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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(gòu)建鋼鐵行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為契機(jī)，先行對(duì)包括煤氣/蒸汽/壓空等介質(zhì)進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)控與智能化調(diào)度升級(jí)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(diào)配相關(guān)應(yīng)用功能，從而推動(dòng)安鋼在能源資源運(yùn)營(yíng)有效性方面得到顯著提升。

2案例實(shí)施與應(yīng)用

2.1總體概況

圖1安鋼智慧能源管控平臺(tái)分布實(shí)施規(guī)劃

結(jié)合安鋼智能制造升級(jí)規(guī)劃，本案例是立足于“鋼鐵工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)搭建”為契機(jī)，以能源資源配置優(yōu)化、能源運(yùn)行管控能力提升為宗旨，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于精益運(yùn)營(yíng)規(guī)則、源于大數(shù)據(jù)建模驅(qū)動(dòng)、采取自主策略推送的智能化運(yùn)行調(diào)度管理系統(tǒng)，即“能源智能導(dǎo)航系統(tǒng)”作為“安鋼智慧能源管控平臺(tái)”第一階段實(shí)施目標(biāo)。

2.2實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

（1）構(gòu)建鋼鐵行業(yè)特質(zhì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)：以安鋼場(chǎng)景工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)搭建作為實(shí)踐對(duì)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(tái)；

（2）研發(fā)基于平臺(tái)3個(gè)智能平衡子系統(tǒng)：研發(fā)滿(mǎn)足安鋼能源運(yùn)行調(diào)度業(yè)務(wù)智能化升級(jí)的智能導(dǎo)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(lái)可移植其他能介；

（3）連接>50套設(shè)備+采集>5000個(gè)數(shù)據(jù)：對(duì)安鋼場(chǎng)景包括焦化、燒結(jié)、高爐等機(jī)組設(shè)備實(shí)施包括能源、設(shè)備狀態(tài)、關(guān)鍵工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)采集與信息共享；

（4）設(shè)計(jì)>50個(gè)適用鋼鐵場(chǎng)景工業(yè)模型：運(yùn)用AI分析方法和大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，建立能源算法模型庫(kù)，設(shè)計(jì)支持能源運(yùn)行智能導(dǎo)航的各類(lèi)工業(yè)模型。

2.3應(yīng)用技術(shù)

能源智能導(dǎo)航系統(tǒng)是以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、新IOT、數(shù)孿定義、三維漫游、AI模型等新技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研發(fā)的，具體如下：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)、多元多流信息采集技術(shù)、平臺(tái)數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)、場(chǎng)景實(shí)例數(shù)孿定義技術(shù)、數(shù)孿三維漫游技術(shù)、異常感知規(guī)則引擎技術(shù)、動(dòng)態(tài)根因分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、基于狀態(tài)感知的預(yù)測(cè)技術(shù)、干預(yù)與應(yīng)急雙重響應(yīng)技術(shù)、過(guò)程運(yùn)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(dǎo)航技術(shù)、運(yùn)營(yíng)執(zhí)行追蹤引擎技術(shù)。上述部分技術(shù)是以業(yè)務(wù)規(guī)則精益化梳理+運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合的高階運(yùn)營(yíng)分析，既體現(xiàn)了依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)強(qiáng)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(shí)高度提煉后的模型化設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)的新設(shè)計(jì)理念。

2.4總體架構(gòu)

項(xiàng)目采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)，搭建安陽(yáng)鋼鐵能源智能導(dǎo)航系統(tǒng)所需要的開(kāi)發(fā)環(huán)境與相關(guān)智能應(yīng)用的運(yùn)行環(huán)境，具體軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2智慧能源管控平臺(tái)頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于安鋼能源數(shù)字化升級(jí)整體規(guī)劃，本例涉及的能源智能導(dǎo)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(yīng)用設(shè)計(jì)

（1）以重構(gòu)的業(yè)務(wù)管控流程設(shè)計(jì)功能支持為高度數(shù)字化呈現(xiàn)能源運(yùn)行調(diào)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(biāo)，對(duì)安鋼的運(yùn)行調(diào)度流程實(shí)施管控模式和執(zhí)行流程上的梳理與重構(gòu)，即以“信息收集-->狀態(tài)感知-->異常識(shí)別-->誘因分析-->策略推送（策略設(shè)計(jì)-->角色推送）-->執(zhí)行跟蹤-->統(tǒng)計(jì)分析”的運(yùn)行管控閉環(huán)流程，設(shè)計(jì)調(diào)度指令從產(chǎn)生到下達(dá)全過(guò)程信息化、數(shù)字化、智能化的功能支持。

圖4智能化調(diào)度業(yè)務(wù)流程圖

（2）基于角色設(shè)計(jì)定制功能及系統(tǒng)運(yùn)行邏輯

·結(jié)合安鋼組織架構(gòu)和業(yè)務(wù)從屬關(guān)系，按運(yùn)行調(diào)度管理職責(zé)和角色，設(shè)計(jì)從能源運(yùn)行調(diào)度到機(jī)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(dǎo)航”->服務(wù)于能源運(yùn)行/調(diào)度為主的“單介質(zhì)全網(wǎng)監(jiān)控”->服務(wù)于生產(chǎn)廠(chǎng)部調(diào)度為主的“全廠(chǎng)能效監(jiān)控”->服務(wù)于設(shè)備主操為主的“單體設(shè)施智慧監(jiān)屏”，如圖5所示。

圖5系統(tǒng)功能框架及運(yùn)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(shè)計(jì)，如圖6所示。

所有角色-企業(yè)能效導(dǎo)航大屏

廠(chǎng)部調(diào)度-XX廠(chǎng)級(jí)運(yùn)行智慧監(jiān)屏

煤氣調(diào)度-煤氣全網(wǎng)監(jiān)控

氣柜主操-煤氣柜運(yùn)行智慧監(jiān)屏 

圖6分角色定制化設(shè)計(jì)功能畫(huà)面

（3）植入精益理念和運(yùn)營(yíng)工具的能效高階分析

·設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)異常感知+誘因分析的根因分析引起以精益運(yùn)營(yíng)視角審視安鋼能源系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景，提煉挖掘系統(tǒng)異常影響因素，構(gòu)建根因邏輯分析架構(gòu)，實(shí)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(hù)推送異常誘因分析。

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

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

3.1應(yīng)用創(chuàng)新性

（1）植入精益理念與運(yùn)營(yíng)工具的應(yīng)用加持以精益運(yùn)營(yíng)視角審視安鋼能源資源調(diào)度配置運(yùn)營(yíng)的有效性（如圖7所示），洞察業(yè)務(wù)管理中的價(jià)值洼地和快贏機(jī)會(huì)，推動(dòng)調(diào)度管控機(jī)制完善、執(zhí)行流程優(yōu)化。并在建模和應(yīng)用研發(fā)中緊密結(jié)合精益運(yùn)營(yíng)方法和輔助工具，使軟件功能充分釋放和詮釋精益運(yùn)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(yùn)營(yíng)高效、改善持續(xù)獲得應(yīng)用服務(wù)加持。

圖7融合精益理念與工具的軟件設(shè)計(jì)

（2）采用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)搭載工業(yè)應(yīng)用采用互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實(shí)施數(shù)據(jù)采集、處理、模型設(shè)計(jì)、應(yīng)用前后端開(kāi)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(yīng)用層，如圖8所示。

圖8工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)圖

（3）可通用定制的行業(yè)數(shù)字孿生體結(jié)構(gòu)以安鋼場(chǎng)景為構(gòu)建對(duì)象，把場(chǎng)景中各個(gè)能源系統(tǒng)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(tǒng)的運(yùn)行管理涉及的產(chǎn)線(xiàn)、機(jī)組、設(shè)備設(shè)施及其他管理要素，進(jìn)行物理世界與數(shù)字空間的虛實(shí)映射和數(shù)字化描述，形成可重用復(fù)用的數(shù)孿體（數(shù)字底座）。

圖9 鋼鐵能效場(chǎng)景數(shù)孿定義

（4）以“策略推送+信息導(dǎo)航”方式實(shí)施能源運(yùn)行與資源調(diào)度

結(jié)合場(chǎng)景組織關(guān)系、管理流程，設(shè)計(jì)“狀態(tài)感知-異常識(shí)別-誘因分析-策略設(shè)計(jì)-策略推送-執(zhí)行跟蹤-統(tǒng)計(jì)分析”的能源運(yùn)行智能調(diào)度的管控流程。從而實(shí)現(xiàn)能源運(yùn)行調(diào)度業(yè)務(wù)從“人工”向“信息化+智能化”升級(jí)，從“經(jīng)驗(yàn)“向“規(guī)則建模+數(shù)據(jù)挖掘“轉(zhuǎn)變。

（5）建模驅(qū)動(dòng)自主異常識(shí)別與根因分析設(shè)計(jì)規(guī)則引擎，自上而下按“系統(tǒng)異常識(shí)別->平衡歸因分析->工序歸因分析->設(shè)備歸因分析->關(guān)鍵誘因分析”的層級(jí)，梳理設(shè)計(jì)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(gòu)。

（6）采用基于預(yù)測(cè)的前饋干預(yù)+實(shí)時(shí)判斷的后饋?lái)憫?yīng)的雙重模式實(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(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(zhì)系統(tǒng)，產(chǎn)用失均衡、供需欠耦合，造成的資源損失千萬(wàn)規(guī)模；

（2）對(duì)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(zhì)量的平衡校驗(yàn)、供需平衡趨勢(shì)跟蹤分析、產(chǎn)用存動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)基本都沒(méi)有，尤其缺少生產(chǎn)線(xiàn)關(guān)鍵設(shè)施的運(yùn)行狀況、跨介質(zhì)間聯(lián)動(dòng)信息及運(yùn)行異常的自主感知與分析，上述信息對(duì)于能源運(yùn)行調(diào)度極為重要，是確保能介高質(zhì)量生產(chǎn)供應(yīng)的必要前提；

（3）能源資源缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)效最優(yōu)配置和柔性調(diào)度能力。現(xiàn)有能源系統(tǒng)無(wú)法支持專(zhuān)業(yè)人員持續(xù)、準(zhǔn)確地實(shí)施能源資源最優(yōu)配置，尤其是運(yùn)行中缺乏實(shí)時(shí)輔助決策類(lèi)信息，引發(fā)包括響應(yīng)調(diào)節(jié)延遲、運(yùn)行操控隨意、調(diào)節(jié)精度偏差大、甚至出現(xiàn)資源配置錯(cuò)位等系列系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題。

3.3解決思路

為解決安鋼現(xiàn)有無(wú)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(wèn)題，需要對(duì)現(xiàn)有能源調(diào)度的業(yè)務(wù)流程、管控模式、運(yùn)行機(jī)制、功能支持等方面予以改善和解決，具體設(shè)計(jì)思路如下：

（1）梳理企業(yè)能源計(jì)量配置現(xiàn)狀，結(jié)合未來(lái)業(yè)務(wù)藍(lán)圖補(bǔ)充完善能源計(jì)量表具，確保能源計(jì)量數(shù)據(jù)達(dá)到軟件所需要求。

（2）以安鋼場(chǎng)景能效運(yùn)行管控所涉及的對(duì)象包括產(chǎn)線(xiàn)、機(jī)組、設(shè)備等為對(duì)象，進(jìn)行數(shù)字孿生體設(shè)計(jì)，形成可重用、復(fù)用的數(shù)孿框架（實(shí)例、參數(shù)等），以支持軟件研發(fā)。

（3）開(kāi)展多元多態(tài)數(shù)據(jù)采集，按“能源流、價(jià)值流、物質(zhì)流、設(shè)備狀態(tài)”等維度對(duì)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

（4）對(duì)能介運(yùn)行與平衡規(guī)則進(jìn)行精益化梳理，及通過(guò)訪(fǎng)談和觀察方式獲取現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和操作習(xí)慣（準(zhǔn)確的），形成支持應(yīng)用軟件運(yùn)行的異常識(shí)別/觸發(fā)引擎、根因分析邏輯、策略規(guī)則配置等標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行調(diào)度。

以自動(dòng)策略推送替代人工經(jīng)驗(yàn)指令的能源運(yùn)行調(diào)度管控新模式，并按“信息獲取-狀態(tài)感知-異常識(shí)別-誘因分析-策略推送-執(zhí)行跟蹤-統(tǒng)計(jì)分析”管控模式設(shè)計(jì)智能化調(diào)度功能框架，將原有過(guò)度依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)判斷和操作的業(yè)務(wù)予以替代，達(dá)到能介系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程可監(jiān)視、異常可識(shí)別、原因可分析、尋優(yōu)策略化、結(jié)果可評(píng)價(jià)的管控效果，如圖10所示。

圖10現(xiàn)有與未來(lái)調(diào)度業(yè)務(wù)對(duì)比

（6）植入精益思想設(shè)計(jì)應(yīng)用功能

·采用以“產(chǎn)用存預(yù)測(cè)”為前提的前饋干預(yù)，及“實(shí)時(shí)異常”為依據(jù)的應(yīng)激響應(yīng)，實(shí)施雙重異常判斷+尋優(yōu)推送，以保證系統(tǒng)異常時(shí)的預(yù)防性?xún)?yōu)化及應(yīng)激式補(bǔ)救；

·梳理提煉并行形成跨工序/跨介質(zhì)間的聯(lián)動(dòng)機(jī)理、協(xié)同關(guān)系，包括：（轉(zhuǎn)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(tǒng)資源總體優(yōu)化；

·關(guān)注焦?fàn)t、熱風(fēng)爐、轉(zhuǎn)爐、加熱爐等關(guān)鍵設(shè)備的生產(chǎn)工藝變化，確保狀態(tài)可追蹤、可理論預(yù)判，為能源預(yù)測(cè)、平衡判斷、能效分析提供關(guān)鍵信息支持；

·追蹤評(píng)估包括熱風(fēng)爐/轉(zhuǎn)爐工藝節(jié)拍均衡性，在全景可視化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建集群優(yōu)化模型支持多機(jī)組聯(lián)調(diào)群控，挖掘熱風(fēng)爐/轉(zhuǎn)爐工藝變化時(shí)能源使用特點(diǎn)及對(duì)煤氣管網(wǎng)、轉(zhuǎn)煤/蒸汽回收等影響，為分析、預(yù)測(cè)及策略設(shè)計(jì)提供信息支持；

·按時(shí)效利潤(rùn)最優(yōu)理念對(duì)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(jí)對(duì)等、減少能源轉(zhuǎn)換損失。

（7）基于角色設(shè)計(jì)分級(jí)管控機(jī)制與功能對(duì)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(jié)構(gòu)化剖析和合理性辨識(shí)，以此設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)分級(jí)管控機(jī)制

（8）系統(tǒng)具備較強(qiáng)的靜態(tài)可配置性和業(yè)務(wù)可擴(kuò)展性。考慮到能源系統(tǒng)隨業(yè)務(wù)和工藝系統(tǒng)不斷擴(kuò)展或改變的特點(diǎn)，支持用戶(hù)通過(guò)靜態(tài)參數(shù)、配置文件實(shí)現(xiàn)能源業(yè)務(wù)的升級(jí)和擴(kuò)展。

4實(shí)現(xiàn)效益

4.1直接經(jīng)濟(jì)效益

（1）降低高/焦煤氣趨于“零”放散，提高轉(zhuǎn)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(jī)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(yùn)營(yíng)，撬動(dòng)爐窯節(jié)能降本>10%；

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

4.2間接經(jīng)濟(jì)效益

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

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

（3）源于節(jié)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(shù)據(jù)構(gòu)建，形成同標(biāo)準(zhǔn)的能源流與設(shè)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(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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

（3）經(jīng)驗(yàn)知識(shí)傳承，基于運(yùn)行規(guī)則梳理，能源管理知識(shí)、操控經(jīng)驗(yàn)、專(zhuān)家知識(shí)提煉形成模型化功能，有助于知識(shí)傳承與持續(xù)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(biāo)一致、措施同軸、效果同向及響應(yīng)及時(shí)，提升能源管理整體效率。

（5）調(diào)度角色一崗多專(zhuān)，系統(tǒng)將運(yùn)行規(guī)則、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)等模型化，依據(jù)推送策略組織能源調(diào)度，降低了調(diào)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(duì)企業(yè)能效精益運(yùn)營(yíng)改善和工業(yè)能效APP賦能運(yùn)營(yíng)的深度結(jié)合，采取“共性提煉+特質(zhì)定制”的落地路線(xiàn)，對(duì)基礎(chǔ)工業(yè)的適用性和復(fù)用性極強(qiáng)；

（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(dǎo)思想方面存在異曲同工的情況，因此本項(xiàng)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(diào)配。A

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年8月刊