全流程數(shù)據(jù)能源管控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

王曉雪 祝樹海 李亞娜 王念軍 白 雪

1.前言

近年來，智能制造和綠色發(fā)展已成為中國鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的兩大主題。2022年1月，工信部、國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導意見》。作為綱領(lǐng)性文件，《意見》提出到2025年，鋼鐵工業(yè)基本形成布局結(jié)構(gòu)合理、智能化水平高、綠色低碳可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展格局，并指出要大力發(fā)展智能制造，突破一批智能制造關(guān)鍵共性技術(shù)，打造一批智能制造示范工廠，推進由制造向“智造”轉(zhuǎn)型，為行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了根本遵循。優(yōu)化能源管理、實現(xiàn)能源調(diào)控智能化、系統(tǒng)降低能源消耗，直接關(guān)系鋼鐵企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。鋼鐵企業(yè)建立完善的能源信息采集、整合、存儲的大數(shù)據(jù)平臺，并在此基礎(chǔ)上進行有效地數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化控制，最終實現(xiàn)能源流、物質(zhì)流協(xié)同優(yōu)化，具有非常重要的意義。

鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司（以下簡稱朝陽鋼鐵）對企業(yè)能源生產(chǎn)和管控開展了深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)以往的能源生產(chǎn)以經(jīng)驗操作、人工采集數(shù)據(jù)為主，智能模型應(yīng)用較少，能源管理信息交互不暢，人機協(xié)同能力差，存在管控功能單一，管而不控等問題。因此，決定大力開展數(shù)字化、智能化建設(shè)，打破傳統(tǒng)產(chǎn)線邊集控模式，補強能源基礎(chǔ)自動化和信息化水平，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進信息技術(shù)，構(gòu)建全流程數(shù)據(jù)精益能源管控系統(tǒng)，創(chuàng)新構(gòu)建智能化能源管控平臺。通過采集和整合電、水、煤氣、蒸汽、空氣等能源流數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)實績等物質(zhì)流數(shù)據(jù)，打造了能源流、物質(zhì)流和信息流三流合一、協(xié)同優(yōu)化的能源集控和大數(shù)據(jù)平臺，搭建了“智能化作業(yè)—集約化操作—智慧化管控”體系構(gòu)架，實現(xiàn)企業(yè)提高勞動生產(chǎn)率和降低綜合能耗的目標。

2.能源管控業(yè)務(wù)流程

朝陽鋼鐵能源介質(zhì)源、網(wǎng)、荷、儲全流程管控，以“數(shù)據(jù)”為中心，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)資產(chǎn)化、資產(chǎn)價值化。包括能源的事前管理、事中管理和事后管理（見圖1）。

圖1 朝陽鋼鐵能源全流程管控示意圖

2.1 能源事前管理

主要是能源計劃管理。能源計劃編制是能源管理的重要組成部分，包括能源介質(zhì)平衡計劃和能源指標計劃。只有科學準確地制定能源計劃才能合理分配能源資源，提高能源利用率，減少耗散。生產(chǎn)計劃和能源計劃協(xié)同優(yōu)化是能源事前管理的重要部分，是物質(zhì)流-能源流-信息流三流協(xié)同優(yōu)化的具體體現(xiàn)。

2.2 能源事中管理

主要指能源平衡調(diào)度，起到呈上啟下的作用，是能源管控的重要環(huán)節(jié)。能源調(diào)度對上是對能源計劃的有效執(zhí)行，是計劃-調(diào)度-控制的核心環(huán)節(jié)。對下為能源集控操作提供指導意見，將能源生產(chǎn)與能源其他環(huán)節(jié)有機結(jié)合到一起。

2.3 能源事后管理

主要指能源結(jié)算管理、能源指標管理及能耗評價管理等。實施能源事后管理的前提就是要有準確的能源計量數(shù)據(jù)。通過能源介質(zhì)平衡實現(xiàn)“數(shù)據(jù)不落地”的結(jié)算方式，減少人工干預的不確定性。

3.智能化能源管控平臺的功能設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

朝陽鋼鐵能源數(shù)據(jù)精益管控系統(tǒng)，采用先進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，運用云、邊、端協(xié)同的模式，實現(xiàn)通訊類型統(tǒng)一化、多維數(shù)據(jù)融合化、基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化以及系統(tǒng)橫縱一體化（見圖2）。

圖2 朝陽鋼鐵能源數(shù)據(jù)精益管控系統(tǒng)平臺技術(shù)架構(gòu)

（1）邊緣層：實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中采集、操作集中控制、協(xié)議集中轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)源包括儀表、PLC、PCS、MES和ERP系統(tǒng)和計量數(shù)據(jù)。

（2）IaaS層：實現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)器的虛擬化、并行計算和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源。

（3）PaaS層：實現(xiàn)大數(shù)據(jù)平臺以及微服務(wù)和模型，數(shù)據(jù)精益管控系統(tǒng)大數(shù)據(jù)中臺數(shù)據(jù)存儲由時序數(shù)據(jù)存儲、對象數(shù)據(jù)存儲、關(guān)系數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)倉列式存儲組成。時序數(shù)據(jù)存儲保存現(xiàn)場計量儀表采集上來的高頻時序數(shù)據(jù)；對象數(shù)據(jù)存儲中保存文件和圖片、視頻數(shù)據(jù)；關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲里面保存低頻價值高的關(guān)系型數(shù)據(jù)。將這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行清洗、整合和分類存儲，在大數(shù)據(jù)中臺建立主數(shù)據(jù)管理、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)目錄、數(shù)據(jù)質(zhì)量校核等數(shù)據(jù)治理功能，從而形成標準的能源大數(shù)據(jù)API接口，形成標準數(shù)據(jù)視圖，消除數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)全維度數(shù)據(jù)融合，并通過智能工藝優(yōu)化模型、能源智能優(yōu)化模型等進行生產(chǎn)深度協(xié)同，進而實現(xiàn)基于“三流”耦合的能源與主工序協(xié)同管控。生產(chǎn)計劃和實績，數(shù)倉列式存儲數(shù)據(jù)庫中包括用于OLAP多維數(shù)據(jù)，用于提高查詢的性能。另外，工業(yè)機理、數(shù)據(jù)分析得到的模型都部署在Paas層，作為工業(yè)企業(yè)能源管控的知識沉淀，形成行業(yè)知識圖譜，為SaaS層的智能應(yīng)用提供模型、算法和知識庫的支撐；通過物能級配、信息融合、控制協(xié)同，加強能源和關(guān)鍵工序生產(chǎn)的協(xié)同，提高系統(tǒng)能效。該模式成為鋼鐵行業(yè)智能工廠場景突破性實踐。

（4）SaaS層：利用“數(shù)據(jù)+機理+知識”相結(jié)合的技術(shù)，實現(xiàn)各類業(yè)務(wù)的智能應(yīng)用，包括能流圖、安全+經(jīng)濟指標運行監(jiān)視、需量監(jiān)控、能耗分析等。實現(xiàn)全流程能源業(yè)務(wù)知識圖譜化和共享，結(jié)合深入主工序開發(fā)的單體設(shè)備能耗優(yōu)化模型、工序能耗評價優(yōu)化模型、綜合能耗評價優(yōu)化模型等，全系統(tǒng)多層次的在線能效計算，采用鐵素流與能源流協(xié)同優(yōu)化的思路，實現(xiàn)“自平衡、自檢查、自組織、自優(yōu)化”，降低能耗成本。

3.2 系統(tǒng)主要功能

（1）智能化作業(yè)：對577臺單體設(shè)備進行自動化改造，減輕操作工作量，實現(xiàn)了28個站所室集中優(yōu)化，操作室集中化率達到96%。對站所室自動控制系統(tǒng)和能源計量表改造，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時上傳，通過能流圖、生產(chǎn)運行圖等可視化方式，對能源生產(chǎn)、存儲、消耗、外送等全流程數(shù)據(jù)進行跟蹤、監(jiān)視、預警，包括工藝監(jiān)控、潮流監(jiān)控、生產(chǎn)監(jiān)控、視頻監(jiān)控等。

（2）集約化操作：按照“生產(chǎn)全流程集中操控+站所無人值守”的模式設(shè)計，即現(xiàn)場站所室無人值守，81名操作人員從煤氣、粉塵等操作崗位中得到解放，實現(xiàn)全流程生產(chǎn)在數(shù)智中心遠程操控，員工人身安全得到本質(zhì)化保障。打破組織邊界，通過工序、作業(yè)區(qū)、崗位的縱向及橫向融合，實現(xiàn)管理集中化、一體化，對下實現(xiàn)站所室自動控制系統(tǒng)的遠程控制，對上實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)備、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的實時傳遞，成為生產(chǎn)與管理之間的重要系統(tǒng)和橋梁。遠程控制系統(tǒng)既要保證生產(chǎn)控制的穩(wěn)定運行，也要保證數(shù)據(jù)的及時性、可靠性和安全性。由于電力和動力系統(tǒng)在建設(shè)標準和要求上存在差異，因此分為動力集控和電力集控兩大功能。

（3）安全生產(chǎn)+經(jīng)濟運行評估：制定安全生產(chǎn)+經(jīng)濟運行雙指標在線監(jiān)控和評價體系，實現(xiàn)事中有報警，事后有考核的管理機制。其中，安全生產(chǎn)指標包括各主要能源生產(chǎn)機組的操作參數(shù)、設(shè)備參數(shù)等。如制氧機出口、氧壓機出口流量、壓力等；經(jīng)濟運行指標包括各主要用戶的單耗，主要耗能設(shè)備的運行指標等?！鞍踩a(chǎn)+經(jīng)濟運行”每一項指標都會制定動態(tài)判異的標準，既含單指標判異規(guī)則，又包含多指標關(guān)聯(lián)判異規(guī)則。當指標出現(xiàn)異常時，在監(jiān)控頁面會實時報警，提示調(diào)度人員進行及時調(diào)整和優(yōu)化，“每日在線”生成的調(diào)度運行雙指標評價日報，會分析雙指標運行異常的原因。另外，在生成評價日報的同時，生成調(diào)度人員的績效考核日報。通過雙指標的在線評價和事后分析，提升了對調(diào)度和能源管理的過程管控能力。

（4）能源流預測及調(diào)度優(yōu)化：系統(tǒng)提供的煤氣供需預測、煤氣-蒸汽-電耦合優(yōu)化等分析、評價、預測和優(yōu)化功能，通過對能源流數(shù)據(jù)特征的提取，結(jié)合生產(chǎn)計劃和現(xiàn)場工況進行能源流供需關(guān)系的預測，可以有效提高能源供需預測精度和時長。根據(jù)供需關(guān)系預測結(jié)果進行動態(tài)優(yōu)化調(diào)度策略的制定，將供需關(guān)系的不平衡出現(xiàn)幾率降低到最小，同時提升多能流的協(xié)同優(yōu)化能力，實現(xiàn)多能流綜合運行經(jīng)濟最優(yōu)化，并為能源調(diào)度平衡提供智能化手段和依據(jù)，實現(xiàn)科學調(diào)度、提高能源效率、降低能源成本。

（5）能源消耗日清日結(jié)：優(yōu)化完善一、二、三級能源計量儀表，對計量數(shù)據(jù)進行有效處理。通過能源介質(zhì)自動平衡，能源指標自動計算，實現(xiàn)能源結(jié)算日清日結(jié)?！皵?shù)據(jù)不落地”，減少能源統(tǒng)計過程中的人工干預，提高能源數(shù)據(jù)的真實性和適用性，為能源指標對標分析、績效分析提供準確數(shù)據(jù)。

（6）水效評價優(yōu)化：通過事前預測、事中監(jiān)控與調(diào)度、事后分析，覆蓋水管理的全流程管控。主要功能包括事前預測——給排水預測（根據(jù)水質(zhì)、水位、生產(chǎn)及檢修計劃等預測各循環(huán)水系統(tǒng)給水、排水時間；事中監(jiān)控與調(diào)度——水流圖管理（水種涵蓋生產(chǎn)新水、生活水、消防水、排水、二次回用水等），給水優(yōu)化調(diào)度（建立公司給水、回水的水平衡模型，對未來一段時間各水處理系統(tǒng)的合理化運行提出調(diào)節(jié)建議）；事后分析——水質(zhì)管理（對水質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析并進行預警）；公司級水耗分析（含日分析、月分析，出具相應(yīng)評估報告）；生產(chǎn)廠水耗分析（結(jié)合水質(zhì)、水溫、水壓、秏水量、生產(chǎn)及檢修情況綜合評估）。

3.3 管理創(chuàng)新

（1）創(chuàng)新升級生產(chǎn)管理模式。由原來的縱向管理，即由調(diào)度中心指揮協(xié)調(diào)，操作管理分散在發(fā)電、余熱、供電、給水、燃氣和制氧六個作業(yè)區(qū)，通過數(shù)據(jù)精益能源管控系統(tǒng)，將系統(tǒng)升級為由數(shù)智中心集中統(tǒng)一管理的扁平式、集約化的生產(chǎn)運行體系。

（2）創(chuàng)新調(diào)度管理模式，實現(xiàn)調(diào)度從“解決可見問題”向“避免不可見問題”轉(zhuǎn)變。過去能源平衡主要是依據(jù)能源管網(wǎng)參數(shù)變化，這樣的做法往往是進行被動調(diào)整，更大程度要靠調(diào)度人員的經(jīng)驗和能力，這就不可避免會造成管網(wǎng)壓力波動頻繁，造成能源放散損失。一旦涉及到多能流時，又容易顧此失彼，很難綜合考慮進行操作。

（3）創(chuàng)新能源管理模式，由被動監(jiān)測向主動監(jiān)控模式轉(zhuǎn)變。過去技術(shù)手段不足，管控意識不強，能源管理僅僅側(cè)重于結(jié)果，缺乏對細節(jié)的分析以及對過程的管控，很多問題“說不清，管不了”，屬于粗放式管理模式。通過系統(tǒng)提供的水效評價診斷功能，輔助能源管理從粗放式向精細化轉(zhuǎn)變。實踐中結(jié)合生產(chǎn)工藝和設(shè)備參數(shù)進行能效診斷，并提供專家優(yōu)化策略，進一步提升了能源發(fā)生和使用的過程管控能力。

（4）創(chuàng)新生產(chǎn)系統(tǒng)與能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)模式，從能源系統(tǒng)被動地適應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)向二者相互作用轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)提供的電力需量監(jiān)控和優(yōu)化功能及能源計劃協(xié)同優(yōu)化模塊功能，都會提供生產(chǎn)計劃的優(yōu)化建議，反作用于生產(chǎn)系統(tǒng)，提高公司整體效益。

（5）創(chuàng)新作業(yè)模式，兼工種、跨專業(yè)作業(yè)成為常態(tài)。各操作崗位可實現(xiàn)兼工種作業(yè)，如電站的機、爐、電崗位、供電的運行電工與檢修電工崗位、燃氣的TRT與干法除塵崗位、制氧操作與空壓機崗位、給水的泵站操作工與除鹽水崗位等。同時集控中心的能源調(diào)度崗位也直接參與生產(chǎn)操作，調(diào)度長增加了“倒班作業(yè)長”的管理職責。

3.4 技術(shù)創(chuàng)新

以冶金流程工程學、熱力學等理論做支撐，從物質(zhì)流、能源流協(xié)同優(yōu)化角度出發(fā)，采用大數(shù)據(jù)+機理+知識驅(qū)動相結(jié)合的方式，針對朝陽鋼鐵能源管控的痛點在理論、技術(shù)、應(yīng)用三個層面上進行自主創(chuàng)新。

（1）全維度的數(shù)據(jù)融合：采集全流程能源管理相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源包括儀表、PLC、PCS、MES和ERP系統(tǒng)。將這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行清洗、整合和分類存儲，進行統(tǒng)一的主數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)管理，形成標準數(shù)據(jù)視圖，消除數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)全維度數(shù)據(jù)融合，為系統(tǒng)的智能應(yīng)用提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）鋼鐵企業(yè)能源知識圖譜化：對采集的制度文件、操作規(guī)程、標準等非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)處理，梳理出企業(yè)已形成顯性的知識。從海量數(shù)據(jù)中進行挖掘和知識認知，實現(xiàn)隱性知識顯性化。將二者有機融合在一起，實現(xiàn)全流程能源業(yè)務(wù)知識圖譜化和共享，重點是建立不同場景的動態(tài)專家知識庫，為能源管控應(yīng)用提供“智慧大腦”。

（3）多能源介質(zhì)耦合優(yōu)化：建立復雜工況下多時空尺度能源流預測模型，特別是針對異常工況的識別、判斷和特征提取，進而進行深度學習，實現(xiàn)對未來狀態(tài)的準確預判。通過對趨勢的預測，實現(xiàn)多能源流的耦合優(yōu)化調(diào)度，最終實現(xiàn)穩(wěn)定管網(wǎng)壓力、減少放散、滿足供應(yīng)和綜合價值最大化。

（4）物質(zhì)流-能量流協(xié)同優(yōu)化：利用“數(shù)據(jù)+機理+知識”相結(jié)合的技術(shù)，建立全系統(tǒng)多層次的在線能效、水效計算、評價和動態(tài)優(yōu)化。從系統(tǒng)節(jié)能的角度出發(fā)，分析生產(chǎn)組織、工藝設(shè)計、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)等因素對能耗的影響，采用物質(zhì)流與能量流協(xié)同優(yōu)化的思路，利用專家知識實現(xiàn)全系統(tǒng)的能耗優(yōu)化，降低能耗成本。

（5）電力需量監(jiān)控優(yōu)化：建立設(shè)備-工序-公司電力系統(tǒng)電耗分析和負荷預測模型，依據(jù)鋼鐵主流程的生產(chǎn)計劃、設(shè)備計劃預測電力系統(tǒng)的負荷變化，結(jié)合自發(fā)電的預測量，預測各電力配送關(guān)口的需量。預測需量出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動制定生產(chǎn)計劃優(yōu)化方案并推送給生產(chǎn)調(diào)度，構(gòu)建能源生產(chǎn)協(xié)同一體化優(yōu)化計劃，實現(xiàn)電力需量持續(xù)優(yōu)化。

4.結(jié)語

朝陽鋼鐵實現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)精益能源管控系統(tǒng)，針對鋼鐵行業(yè)能源生產(chǎn)集約化程度低、能源管理數(shù)字化和智能化水平低、能量流與物質(zhì)流協(xié)同優(yōu)化手段不足等共性問題，將企業(yè)設(shè)備、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和智能系統(tǒng)進行縱向集成，打破原有的五級架構(gòu)，橫向上實現(xiàn)專業(yè)融合。如燃氣、供電、發(fā)電、給水、制氧等協(xié)調(diào)管控，通過智能化的能源流分析、預測和多介質(zhì)耦合優(yōu)化，實現(xiàn)能源介質(zhì)之間系統(tǒng)化的平衡優(yōu)化。從企業(yè)縱深角度上，通過系統(tǒng)間的協(xié)同生產(chǎn)計劃、設(shè)備檢修、調(diào)度、財務(wù)等各類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)能源在全公司范圍內(nèi)的價值最優(yōu)化，從而在三個維度上建立了一套完整的基于能源價值和鋼鐵產(chǎn)品價值綜合優(yōu)化的能源管控體系，為鋼鐵行業(yè)能源生產(chǎn)管控開拓一個全新的思路。系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅讓原有的操作人員遠離現(xiàn)場的危險環(huán)境，還大幅降低人員成本、提高生產(chǎn)管控效率、提高人員勞動效率，為能源集約化生產(chǎn)、數(shù)字化管控、操檢調(diào)度合一、智能化分析預測和優(yōu)化，以及能源管控降本增效，發(fā)揮了重大作用。噸鋼綜合能耗降低1%，年創(chuàng)效2046萬元，同時，減少CO2排放量約3.9萬噸/年，環(huán)境效益顯著，社會效益巨大，為行業(yè)推廣起到了很好的示范效應(yīng)。