墻新奇

（寶鋼集團八鋼公司能源中心）

1 前言

《中國制造2025》是我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領，其中以智能制造為突破口和主攻方向，推動制造業(yè)轉型升級。寶武集團作為鋼鐵行業(yè)的龍頭，積極貫徹落實國家戰(zhàn)略，確定“以智慧制造為重要手段，推動集團公司的轉型升級”。

離散型制造業(yè)（如汽車制造、電子企業(yè)和服裝企業(yè)等）已形成比較成熟的智慧制造模型可供中國企業(yè)借鑒。鋼鐵企業(yè)屬于流程型制造業(yè)，智慧制造以MES系統(tǒng)為核心，成功的經(jīng)驗不多，還需要探索和創(chuàng)新。

鋼鐵企業(yè)中的能源部分又與鋼鐵主流程不同，有自己的特點且專業(yè)多、體量大，與主流程關聯(lián)性強，另外能源部分是鋼鐵行業(yè)中與主流程相對差別較大的部分；鋼鐵企業(yè)的能源部分又與面向外部市場和用戶的能源公司有很大區(qū)別，故智慧能源的功能定位和實現(xiàn)途徑也有很大不同［1］；智慧能源是鋼鐵企業(yè)智慧制造重要的組成部分，應視為“關鍵核心技術”重點關注，使之成為企業(yè)核心競爭力的重要組成。為此，對八鋼能源系統(tǒng)建設智能指揮系統(tǒng)提出構想。

2 智能能源指揮系統(tǒng)的構建

八鋼智慧能源系統(tǒng)以智能能源指揮系統(tǒng)為核心構建而成，智能能源指揮系統(tǒng)的基礎是基本建成的“能源管理系統(tǒng)”（EMS），在EMS的基礎上進行功能拓展和延伸。智能能源指揮系統(tǒng)結構如圖1所示。

（1）增加物料計量系統(tǒng)的接入，主要用于物料能源（煤、焦炭等）信息管理，用于能源的平衡、能源利用轉換效率統(tǒng)計分析等，彌補EMS缺少物料能源信息管理的缺失［2］。

（2）EMS能源基礎管理功能拓展，增加物料能源信息的計劃和實績管理等。

（3）增加異常信息模塊，用于不能通過相關信息系統(tǒng)直接獲取的異常信息的管理（如天氣變化等異常信息的收集、傳送等），還能用于管理和傳送非EMS系統(tǒng)產生的其他信息（如臨時性的指令等）。

（4）增加“智能能源決策子系統(tǒng)”，主要用于根據(jù)內外部信息，智能選擇最優(yōu)的能源生產、轉換、分配、使用策略。

（5）增加幾個能源監(jiān)控中心，主要用于“智能能源決策子系統(tǒng)”下達的控制、調度指令的自動執(zhí)行、信息反饋和臨時性的干預。

（6）增加應急操作的檢測、控制裝置，用于應急事件啟動后的作業(yè)和監(jiān)控。

（7）完善三級計量裝置，以便于對各工序內部能源使用的精準掌控［3］。

（8）增加效能分析模塊，主要用于動態(tài)監(jiān)視重要的“主要能源使用”設備或設施的“能源效率”，以便及時警示和干預，對改進能源績效管理的控制策劃方案動態(tài)監(jiān)控［4］。

（9）增加對主工藝系統(tǒng)的信息推送功能，由單向數(shù)據(jù)傳送改為雙向數(shù)據(jù)傳送，用于應急指令快速下達、用能異常的警示等。

圖1 智能能源指揮系統(tǒng)結構示意圖

3 智能能源決策子系統(tǒng)

傳統(tǒng)的能源生產組織和經(jīng)濟性運行依賴于崗位人員的操控，能源系統(tǒng)的工作效能受到人員素質和能力的制約，具有自我學習能力的“智能能源決策子系統(tǒng)”的建立將逐漸改變傳統(tǒng)的生產組織模式，提高能源管控的效率和精度。“智能能源決策子系統(tǒng)”的功能結構示意圖如圖2所示。

圖2 智能能源決策子系統(tǒng)結構示意圖

3.1 “智能能源決策子系統(tǒng)”正常決策

通過生產、設備等系統(tǒng)獲得的信息和能源系統(tǒng)單位消耗信息集合，按系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(yōu)的原則生成動態(tài)的能源計劃；“能源決策模塊”在協(xié)調內部能源各專業(yè)（按不同的能源介質及其相互之間的關聯(lián)關系）后生成“能源量訂單”，再根據(jù)訂單選擇生產組織模式，協(xié)調各專業(yè)不同機組的能源輸入、輸出及各機組的負荷，最后分解后的訂單通過各監(jiān)控中心傳送至各機組的自動控制系統(tǒng)，現(xiàn)場設備自動地生產、供應和使用各種能源介質?！澳茉礇Q策模塊”可根據(jù)各監(jiān)控中心返回的實時信息動態(tài)調整。

3.2 “智能能源決策子系統(tǒng)”異常決策

根據(jù)獲得的異常信息(安全、環(huán)境或氣候、生產、設備、消防等），按系統(tǒng)可靠性第一兼顧經(jīng)濟性的原則，基于“能源應急響應管理模塊”的預案（數(shù)字化預案庫），“能源決策模塊”自動組織能源的生產、供應和使用，人工干預作為輔助手段。

4 各監(jiān)控中心功能

各專業(yè)性或區(qū)域性監(jiān)控中心是在原能源中心各個控制系統(tǒng)的基礎上按專業(yè)或區(qū)域重新整合后形成的，現(xiàn)場各類工藝作業(yè)活動基本實現(xiàn)自動，人為干預減少，本質化安全水平提高。各監(jiān)控中心根據(jù)其專業(yè)或特點的不同，功能及組成有所不同，但應均具備數(shù)據(jù)采集、畫面監(jiān)控、手自動操作、聯(lián)鎖保護投切、報警、報表、設備點檢等主要功能。因各監(jiān)控中心高度整合由多個控制系統(tǒng)集成，為提高可靠性，減輕通訊負荷等，應采用冗余的C/S架構。

4.1 制氧集中監(jiān)控中心

制氧集中監(jiān)控中心承擔6套制氧機組（2套20000m3/h機組，4套40000m3/h機組）的監(jiān)控，另外還有3套液體后備系統(tǒng)、12套氮氣壓縮設備、8套氧氣壓縮設備、3套循環(huán)冷卻系統(tǒng)等設備。

制氧的關鍵技術集中在空氣分離裝置。目前空分裝置主要依賴于人工手動操作，空分設備是個系統(tǒng)裝置，裝置啟停、負荷調整涉及到空氣壓縮、空氣預冷、空氣凈化、膨脹制冷、換熱、液體精餾和產品送出等多個環(huán)節(jié)；每個環(huán)節(jié)又有多個參數(shù)，環(huán)節(jié)之間、參數(shù)之間存在耦合關系（部分為強耦合）；空氣分離裝置為大滯后系統(tǒng)，系統(tǒng)啟停和調整時間往往需要幾個小時到幾天時間；這一部分不能實現(xiàn)智能化，制氧工序的智慧制造就缺乏重要的支柱。

（1）空分自動變負荷技術涵蓋整套空分裝置的智能控制，可根據(jù)用戶變化的預測，自動調整，保證空分裝置快速、平穩(wěn)，可靠地從一種負荷工況過度到另一種負荷工況，同時實現(xiàn)節(jié)能的目的；空分自動變負荷技術是從一種穩(wěn)態(tài)過渡到另一種穩(wěn)態(tài)，還不能完成從停止到穩(wěn)定、穩(wěn)定到停止大幅變化的需要，“智能空分裝置”還需要將空分的啟?？刂七^程（時序較長）與自動變負荷技術（相對時序較短）相結合；“智能空分裝置”可以接受“智能能源指揮系統(tǒng)”下達的指令，自動調整負荷。

（2）產品壓縮機（氧氣壓縮機、氮氣壓縮機）的啟停和運行與空分裝置的運行密切相關，需要相應的軟硬件模塊來協(xié)同之間的關系，還能夠根據(jù)壓縮機的狀態(tài)、工作效率以及單個產品（中壓氧、低壓氧、中壓氮、低壓氮等）的用量變化等作出優(yōu)化的選擇。

（3）輔助系統(tǒng)（循環(huán)水系統(tǒng)、調壓站、高低壓配電系統(tǒng)、氣體儲存系統(tǒng)等）與空分系統(tǒng)及產品壓縮機的協(xié)同，需要另外的軟硬件模塊來實現(xiàn)。

（4）液體后備系統(tǒng)有兩種用途：一是事故應急，接受智能能源指揮系統(tǒng)下達的指令，自動啟停，所需的蒸汽等能源介質由“智能能源指揮系統(tǒng)”調配；二是用于調峰，相應的指令可由集成在輔助系統(tǒng)中的軟硬件模塊下達，自動啟停和加減負荷。

（5）完善視頻監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場重要部位不留死角。

4.2 熱力集中監(jiān)控中心

八鋼能源3個熱力集中監(jiān)控中心的作用和功能基本類似，略有差異，新區(qū)熱力監(jiān)控中心相對復雜。熱力監(jiān)控中心均包含爐（鍋爐）、機（汽輪機）、電（發(fā)電機）、水（除鹽水、循環(huán)水）、煙氣凈化（含除塵、脫硫、脫銷）等部分的集中監(jiān)控，新區(qū)6爐（含干熄焦爐）、10機、3TRT，老區(qū)3爐3機，歐冶爐2爐2機1TRT。

（1）鍋爐系統(tǒng)受燃料變化的影響（煤氣成分、熱值、壓力變化較大），以及控制系統(tǒng)本身的問題（設計為幾個單回路調節(jié)，受各種強耦合因數(shù)影響和滯后性影響較大），鍋爐運行參數(shù)波動較大，主要依靠人為的調整。因此建議新建1套優(yōu)化控制系統(tǒng)，協(xié)調燃料、引送風、給水、蒸汽等相關子系統(tǒng)的控制，穩(wěn)定爐膛壓力、鍋爐水位、蒸汽壓力和溫度等關鍵參數(shù)。

（2）鍋爐系統(tǒng)采用母管制，燃料、供水、蒸汽相互影響較大（尤其在其中1臺鍋爐異常時），需要建立1套多爐協(xié)同系統(tǒng)，智能協(xié)調本地多臺鍋爐相關參數(shù)的控制。

（3）鍋爐汽水監(jiān)督過程的人工取樣、檢化驗、加藥等工作，需要實現(xiàn)自動。

（4）鍋爐制水系統(tǒng)（生產除鹽水），人工操作、加藥等工作，需要實現(xiàn)自動。

（5）爐、機、電、水（含除鹽水和循環(huán)冷卻水）、煙氣的協(xié)同，需要1套軟硬件模塊來協(xié)作。

（6）熱力集中監(jiān)控中心可接受“智能能源指揮系統(tǒng)”下達的指令，自動調整負荷。

4.3 水系統(tǒng)監(jiān)控中心

八鋼能源水系統(tǒng)監(jiān)控中心承擔的范圍較廣，包括8個空壓站、12個熱交換站、4套污水（廢水）處理系統(tǒng)、1套軟水系統(tǒng)、1套水庫浮船系統(tǒng)、2套地表水凈化系統(tǒng)等的集中監(jiān)控。

（1）空壓站并網(wǎng)是必然趨勢，并網(wǎng)后的機組組合方式需要1套專用的軟硬件系統(tǒng)（空壓站協(xié)同控制系統(tǒng)）模塊來協(xié)調，離心機為主力機組、螺桿機作為輔助機組，接受“智能能源指揮系統(tǒng)”下達的指令，轉化指令后下達到具體的壓縮機和干燥器，自動啟停空壓機和調整負荷。

（2）熱交換站系統(tǒng)需要配套一個智能控制單元（也可并入“智能能源指揮系統(tǒng)”中），用于根據(jù)天氣溫度、濕度、風力等因素，按照供溫曲線（各站略有不同，有自修正功能），動態(tài)調節(jié)熱交換量和供給各用戶的熱量；增加各用戶使用熱量、用戶的室內溫度等檢測設備；增加各用戶使用熱量效率、效果評估模塊，用于優(yōu)化控制。

（3）浮船、凈化系統(tǒng)進行自動化改造，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，應急狀態(tài)下接受“智能能源指揮系統(tǒng)”指令，自動啟停或調整。

（4）污水（廢水）處理系統(tǒng)進行自動化改造減少人工操作和干預。

4.4 電力監(jiān)控中心

電力監(jiān)控中心承擔6個110kV變電站、11個35kV變電站、2個33kV變電站、1個22kV變電站的集中監(jiān)控。

電力監(jiān)控中心除完成EMS電力系統(tǒng)監(jiān)控改造外，暫時維持現(xiàn)狀（主要是投資較大），待條件成熟，按照“智能變電站”的標準和規(guī)范，對現(xiàn)有變電站逐一進行改造，從傳統(tǒng)變電站變?yōu)椤爸悄茏冸娬尽薄热莅ǎ阂淮尾糠值摹案邏涸O備”；二次系統(tǒng)的“繼電保護及安全自動裝置”、“變電站自動化系統(tǒng)”、“輔助控制系統(tǒng)”等［5］。

電力監(jiān)控中心在應急狀態(tài)下接受“智能能源指揮系統(tǒng)”指令，自動操作設備、投切線路；正常情況下，仍由電力監(jiān)控中心按工作票（電子工作票）的步驟操作。

5 應急響應信息傳送

5.1 信息篩選

當現(xiàn)場發(fā)生異常時，需要協(xié)調相關資源進行應急響應，其中包括人力資源。若異常信息不需要接收方響應（僅為告知類信息）則屬于無效信息，除了干擾工作與生活，沒有太多意義。因此，故必須篩選出異常信息的接收方（根據(jù)異常信息的類型、發(fā)生或影響區(qū)域等選擇接收方）。

5.2 應急響應信息平臺的搭建

應急響應信息平臺可借助于集團公司內的“寶信云”平臺、社會化的云平臺（如阿里云等）構建，基礎信息通過“智能能源指揮系統(tǒng)”專用的服務器轉發(fā)給云平臺，云平臺處理后的信息通過無線網(wǎng)絡發(fā)送應急響應信息接收方［6］。

5.3 信息接收

語音報警信息，按“應急響應信息分組”同時向多個對象（單位或人員）撥打電話，直至電話接通。

其它應急響應信息接收端設定為手機或IP固定的PC機，可以通過APP、瀏覽器、微信等方式接收或訪問相關信息。除語音信息外，信息還包括實時數(shù)據(jù)或曲線、歷史數(shù)據(jù)或曲線、事件信息、數(shù)據(jù)對比、狀態(tài)信息等以便于快速響應的信息。

6 結束語

構建智慧能源系統(tǒng)，需要自下而上，解決自動化、少人化、本質化安全等方面的問題，更需要自上而下，系統(tǒng)性地研究安全、可靠、經(jīng)濟性的能源生產和使用方式，探索鋼鐵企業(yè)綜合效率最優(yōu)的能源供用模式。系統(tǒng)性地整體策劃可以少走彎路，減少投資，加快智慧制造整體推進的進程。