數(shù)據(jù)挖掘技術是人們長期對數(shù)據(jù)庫技術進行研究和開發(fā)的結果。起初各種商業(yè)數(shù)據(jù)就保存到數(shù)據(jù)庫中，然后發(fā)展到可對數(shù)據(jù)庫進行查詢和訪問，進而發(fā)展到對數(shù)據(jù)庫的即時遍歷。數(shù)據(jù)挖掘使數(shù)據(jù)庫技術進入了一個更高級的階段，它不僅能對過去的數(shù)據(jù)進行查詢和遍歷，并且能夠找出過去數(shù)據(jù)之間的潛在聯(lián)系，從而促進信息的進一步利用。
本項目研究的問題和采用的技術路線是根據(jù)我國傳統(tǒng)農藥化工技術發(fā)展的實際情況首次提出來的，因此在國內具有獨創(chuàng)性，同時又滿足國家采用信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)的產業(yè)政策。
技術構架
本項目的技術構架是建立在以集散控制系統(tǒng)（DCS——Distributed Control System）為基礎自動化軟硬件平臺的基礎上，建立歷史數(shù)據(jù)庫平臺，通過數(shù)據(jù)挖掘技術對生產工藝、操作條件和配方進行優(yōu)化，并形成通用的數(shù)據(jù)挖掘軟件平臺。其系統(tǒng)技術架構如圖1所示。
1.首先將原有基本手工控制的操作模式，改造成自動化程度較高的基于SUPCON JX-300X集散控制系統(tǒng)的操作模式，使三唑磷合成生產過程穩(wěn)定，信息采集完備；
2.通過浙江中控軟件技術有限公司開發(fā)的具有自主知識產權的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)ESP-iSYS中的數(shù)據(jù)采集及歷史數(shù)據(jù)庫模塊建立三唑磷合成過程的生產歷史數(shù)據(jù)庫，用于積累豐富的三唑磷合成生產過程的歷史數(shù)據(jù)；
3.通過對生產信息的歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，找出工藝參數(shù)和工藝配方對三唑磷收率和有效成分含量的規(guī)律，并提出優(yōu)化的配方、優(yōu)化的工藝參數(shù)和優(yōu)化的生產工藝。
基礎自動化系統(tǒng)改造
對于三唑磷合成過程的基礎自動化改造，首先要熟悉三唑磷合成的工藝路線，設計一套較為先進的儀表檢測系統(tǒng)，選用較為可靠的、高性能的壓力傳感器、pH傳感器以及流量計、溫度傳感器等。以確保獲得準確、可靠的生產過程信息。
對三唑磷合成過程的計算機控制系統(tǒng)進行設計，選擇模擬量輸入卡、模擬量輸出卡及開關量輸入、輸出卡，重要卡件(主控制卡、數(shù)據(jù)轉發(fā)卡、電源)及重要信號點設置成1:1冗余，提高系統(tǒng)的可靠性。設置二個操作站和一個控制站，使該生產過程穩(wěn)定運行并獲取可信數(shù)據(jù)。
經(jīng)分析，三唑磷合成過程操作要求如下：
1.反應溫度控制：三個反應釜的反應溫度控制分別需控制的精度為±1℃。合成反應為吸熱反應，保持一定反應溫度，可提高反應速率，穩(wěn)定操作，提高收率。但溫度過高，會引起原料分解，影響收率。
2.pH控制：因為整個反應需在堿性水溶液中完成，反應過程要求物系的pH值控制在8.0～9.0之間即偏堿性，不足可通過加堿來調節(jié)。
3.脫溶甲苯濃度控制：因為合成產物三唑磷存在于甲苯有機相中，所以在反應結束后，要進行脫溶處理，將甲苯和反應物三唑磷分離。甲苯濃度控制得好壞，直接影響反應物的濃度和三唑磷的損耗，造成收率降低。
考慮到三唑磷合成過程的規(guī)模、具體控制要求和各控制系統(tǒng)的性價比，本方案采用了浙江中控技術股份有限公司的SUPCON JX-300X集散控制系統(tǒng)。該集散控制系統(tǒng)，融合了最先進的自動化技術、計算機技術、通信技術、故障診斷技術、冗余技術和軟件技術。具有成本低、可靠性高、使用方便、安裝簡單、維護容易等特點。系統(tǒng)全部數(shù)字化，規(guī)模可大可小，兼容性、開放性好，支持標準網(wǎng)絡通訊協(xié)議，且符合各種現(xiàn)場總線協(xié)議。
JX-300X集散控制系統(tǒng)由工程師站(ES)、操作站(OS)、現(xiàn)場控制站(CS)、通信網(wǎng)絡cnetⅡ等組成，它覆蓋了大型集散系統(tǒng)的安全性、冗余功能、網(wǎng)絡擴展功能、集成的用戶界面及信息存取功能，除了具有模擬量信號輸入輸出、數(shù)字量信號輸入輸出、回路控制等常規(guī)DCS的功能，還具有高速數(shù)字量處理、高速順序事件記錄（SOE）、可編程邏輯控制等特殊功能；它不僅提供了功能塊圖（SCFBD）、梯形圖（SCLD）等直觀的圖形組態(tài)工具，又為用戶提供開發(fā)復雜高級控制算法（如模糊控制）的類C語言編程環(huán)境SCX。系統(tǒng)規(guī)模變換靈活，可以實現(xiàn)從一個單元的過程控制，到全廠范圍的自動化集成。
實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
而近年來，隨著實時數(shù)據(jù)庫理論的日益成熟和完善，各種商業(yè)實時數(shù)據(jù)庫產品層出不窮，其中國際上比較著名的產品包括美國的OSI公司的Plant Information System，簡稱PI；美國AspenTech公司的Infoplus系統(tǒng)；美國Honeywell公司的PHD（Process History Database）系統(tǒng)。這些產品在石油、化工、鋼鐵、電力等多個重要行業(yè)得到了較為廣泛的應用，并且為實施企業(yè)帶來了較好的效率。
本項目選用浙江中控軟件技術有限公司開發(fā)的具有自主知識產權的實時數(shù)據(jù)庫軟件ESP-iSYS，ESP-iSYS實時數(shù)據(jù)庫軟件通過計算機網(wǎng)絡和正確的DCOM配置和組態(tài)過程，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。組態(tài)軟件將數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)源的位號等信息組態(tài)到實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。ESP-iSYS根據(jù)這些信息，配置相應的模塊，采集數(shù)據(jù)源中的位號數(shù)據(jù)，計算處理后提供給實時數(shù)據(jù)庫的客戶端應用軟件，如數(shù)據(jù)挖掘軟件應用。
ESP-iSYS實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分成組態(tài)管理、OPC/DDE/API接口軟件管理、實時數(shù)據(jù)庫管理、實時數(shù)據(jù)訪問接口、歷史數(shù)據(jù)庫存取五大模塊。
數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的應用
1.ESP-Miner數(shù)據(jù)挖掘軟件應用簡介
三唑磷合成過程中在線測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過現(xiàn)場儀表進入了SUPCON JX-300X的DCS系統(tǒng)，然后通過OPC Server進入了實時數(shù)據(jù)庫ESP-iSYS，經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理后與人工錄入數(shù)據(jù)(通過人工化驗的產品質量數(shù)據(jù)及其他離線數(shù)據(jù))整合后進入關系數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)數(shù)據(jù)挖掘得到的結果(優(yōu)化規(guī)則、優(yōu)化的工藝控制參數(shù)、優(yōu)化的工藝配方等)通過優(yōu)化建議圖、餅圖、柱圖或報表的形式提供給工藝工程師進行決策，決策的結果通過DCS系統(tǒng)進行貫徹執(zhí)行。
2.數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的應用操作流程
流程工業(yè)數(shù)據(jù)挖掘技術及軟件在三唑磷合成過程中應用研究項目的應用操作流程如下：
第一步：系統(tǒng)配置；
第二步：人工數(shù)據(jù)錄入(每天錄入)；
第三步：實時數(shù)據(jù)采集；
第四步：數(shù)據(jù)預處理；
第五步：人工錄入數(shù)據(jù)與實時生產數(shù)據(jù)整合；
第六步：數(shù)據(jù)挖掘操作；
第七步：數(shù)據(jù)挖掘結果呈現(xiàn)。
3.系統(tǒng)配置
系統(tǒng)安裝完畢后，一般需要進行系統(tǒng)配置，系統(tǒng)配置只需配置一次，系統(tǒng)安裝時有一個根據(jù)新農化工需求的默認配置，主要功能如下：
實時數(shù)據(jù)采集位號的組態(tài)，缺省組態(tài)保存在安裝目錄下的：newtagdef.cfg
數(shù)據(jù)整合時的信息組態(tài)，缺省組態(tài)保存在安裝目錄下的：tagdef.cng
4.人工數(shù)據(jù)的錄入
三唑磷合成過程中除了可在線測量的數(shù)據(jù)以外，還有許多數(shù)據(jù)如產品質量數(shù)據(jù)等只能每班或每天離線分析化驗一次，這些數(shù)據(jù)均需要人工錄入到系統(tǒng)中，并需要與生產實時數(shù)據(jù)進行整合。
根據(jù)實際情況，系統(tǒng)提供了班次的設定功能，化驗數(shù)據(jù)的人工錄入界面。
5.實時數(shù)據(jù)采集
本系統(tǒng)通過OPC Server把在線測量數(shù)據(jù)從SUPCON JX-300X提取并保存到實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)ESP-iSYS中，因此數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)源是實時數(shù)據(jù)庫平臺ESP-iSYS和人工錄入數(shù)據(jù)。
具體操作舉例如下：
(1) 打開數(shù)據(jù)采集的配置文件
(2) 設定數(shù)據(jù)采集的時間和采樣周期以及保存數(shù)據(jù)的文件名
例如：采集04.04.01-04.04.28的3個溫度(TRC-202.PV、TRC-203.PV、TRC-204.PV)，產品流量FRC-254.PV，原料1流量FRC-251.PV，原料2流量FRC-252.PV, 原料3流量FRC-253.PV保存到SrcData040401_040428.dpp文件中，其中采樣周期為180秒。
(3)數(shù)據(jù)采集并保存成功。
6.數(shù)據(jù)預處理
從DCS等生產現(xiàn)場控制系統(tǒng)中采集的原始數(shù)據(jù)可能存在嚴重的隨機誤差和過失誤差，會使數(shù)據(jù)品質嚴重惡化。因此必須對采集來的原始數(shù)據(jù)進行預先處理，包括數(shù)據(jù)段選擇修改、濾波和剔除野值等，有效防止失效數(shù)據(jù)參與運算，保證在數(shù)據(jù)挖掘計算中所得結果的正確性。
從實時數(shù)據(jù)庫平臺導入生產實時數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)預處理模塊對這些參與數(shù)據(jù)挖掘的原始數(shù)據(jù)經(jīng)加工處理（變量信息修改、剔除野值或一階濾波等）后存入離線設計數(shù)據(jù)文件中，使得數(shù)據(jù)挖掘計算結果準確。
7.人工錄入數(shù)據(jù)與實時生產數(shù)據(jù)整合
三唑磷合成過程的兩類生產歷史數(shù)據(jù)即人工化驗數(shù)據(jù)和生產實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過人工錄入和在線數(shù)據(jù)采集以后，需要把它們整合得到待挖掘數(shù)據(jù)，以供數(shù)據(jù)挖掘使用，當數(shù)據(jù)整合完成以后，需要把待挖掘數(shù)據(jù)保存到一個數(shù)據(jù)文件。
8.數(shù)據(jù)挖掘操作
數(shù)據(jù)挖掘操作的步驟如下：
(1) 打開數(shù)據(jù)挖掘操作界面：使用GUI框架載入數(shù)據(jù)挖掘軟件的Snapin插件并選擇“挖掘操作”以后，出現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘操作界面；
(2) 導入進行數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)；
(3) 屬性的選擇；
(4) 關聯(lián)屬性的設置；
(5) 目標屬性的設置；
(6) 最小置信度的設置；
(7) 數(shù)據(jù)挖掘操作：當關聯(lián)屬性、目標屬性和最小置信度設置好以后，就可以進行數(shù)據(jù)挖掘了，在菜單項中選擇“操作”-> “挖掘”就可以完成數(shù)據(jù)挖掘操作。
9.數(shù)據(jù)挖掘結果呈現(xiàn)
在數(shù)據(jù)挖掘操作中如有規(guī)則產生，就可以生成數(shù)據(jù)挖掘結果的各種報表，如圖3所示，在該報表中，可通過點擊“規(guī)則餅圖”、“規(guī)則箭頭圖”、“優(yōu)化建議圖”、“最佳操作數(shù)”相關連接得到數(shù)據(jù)挖掘結果各種呈現(xiàn)辦法。
結 論
流程工業(yè)數(shù)據(jù)挖掘技術及軟件在三唑磷合成過程中的應用研究，采用SUPCON JX-300X對生產過程進行了基礎自動化系統(tǒng)的改造，通過對工藝過程數(shù)據(jù)的采集，利用ESP-iSYS建立實時和歷史數(shù)據(jù)庫，通過對歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘和融合找出了配方、工藝控制參數(shù)對三唑磷產品的得率及其有效成分的影響規(guī)律，并提出了工藝改進的方法及其控制參數(shù)的調整，在此基礎上形成針對化工及制藥生產過程的通用數(shù)據(jù)挖掘軟件，可產生明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。
本項目于2004年7月通過了浙江省科技廳組織的科技成果鑒定，鑒定結果為“該項目在數(shù)據(jù)挖掘技術應用于農藥化工領域處國內領先水平”。
