不斷修正超限的偏差，最終得到質(zhì)量穩(wěn)定的合格焦炭，并能有效控制生產(chǎn)成本。

煉焦配煤；專家系統(tǒng)；焦炭質(zhì)量預(yù)測；優(yōu)化配煤比

0　引言

優(yōu)質(zhì)煉焦煤價格相對貴，隨著焦化工業(yè)的發(fā)展，其資源還將日益短缺。把優(yōu)質(zhì)煉焦煤同其他類別的煤按恰當(dāng)?shù)谋壤旌虾鬅捊梗瓤沙浞掷妹嘿Y源，又能保證焦炭質(zhì)量。但由于混煤特性不是單煤特性簡單的加權(quán)，呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特征，過往企業(yè)大多依靠個人經(jīng)驗及人工計算，難以做到質(zhì)量好成本低的兩全［1］。囊括大量專門知識、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化且易操作是煉焦配煤專家系統(tǒng)的特點，它運用知識和推理技術(shù)求解和模擬通常要由行業(yè)專家才能解決的各種復(fù)雜、具體的問題，普通操作人員可以不受時間和空間的限制很方便的使用，有效地發(fā)揮專家經(jīng)驗的作用［2］。

1　系統(tǒng)框架及技術(shù)要求

1.1配煤專家系統(tǒng)框架

配煤專家管理系統(tǒng)由煤資源信息管理、煤場信息管理、焦炭質(zhì)量管理等子系統(tǒng)組成。其中煤資源信息管理通過數(shù)據(jù)庫對來煤品種和質(zhì)量進(jìn)行分析，煤場信息管理系統(tǒng)確保各種煤堆取準(zhǔn)確，不發(fā)生混煤現(xiàn)象。專家模型系統(tǒng)由優(yōu)化配煤比、焦炭質(zhì)量預(yù)測等子系統(tǒng)組成。其中優(yōu)化配煤比系統(tǒng)建立了原煤、配煤與焦炭質(zhì)量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，小焦?fàn)t的實驗過程控制及數(shù)據(jù)分析用以指導(dǎo)大焦?fàn)t的生產(chǎn)工藝，通過焦炭質(zhì)量的預(yù)測分析來對自動配煤系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　配煤專家系統(tǒng)框圖

1.2技術(shù)要求

1）焦炭質(zhì)量預(yù)測誤差

焦炭冷態(tài)強度M40預(yù)測誤差小于3%，M10預(yù)測誤差小于1.5%，熱態(tài)強度CRI、CSR預(yù)測誤差小于3%，灰分預(yù)測誤差小于0.3%，硫分預(yù)測誤差小于0.1%。

2）配煤比誤差

根據(jù)焦化廠生產(chǎn)要求確定焦炭質(zhì)量和配煤成本，專家系統(tǒng)自動進(jìn)行配煤比預(yù)測，預(yù)測配煤比與實際配煤比誤差不超過±5%。

3）預(yù)警和指導(dǎo)生產(chǎn)功能

焦炭質(zhì)量預(yù)測結(jié)果須對煉焦生產(chǎn)起到預(yù)警和引導(dǎo)作用。

4）優(yōu)化配煤比

以保證焦炭質(zhì)量為前提，提供可選配煤比方案，能夠自動選擇最優(yōu)的方案。

5）系統(tǒng)軟件功能齊備、方便易用

軟件界面友善，可操作性強，功能設(shè)置貼近用戶，要求適用性好，要便于擴充和修改。

2　煉焦配煤專家系統(tǒng)的開發(fā)

2.1開發(fā)流程

設(shè)計開發(fā)煉焦配煤專家系統(tǒng)，先要明確用戶需求并選擇合適的工具，而對知識的采集、整理及概念化處理是專家系統(tǒng)開發(fā)的難點和關(guān)鍵，其中確定性和非確定性知識都要分類妥善處理。靈活運用回歸分析及其修正模型來實現(xiàn)較為精確的預(yù)測并選擇恰當(dāng)?shù)目刂撇呗裕詈罂紤]模型校驗等信息能夠及時形成反饋，保證系統(tǒng)不斷修正以適應(yīng)各種變化。開發(fā)流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)開發(fā)流程圖

2.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

知識庫用以存放海量的煉焦領(lǐng)域知識，經(jīng)過計算機處理后的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫。推理機演算和結(jié)果導(dǎo)出要根據(jù)變化中的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)，并結(jié)合知識庫中的內(nèi)容。存儲知識、推理中間及最終結(jié)果的是數(shù)據(jù)庫，為提高效率其需要與推理機配合。知識庫的創(chuàng)建及其更新都是通過知識獲取器實現(xiàn)，同時它還要保證知識庫中內(nèi)容的統(tǒng)一和完整。解釋器用以應(yīng)答用戶疑問，解問過程也通過解釋器加以說明。人機接口使人和系統(tǒng)之間實現(xiàn)順暢的交流互動。

煉焦配煤專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　煉焦配煤專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3　系統(tǒng)實現(xiàn)與功能

首先，盡可能全面地收集單種煤各種數(shù)據(jù)和信息，建立煉焦用煤資源數(shù)據(jù)庫。其次，在系統(tǒng)框架下選好軟件平臺，這要求在生產(chǎn)經(jīng)驗和企業(yè)歷史數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上充分利用計算機、自動控制及信息網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。第三，通過煤資源數(shù)據(jù)庫的相關(guān)信息，統(tǒng)計分析單種煤的各項數(shù)據(jù)，主要針對企業(yè)已用過和將來可能用到煤種。第四，進(jìn)行單種煤煉焦試驗研究，掌握單種煤成焦性能等信息。第五，根據(jù)工藝和煤的各項數(shù)據(jù)建立的函數(shù)關(guān)系確定約束條件。第六，生成優(yōu)化配煤比算法。第七，預(yù)測焦炭質(zhì)量，經(jīng)由系統(tǒng)自動或技術(shù)專家認(rèn)可，下達(dá)指導(dǎo)生產(chǎn)的配煤比指令。第八，自動配煤系統(tǒng)按指令完成自動化配煤操作。最后將產(chǎn)品信息反饋回系統(tǒng)模型，自動更新知識庫并完成配煤比修正。過程中還包括如下要點：

1）基礎(chǔ)自動化及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的配置

在中心機房配置1臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、1臺專家模型處理服務(wù)器和1臺工程師站。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要是存儲系統(tǒng)各種信息數(shù)據(jù)，專家系統(tǒng)可隨時按需調(diào)用，用戶也可分類查詢。專家模型處理服務(wù)器主要是完成各種模型關(guān)系的建立、焦炭質(zhì)量預(yù)測、提供優(yōu)化配煤比及煤資源供給策略等，實現(xiàn)指導(dǎo)生產(chǎn)的目的。

在備煤車間配置煤資源信息管理操作站，負(fù)責(zé)煤資源信息的管理。

化驗室和小焦?fàn)t計算機系統(tǒng)與專家系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)互連，實現(xiàn)化驗室和小焦?fàn)t的各種試驗數(shù)據(jù)和生產(chǎn)化驗數(shù)據(jù)錄入專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。

完善備煤PLC系統(tǒng)，同時將自動配煤等原來各自獨立系統(tǒng)與專家控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互連，實施后煤耗等信息能夠?qū)崟r上傳至專家系統(tǒng)處理，處理結(jié)果通過優(yōu)化配煤比指令下達(dá)給自動配煤系統(tǒng)，自動配煤系統(tǒng)根據(jù)具體情況決策是否執(zhí)行，專家系統(tǒng)還提供煤質(zhì)、庫存等數(shù)據(jù)指導(dǎo)煤資源管理工作。

2）建立煤資源信息數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫包括一般信息和煤質(zhì)信息。一般信息包括產(chǎn)地、煤種、可供給量、路程、運輸時間、到廠價等。煤質(zhì)信息包括煤的工業(yè)分析、全硫、性質(zhì)、煤巖指標(biāo)、單種煤成焦性能等。

3）數(shù)據(jù)采集

某抽水蓄能電站總裝機4×320 MW，其最高凈水頭502.7 m，輸水系統(tǒng)水平總長度2 449 m，其中中平洞襯砌后直徑為9.2 m，襯砌厚60 cm，靜水頭約300 m。中平洞存在長約40 m的V類圍巖洞段，該洞段發(fā)育有f24、f20和f80三條較大斷層。斷層均為全風(fēng)化構(gòu)造角礫巖，圍巖見高嶺土化，地下水多呈滲滴～線流狀，最大滲水量約5 L/min～6 L/min。斷層外圍巖裂隙發(fā)育，裂隙走向總體與斷層垂直。該洞段地質(zhì)平面展布圖見圖1。

試驗數(shù)據(jù)：包括焦化廠煉焦開工后的試驗報告。

直接來自于生產(chǎn)實際的數(shù)據(jù)：由于配煤專家系統(tǒng)最終是為生產(chǎn)服務(wù)的，所以生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)的獲得和整理為本系統(tǒng)開發(fā)中最為重要的部分。包括開工初期的煤資源數(shù)據(jù)、近期的煤資源數(shù)據(jù)、本企業(yè)歷史數(shù)據(jù)、入爐煤質(zhì)量數(shù)據(jù)、焦炭質(zhì)量數(shù)據(jù)、以及配比數(shù)據(jù)等。

來自外部專家的數(shù)據(jù)：包括網(wǎng)上查詢得到的最新信息，相關(guān)單位多年工作的資料以及有關(guān)專家長期積累的有關(guān)材料。

4）數(shù)據(jù)處理

對于確定性知識經(jīng)過分析、整理后成為數(shù)學(xué)模型，可以直接存儲和調(diào)用。對于非確定性知識用布爾量表達(dá)式，所以也可以用數(shù)學(xué)公式的方式加以管理。對穩(wěn)定性很高的知識，可以處理成程序模塊。另一些知識則通過自定義函數(shù)方式處理。

3.2系統(tǒng)的主要功能

1）煤資源信息管理子系統(tǒng)

煤資源信息管理子系統(tǒng)可以進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)錄入、權(quán)限修改和查詢，也可以進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的檢查和異常數(shù)據(jù)的修訂，還具備單種煤牌號的自動判別、分類和查詢報表的生成功能。

2）焦炭質(zhì)量預(yù)測子系統(tǒng)

焦炭質(zhì)量預(yù)測子系統(tǒng)可以實現(xiàn)焦炭抗碎強度M 40、耐磨強度M10、硫分、灰分和焦炭熱性質(zhì)（CRI和CSR）以及焦炭成本的預(yù)測。系統(tǒng)在接收到單種煤質(zhì)量、價格、煉焦成本和配比的情況下，借助于推理機和模型運算可以直接預(yù)測穩(wěn)定生產(chǎn)條件下的焦炭質(zhì)量和成本。因為在煤資源質(zhì)量發(fā)生波動時，產(chǎn)品質(zhì)量會受到一定的影響，所以用戶需要得到及時的反饋和預(yù)警。

3）配煤優(yōu)化子系統(tǒng)

配煤優(yōu)化子系統(tǒng)根據(jù)用戶對焦炭質(zhì)量和成本的要求，借助于專家經(jīng)驗規(guī)則和預(yù)測模型進(jìn)行綜合運算，實現(xiàn)配煤比的演算和優(yōu)選，并于知識庫中找出符合質(zhì)量和成本要求的全部配煤方案，自動提交最優(yōu)方案并允許生產(chǎn)技術(shù)管理人員根據(jù)實際情況進(jìn)行手動選擇。每一種配煤方案都包含有煤源數(shù)量、費用等信息。出焦后，焦炭產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)將反饋回系統(tǒng)同質(zhì)量設(shè)定值要求進(jìn)行比對，如果出現(xiàn)超差，系統(tǒng)將依據(jù)預(yù)測模型來重新計算，經(jīng)技術(shù)管理人員確認(rèn)后下達(dá)新的配煤指令，如果偏差依然超限，此過程將多次循環(huán)，直至質(zhì)量達(dá)標(biāo)并得到低成本的配煤方案。

4）煉焦生產(chǎn)信息管理子系統(tǒng)

煉焦生產(chǎn)信息管理子系統(tǒng)記錄生產(chǎn)過程中的實時數(shù)據(jù)，主要包括煉焦用煤質(zhì)量信息和焦?fàn)t生產(chǎn)工藝操作信息等。系統(tǒng)具備權(quán)限修改、數(shù)據(jù)錄入和查詢功能，并可進(jìn)行輸入信息的檢查和異常數(shù)據(jù)的修訂。數(shù)據(jù)歸納形成焦?fàn)t熱工日報、旬報、月報和年報等，可通過計算機系統(tǒng)自動進(jìn)行打印和網(wǎng)上傳輸。

5）綜合報表子系統(tǒng)

該系統(tǒng)自動生成有關(guān)生產(chǎn)報表，支持合法用戶顯示、查詢、打印。通過操作權(quán)限設(shè)置規(guī)范系統(tǒng)數(shù)據(jù)錄入、查詢、修改等操作。

4　結(jié)束語

煉焦配煤專家系統(tǒng)的開發(fā)使用，可以使焦化生產(chǎn)在現(xiàn)有的資源條件下，借助專家系統(tǒng)選擇出最優(yōu)方案并自動控制配料系統(tǒng)，經(jīng)專家系統(tǒng)優(yōu)化出的配煤方案，少配了主焦煤和煤源緊張的煤種，而揮發(fā)份高、弱粘性煤或不粘性煤被安排盡量多配，在符合焦炭質(zhì)量要求同時能夠有效降低煉焦用煤成本。

［1］ 阮偉，周俊虎，曹欣玉，駱仲泱，岑可法.優(yōu)化配煤專家系統(tǒng)的研究及應(yīng)用［J］.浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2001，35（4）:423-426.

［2］ 任學(xué)延，張代林，鄭明東.煉焦配煤專家系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.燃料與化工，2010，41（6）:29-31.

Development and implementation of expert system for coal blending

OU Rui，ZHU Gang，QIN Tao

TP182

B

1009-0134（2016）09-0088-03

2016-05-20

歐叡（1972 -），男，重慶潼南人，高級工程師，本科，研究方向為儀表、計算機及自動控制。