基于燒結(jié)工藝的能耗數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究

朱雪婷，王直杰

（東華大學(xué)，上海201620）

基于燒結(jié)工藝的能耗數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究

朱雪婷，王直杰

（東華大學(xué)，上海201620）

針對(duì)冶金鐵前三工藝中的燒結(jié)工藝以及燒結(jié)環(huán)節(jié)中的能源消耗，提出了一種基于燒結(jié)工藝的能耗數(shù)據(jù)庫架構(gòu)。通過對(duì)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的分析，運(yùn)用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對(duì)燒結(jié)工藝中的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；運(yùn)用分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，對(duì)燒結(jié)工藝流程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)以及對(duì)實(shí)時(shí)事務(wù)的處理；結(jié)合現(xiàn)今火熱的云計(jì)算技術(shù)，對(duì)燒結(jié)工藝大數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)，便于企業(yè)管理者了解燒結(jié)工藝中能源流向以及結(jié)合工藝流程對(duì)能源進(jìn)行進(jìn)一步合理分配和參數(shù)優(yōu)化。

燒結(jié)工藝能耗數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫云計(jì)算

我國的鋼鐵工業(yè)，從20世紀(jì)50年代年產(chǎn)鋼1 000多萬噸，發(fā)展為目前的年產(chǎn)鋼近6億多噸，已成為世界第一產(chǎn)鋼大國[1]。目前鋼鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展偏向于高效、低能耗的可持續(xù)發(fā)展方向。

燒結(jié)、焦化、高爐煉鐵等鐵前三大工序能耗約占全流程鋼鐵能耗的70%，而在鋼鐵冶金流程中燒結(jié)工藝是鋼鐵冶金工藝進(jìn)入高爐前的重要工序，燒結(jié)為高爐工序提供燒結(jié)礦[2]。而燒結(jié)工序是典型的能量和物質(zhì)變化的復(fù)雜過程，提高過程中能量的傳遞與轉(zhuǎn)化效率，降低燒結(jié)過程排放物始終是重大的科學(xué)問題。由于燒結(jié)過程中涉及復(fù)雜多變的能量變化，因此更科學(xué)地監(jiān)測與優(yōu)化燒結(jié)過程中的能源流動(dòng)[3]，能夠有效地提高生產(chǎn)效率。在監(jiān)測過程中需要將能源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在燒結(jié)環(huán)節(jié)的能耗數(shù)據(jù)庫中，從而更方便能耗的管理與監(jiān)測。燒結(jié)工藝的能耗監(jiān)測能夠有效地對(duì)該環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)過程中的能源消耗，使企業(yè)管理者根據(jù)能源流動(dòng)進(jìn)行企業(yè)決策的制定。

1 燒結(jié)工藝

燒結(jié)是鋼鐵生產(chǎn)工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，燒結(jié)工藝的產(chǎn)物是燒結(jié)礦[4]，而燒結(jié)礦可以作為煉鐵的熟料進(jìn)入高爐煉鐵環(huán)節(jié)。利用燒結(jié)礦煉鐵對(duì)于高爐利用系數(shù)等有一定的意義。若要建立完善的燒結(jié)工藝能耗數(shù)據(jù)庫，需要清晰地了解燒結(jié)工藝的流程，以及各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗類型。典型燒結(jié)工藝流程如圖1所示。

圖1 典型燒結(jié)工藝流程

燒結(jié)系統(tǒng)是由燒結(jié)機(jī)本體、環(huán)冷機(jī)、風(fēng)機(jī)、配料裝置、點(diǎn)火裝置以及一些管路配件組成。燒結(jié)工藝是將各個(gè)原料按照一定比例混合后，送入燒結(jié)機(jī)進(jìn)行燒結(jié)，形成燒結(jié)礦的過程。該過程中涉及到復(fù)雜的物質(zhì)流和能量流的變化，其能源消耗環(huán)節(jié)錯(cuò)綜復(fù)雜。圖1中已將燒結(jié)環(huán)節(jié)中涉及到的典型環(huán)節(jié)囊括在內(nèi)，圖中涉及到的能源類型有：電能、水能、煤氣和固體燃料，這些能源類型在能耗數(shù)據(jù)庫中均應(yīng)該有所展現(xiàn)。

2 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)及應(yīng)用

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是建立在關(guān)系模型基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)庫，是將所有的數(shù)據(jù)都通過行和列的二元表表現(xiàn)形式表示出來。二元表結(jié)構(gòu)是非常貼近邏輯世界的一個(gè)概念，建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)概念的基礎(chǔ)上，概念單一，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、清晰[5]，因此關(guān)系型數(shù)據(jù)庫更容易理解，并且通用的SQL語言易學(xué)易懂，操作關(guān)系型數(shù)據(jù)庫也非常簡單?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，企業(yè)管理者不需要具備較高的數(shù)據(jù)庫專業(yè)知識(shí)，就能輕松地通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對(duì)企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與決策。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫豐富的完整性大大地降低了數(shù)據(jù)不一致和冗余的概率，使得關(guān)系型數(shù)據(jù)庫易于維護(hù)。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫能有效地保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，便于事務(wù)處理，因此選用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫作為能耗數(shù)據(jù)庫的管理層[6]。

現(xiàn)在主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有Oracle、SQL sever、MySQL、DB2等。本文只將幾款常見的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比，各數(shù)據(jù)庫性能與優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1）Oracle。Oracle數(shù)據(jù)庫被認(rèn)為是業(yè)界目前比較成功的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其定位更著重于大型的企業(yè)數(shù)據(jù)領(lǐng)域，因此價(jià)格比較高。對(duì)于事務(wù)處理繁忙以及數(shù)據(jù)量大的企業(yè)，Oracle無疑是比較理想的選擇。Oracle可以運(yùn)行在Windows、Unix等主流操作平臺(tái)，并且完全支持所有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2）SQL sever。SQLsever具有單進(jìn)程與多線索的體系結(jié)構(gòu)，只有一個(gè)進(jìn)程，所有的客戶都連接在這個(gè)進(jìn)程上[7]。但是該數(shù)據(jù)庫只能運(yùn)行在Windows操作平臺(tái)，開放性[8]顯得不夠，并且在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)顯得力不從心，因此比較適用與中小型企業(yè)。

3）MySQL。是一個(gè)小型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，廣泛的應(yīng)用在中小型網(wǎng)站中[9]。其體積小、速度快、成本相對(duì)較低，并且開源，因此許多中小型網(wǎng)站選擇MySQL作為其數(shù)據(jù)庫。

4）DB2。支持從PC到Unix，從中小型機(jī)到大型機(jī)[10]，可以運(yùn)行在多種操作系統(tǒng)上。DB2支持面向?qū)ο蟮木幊蹋梢越⒂脩魯?shù)據(jù)類型和用戶自定義函數(shù)。

以上簡單介紹了主流數(shù)據(jù)庫的類型與各自特點(diǎn)，企業(yè)可根據(jù)自身需求進(jìn)行關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的選取。

3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合了實(shí)時(shí)處理技術(shù)產(chǎn)生的。在流程行業(yè)，如燒結(jié)工藝中，使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)的監(jiān)測，系統(tǒng)的先進(jìn)控制和優(yōu)化控制，為企業(yè)的數(shù)據(jù)分析、生產(chǎn)管理、決策支持等提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)和管理功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的時(shí)間特性是其不同于其他關(guān)系數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)之一[11]。時(shí)間性就要求數(shù)據(jù)的時(shí)效和事務(wù)處理的時(shí)效要有意義。許多實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的本質(zhì)是分布式的，由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，每臺(tái)計(jì)算機(jī)上配有各自的本地?cái)?shù)據(jù)庫，各計(jì)算機(jī)之間由通訊網(wǎng)絡(luò)連接。分布式數(shù)據(jù)庫具有較高的可靠性、提高了系統(tǒng)的可用性、便于系統(tǒng)擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的主要功能是：集成各種異構(gòu)通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)源，形成統(tǒng)一的訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口；完成對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)；支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)的高效查詢；提供實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)分析[12]處理等功能。企業(yè)可根據(jù)自身情況進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)或購買。

4 云存儲(chǔ)技術(shù)

燒結(jié)工藝中涉及到長年累月的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)今后企業(yè)進(jìn)行決策有一定作用，因此需要用到云存儲(chǔ)技術(shù)。由于數(shù)據(jù)量[13]的不斷增長，存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量也需要不斷擴(kuò)展，做到無限擴(kuò)容，而云存儲(chǔ)能夠有效解決這一問題。云存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)模型包括四個(gè)層：存儲(chǔ)層、基礎(chǔ)管理層、應(yīng)用接口層、訪問層[14]。云存儲(chǔ)是云計(jì)算系統(tǒng)的延伸，可以理解為配置了大容量存儲(chǔ)空間的云計(jì)算系統(tǒng)[15]。相比于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)，云存儲(chǔ)技術(shù)具有容易擴(kuò)容、易于管理、成本低廉、數(shù)據(jù)更安全等優(yōu)點(diǎn)。企業(yè)可根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行云存儲(chǔ)系統(tǒng)的構(gòu)架與選取。

5 燒結(jié)工藝能耗數(shù)據(jù)庫的體系架構(gòu)

燒結(jié)工藝中，各個(gè)環(huán)節(jié)能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測需要用到能耗數(shù)據(jù)庫，本文提出一種新的燒結(jié)工藝能耗數(shù)據(jù)庫體系架構(gòu)，分別將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫以及云存儲(chǔ)技術(shù)相結(jié)合，建立一個(gè)高效的能耗數(shù)據(jù)庫。在燒結(jié)工藝中，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)置的參數(shù)存入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對(duì)各參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)與優(yōu)化；而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫主要接收流程中各機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫的體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 能耗數(shù)據(jù)庫體系架構(gòu)

1）管理層。管理層主要用到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫便捷簡單的管理界面，對(duì)初步處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示。

2）實(shí)時(shí)事務(wù)層。從工廠燒結(jié)工藝流程中的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。當(dāng)數(shù)據(jù)超過一定時(shí)效，則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存歷史數(shù)據(jù)庫，供現(xiàn)場工程師根據(jù)一段時(shí)間的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場流程參數(shù)優(yōu)化。

3）存儲(chǔ)層。利用云計(jì)算技術(shù)中的存儲(chǔ)技術(shù)，將燒結(jié)工藝中日積月累的工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全存儲(chǔ)，為后一階段的冶金燒結(jié)礦生產(chǎn)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

6 結(jié)語

本文基于典型的冶金燒結(jié)工藝中的能耗數(shù)據(jù)的管理[16]、初步處理與利用等問題，提出了一種新的能耗數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，為燒結(jié)工藝中的能耗數(shù)據(jù)提供管理平臺(tái)。燒結(jié)工藝的能耗數(shù)據(jù)庫架構(gòu)為冶金工業(yè)中的燒結(jié)工藝提供了能耗數(shù)據(jù)的高效管理與歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)平臺(tái)，有效地解決了現(xiàn)在燒結(jié)工藝中實(shí)時(shí)監(jiān)測以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題。也可依據(jù)本文的架構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立與添加，從而實(shí)現(xiàn)能耗的在線優(yōu)化與控制。

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（編輯：苗運(yùn)平）

Research on Energy Consum ption Database System Based on Sintering Process

ZHU Xueting，WANG Zhijie

（Donghua University，Shanghai201620）

In this paper,based on the sintering process and energy consumption in sintering process ofmetallurgical iron,an energy consumption database structure based on sintering process is proposed.Through the analysis of relational database,the energy consumption in sintering process by relational database is managed.By use of distributed real-time database,real-time data acquisition,storage of sintering process and the processing of real time transactions are conducted.With the cloud computing technology,the efficient storage of sintering process for large data helps enterprisemanagers understand the energy flow in sintering process and combine process for further rational allocation and parameter optimization of energy.

sintering process,energy consumption database,real-time database,cloud computing

TN911.72；TF124.5

A

1672-1152（2017）02-0011-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.02.05

2017-01-07

朱雪婷（1991—），女，河南省鄭州市人，在讀研究生。研究方向?yàn)樵朴?jì)算。