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1背景

本案例以河南省最大的鋼鐵企業(yè)安陽鋼鐵（以下簡稱安鋼）為場景，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/壓空等介質進行數(shù)字化監(jiān)控與智能化調度升級改造，開發(fā)滿足安鋼場景的能源資源智能化平衡調配相關應用功能，從而推動安鋼在能源資源運營有效性方面得到顯著提升。

2案例實施與應用

2.1總體概況

圖1安鋼智慧能源管控平臺分布實施規(guī)劃

結合安鋼智能制造升級規(guī)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，設計開發(fā)基于精益運營規(guī)則、源于大數(shù)據(jù)建模驅動、采取自主策略推送的智能化運行調度管理系統(tǒng)，即“能源智能導航系統(tǒng)”作為“安鋼智慧能源管控平臺”第一階段實施目標。

2.2實現(xiàn)目標

（1）構建鋼鐵行業(yè)特質工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺：以安鋼場景工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺搭建作為實踐對象，形成可滿足鋼鐵企業(yè)業(yè)務需求的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺；

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

（3）連接>50套設備+采集>5000個數(shù)據(jù)：對安鋼場景包括焦化、燒結、高爐等機組設備實施包括能源、設備狀態(tài)、關鍵工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)采集與信息共享；

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

2.3應用技術

能源智能導航系統(tǒng)是以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構、新IOT、數(shù)孿定義、三維漫游、AI模型等新技術為基礎設計研發(fā)的，具體如下：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構技術、多元多流信息采集技術、平臺數(shù)據(jù)重構技術、場景實例數(shù)孿定義技術、數(shù)孿三維漫游技術、異常感知規(guī)則引擎技術、動態(tài)根因分析技術、大數(shù)據(jù)挖掘技術、基于狀態(tài)感知的預測技術、干預與應急雙重響應技術、過程運營精益分析技術、跨介質/工序協(xié)同與聯(lián)動技術、策略自主推送信息導航技術、運營執(zhí)行追蹤引擎技術。上述部分技術是以業(yè)務規(guī)則精益化梳理+運營數(shù)據(jù)挖掘相結合的高階運營分析，既體現(xiàn)了依托互聯(lián)網(wǎng)技術強大的信息互聯(lián)與共享能力，同時凸顯了源于業(yè)務知識高度提煉后的模型化設計及數(shù)據(jù)實時驅動的新設計理念。

2.4總體架構

項目采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構技術，搭建安陽鋼鐵能源智能導航系統(tǒng)所需要的開發(fā)環(huán)境與相關智能應用的運行環(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(shù)字化升級整體規(guī)劃，本例涉及的能源智能導航系統(tǒng)主要功能如圖3所示（橘色背景）。

圖3 系統(tǒng)主要功能模塊

2.5應用設計

（1）以重構的業(yè)務管控流程設計功能支持為高度數(shù)字化呈現(xiàn)能源運行調度業(yè)務，同時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施管控模式和執(zhí)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(zhí)行跟蹤-->統(tǒng)計分析”的運行管控閉環(huán)流程，設計調度指令從產(chǎn)生到下達全過程信息化、數(shù)字化、智能化的功能支持。

圖4智能化調度業(yè)務流程圖

（2）基于角色設計定制功能及系統(tǒng)運行邏輯

·結合安鋼組織架構和業(yè)務從屬關系，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)務邏輯與信息流，即服務于公司全員的“企業(yè)全景導航”->服務于能源運行/調度為主的“單介質全網(wǎng)監(jiān)控”->服務于生產(chǎn)廠部調度為主的“全廠能效監(jiān)控”->服務于設備主操為主的“單體設施智慧監(jiān)屏”，如圖5所示。

圖5系統(tǒng)功能框架及運行示意圖

·按角色和業(yè)務管理需要，實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

廠部調度-XX廠級運行智慧監(jiān)屏

煤氣調度-煤氣全網(wǎng)監(jiān)控

氣柜主操-煤氣柜運行智慧監(jiān)屏 

圖6分角色定制化設計功能畫面

（3）植入精益理念和運營工具的能效高階分析

·設計動態(tài)異常感知+誘因分析的根因分析引起以精益運營視角審視安鋼能源系統(tǒng)運行場景，提煉挖掘系統(tǒng)異常影響因素，構建根因邏輯分析架構，實施從“系統(tǒng)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，向用戶推送異常誘因分析。

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

3應用創(chuàng)新性、重點與難點問題及解決思路

3.1應用創(chuàng)新性

（1）植入精益理念與運營工具的應用加持以精益運營視角審視安鋼能源資源調度配置運營的有效性（如圖7所示），洞察業(yè)務管理中的價值洼地和快贏機會，推動調度管控機制完善、執(zhí)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方法和輔助工具，使軟件功能充分釋放和詮釋精益運營管控要求，極致幫助企業(yè)在能源資源的損失洞見、運營高效、改善持續(xù)獲得應用服務加持。

圖7融合精益理念與工具的軟件設計

（2）采用先進的互聯(lián)網(wǎng)架構搭載工業(yè)應用采用互聯(lián)網(wǎng)架構實施數(shù)據(jù)采集、處理、模型設計、應用前后端開發(fā)，從下向上分為物聯(lián)數(shù)采層，數(shù)據(jù)層、模型層、數(shù)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(shù)字孿生體結構以安鋼場景為構建對象，把場景中各個能源系統(tǒng)從產(chǎn)出-消亡的生命周期、端到端業(yè)務流程、單體-多體-跨工序-跨系統(tǒng)的運行管理涉及的產(chǎn)線、機組、設備設施及其他管理要素，進行物理世界與數(shù)字空間的虛實映射和數(shù)字化描述，形成可重用復用的數(shù)孿體（數(shù)字底座）。

圖9 鋼鐵能效場景數(shù)孿定義

（4）以“策略推送+信息導航”方式實施能源運行與資源調度

結合場景組織關系、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(zhí)行跟蹤-統(tǒng)計分析”的能源運行智能調度的管控流程。從而實現(xiàn)能源運行調度業(yè)務從“人工”向“信息化+智能化”升級，從“經(jīng)驗“向“規(guī)則建模+數(shù)據(jù)挖掘“轉變。

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

（6）采用基于預測的前饋干預+實時判斷的后饋響應的雙重模式實施動態(tài)尋優(yōu)。

3.2重點與難點問題

（1）能源系統(tǒng)供需平衡矛盾普遍突出。尤其在煤氣/蒸汽/氧氣/壓空等介質系統(tǒng)，產(chǎn)用失均衡、供需欠耦合，造成的資源損失千萬規(guī)模；

（2）對能源數(shù)據(jù)的利用停留在展示為主，確保采集數(shù)據(jù)質量的平衡校驗、供需平衡趨勢跟蹤分析、產(chǎn)用存動態(tài)預測基本都沒有，尤其缺少生產(chǎn)線關鍵設施的運行狀況、跨介質間聯(lián)動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，是確保能介高質量生產(chǎn)供應的必要前提；

（3）能源資源缺乏標準化的時效最優(yōu)配置和柔性調度能力。現(xiàn)有能源系統(tǒng)無法支持專業(yè)人員持續(xù)、準確地實施能源資源最優(yōu)配置，尤其是運行中缺乏實時輔助決策類信息，引發(fā)包括響應調節(jié)延遲、運行操控隨意、調節(jié)精度偏差大、甚至出現(xiàn)資源配置錯位等系列系統(tǒng)運行問題。

3.3解決思路

為解決安鋼現(xiàn)有無法全網(wǎng)可視化、全流程信息斷鏈、系統(tǒng)供需平衡失耦、跨工序協(xié)同效率低、資源配置不合理等問題，需要對現(xiàn)有能源調度的業(yè)務流程、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(xiàn)狀，結合未來業(yè)務藍圖補充完善能源計量表具，確保能源計量數(shù)據(jù)達到軟件所需要求。

（2）以安鋼場景能效運行管控所涉及的對象包括產(chǎn)線、機組、設備等為對象，進行數(shù)字孿生體設計，形成可重用、復用的數(shù)孿框架（實例、參數(shù)等），以支持軟件研發(fā)。

（3）開展多元多態(tài)數(shù)據(jù)采集，按“能源流、價值流、物質流、設備狀態(tài)”等維度對數(shù)據(jù)進行分類采集和清洗處理，并逐步形成具有場景特質的能源大數(shù)據(jù)。

（4）對能介運行與平衡規(guī)則進行精益化梳理，及通過訪談和觀察方式獲取現(xiàn)場技術人員的經(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(guī)則配置等標準文件。

（5）引用新技術、融合新理念、采用新模式實施企業(yè)能源運行調度。

以自動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(zhí)行跟蹤-統(tǒng)計分析”管控模式設計智能化調度功能框架，將原有過度依賴人工經(jīng)驗判斷和操作的業(yè)務予以替代，達到能介系統(tǒng)運行的過程可監(jiān)視、異常可識別、原因可分析、尋優(yōu)策略化、結果可評價的管控效果，如圖10所示。

圖10現(xiàn)有與未來調度業(yè)務對比

（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“實時異常”為依據(jù)的應激響應，實施雙重異常判斷+尋優(yōu)推送，以保證系統(tǒng)異常時的預防性優(yōu)化及應激式補救；

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

·關注焦爐、熱風爐、轉爐、加熱爐等關鍵設備的生產(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、能效分析提供關鍵信息支持；

·追蹤評估包括熱風爐/轉爐工藝節(jié)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，挖掘熱風爐/轉爐工藝變化時能源使用特點及對煤氣管網(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；

·按時效利潤最優(yōu)理念對能介資源配置的合理性、價值化進行動態(tài)分析，確保能源向高附加值業(yè)務鏈流動、高質高用品級對等、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)務涉及的角色、崗位、管理要素、控制要求，進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)務功能推送，策略自上而下推送分解、措施自下而上實施疊加，如圖11所示。

圖11 基于角色設計分級管控機制

（8）系統(tǒng)具備較強的靜態(tài)可配置性和業(yè)務可擴展性。考慮到能源系統(tǒng)隨業(yè)務和工藝系統(tǒng)不斷擴展或改變的特點，支持用戶通過靜態(tài)參數(shù)、配置文件實現(xiàn)能源業(yè)務的升級和擴展。

4實現(xiàn)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(shù)字運營，撬動爐窯節(jié)能降本>10%；

（5）實現(xiàn)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10%～15%，改善能介供應品質，促進產(chǎn)線提質增產(chǎn)；

（2）均衡轉爐冶煉節(jié)拍，優(yōu)化轉爐冶煉節(jié)奏，提高轉爐產(chǎn)量；

（3）源于節(jié)能降碳，促進碳資產(chǎn)增值。

4.3隱性管理價值

（1）能源大數(shù)據(jù)構建，形成同標準的能源流與設備狀態(tài)、工藝參數(shù)、生產(chǎn)物流等數(shù)據(jù)匯集，為后續(xù)企業(yè)數(shù)字化升夯實數(shù)據(jù)基礎。

（2）全景數(shù)孿定義可復用，采用數(shù)字孿生技術，定義的場景數(shù)孿體可實現(xiàn)未來工業(yè)場景應用開發(fā)的重用復用，提高便捷性。

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

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

（5）調度角色一崗多專，系統(tǒng)將運行規(guī)則、經(jīng)驗、知識等模型化，依據(jù)推送策略組織能源調度，降低了調度人員從業(yè)的專業(yè)門檻和領域壁壘。

5案例意義

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

（2）本案例涉及到的問題點，屬于鋼鐵行業(yè)普遍共性問題，因此在安鋼實施后具有較好的社會推廣價值；

（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(qū)等大型流程行業(yè)的能介系統(tǒng)智能平衡調配。A

摘自《自動化博覽》2022年8月刊