CN105469181A - 一种基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统，它通过对基于云计算的铝电解SCADA系统（1）中的铝电解过程数据、图像和视频进行大数据分析和处理，获得铝电解生产节能降耗的规律，提出铝电解能效优化的机理和能源调度策略，建立铝电解过程能效管理知识库（3）和智能调度推理机（4），进行全厂水、电、气等的集中监控、统一管理、优化调度，降低能源消耗，提高能源效率，并提供相应的报表。

Description

一种基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统

技术领域

本发明涉及铝电解工业中能效管理技术领域，具体涉及一种基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统。

背景技术

铝电解是高载能，高消耗，高排放，高资源消耗的产业，受资源总量和相关政策法规的限制以及市场环境的影响，促使行业急需节能减排。

国家高度重视铝电解行业节能降耗减排，不断加大对铝工业的结构调整，出台了一系列产业政策来引导铝工业健康有序地发展。在国家发改委、科技部、商务部联合发布的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》将能源领域中的高能耗工业生产节能确定为当前优先发展的高技术产业化重点领域，并将铝电解槽节能技术列为优先发展的技术；在《我国铝工业布局和结构调整建议》、《铝工业发展专项规划》、《铝工业产业发展政策》中指出：我国铝工业要积极推进技术进步，淘汰落后的高耗能生产能力，降低消耗，减少污染，推动铝工业走新型工业化道路。

经过几十年的发展，铝电解行业都已建立了较完善的SCADA系统，与电量计量系统、调度生产自动化、综合自动化系统等形成了大量的结构化和非结构化数据，数据量达数千TB，但基于铝电解行业综合电耗高，能效低的特点，还没有找到合适的方法分析这些数据，并且常态化的调度已经不能满足更高的节能指标。

因此，现有技术主要存在以下不足：重点耗能设备的负荷参数及能源数据采集效率低，且对于非结构化数据的分析与利用不足；现有SCADA系统对于集中监控方式不利于实现数据的动态实时调度；现有SCADA系统尚不能抵抗外部系统的攻击，有较大的安全隐患；各生产子系统相对独立，形成的海量数据不能相互访问和共享，监控系统平台不统一，难以实现全系统的集中能效分析和能源审计。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的不足，提供一种基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统，从而实现铝电解过程能源数据的全面把握和综合利用，提高数据的可用性和数据处理的高效性。

本发明采用以下技术方案以实现该目的：

本发明的基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统包括基于云计算的铝电解SCADA系统和大数据分析和处理单元、铝电解生产节能降耗知识库、智能调度推理机和驾驶舱。

本发明的这种能效管理系统采用了这样的控制方法，它通过大数据分析和处理单元对基于云计算的铝电解SCADA系统中的大数据进行分析和处理，获得铝电解生产节能降耗的规律，建立铝电解过程能效管理知识库和智能调度推理机，对全厂水、电、气等进行优化调度、集中监控、统一管理，并通过驾驶舱提供各种数据、图形和图像报表。

其中，基于云计算的铝电解SCADA系统是采用计算机虚拟化技术搭建的信息化网络系统，通过并行处理、并行计算、智能接口、NoSQL云数据库、云安全等技术，可高效、可靠的实现结构化和非结构化数据的处理和应用服务，实现铝电解生产各工区、各类设备的在线检测、控制和生产管理等实时数据、图像、视频的分布式计算、存储、显示。

进一步的，大数据分析和处理单元用于识别各工区、各类型和各种结构化、非结构化的海量数据，进行数据的抽取和筛选，进行接口、协议的转换和统一格式化处理，并可根据铝电解生产工艺原理的数据，进行分类、统计、钻取和聚类等数据挖掘，获得铝电解生产节能降耗的规律和知识，进行能源成本分析。

更进一步的，铝电解生产节能降耗知识库是以获得的铝电解生产节能降耗的规律和知识为基础，按照混合型非关系的数据库模式，组建分布式网络数据库服务系统，建立各种能耗设备水、电、气使用量及其使用方式的生产节能降耗知识库，以及云备用和自愈调度体系知识库。

更进一步的，智能调度推理机具有案例推理和规则推理功能，可进行调度计划制定、调度流程审批、安全运行保护、自动识别和诊断等，并可根据铝电解能效优化的机理和能源调度策略，对来自铝电解SCADA系统的全厂水、电、气等数据实时进行能效指标变换、评价筛选与识别，获得关键环节和关键节能装备的节能潜力和能源消耗异常状态信息，指导人工进行水、电、气各种能耗设备的开、停和用能方式，或支撑关键节能装备的控制。

另外，驾驶舱具有数据、图像和图形智能处理功能，可根据用户需求和定义，以日报、月报等报表的形式统计关键设备、各个工序和车间的能源消耗和综合能耗，进行能源成本考核与监管，并可实时显示能源信息的汇总和初步处理结果，跟踪、分析节能行动的效果和完成情况等，实现对全厂能效的集中监视和统一管理。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明与具有的优点是：

1、能源数据的全面把握和综合利用。本发明通过完善的数据采集设备和基于云架构的SCADA系统，对收集到的各种结构和非结构，以及实时和存储的海量数据进行统计，分类和对比、分析，挖掘数据信息，掌握全面、准确的数据，发现现存系统运行能耗结构的问题，科学能源审计后制定能效优化策略，进行智能调度，提高能效，降低能耗。

2、数据的高可用性。铝电解成熟的SCADA系统的基础上进行更加完善和优化，分别规划并完善整流所、电解铝车间、电解烟气净化车间、空压站、铸造车间等能源SCADA系统。监测电能质量、电能功耗、水能消耗、气压计量等，以及开关状态、事件记录等参数。对各工区、各子系统数据作预处理，统一规范数据格式，建立能效管理系统平台，与SCADA系统保持实时通讯，校验和确认各种实时数据和离线数据。通过建立有线传输方式和无线传输方式，保证数据的完整性。

3、数据处理的高效性。铝电解过程能效管理系统利用大数据技术处理上千TB的海量数据，快速处理和计算各种结构化、非结构化数据信息，分析和挖掘能源消耗优化的潜力，制定优化调度策略，利用各种图形、表格、流程图进行数据展示，帮助决策者快速作出判断和决策。

附图说明

图1是本发明的系统原理框图；

图2是本发明的系统功能结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

先看图1，本发明的这种基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统包括基于云计算的铝电解SCADA系统1、大数据分析和处理单元2、铝电解生产节能降耗知识库3、智能调度推理机4和驾驶舱5这几个部分。它先通过数据采集单元采集铝电解过程中水电气设备的能耗数据，然后将采集到的数据传输至基于云计算的铝电解SCADA系统1中，然后通过大数据分析和处理单元2对基于云计算的铝电解SCADA系统1中的大数据进行分析和处理，获得铝电解生产节能降耗的规律，从而建立铝电解过程能效管理知识库3和智能调度推理机4，实现对全厂水、电、气等进行优化调度、集中监控、统一管理，并通过驾驶舱5提供各种数据、图形和图像报表。

看图2并结合图1，从图2中展示的本发明的系统的功能结构可以看到：

本发明的基于云计算的铝电解SCADA系统1又包括了电解槽负荷监测系统、烟气净化负荷监测系统、整流所电能监控系统、空压站负荷监测系统和烟气净化车间负荷监测系统。

而大数据分析和处理单元2又包括数据钻取和识别模块、数据处理模块和数据分析模块。铝电解生产节能降耗知识库3又包括接口处理模块、知识获取模块、知识调用模块和维护管理模块。职能调度推理机4则包括过程监视模块、能源分析模块、能效对标模块、调度计划制定模块、安全运行保护模块和自动识别诊断模块。驾驶舱5包括实时显示模块、能源消耗统计模块、能效分析视图模块和统计报表模块。

如图2所示，本发明是这样实施的：

本发明包括了基于云计算的铝电解SCADA系统1、大数据分析和处理单元2、铝电解生产节能降耗知识库3、智能调度推理机4和驾驶舱5。其中基于云计算的铝电解SCADA系统1利用各个水、电、气用能设备上的数据采集单元进行采集各种数据信息，通过无线、有线和RFID等传输方式输入SCADA系统。利用VMWare和CiTrix的虚拟化技术搭建服务器虚拟化和桌面虚拟化网络系统，将如西门子、菲利克斯等公司产品组建的SCADA各个子系统搭通过OPC等标准传输协议建成分布式处理、并行计算的云服务平台，实现信息互通，资源共享。

利用Apache的hadoop开源分布式计算框架，对诸如办公文档、文本、图片类报表、图像和音频/视频等非结构化数据进行结构化处理，结构化数据和部分不需要处理的文档、图像和音频/视频数据可直接进入Hbase、Cassandra或Cassandra等开源产品组建的混合型非关系数据库系统。利用Mapreduce结合铝电解生产工艺原理对各种数据信息进行统计、识别、分类，聚类，对全厂海量能效数据归纳起来，提取数据的特征。建立并行处理、并行计算的混合型非关系数据库模式的知识库。

采用中科院沈阳自动化研究所与贵阳铝镁设计研究院有限公司合作开发的铝电解过程能效智能调度推理机4和驾驶舱5，在Windows操作系统平台上利用jave和C#等语言开发包括过程监视模块、能源分析模块、能效对标模块、调度计划制定模块、调度流程审批模块、安全运行保护模块和自动识别诊断模块等。

如对铝电解过程中的烟气净化系统及空压系统的用电定量，预测出排烟量和压缩空气量与电能消耗的关系：

1）烟气排烟量的预测是降低净化风机能耗的前提。铝电解净化系统风机的额定容量通常大于实际使用需要量，实际运行时，不得不关小风门进行节流调节在正常工况下，风门开度仅为50-80%，在运行过程中，风机的特性曲线不变，电机转速不变，仅仅依靠关小风门，人为增加管道阻力来减小流量风门开度减小，阻力损失相应增加，但系统输入功率减小的很少，造成大量的电能浪费。因此，通过调整排烟机运行方式，控制主电流来控制用电量,经过对电解槽排烟量的预测,排烟机在满足生产工艺的条件下，可通过关停空运转设备或降低主电流的方式，而不是采用阀门节流的方式，降低动力电耗。

从上表可看出，电解过程与烟气生成相关的数据均可获得，可以通过选择相关因变量和历史数据建立排烟量的预测模型。

2）空气管网压力的预测是降低空压机能耗的前提。生产过程中，可以实现压缩空气的“错峰”使用，如在用气高峰时段，电解打料工序可以暂缓，可以降低管网“峰”值负荷，有助于降低空压机加卸载频率、及时调整空压机运行台数及时间,降低动力电耗。

从上表可看出，主要用风部门的用量均有计量，相关的数据均可获得，可以通过选择相关因变量和历史数据建立空压机产风和各用气部门耗风量的预测模型。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统，其特征在于：该能效管理系统包括：基于云计算的铝电解SCADA系统（1）、大数据分析和处理单元（2）、铝电解生产节能降耗知识库（3）、智能调度推理机（4）和驾驶舱（5）；该系统通过大数据分析和处理单元（2）对基于云计算的铝电解SCADA系统（1）中的大数据进行分析和处理，获得铝电解生产节能降耗的规律，建立铝电解过程能效管理知识库（3）和智能调度推理机（4），对铝电解生产过程中能效进行优化调度、集中监控、统一管理，并通过驾驶舱（5）提供各种数据、图形和图像报表。

2.根据权利要求1所述的基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统，其特征在于：所述基于云计算的铝电解SCADA系统（1）是采用计算机虚拟化技术搭建的信息化网络系统，用于实现结构化和非结构化数据的处理和应用服务，实现铝电解生产各工区、各类设备的实时数据、图像、视频的分布式计算、存储、显示。

3.根据权利要求1或2所述的基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统，其特征在于：所述大数据分析和处理单元（2）用于识别各工区、各类型和各种结构化、非结构化的海量数据，并进行数据的抽取和筛选，进行接口、协议的转换和统一格式化处理，并根据铝电解生产工艺原理的数据，进行数据挖掘，获得铝电解生产节能降耗的规律和知识，进行能源成本分析。

4.根据权利要求3所述的基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统，其特征在于：所述铝电解生产节能降耗知识库（3）是以获得的铝电解生产节能降耗的规律和知识为基础，按照混合型非关系的数据库模式，组建分布式网络数据库服务系统，建立各种能耗设备水、电、气使用量及其使用方式的生产节能降耗知识库，以及云备用和自愈调度体系知识库。

5.根据权利要求4所述的基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统，其特征在于：所述智能调度推理机（4）具有案例推理和规则推理功能，用于进行调度计划制定、调度流程审批、安全运行保护、自动识别和诊断，并用于根据铝电解能效优化的机理和能源调度策略，对来自铝电解SCADA系统（1）的全厂能耗数据实时进行能效指标变换、评价筛选与识别，获得关键环节和关键节能装备的节能潜力和能源消耗异常状态信息，指导人工进行能耗设备的开、停和用能方式，或支撑关键节能装备的控制。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的基于大数据分析的铝电解过程能效管理系统，其特征在于：所述驾驶舱（5）具有数据、图像和图形智能处理功能，所述驾驶舱（5）用于根据用户需求和定义，以日报、月报等报表的形式统计关键设备、各个工序和车间的能源消耗和综合能耗，进行能源成本考核与监管，并实时显示能源信息的汇总和初步处理结果，进行跟踪、分析，实现对全厂能效的集中监视和统一管理。