作者：吉林通化網(wǎng)航信息技術(shù)股份有限責任公司 王樹(shù)強，胡明，王君海，宋書(shū)龍

    摘要：本文通過(guò)對通化鋼鐵集團股份有限公司的“能源平衡自動(dòng)化控制系統項目”的設計及實(shí)施，按照可持續發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟理念，提高環(huán)境保護和資源綜合利用水平，節能降耗。最大限度地提高氧氣、煤氣、蒸氣、電力的綜合利用水平，力爭實(shí)現“零排放”，建立循環(huán)型鋼鐵企業(yè)。使中小型鋼鐵企業(yè)有效利用生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的剩余氧氣、煤氣、蒸氣，減少放散，提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

   關(guān)鍵詞：鋼鐵行業(yè)；自動(dòng)化；能源平衡；循環(huán)經(jīng)濟

    1 前言

    所謂能源平衡即合理利用現有能源，減少浪費，協(xié)調能源分配，實(shí)現能源的相對平衡，從而達到節約能源，降低生產(chǎn)成本的目的。能源平衡對能耗型企業(yè)意義尤為重大。

    我國加人WTO后，鋼鐵工業(yè)面臨著(zhù)產(chǎn)品質(zhì)量、價(jià)格和售后服務(wù)上激烈的競爭。節能降耗、降成本是鋼鐵企業(yè)提高市場(chǎng)競爭力的最重要手段之一。國內外鋼鐵企業(yè)十分重視企業(yè)的節能工作，充分利用已開(kāi)發(fā)出來(lái)的各項新技術(shù)、新設備、新方法來(lái)最大限度地在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現回收余熱余能，達到能源平衡控制，在有條件的情況下，形成能源控制自動(dòng)化，減少煤氣放散等能源浪費。

    據統計，近年來(lái)世界鋼鐵工業(yè)能源消耗占世界總能耗的10％左右，我國鋼鐵工業(yè)總能耗也占全國總能耗的10％左右。根據冶金重點(diǎn)企業(yè)統計匯總能源消耗情況進(jìn)行計算得出，各主要工序能耗占鋼鐵工業(yè)總能耗的比例見(jiàn)表1。

                                        表1 鋼鐵企業(yè)工序能耗比例表
               
      
    從表1可看出鐵系統的能耗占鋼鐵工業(yè)總能耗的61.43％，其次為電爐和軋鋼，分別為20.82％和9.40％。

    日本新日鐵鋼鐵公司的余熱余能回收利用率已達到92％以上，其企業(yè)能耗占成本的比例是14％。我國寶鋼的余熱余能回收率在68％，其能耗占生產(chǎn)成本的20％，我國大多數鋼鐵企業(yè)的余熱余能回收利用率在30％~50％，其能耗占生產(chǎn)成本的30％~45％。我國重點(diǎn)企業(yè)的能耗要比國外先進(jìn)企業(yè)的能耗高出30％以上，最高的企業(yè)達1295Kg/t。這說(shuō)明，我國鋼鐵企業(yè)節能潛力巨大。

    近年來(lái)，信息技術(shù)的發(fā)展為企業(yè)提供了全新的能源控制技術(shù)，即將信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、現場(chǎng)工藝技術(shù)充分融合，形成網(wǎng)絡(luò )化的能源平衡控制框架，使能源在線(xiàn)管理和能源實(shí)現平衡成為可能。

    我國只有少數幾個(gè)大型鋼鐵企業(yè)引進(jìn)了能源平衡控制自動(dòng)化系統，耗資上億元人民幣，多數中小規模的企業(yè)在能源平衡控制自動(dòng)化系統建設方面還是空白。通鋼作為我國一家大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，能源管理自動(dòng)化水平比較低，能耗指標較先進(jìn)水平差距較大，針對這一情況，吉林通化網(wǎng)航信息技術(shù)股份有限責任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)通化網(wǎng)航）針對中小規模鋼鐵企業(yè)研發(fā)并應用通鋼能源平衡控制自動(dòng)化系統，在能源平衡系統方面做了一些有益的嘗試，本文將根據我公司實(shí)施通鋼能源平衡系統的具體情況，詳細闡述本套系統的實(shí)施過(guò)程、工作原理及使用后的成效，以期對中小規模冶金企業(yè)能源平衡系統的建設起到借鑒作用。

    2 能源平衡系統構架

    鋼鐵企業(yè)普遍存在能源消耗大，循環(huán)再利用不足，能耗指標偏高，使產(chǎn)品成本難以得到改善，在市場(chǎng)競爭中往往處于劣勢。利用自動(dòng)化、信息化、工藝控制三項技術(shù)的深入結合，改善能源消耗指標，循環(huán)再利用成為新的經(jīng)濟形式下的主題。

    能源平衡系統實(shí)現鋼鐵企業(yè)主要能源：煤氣、蒸氣、氧氣、電力平衡自動(dòng)控制系統開(kāi)發(fā)；進(jìn)行通用性改造，實(shí)現總體能源自動(dòng)控制系統的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化；解決大型企業(yè)能源控制軟件不適合中小型企業(yè)的問(wèn)題。

    基本結構如圖1所示。系統架構如圖2所示
 
                     
                                                        圖1 能源平衡系統結構圖

    企業(yè)信息化一般由三部分內容組成：ERP（企業(yè)資源計劃）系統、MES（制造執行）系統、PCS（過(guò)程控制）系統，而鋼鐵企業(yè)由于流程復雜，其信息化應用被公認為最為復雜和困難的，如圖3所示。能源平衡控制自動(dòng)化系統是MES和PCS兩個(gè)層面應用的重要組成。

    其中，ERP主要根據企業(yè)的人、財、物各種資源的狀況和產(chǎn)、供、銷(xiāo)各個(gè)環(huán)節的信息，對生產(chǎn)進(jìn)行合理有效的計劃、組織，使生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)協(xié)調有序地進(jìn)行，并對企業(yè)的戰略計劃進(jìn)行決策；
       
                         
                                     圖2 通鋼能源平衡系統框架圖  

                                  

                                   圖3 企業(yè)信息化系統流程圖

    MES則根據ERP系統下達的合同計劃，通過(guò)生產(chǎn)調度、生產(chǎn)統計、成本控制、物料平衡和能源管理過(guò)程組織生產(chǎn)，并將信息加以采集、傳遞和加工處理，及時(shí)呈報ERP系統；

    PCS系統根據MES下達的生產(chǎn)指令進(jìn)行各工序的過(guò)程控制，設定各種設備的具體動(dòng)作參數，進(jìn)行各種模型計算和控制計算，同時(shí)收集執行過(guò)程中的實(shí)時(shí)數據上傳MES和ERP系統。MES層起到承上啟下的作用，能源平衡控制系統絕大多數功能突出體現在MES層次。

    由于鋼鐵企業(yè)工序繁多，工序間能量轉換、物料轉換復雜，生產(chǎn)組織受各種因素影響，計劃變更頻繁，節能工作也相對復雜。

    據分析，國內外現代化鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中可回收利用的余熱余能，一般占能源消耗量的7％，其總能耗成本約占其鋼鐵產(chǎn)品成本的20％左右。

    網(wǎng)航能源平衡系統共分四個(gè)部分：數據平臺、能源平衡專(zhuān)家系統、物理隔離系統、操作界面。

    2.1 數據平臺

    由采集層、傳輸層、管理層及數據挖掘構成。

    （1）采集層

     包括智能一次表和二次表。多個(gè)模擬信號輸出的流量一次表將其信號傳到數據采集器中（個(gè)別二型一次表須加轉換器，以便輸出4~20mA信號），變成一路數字信號進(jìn)傳輸層。某些參數還須作補償后方可變成數字信號進(jìn)傳輸層。電量檢測則由智能電能表直接輸出數字信號進(jìn)數據采集分站。

    （2）傳輸層

    由采集層來(lái)的各路串行信號上行數據有的直接經(jīng)雙絞線(xiàn)到數采分站的計算機中去，經(jīng)數采分站計算機處理后的數據有的經(jīng)專(zhuān)線(xiàn)直傳系統數據服務(wù)器。經(jīng)過(guò)專(zhuān)家系統生成的操作數據（OD）經(jīng)由傳輸系統，傳遞至設備PLC，設備動(dòng)作，完成能源平衡所需的設備操作。

    傳輸層示意圖如圖4所示。
  
                   
                                        圖4 傳輸層示意圖

   （3）管理層

    數據管理層由服務(wù)器和工作站來(lái)控制，服務(wù)器負責現場(chǎng)數據處理，實(shí)現數據共享。工程師工作站，用于對現場(chǎng)儀表進(jìn)行維護，如累計量清理等。對數采分站中軟件進(jìn)行維護。

    采用IDATA分布式實(shí)時(shí)數據庫，它具有OPC接口能力，可提供ORACLE數據庫支持。結合BO的數據挖掘和數據展現功能，實(shí)現網(wǎng)上發(fā)布，各個(gè)授權客戶(hù)可網(wǎng)上瀏覽有關(guān)數據和曲線(xiàn)。

    IDATA Server是IDATA實(shí)時(shí)數據庫的核心，主要功能是對實(shí)時(shí)數據和歷史數據進(jìn)行存儲管理，與其它模塊進(jìn)行通訊，支持各種應用對數據的訪(fǎng)問(wèn)，設置組態(tài)信息和對用戶(hù)權限進(jìn)行控制管理。

     設備數據接口CIMIO Server ，是實(shí)時(shí)數據庫與各種設備和應用進(jìn)行數據通訊的接口。它從各種設備獲取實(shí)時(shí)數據，并將數據傳送給IDATA Server進(jìn)行管理。同時(shí)，通過(guò)它可以與多種實(shí)時(shí)數據庫系統和關(guān)系型數據庫實(shí)現雙向數據交換。

    IDATA的工作流程和各模塊之間關(guān)系如圖5所示。
   
                     
                            圖5 IDATA的工作流程和各模塊之間關(guān)系示意圖

    IDATA服務(wù)器接收并管理各采集站采集的實(shí)時(shí)數據，響應客戶(hù)端對實(shí)時(shí)數據和歷史數據的查詢(xún)，保證數據的真實(shí)性、完整性，提高了磁盤(pán)的利用率，保證了對客戶(hù)端的請求作出快速響應。IDATA數據庫中的數據不僅可用于生產(chǎn)現場(chǎng)監控、計劃調度、工藝改進(jìn)、事故分析，同時(shí)還可以將數據傳送至關(guān)系型數據庫中，為廠(chǎng)領(lǐng)導及相關(guān)管理部門(mén)服務(wù)。在IDATA的支持下，可實(shí)現裝置的先進(jìn)控制、流程模擬、優(yōu)化、計劃、專(zhuān)家系統等。服務(wù)器操作系統平臺可以采用UNIX或Windows Server，在服務(wù)器上安裝有實(shí)時(shí)數據庫的IDATA Server和CIMIO Server兩個(gè)模塊。

    設備接口CIMIO主要功能是與DCS、PLC和數據庫系統交換數據。與各種關(guān)系數據庫（Oracle、DB2、Sybase、MS SQLServer）雙向交換數據。
  
                       
                                            圖6 CIMIO數據流圖

    （4）數據挖掘系統

     數據挖掘就是從數據中發(fā)現知識和尋找規律，并用它們指導生產(chǎn)或管理，提高效益。由于現實(shí)世界中產(chǎn)生的數據都是復雜數據，其復雜性表現為：非線(xiàn)性、多因子、高噪聲、非高斯分布、非均勻分布以及自變量相關(guān)。數據挖掘從挖掘任務(wù)和挖掘方法的角度劃分為數據總結、分類(lèi)發(fā)現、聚類(lèi)和關(guān)聯(lián)規則發(fā)現四種非常重要的組成部分。

    數據總結

    數據總結目的是對數據進(jìn)行濃縮,給出它的緊湊描述。數據挖掘主要關(guān)心從數據泛化的角度來(lái)討論數據總結。

    分類(lèi)發(fā)現

   分類(lèi)在數據挖掘中是一項非常重要的任務(wù),目前在商業(yè)上應用最多。分類(lèi)的目的是學(xué)會(huì )一個(gè)分類(lèi)函數或分類(lèi)模型(也常常稱(chēng)作分類(lèi)器)，該模型能把數據庫中的數據項映射到給定類(lèi)別中的某一個(gè)。

   聚類(lèi)

   聚類(lèi)是把一組個(gè)體按照相似性歸成若干類(lèi)別，即“物以類(lèi)聚”。它的目的是使得屬于同一類(lèi)別的個(gè)體之間的距離盡可能的小，而不同類(lèi)別上的個(gè)體間的距離盡可能的大。聚類(lèi)方法包括統計方法、機器學(xué)習方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法和面向數據庫的方法。

     關(guān)聯(lián)規則發(fā)現

    關(guān)聯(lián)規則發(fā)現的主要對象是事務(wù)型數據庫，其中針對的應用則是售貨數據，也稱(chēng)貨籃數據。

   2.2 能源平衡專(zhuān)家系統

   能源平衡專(zhuān)家系統利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，部分改善生產(chǎn)過(guò)程控制和提高產(chǎn)品質(zhì)量，還將徹底改變技術(shù)復雜性。經(jīng)過(guò)充分實(shí)踐，研發(fā)出能源平衡數學(xué)模型，包括：煤氣平衡數學(xué)模型，氧氣平衡數學(xué)模型，蒸汽平衡數學(xué)模型，電力平衡數學(xué)模型，極限溫度控制數學(xué)模型。能源專(zhuān)家系統接收數據后，數學(xué)模型計算出操作數據。

   2.3 物理隔離系統

   物理隔離指網(wǎng)絡(luò )不得直接或間接聯(lián)入非指定地址網(wǎng)絡(luò )。主要用于工業(yè)控制網(wǎng)和政府內部網(wǎng)的安全保護，在技術(shù)上確保各網(wǎng)絡(luò )之間互不影響。

   2.4 操作界面

   系統采用B/S結構，操作界面友好，界面系統與瀏覽器實(shí)現無(wú)縫集成，提供界面鎖定等安全功能。操作界面允許用戶(hù)自定義擴展功能，加入第三方應用。

    3 能源平衡系統效果

   3.1 實(shí)施能源平衡系統的過(guò)程

   根據通鋼能源生產(chǎn)及使用的總體分布結構，并充分考慮現場(chǎng)實(shí)際情況，前端數據采集部分根據實(shí)際情況盡量采用原有的壓力傳感器、流量計、溫度計等一次儀表，用配電器進(jìn)行信號隔離、分配；信號數模轉換、處理采用穩定性及可靠性俱佳的西門(mén)子S7-300系列PLC；信號傳輸主干采用通鋼信息網(wǎng)絡(luò )原有的光纜；控制信號傳輸采用帶屏蔽專(zhuān)用控制電纜，保證控制信號的準確傳輸；中央控制部分在網(wǎng)航網(wǎng)絡(luò )中心機房建立能源中心站服務(wù)器，使用專(zhuān)用工業(yè)組態(tài)軟件組態(tài)王結合SQL2000數據庫軟件，使得能源中心站能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)信息管理系統控制，采用計算機實(shí)時(shí)顯示系統信息，記錄歷史數據，并適時(shí)根據具體情況報警、提示；在一段時(shí)間的使用及磨合之后，建立能源平衡專(zhuān)家系統，參與能源的管理、調配，科學(xué)組織生產(chǎn)。
  
                        
                                    圖7 煤氣控制系統示意圖

    3.2 能源平衡系統實(shí)施取得的效益

    氧氣在線(xiàn)管理系統投入運行以來(lái)，系統運行正常，氧氣壓力的調整時(shí)間也由過(guò)去的40分鐘～4個(gè)小時(shí)縮短到5～7分鐘，收到了明顯的效果。噸鋼綜合氧氣單耗（含煉鐵用氧）90.66立方米，比以往同期降低3.71立方米，全年降低氧氣消耗5426237立方米，年降低生產(chǎn)成本（5426237立方米×0.85元/立方米）＝4612302元。煤氣平衡系統實(shí)現管網(wǎng)控制，每年實(shí)現綜合經(jīng)濟效益近2500萬(wàn)元。
  
                        
                                    圖8 氧氣平衡系統示意圖

    4 結束語(yǔ)

    鋼鐵工業(yè)開(kāi)展節能工作要系統節能，而不能各工序單打一的簡(jiǎn)單考慮。系統節能的思路是，實(shí)現管理節能、技術(shù)節能、結構節能并舉，達到以較少的資金投入，實(shí)現最大的節能效果和經(jīng)濟效益。建立和完善企業(yè)的能源控制和管理系統，對企業(yè)各工序生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監控，進(jìn)行故障分析診斷、能源平衡預測，利用系統運行優(yōu)化、專(zhuān)家系統、高速采集數據和及時(shí)分析、歸檔處理，實(shí)現能源系統的分散控制、集中管理。管理節能可為企業(yè)創(chuàng )出節約總能耗的5％。

    能源平衡系統實(shí)施的效果不僅僅體現在經(jīng)濟效益上，更重要的是體現在企業(yè)管理手段和管理水平以及社會(huì )效益上，它解決了產(chǎn)品產(chǎn)量與能源消耗調整中的難題，可以大幅減緩產(chǎn)品產(chǎn)量與能源消耗之間的階段性不平衡問(wèn)題，從根本上解決了能源管理中的現場(chǎng)盯、看、守的管理模式，一改舊的管理模式為網(wǎng)絡(luò )在線(xiàn)管理模式，管理模式的轉變，帶來(lái)了管理上的進(jìn)步和飛躍，使能源消耗型企業(yè)管理水平登上了一個(gè)新臺階，走上了可持續發(fā)展之路。

    王樹(shù)強（1971-）

    1993年畢業(yè)于北京科技大學(xué)冶金專(zhuān)業(yè)，現任吉林通化網(wǎng)航信息技術(shù)股份有限責任公司總經(jīng)理。

    胡 明（1975-）

    1999年畢業(yè)于長(cháng)春工程學(xué)院計算機工程專(zhuān)業(yè)，現任吉林通化網(wǎng)航信息技術(shù)股份有限責任公司工控分公司工程師。

    王君海（1970-）

    現任吉林通化網(wǎng)航信息技術(shù)股份有限責任公司副總經(jīng)理。

    宋書(shū)龍（1970-）

    造價(jià)師，高級工程師，1992年畢業(yè)于東北師范大學(xué)數學(xué)系電子工程專(zhuān)業(yè)，現就職于吉林通化網(wǎng)航信息技術(shù)股份有限責任公司。   

    摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第四期