工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源管控系統(tǒng)在鋼鐵行業(yè)的應用與實踐

王軍生，曲泰安，白雪

（1. 海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3. 鞍鋼集團信息產(chǎn)業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114051）

近年來，在國家供給側改革的新形勢下，尤 其是隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[1]相關新技術的飛速發(fā)展，以新技術開發(fā)為支撐、以綠色發(fā)展為約束、以智能化發(fā)展為方向、以效益最大化為目標已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)發(fā)展和國家調控的重點方向。其中數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智慧化能源管控系統(tǒng)的開發(fā)應用已成為新的引領方向，能源效率、能源成本的深度分析將成為鋼鐵企業(yè)精細化管理的主要內容，而國內目前運行的企業(yè)能源中心已無法支撐能源集約化和精細化的管理需求，急需在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐下，開展鋼鐵企業(yè)智慧能源管控系統(tǒng)開發(fā)與應用研究。

鞍鋼集團以自主研發(fā)的“精鋼”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎，建立具有自感知、自分析、自決策、自優(yōu)化能力的鋼鐵企業(yè)能源智能管控系統(tǒng)。 從物質流和能源流協(xié)同優(yōu)化的角度出發(fā)，為鋼鐵企業(yè)能源管理提供“看得見、說得清、管得好”的全流程一站式智能服務。

1 系統(tǒng)總體建設目標

針對鋼鐵企業(yè)能源管控中心功能單一，管而不控，無法滿足能源管理數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展需要的問題，基于鞍鋼“精鋼”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，打造能源流、物質流和信息流三流合一、協(xié)同優(yōu)化的智慧化能源管控平臺及工業(yè)軟件。 平臺充分運用“大數(shù)據(jù)+機理”的手段，實現(xiàn)能源生產(chǎn)全站所室遠程集中操控；物質流、能源流、信息流全維度數(shù)據(jù)融合；能源知識顯性化、模型化、圖譜化；全系統(tǒng)能耗動態(tài)評價優(yōu)化；多時空尺度能源流預測及耦合優(yōu)化；生產(chǎn)與能源計劃調度一體化優(yōu)化；全流程碳排放[2]核算與分析等能源全生命周期智能服務。 達到實時全面了解鋼鐵企業(yè)能源全生命周期管理和應用現(xiàn)狀，診斷能源應用各環(huán)節(jié)出現(xiàn)的異常問題，預知能源流產(chǎn)生和消耗的變化趨勢，提出能源綜合優(yōu)化方案，進而有效減少能源介質放散損失，提高能源介質的相互轉化效率，降低企業(yè)能源成本，實現(xiàn)能源價值最大化的目的。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺核心優(yōu)勢

鋼鐵行業(yè)屬于流程制造業(yè)，其工業(yè)智能制造[3]作用機理主要由三大部分組成，包括三大對象（人、物（設備）、系統(tǒng)）、三大網(wǎng)絡（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)[4]、互聯(lián)網(wǎng)）和四大手段（工業(yè)大數(shù)據(jù)[5]、知識（機理+數(shù)據(jù)AI）、 信息物理系統(tǒng)CPS[6]（數(shù)字孿生）、數(shù)據(jù)通信（5G））。 工業(yè)智能制造作用機理如圖1 所示。

圖1 工業(yè)智能制造作用機理Fig. 1 Mechanism of Actionin for Dustrial Intelligent Manufacturing

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)鋼鐵工業(yè)智能制造發(fā)展的重要發(fā)力點是鋼鐵行業(yè)智能化關鍵技術落地實施的主要平臺載體。 依靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺框架[7]和核心技術，不但可以將工業(yè)控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)以及數(shù)字孿生系統(tǒng)進行無縫融合，還可以同時在各鋼鐵生產(chǎn)工序和信息系統(tǒng)間，建立以數(shù)據(jù)為核心的多維時空矩陣式網(wǎng)格。因此工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是面向鋼鐵制造業(yè)數(shù)字化轉型需求，構建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的綜合服務體系，支撐鋼鐵行業(yè)制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的載體，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[8]平臺框架如圖2 所示。

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺框架Fig. 2 Framework for Industrial Internet Platform

3 系統(tǒng)平臺架構、功能及特點

3.1 系統(tǒng)平臺架構

鞍鋼集團建立的鋼鐵企業(yè)能源智能管控系統(tǒng)采用先進的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構，運用云、邊、端協(xié)同的模式，以實現(xiàn)通訊類型統(tǒng)一化、多維數(shù)據(jù)融合化、基礎設施虛擬化以及系統(tǒng)橫縱一體化。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源管控系統(tǒng)平臺架構如圖3所示。

圖3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源管控系統(tǒng)平臺架構Fig. 3 Platform Framework for Industrial Internet and Intelligent Energy Management and Control System

3.2 系統(tǒng)功能概述

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源管控系統(tǒng)產(chǎn)品在2018 年作為鞍山鋼鐵兩化融合[9]重點項目在鲅魚圈分公司開始建設實施，2018 年底上線運行后，經(jīng)過兩年多不斷的功能升級、 模塊封裝和系統(tǒng)優(yōu)化，于2021 年底完成第二代產(chǎn)品發(fā)布，智慧能源管控系統(tǒng)產(chǎn)品功能如圖4 所示。

圖4 智慧能源管控系統(tǒng)產(chǎn)品功能Fig. 4 Product Features for Intelligent Energy Management and Control System

系統(tǒng)產(chǎn)品從下至上包含能源遠程集控、 智能調度、能源專業(yè)智慧管控、能源精細管理、物-能協(xié)同優(yōu)化、數(shù)據(jù)可視化和移動應用七大部分。

（1）遠程集控產(chǎn)品主要服務于企業(yè)能源生產(chǎn)操控，實現(xiàn)各能源介質生產(chǎn)、供給的全流程智能化精準控制，是能源管控系列產(chǎn)品的“操作層”。

（2）智能調度產(chǎn)品主要服務于智能調度，提供智能調度策略在線生成，支撐智能調度主要運行參數(shù)和計量數(shù)據(jù)在線查詢、報警等功能。該產(chǎn)品的調度策略需要能源專業(yè)智慧管控系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)及專家知識庫的支撐，是能源管控系列產(chǎn)品的“執(zhí)行層”。

（3）能源專業(yè)智慧管控產(chǎn)品主要服務于各能源專業(yè)管控，包括供電、發(fā)電、燃氣、給水、氬氮氧、壓縮空氣等專業(yè)管理，未來可橫向擴展到其他能源介質，例如氫氣等。提供各能源專業(yè)運行狀態(tài)在線監(jiān)視和科學評價、歷史工況回溯分析、趨勢發(fā)展預測優(yōu)化等“一站式”智能服務，實現(xiàn)專業(yè)能源管理“看得見，說得清，管得住”，是能源管控系列產(chǎn)品的“管理層”。 能源專業(yè)智慧管控產(chǎn)品與集控產(chǎn)品在部分需要閉環(huán)優(yōu)化控制功能上可進行集成部署應用。

（4）能源精細管理系統(tǒng)主要服務于能源業(yè)務精細化管理，從能源計劃編制、能源實績查詢、計量日清日結，再到能源指標管理、績效考核、對標分析，實現(xiàn)全流程能源業(yè)務綜合管理和分析，是能源管控系列產(chǎn)品的“基礎決策層”。

（5）物-能協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)是在能源精細管理系統(tǒng)的基礎上從冶金流程的角度，研究鋼鐵企業(yè)物質流-能量流之間的耦合關系，實現(xiàn)物-能動態(tài)協(xié)同優(yōu)化，是能源管控系列產(chǎn)品的“協(xié)同決策層”。

（6）數(shù)據(jù)可視化和移動應用作為其他五部分的輔助產(chǎn)品用于集控大廳大屏展示和手機端展示，不具備獨立應用的條件。可視化大屏模塊主要用于集控大廳大屏展示，用直觀的可視化方式對能源生產(chǎn)、存儲、消耗、外銷等各環(huán)節(jié)進行展示。移動應用是利用移動終端展示能源生產(chǎn)、 存儲、消耗、外銷等各環(huán)節(jié)信息，為用戶提供隨時隨地的數(shù)字化體驗。

以上各部分系統(tǒng)功能既相對獨立，又相輔相成，是一套滿足不同規(guī)模、不同層次需求鋼鐵企業(yè)用戶的智慧能源管控產(chǎn)品。

3.3 系統(tǒng)平臺四化特點

系統(tǒng)平臺具備“四化”特點，即系統(tǒng)縱向一體化、業(yè)務云端智能化、多維數(shù)據(jù)共享化和通訊類型統(tǒng)一化。

（1）系統(tǒng)縱向一體化：平臺根據(jù)能源生產(chǎn)操作、能源管理、工業(yè)能效分析[10]、能耗評價等業(yè)務場景，在縱向上，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺云邊端協(xié)同優(yōu)勢，實現(xiàn)了從生產(chǎn)遠程操控、能源管理到能效能耗分析評價的一體化協(xié)同。

（2）業(yè)務云端智能化：平臺將海量數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗處理后將全部能源數(shù)據(jù)上云，在云端利用機理模型+大數(shù)據(jù)模型+知識圖譜三驅動的方式，實現(xiàn)了能源全維度管控的數(shù)字化和智能化。

（3）多維數(shù)據(jù)共享化：圍繞能源管理、能效分析、能耗評價智能化需求，平臺將能源相關的鋼鐵生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)、質量數(shù)據(jù)、生產(chǎn)調度數(shù)據(jù)、財務數(shù)據(jù)等多系統(tǒng)、多時空、多維度的數(shù)據(jù)進行了融合與協(xié)同，打造了一幅完整的、全維度的能源流、物質流、碳素流、價值流合一的數(shù)據(jù)融合圖譜。

（4）通訊類型統(tǒng)一化：平臺在工業(yè)協(xié)議通訊層對多種工業(yè)通訊協(xié)議進行了統(tǒng)一轉換和整合，同時利用分布式+負載均衡技術，實現(xiàn)了底層通訊類型的統(tǒng)一化，不僅大幅降低了多協(xié)議在平臺層的轉換成本，更加從本質上保證了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在邊緣控制上的高效、穩(wěn)定和可靠性。

4 系統(tǒng)主要技術和創(chuàng)新點

（1）構建基于鞍鋼“精鋼云”系統(tǒng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，實時采集并整合電、水、煤氣、氧氣、蒸汽等物質流數(shù)據(jù)，為鋼鐵企業(yè)能源智慧管理的特征提取、規(guī)律分析、優(yōu)化決策提供了一站式大數(shù)據(jù)服務；

（2）自主開發(fā)高穩(wěn)定性的遠程自動化集控系統(tǒng)、混合煤氣在線智能調控、制氧機組自動變負荷控制等核心技術，實現(xiàn)了集約化整合和遠程集控的安全穩(wěn)定運行；

（3）自主創(chuàng)建能源業(yè)務知識圖譜，運用數(shù)據(jù)挖掘技術，將海量數(shù)據(jù)知識圖譜化，隱性知識顯性化，實現(xiàn)知識共享、知識驅動及持續(xù)優(yōu)化；

（4）利用“數(shù)據(jù)+機理”相結合技術，分級建立單體設備、 各工序及公司級噸鋼綜合能耗分析與優(yōu)化模型，實現(xiàn)了全系統(tǒng)多層次的在線能耗分析與優(yōu)化；

（5）自主研發(fā)多能流預測和多介質耦合優(yōu)化技術，實現(xiàn)了復雜工況下的煤氣、蒸汽、電力等多能源介質在線動態(tài)協(xié)同優(yōu)化，提高了能源使用效率，大幅度降低了能源消耗；

（6）自主研發(fā)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)全流程碳排放在線核算分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了碳排放在線計算和關聯(lián)分析；

（7）自主研發(fā)基于5G+云邊協(xié)同的鋼鐵工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術，實現(xiàn)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構下，有線網(wǎng)絡+5G 專網(wǎng)共融的鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)設備、計量儀表、管網(wǎng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)采集可視化、智能化。

5 系統(tǒng)應用效果及實施建議

5.1 系統(tǒng)應用效果

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源管控系統(tǒng)2019 年初首次在鞍鋼股份鲅魚圈分公司建成投運，實現(xiàn)了國內鋼鐵行業(yè)四個首創(chuàng)，即國內鋼鐵行業(yè)首創(chuàng)全部動力站所室遠程集中操控；首創(chuàng)能源全介質在線能效分析及能耗評價；首創(chuàng)利用機理+大數(shù)據(jù)+知識圖譜三驅動技術實現(xiàn)多介質耦合優(yōu)化平衡；首創(chuàng)在能源管控系統(tǒng)內實現(xiàn)全流程碳排放在線跟蹤管理功能。

系統(tǒng)在鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司投運后，全面提升了公司能源管控系統(tǒng)運行和協(xié)調效率，其中通過遠程集控模塊優(yōu)化人力資源43.6%；通過制氧機負荷調整功能降低工序電耗1.7%；通過能耗能效分析功能降低加熱爐煤氣單耗3%；通過煤氣平衡預測分析和多介質耦合優(yōu)化功能，大幅提高了余熱資源利用效率；通過電力需量監(jiān)視模塊降低基本電費30%；通過水系統(tǒng)分析模塊降低新水消耗3%以上，實現(xiàn)降低噸鋼綜合能耗1.9%以上，年創(chuàng)效超過8 700 萬元，為助力鋼鐵企業(yè)快速發(fā)展提供有力的技術支撐。

2020 年鞍鋼股份能源管控中心能源集控項目開始建設，由于鞍鋼股份本部能源站所室和基礎自動化工作繁多，該項目分兩期建設，目前項目一期及系統(tǒng)平臺的遠程集控、能源管理部分已經(jīng)上線試運行，項目建成后，將實現(xiàn)國內鋼鐵行業(yè)體量最大的能源生產(chǎn)集控中心，涵蓋本部192 個能源站所室，6 大能源專業(yè)，初步預計項目一期即可實現(xiàn)綜合能耗降低1.5%以上，年創(chuàng)效9 000 萬元以上。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源管控系統(tǒng)平臺目前正在鞍鋼股份朝陽鋼鐵公司、 攀鋼集團攀鋼釩公司進行項目建設，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源管控系統(tǒng)已經(jīng)成為鞍鋼集團具有核心競爭力的重點推廣產(chǎn)品之一，未來該產(chǎn)品將為更多的鋼鐵企業(yè)提供優(yōu)質服務，為提升鋼鐵行業(yè)能源轉換效率、提高能效能耗管控水平、 降低鋼鐵產(chǎn)品能源成本做出更多支撐和貢獻。

5.2 系統(tǒng)實施建議

智慧能源管控系統(tǒng)建設與當下鋼鐵企業(yè)數(shù)字化轉型、智能制造有著同樣的目標和意義。借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，智慧能源管控系統(tǒng)不僅是傳統(tǒng)的信息化、智能化項目建設，也要隨著鋼企能源管控流程再造、流程優(yōu)化等管理變革一起，全方位進行體系化建設。結合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺+智慧能源管控系統(tǒng)實施經(jīng)驗，在項目的實施路徑上，建議從以下四方面綜合考慮。

（1）鋼鐵業(yè)務驅動

智慧能源管控不僅要考慮鋼鐵企業(yè)自身能源特色，同時要全維度依靠鋼鐵全流程中能源所有相關的鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)、質量、設備、財務、銷售等各項業(yè)務的實際需求，以業(yè)務為核心，全面驅動鋼鐵能源的數(shù)字化、智能化建設。

（2）信息技術支撐

新一代信息技術是支撐鋼鐵能源智慧化管控的根本，利用新興IT 技術與業(yè)務OT 進行完整融合，將AI、5G、數(shù)字孿生等新技術從點到面、到線全面推廣建設，為鋼鐵智慧能源管控的高質量發(fā)展做強有力支撐。

（3）多維數(shù)據(jù)融合

利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺縱向、 橫向的多維融合能力，打破原有傳統(tǒng)的五級系統(tǒng)觀念，對與能源管控相關的多系統(tǒng)、多維度、多時空數(shù)據(jù)進行全方位融合，建立橫縱交替的智慧能源大數(shù)據(jù)空間，為深入、廣泛分析能效能耗數(shù)據(jù)提供基礎，建立從數(shù)據(jù)到信息、到知識、到價值的完整鏈條，實現(xiàn)能源數(shù)字價值最大化。

（4）系統(tǒng)功能協(xié)同

在系統(tǒng)平臺內，利用扁平化和云邊端協(xié)同架構，可以很好的實現(xiàn)縱向的功能協(xié)同。 橫向上，要與鋼鐵產(chǎn)品的銷售系統(tǒng)、ERP、MES、質量、設備、物流等所有相關系統(tǒng)進行協(xié)同，這樣才能實現(xiàn)能源流與物質流、碳素流、價值流的多流合一、多維協(xié)同，才能從本質上實現(xiàn)能源從服務生產(chǎn)向指導生產(chǎn)的重大轉變，才能幫助鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)能源效率與生產(chǎn)效率綜合價值最大化的高質量發(fā)展目標。

6 結語

能源生產(chǎn)和管理并不是孤立的，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源管控系統(tǒng)在能源業(yè)務上，將設備、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和專家系統(tǒng)進行縱向集成，打破原有的五級架構；橫向上將能源各個專業(yè)，如燃氣、供電、發(fā)電、給水、制氧等進行融合，通過機理+大數(shù)據(jù)+知識圖譜三驅動模型進行能源流的分析、預測和多介質耦合優(yōu)化，實現(xiàn)能源介質之間系統(tǒng)化的平衡優(yōu)化；從企業(yè)縱深角度，通過系統(tǒng)間的協(xié)同生產(chǎn)計劃、設備檢修、調度、財務、銷售等各類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)能源和鋼鐵產(chǎn)品綜合價值最優(yōu)化；從而在三個維度上建立了一套完整的多時空、 多維度的立體管控體系，為鋼鐵行業(yè)能源的智能化管控探索了一條切實可行的新路線、新局面。