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1背景

本案例以河南省最大的鋼鐵企業(yè)安陽(yáng)鋼鐵（以下簡(jiǎn)稱(chēng)安鋼）為場(chǎng)景，以構建鋼鐵行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為契機，先行對包括煤氣/蒸汽/壓空等介質(zhì)進(jìn)行數字化監控與智能化調度升級改造，開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足安鋼場(chǎng)景的能源資源智能化平衡調配相關(guān)應用功能，從而推動(dòng)安鋼在能源資源運營(yíng)有效性方面得到顯著(zhù)提升。

2案例實(shí)施與應用

2.1總體概況

圖1安鋼智慧能源管控平臺分布實(shí)施規劃

結合安鋼智能制造升級規劃，本案例是立足于“鋼鐵工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺搭建”為契機，以能源資源配置優(yōu)化、能源運行管控能力提升為宗旨，設計開(kāi)發(fā)基于精益運營(yíng)規則、源于大數據建模驅動(dòng)、采取自主策略推送的智能化運行調度管理系統，即“能源智能導航系統”作為“安鋼智慧能源管控平臺”第一階段實(shí)施目標。

2.2實(shí)現目標

（1）構建鋼鐵行業(yè)特質(zhì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺：以安鋼場(chǎng)景工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺搭建作為實(shí)踐對象，形成可滿(mǎn)足鋼鐵企業(yè)業(yè)務(wù)需求的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺；

（2）研發(fā)基于平臺3個(gè)智能平衡子系統：研發(fā)滿(mǎn)足安鋼能源運行調度業(yè)務(wù)智能化升級的智能導航系統，第一階段包括煤氣/壓縮空氣/蒸汽智能平衡子系統，未來(lái)可移植其他能介；

（3）連接>50套設備+采集>5000個(gè)數據：對安鋼場(chǎng)景包括焦化、燒結、高爐等機組設備實(shí)施包括能源、設備狀態(tài)、關(guān)鍵工藝參數等數據采集與信息共享；

（4）設計>50個(gè)適用鋼鐵場(chǎng)景工業(yè)模型：運用AI分析方法和大數據挖掘等技術(shù)，建立能源算法模型庫，設計支持能源運行智能導航的各類(lèi)工業(yè)模型。

2.3應用技術(shù)

能源智能導航系統是以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構、新IOT、數孿定義、三維漫游、AI模型等新技術(shù)為基礎設計研發(fā)的，具體如下：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構技術(shù)、多元多流信息采集技術(shù)、平臺數據重構技術(shù)、場(chǎng)景實(shí)例數孿定義技術(shù)、數孿三維漫游技術(shù)、異常感知規則引擎技術(shù)、動(dòng)態(tài)根因分析技術(shù)、大數據挖掘技術(shù)、基于狀態(tài)感知的預測技術(shù)、干預與應急雙重響應技術(shù)、過(guò)程運營(yíng)精益分析技術(shù)、跨介質(zhì)/工序協(xié)同與聯(lián)動(dòng)技術(shù)、策略自主推送信息導航技術(shù)、運營(yíng)執行追蹤引擎技術(shù)。上述部分技術(shù)是以業(yè)務(wù)規則精益化梳理+運營(yíng)數據挖掘相結合的高階運營(yíng)分析，既體現了依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)強大的信息互聯(lián)與共享能力，同時(shí)凸顯了源于業(yè)務(wù)知識高度提煉后的模型化設計及數據實(shí)時(shí)驅動(dòng)的新設計理念。

2.4總體架構

項目采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構技術(shù)，搭建安陽(yáng)鋼鐵能源智能導航系統所需要的開(kāi)發(fā)環(huán)境與相關(guān)智能應用的運行環(huán)境，具體軟件架構如圖2所示。

圖2智慧能源管控平臺頂層架構設計

基于安鋼能源數字化升級整體規劃，本例涉及的能源智能導航系統主要功能如圖3所示（橘色背景）。

圖3 系統主要功能模塊

2.5應用設計

（1）以重構的業(yè)務(wù)管控流程設計功能支持為高度數字化呈現能源運行調度業(yè)務(wù)，同時(shí)最大化以軟件信息能力+算力算法替代人工的智能化操作為目標，對安鋼的運行調度流程實(shí)施管控模式和執行流程上的梳理與重構，即以“信息收集-->狀態(tài)感知-->異常識別-->誘因分析-->策略推送（策略設計-->角色推送）-->執行跟蹤-->統計分析”的運行管控閉環(huán)流程，設計調度指令從產(chǎn)生到下達全過(guò)程信息化、數字化、智能化的功能支持。

圖4智能化調度業(yè)務(wù)流程圖

（2）基于角色設計定制功能及系統運行邏輯

·結合安鋼組織架構和業(yè)務(wù)從屬關(guān)系，按運行調度管理職責和角色，設計從能源運行調度到機組主操的自上而下的業(yè)務(wù)邏輯與信息流，即服務(wù)于公司全員的“企業(yè)全景導航”->服務(wù)于能源運行/調度為主的“單介質(zhì)全網(wǎng)監控”->服務(wù)于生產(chǎn)廠(chǎng)部調度為主的“全廠(chǎng)能效監控”->服務(wù)于設備主操為主的“單體設施智慧監屏”，如圖5所示。

圖5系統功能框架及運行示意圖

·按角色和業(yè)務(wù)管理需要，實(shí)施功能定制化和通用性設計，如圖6所示。

所有角色-企業(yè)能效導航大屏

廠(chǎng)部調度-XX廠(chǎng)級運行智慧監屏

煤氣調度-煤氣全網(wǎng)監控

氣柜主操-煤氣柜運行智慧監屏 

圖6分角色定制化設計功能畫(huà)面

（3）植入精益理念和運營(yíng)工具的能效高階分析

·設計動(dòng)態(tài)異常感知+誘因分析的根因分析引起以精益運營(yíng)視角審視安鋼能源系統運行場(chǎng)景，提煉挖掘系統異常影響因素，構建根因邏輯分析架構，實(shí)施從“系統狀態(tài)跟蹤”“產(chǎn)供用平衡分析”“工序主因分析”“影響根本因素分析”等層次和維度，向用戶(hù)推送異常誘因分析。

·支持策略執行有效性統計分析，分介質(zhì)/分周期統計策略推送條數、執行條數、未執行條數，支持明細查詢(xún)與追溯等。

3應用創(chuàng )新性、重點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題及解決思路

3.1應用創(chuàng )新性

（1）植入精益理念與運營(yíng)工具的應用加持以精益運營(yíng)視角審視安鋼能源資源調度配置運營(yíng)的有效性（如圖7所示），洞察業(yè)務(wù)管理中的價(jià)值洼地和快贏(yíng)機會(huì )，推動(dòng)調度管控機制完善、執行流程優(yōu)化。并在建模和應用研發(fā)中緊密結合精益運營(yíng)方法和輔助工具，使軟件功能充分釋放和詮釋精益運營(yíng)管控要求，極致幫助企業(yè)在能源資源的損失洞見(jiàn)、運營(yíng)高效、改善持續獲得應用服務(wù)加持。

圖7融合精益理念與工具的軟件設計

（2）采用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)架構搭載工業(yè)應用采用互聯(lián)網(wǎng)架構實(shí)施數據采集、處理、模型設計、應用前后端開(kāi)發(fā)，從下向上分為物聯(lián)數采層，數據層、模型層、數字孿生層和應用層，如圖8所示。

圖8工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構圖

（3）可通用定制的行業(yè)數字孿生體結構以安鋼場(chǎng)景為構建對象，把場(chǎng)景中各個(gè)能源系統從產(chǎn)出-消亡的生命周期、端到端業(yè)務(wù)流程、單體-多體-跨工序-跨系統的運行管理涉及的產(chǎn)線(xiàn)、機組、設備設施及其他管理要素，進(jìn)行物理世界與數字空間的虛實(shí)映射和數字化描述，形成可重用復用的數孿體（數字底座）。

圖9 鋼鐵能效場(chǎng)景數孿定義

（4）以“策略推送+信息導航”方式實(shí)施能源運行與資源調度

結合場(chǎng)景組織關(guān)系、管理流程，設計“狀態(tài)感知-異常識別-誘因分析-策略設計-策略推送-執行跟蹤-統計分析”的能源運行智能調度的管控流程。從而實(shí)現能源運行調度業(yè)務(wù)從“人工”向“信息化+智能化”升級，從“經(jīng)驗“向“規則建模+數據挖掘“轉變。

（5）建模驅動(dòng)自主異常識別與根因分析設計規則引擎，自上而下按“系統異常識別->平衡歸因分析->工序歸因分析->設備歸因分析->關(guān)鍵誘因分析”的層級，梳理設計異常表象與根本原因的從屬、因果等邏輯關(guān)系，形成各能源介質(zhì)的根因分析邏輯分析架構。

（6）采用基于預測的前饋干預+實(shí)時(shí)判斷的后饋?lái)憫碾p重模式實(shí)施動(dòng)態(tài)尋優(yōu)。

3.2重點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題

（1）能源系統供需平衡矛盾普遍突出。尤其在煤氣/蒸汽/氧氣/壓空等介質(zhì)系統，產(chǎn)用失均衡、供需欠耦合，造成的資源損失千萬(wàn)規模；

（2）對能源數據的利用停留在展示為主，確保采集數據質(zhì)量的平衡校驗、供需平衡趨勢跟蹤分析、產(chǎn)用存動(dòng)態(tài)預測基本都沒(méi)有，尤其缺少生產(chǎn)線(xiàn)關(guān)鍵設施的運行狀況、跨介質(zhì)間聯(lián)動(dòng)信息及運行異常的自主感知與分析，上述信息對于能源運行調度極為重要，是確保能介高質(zhì)量生產(chǎn)供應的必要前提；

（3）能源資源缺乏標準化的時(shí)效最優(yōu)配置和柔性調度能力?，F有能源系統無(wú)法支持專(zhuān)業(yè)人員持續、準確地實(shí)施能源資源最優(yōu)配置，尤其是運行中缺乏實(shí)時(shí)輔助決策類(lèi)信息，引發(fā)包括響應調節延遲、運行操控隨意、調節精度偏差大、甚至出現資源配置錯位等系列系統運行問(wèn)題。

3.3解決思路

為解決安鋼現有無(wú)法全網(wǎng)可視化、全流程信息斷鏈、系統供需平衡失耦、跨工序協(xié)同效率低、資源配置不合理等問(wèn)題，需要對現有能源調度的業(yè)務(wù)流程、管控模式、運行機制、功能支持等方面予以改善和解決，具體設計思路如下：

（1）梳理企業(yè)能源計量配置現狀，結合未來(lái)業(yè)務(wù)藍圖補充完善能源計量表具，確保能源計量數據達到軟件所需要求。

（2）以安鋼場(chǎng)景能效運行管控所涉及的對象包括產(chǎn)線(xiàn)、機組、設備等為對象，進(jìn)行數字孿生體設計，形成可重用、復用的數孿框架（實(shí)例、參數等），以支持軟件研發(fā)。

（3）開(kāi)展多元多態(tài)數據采集，按“能源流、價(jià)值流、物質(zhì)流、設備狀態(tài)”等維度對數據進(jìn)行分類(lèi)采集和清洗處理，并逐步形成具有場(chǎng)景特質(zhì)的能源大數據。

（4）對能介運行與平衡規則進(jìn)行精益化梳理，及通過(guò)訪(fǎng)談和觀(guān)察方式獲取現場(chǎng)技術(shù)人員的經(jīng)驗知識和操作習慣（準確的），形成支持應用軟件運行的異常識別/觸發(fā)引擎、根因分析邏輯、策略規則配置等標準文件。

（5）引用新技術(shù)、融合新理念、采用新模式實(shí)施企業(yè)能源運行調度。

以自動(dòng)策略推送替代人工經(jīng)驗指令的能源運行調度管控新模式，并按“信息獲取-狀態(tài)感知-異常識別-誘因分析-策略推送-執行跟蹤-統計分析”管控模式設計智能化調度功能框架，將原有過(guò)度依賴(lài)人工經(jīng)驗判斷和操作的業(yè)務(wù)予以替代，達到能介系統運行的過(guò)程可監視、異?？勺R別、原因可分析、尋優(yōu)策略化、結果可評價(jià)的管控效果，如圖10所示。

圖10現有與未來(lái)調度業(yè)務(wù)對比

（6）植入精益思想設計應用功能

·采用以“產(chǎn)用存預測”為前提的前饋干預，及“實(shí)時(shí)異?！睘橐罁膽ろ憫?，實(shí)施雙重異常判斷+尋優(yōu)推送，以保證系統異常時(shí)的預防性?xún)?yōu)化及應激式補救；

·梳理提煉并行形成跨工序/跨介質(zhì)間的聯(lián)動(dòng)機理、協(xié)同關(guān)系，包括：（轉煤）煤氣回收-柜容-使用三聯(lián)動(dòng)、（鍋爐）煤氣-蒸汽-發(fā)電三聯(lián)動(dòng)、熱風(fēng)爐/加熱爐工藝變化與緩沖的聯(lián)動(dòng)、余熱回收-供熱-發(fā)電三聯(lián)動(dòng)，促進(jìn)系統資源總體優(yōu)化；

·關(guān)注焦爐、熱風(fēng)爐、轉爐、加熱爐等關(guān)鍵設備的生產(chǎn)工藝變化，確保狀態(tài)可追蹤、可理論預判，為能源預測、平衡判斷、能效分析提供關(guān)鍵信息支持；

·追蹤評估包括熱風(fēng)爐/轉爐工藝節拍均衡性，在全景可視化的基礎上，構建集群優(yōu)化模型支持多機組聯(lián)調群控，挖掘熱風(fēng)爐/轉爐工藝變化時(shí)能源使用特點(diǎn)及對煤氣管網(wǎng)、轉煤/蒸汽回收等影響，為分析、預測及策略設計提供信息支持；

·按時(shí)效利潤最優(yōu)理念對能介資源配置的合理性、價(jià)值化進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，確保能源向高附加值業(yè)務(wù)鏈流動(dòng)、高質(zhì)高用品級對等、減少能源轉換損失。

（7）基于角色設計分級管控機制與功能對企業(yè)能源業(yè)務(wù)涉及的角色、崗位、管理要素、控制要求，進(jìn)行結構化剖析和合理性辨識，以此設計基于崗位角色的定制化業(yè)務(wù)功能推送，策略自上而下推送分解、措施自下而上實(shí)施疊加，如圖11所示。

圖11 基于角色設計分級管控機制

（8）系統具備較強的靜態(tài)可配置性和業(yè)務(wù)可擴展性?？紤]到能源系統隨業(yè)務(wù)和工藝系統不斷擴展或改變的特點(diǎn)，支持用戶(hù)通過(guò)靜態(tài)參數、配置文件實(shí)現能源業(yè)務(wù)的升級和擴展。

4實(shí)現效益

4.1直接經(jīng)濟效益

（1）降低高/焦煤氣趨于“零”放散，提高轉爐煤氣回收量2～3m3/t；

（2）增加余熱回收，提高余熱發(fā)電量8～10%；

（3）減少資源排放損失，降低空壓機綜合電耗3～5kWh/km3；

（4）立足單體能效提升與集群組合最優(yōu)，支持窯爐數字運營(yíng)，撬動(dòng)爐窯節能降本>10%；

（5）實(shí)現能源運行管理模式創(chuàng )新，管控效率提升5%以上。

4.2間接經(jīng)濟效益

（1）收窄管網(wǎng)波動(dòng)10%～15%，改善能介供應品質(zhì)，促進(jìn)產(chǎn)線(xiàn)提質(zhì)增產(chǎn)；

（2）均衡轉爐冶煉節拍，優(yōu)化轉爐冶煉節奏，提高轉爐產(chǎn)量；

（3）源于節能降碳，促進(jìn)碳資產(chǎn)增值。

4.3隱性管理價(jià)值

（1）能源大數據構建，形成同標準的能源流與設備狀態(tài)、工藝參數、生產(chǎn)物流等數據匯集，為后續企業(yè)數字化升夯實(shí)數據基礎。

（2）全景數孿定義可復用，采用數字孿生技術(shù)，定義的場(chǎng)景數孿體可實(shí)現未來(lái)工業(yè)場(chǎng)景應用開(kāi)發(fā)的重用復用，提高便捷性。

（3）經(jīng)驗知識傳承，基于運行規則梳理，能源管理知識、操控經(jīng)驗、專(zhuān)家知識提煉形成模型化功能，有助于知識傳承與持續改進(jìn)。

（4）跨部門(mén)協(xié)同效率提升，促進(jìn)多部門(mén)協(xié)同控制目標一致、措施同軸、效果同向及響應及時(shí)，提升能源管理整體效率。

（5）調度角色一崗多專(zhuān)，系統將運行規則、經(jīng)驗、知識等模型化，依據推送策略組織能源調度，降低了調度人員從業(yè)的專(zhuān)業(yè)門(mén)檻和領(lǐng)域壁壘。

5案例意義

（1）案例通過(guò)對企業(yè)能效精益運營(yíng)改善和工業(yè)能效APP賦能運營(yíng)的深度結合，采取“共性提煉+特質(zhì)定制”的落地路線(xiàn)，對基礎工業(yè)的適用性和復用性極強；

（2）本案例涉及到的問(wèn)題點(diǎn)，屬于鋼鐵行業(yè)普遍共性問(wèn)題，因此在安鋼實(shí)施后具有較好的社會(huì )推廣價(jià)值；

（3）鑒于能源管控原理和指導思想方面存在異曲同工的情況，因此本項目具備跨行業(yè)推廣性。即不僅適合鋼鐵行業(yè)，還適合于有色、石油、化工、園區等大型流程行業(yè)的能介系統智能平衡調配。A

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年8月刊