张 立 谷 莉 韩志海 张杨冰 郑一畅 谭鹏云 张 蕾
（安阳钢铁股份有限公司）
摘要：钢铁企业充分利用工业互联网、大数据、边缘计算等新技术，以能效为试点进行数字化转型探索与实践，打造基于数字化的绿色环保能源高效利用平台，建设环保智能管控系统、VOCs智慧溯源系统和煤气、蒸汽、压缩空气的智能调度系统，推动企业环保管控能力和能源配置能力的显著提升，最终实现企业的绿色环保和能源高效利用。
关键词：工业互联网；环保智能管控系统；VOCs智慧溯源系统；能源智能调度系统
0 引言
在国民经济的发展中，钢铁工业的发展决定着一个国家的命运。我国每年的钢铁工业能源消耗数量惊人，能源消耗费用在整个钢铁工业生产的成本中占比巨大，仅外购能源所占比重就达到了30%。钢铁工业的能源消耗问题非常严峻，在当今新能源发展战略中实现低排放、低耗能、高效快速稳定的可持续发展战略是国之根本，节能减耗是钢铁企业的首要任务。钢铁企业积极推进数字化绿色环保能源高效利用平台的建设，抓好环保管控，提高能源的利用率，节约成本，实现钢铁工业生产效益最大化。
1 建设背景
1.1 企业现状
为了促进钢铁企业的环保能源高效利用，企业加强工业互联网的深度应用，积极推进基于数字化的绿色环保能源高效利用平台的建设，引领河南省钢铁行业数字化转型的示范建设。基于运营中管理矛盾比较突出的业务领域，企业充分利用工业互联网、大数据、边缘计算等新技术，以能效为试点进行数字化转型探索与实践，开发建设环保智能管控系统、VOCs智慧溯源系统和能源系统资源平衡调配的智能化应用系统，从而推动企业环保管控和能源资源运行能力的显著提升。钢铁企业作为重工业生产企业，在环保管控方面存在极大难度，在煤气/蒸汽/压缩空气等能介系统运营方面，也存在着一定供需平衡矛盾和资源利用效率偏低的情况，尤其是环保和能源信息互联互通、环保和能源数据深度利用、运营管理协同优化等方面，存在一定改善和提升空间，利用工业互联网技术将是解决信息互通、生产协同、资源效率实时最优的技术手段。
1.2 存在的痛点问题
（1）企业环保管控受国家地方政策影响大；企业内部员工环保意识相对较弱；企业环保责任制度、薪酬激励制度不完善；企业的环保管理水平相对落后；企业环保管控的信息化程度不高。
（2）企业能源系统资源供需平衡矛盾普遍、问题突出。由于铁钢联合生产的复杂性和生产组织不确定性的存在，钢铁企业在能介系统资源平衡方面存在着间歇性能介供应不足与系统资源放散交错并行的状态，比如煤气/氧气/蒸汽等系统，其能介系统受产/用端供应与需求不均衡，及系统自身柔性生产供应能力不足等情况，能源资源的供需耦合矛盾较为普遍，资源损失严重。
（3）能源调度信息化建设问题限制了企业能源调度作用。企业虽建立了以能介潮流数据采集展示等功能的能源系统，但仅仅是将能源系统的计量数据进行采集和展示，基于采集数据形成的相关分析和决策支持等能力基本没有，由于过程中生产运行状况可视化和关键信息的跟踪缺失，对于能源资源的运行调度基本是以调度人员根据数据经验判断和现场联系进行能介平衡调度，因此在过程中无法准确、及时、标准化地进行供需平衡调配。同时,公司的基础能源计量和数据维护不足,在解决信息互联互通上以及在解决全能介的监控上会带来一定的障碍。
（4）缺少动态快速的异常识别-诊断分析-决策推送的信息化支持。当前运行过程中，管理人员对于各类能介负荷变化较大的系统资源的运行异常的识别和分析的能力不足，系统运行缺乏自主问题追踪与揭示、异常状态与工况分析、能源平衡趋势预测、调配策略情景模拟等信息化、智能化的软件工具支持，实际运行中更多的是通过人的经验值进行判断和分析，组织供需平衡调配，而系统调配是否达到预期效果、是否是最佳保障方式、最经济运行方式或已超出系统负荷须预先调整等情况的合理性无从判断，基于问题识别-精益分析-策略推送的快速决策辅助的亟待改善。
（5）能源资源缺乏标准化的时效最优配置和柔性调度能力。工具无法支持专业人员持续、准确地实施能源资源最优配置，尤其是运行中缺乏实时辅助决策类信息，因此行业普遍存在运行人员基于经验或感觉的粗放型能源运行管理，引发包括响应调节延迟、运行操控随意、调节精度偏差大、甚至出现资源配置错位等系列系统运行问题。
综上所述，受到环保和能源运营管理能力不足和信息化缺乏支持等方面的制约，企业针对环保管控和能源资源有效性运营方面存在明显的价值洼地，因此其亟待科学管理方法的导入和新工业软件架构的突破创新，实现企业环保管控和能源数据资产价值化的最大释放。该平台的建设基于公司环保管控和能源系统平衡调度业务运营现状，通过搭建钢铁行业工业互联网平台，建设环保智能管控系统、VOCs智慧溯源系统和煤气、蒸汽和压缩空气的智能调度系统，实现对基础的环保和能源数据的梳理和监控，为拓展数字化转型应用建设夯实基础。
2 建设目标
钢铁企业贯彻钢铁行业数字化转型及两化融合的战略部署，平台建设的总体目标如下：
（1）搭建一个钢铁行业工业互联网平台，开发环保智能管控系统、VOCs智慧溯源系统和三个能源智能应用：煤气智能平衡系统APP、蒸汽智能平衡系统APP、压缩空气智能平衡系统APP，并对现有的基础环保和能源数据及系统进行梳理，建设基于数字化的绿色环保能源高效利用平台。
（2）通过对主要生产设备、环保设备、环保监测设备的集中采集，实现对全厂有组织排放监测、无组织排放监控、治理设备运行监控、污染行为监控、生产状态监控和污染物在线监测预警、溯源分析和精准定位。
（3）通过本平台的建设将连接不少于以下生产工序：焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢、动力、制氧、公辅等，并连接不少于50套设备，梳理基础能源管理数据，并采集不少5000个数据点。
（4）通过本平台的建设将设计和开发不少于10个工业模型。
利用工业互联网、大数据、边缘计算等新技术，提升环保和能源信息互联互通、环保和能源数据深度利用、运营管理协同优化，从而推动企业环保管控和能源资源运行能力显著提升。
3 建设方案
3.1 建设思路
基于公司环保管控和能源系统平衡调度业务运营现状，建设基于数字化的绿色环保能源高效利用平台，通过搭建工业互联网平台，建设环保智能管控系统、VOCs智慧溯源系统和煤气、蒸汽、压缩空气的智能调度系统，并实现对基础的环保和能源数据的梳理和监控，为拓展数字化转型应用建设夯实基础。
3.2 建设范围
平台建设涉及企业有组织排放、无组织排放、设备运行、污染行为、生产状态的监控和所有的能源介质，包括高/焦/转炉煤气、蒸汽、压缩空气、鼓风、雨水、污水、脱盐水、纯水、工业水、生活水、电等介质。基本覆盖焦炉、烧结、高炉、转炉、电炉、加热炉、热处理炉、燃气锅炉、发电、汽动鼓风机、煤气柜、煤气加压站、空压站等主要工艺机组和公辅装备。
3.3 平台架构
图1 工业互联网的四层架构
基于数字化的绿色环保能源高效利用平台按照工业互联网的四层架构进行建设。工业互联网的四层架构（边缘层、资源层IaaS、平台层PaaS、应用层SaaS层）如上图所示。
3.4 建设方案
平台建设方案包括边缘层的数据采集方案，IaaS层平台部署方案，PaaS技术方案，以及SaaS层应用方案。其中，边缘层提供平台所需的基础能源数据采集以及IaaS所需要的平台部署资源，IaaS层利用公司私有云平台进行搭建，将所需的污染物数据、能源数据、设备数据、生产运行数据等汇聚到PaaS平台，并在PaaS层上进行应用层的开发，SaaS层开发环保智能管控系统、VOCs智慧溯源系统、煤气智能平衡系统APP、蒸汽智能平衡系统APP、压缩空气智能平衡系统APP。
3.4.1 边缘层数据采集方案
环保和能源计量数据主要来源于包括EMS系统（IFIX）、智慧计量系统（1/2级+部分3级）、电表抄表系统（1/2级+部分3级）、环境管理信息系统等系统。具体数采需求如下：
能源运行参数：煤气(高炉/转炉/焦炉/天然气/混合煤气)；蒸汽（高压/中压/低压蒸汽）、氧气、压缩空气、电力。
公辅设施参数：煤气柜、煤气混合站、加压系统、氧气球罐、气/液化装置。
生产状态参数：烧结点火炉、焦炉、高炉、转炉、热风炉、加热炉、退火炉、锅炉等。
生产计划信息：主要产线设备包括烧结点火炉、焦炉、高炉、转炉、热风炉、加热炉、退火炉、锅炉等。
余热运行参数：烧结环冷余热设备、焦炉余热利用设备、转炉烟气余热回收设施、加热炉汽化冷却设施、供热系统换热设备。
单体设备信息：除尘风机、空压机、鼓风机、加压机、制氧机等。
数据采集解决方案通过边缘数采网关实现对于现场多源异构的数据进行实时的连接、采集和处理，其中数据包括但不限于设备（如PLC、SCADA、DCS）、传感器（如不同的仪表）、生产管理系统（如MES、EMS）、业务管理系统（如ERP）等。
3.4.2 IaaS层平台部署方案
平台作为整体数据融合、汇聚、监控和管理的中心，采用集团内部构建私有云部署和实施，协同于各控制区的边缘数采方案。分布式集群部署，支持企业业务应用不间断服务。平台提供的数字孪生体框架不仅可以从数据源头对现场多源异构数据进行治理，而且在数字空间对生产现场的设备等系统建立模型，支持结构化地从工业工程的角度组织和管理设备数据和算法模型。平台通过松耦合分层解耦设计支持从系统资源、数据接入、算法开发、模型构建到数字化表征、业务应用多个维度的横向扩展能力。
3.4.3 PaaS层技术方案
ThingswiseiDOS是为工业场景特制的完全基于云原生技术的工业数据操作系统。系统以典型云计算PaaS层技术对外提供支持能力，以工业数据为基础和驱动力，以数字孪生框架技术核心，以工业模型和算法为载体，以实时流式计算引擎为特色，以配置文件及低代码开发为工具，实现面向工业场景多源异构数据采集、流式数据即来即算，模型及算法高效复用，及应用快速动态反应等的功能特点。
系统提供创新型构建方式以数字孪生体定义工业设备属性和模型，支持用户以可视化工具定义和配置数字孪生体，简易实现从OT的视角映射物理实体和组织设备数据，有力地促进两化融合。系统提供面向大数据分析和挖掘的计算引擎，相对于实时流式数据驱动的计算引擎，该大数据处理功能支持对在线的实时计算和离线的数据分析。数字表征框架提供统一的数字孪生的定义和配置体系，在数字空间对生产现场的设备等系统建立模型，支持结构化地从工业工程的角度组织和管理设备数据和算法模型，支持构建数字虚拟工厂，简化算法模型、应用开发和计算的复杂度，并实现一次建模，多处复用的能力。
3.4.4 SaaS层应用设计方案
（一）环保智能管控平台
图2 环保智能管控平台
钢铁企业环保智能管控平台对主要生产设备、环保设备、环保监测设备和视频进行集中采集，通过对全厂有组织排放监测、无组织排放监控、治理设备运行监控、污染行为监控、生产状态监控等，实现对全厂环保态势的实时监测监控、管理和展示。
（二）VOCs智慧溯源系统
VOCs智慧溯源系统根据气象条件和各点位VOCs监测浓度，实现各种气候条件下全区域环境VOCs污染物在线监测预警、溯源分析和精准定位，形成一体化的环境监测、管理体系。
（三）煤气智能平衡系统
基于煤气系统运营特点，通过管理运营改善、运行信息关联、分析计算建模和工业互联网平台技术的深度耦合，设计研发适用于甲方的煤气系统运行智能化调配的软件解决方案，主要功能包括：全网运行可视化、时效资源最优配置、异常识别-诱因分析、在线能效诊断、分级策略推送、兼顾前馈干预与应激响应、动态推送策略导航、跨工序跨系统协同，最终实现面向角色的跨时空精准化、策略化实时辅助决策。
主要功能：
（1）实现全网运行端到端可视化与数字化管理
（2）支持异常动态识别与诱因根因分析的功能
（3）支持关键煤气设施在线智能诊断的功能
（4）支持跨系统系统协同优化与联动响应
（5）支持多介质跨工序的多层级策略调配信息推送功能
（6）支持热风炉/煤气柜/锅炉/混气站的策略化智能控制
（7）设计可自定义配置调度规则的业务功能
（8）煤气系统在线运行评价和后台数据分析评价
（9）支持煤气系统运行绩效统计分析、策略跟踪等功能
（四）蒸汽智能平衡系统
以钢铁企业蒸汽系统资源数字化、运行过程可视化为基础，支持热力公司围绕蒸汽资源（余热+锅炉）供需平衡的最优配置实施策略化调度，并以蒸汽资源平衡为切入点围绕“煤气-蒸汽-发电”资源的价值最大化配置，支持用户实施跨能介系统的策略导航及联合调配。
主要功能：
（1）支持端到端全网运行可视化。
（2）支持异常动态识别与诱因根因分析的功能。
（3）支持多介质跨工序的多层级策略调配信息推送功能。
（4）支持余热资源回收利用分析功能。
（5）支持锅炉智慧管理功能。
（五）压缩空气智能平衡系统
“压缩空气智能平衡”主要以压缩空气介质为主要对象设计研发智能化平衡业务支持功能。支持用户实现对压缩空气系统端到端可视化、运行异常识别-诱因分析，基于角色推送“单体-集群-系统供应”运行策略，支持空压站多机组、空压机单体策略化经济运行。
主要功能：
（1）应用端到端全网运行可视化手段, 包括供应站设备和所有用户设备总貌，并标明主要参数。
（2）采取异常动态识别与诱因根因分析等措施, 对空压系统设备轻载、停车、流量突变等情况，能够给出报警提示。
（3）提供基于供需策略调度的最优运行模式的决策，通过精益思路设计的策略化资源匹配方案，动态向压缩空气制气系统推送最优运行组织方式。
（4）建立压缩机的数字孪生体，确定这些电机设备的能效计算模型。
（5）支持压缩空气系统经济运行统计分析。
（六）能效全景智慧监屏
能效全景智慧监屏是原有EMS系统升级的一个子功能，支持对能源系统运行全貌实施数字化展现，并从公司运行成本追踪、关键公辅设备运行状态、能源运行经济性指标（放散率、余热余能资源回收与利用、缓冲用户运行）、关键管控参数等维度，可视化反映当前能源运营管控水平。
图3 能源全景智慧监屏
主要功能：
（1)支持对能源系统实时运营全貌进行可视化跟踪与呈现，推送包括吨钢综合能耗、能源成本、碳排放、煤气放散、煤气回收、余热发电、燃气发电、最大电力负荷、中水回用量、液氧汽化量等关键能源绩效指标和系统运行实时数据。
（2)作为“各类能介智能平衡系统”的主页入口画面，为用户推送包括能源供应、转运、用能等设备及公辅系统关键阀门的实时状况跟踪和趋势，相关设备状态与单介质智能平衡系统的运行状态共享。
（3）为调度推送能源系统运行异常预警信息、关键能效根因分析及基于规则的策略推送。
4 实施成效
4.1 市场推广价值
该平台具有极高的推广价值，中国具有300+家上规模钢铁企业，环保管控系统和能源智能调度系统基本未升级。平台建成后极大的推动了企业的节能减碳，每年可节降能源消耗上百亿，对于总体减碳效果有巨大影响。
4.2 直接经济效益
通过钢铁企业部署实施，推动了企业能源运行管控模式的变革和运营效率的提升，按行业理论测算，一般通过提升能源系统资源运营水平和效率，可降低公司总能源消耗5～10%左右，主要节能减排降碳效益如下：
1、降低高/焦煤气放散损失，提高转炉煤气回收利用价值
（1）通过策略化资源调配和智能化调度，推动煤气系统资源组合和配置效益最大化，从而实现煤气资源放散损失减少并趋向零放散。
（2）基于炼钢转炉煤气回收数据分析，转炉存在较多整炉放散、部分回收情况，通过策略化回收设置与煤气柜精益控制，提高单炉煤气回收量、转炉煤气综合利用价值。
（3）增加焦炉煤气边际效益，通过煤气资源的价值化配置，将焦炉煤气资源按确定的供应机制，差异化和选择性的对用户实施供给，从而实现焦炉煤气资源边际效益。
2、增加余热回收利用，提高余热发电价值
通过蒸汽资源合理调度，推动余热利用价值提升，扩大产线余热入网、提高余热发电负荷、减少因蒸汽不足导致燃气锅炉对外送汽。
3、降低压空运营损失
通过系统提供的时时资源平衡分析，支持不同模式下的空压站集群策略化供应，减少资源排放损失，降低空压机综合电耗。
4、平抑系统管网波动，助力产线提质增效
通过对高炉/焦炉煤气管网压力波动的调控和优化，促进煤气系统管网窄幅波动，平抑管网宽幅波动造成的煤气供应问题，稳定煤气管网压力，对公司所有以煤气作为燃料的炉窑的燃烧质量带来好处，将极大改善生产的稳定和产品的质量。
4.3 间接经济效益
环保管控是企业经济发展的基础，不但可以提升企业经济效益，塑造良好的公众形象，而且有助于构建优质的企业管理文化，提升企业的知名度和综合竞争能力。
通过对企业能源进行智能化管控，给企业带来了众多间接经济效益：
（1）平抑系统管网波动，稳定生产
通过对高炉/焦炉煤气管网压力波动的调控和优化，促进煤气系统管网窄幅波动，稳定煤气供应及产线生产。
（2）优化窑炉燃烧，提升精益运行水平
通过对工业炉窑关键运行数据监控、分析、异常识别，支持单体智能诊断及“单体-集群-系统”控制优化。如降炉窑低排烟损失、改善加热质量、增加热炉时机产量等。
（3）降碳减排
应用案例的实施有助于进一步降低能源放散损失、优化炉窑效率、提高能源利用率，降低碳排放量，为企业创造碳减排收益。
（4）提升企业数字化运营水平
通过能源流、设备状态、生产物流等信息融合和价值关联的能源大数据构建，将业务数字化，整体提升能源管理数字化运营水平，为企业数字化转型夯实数据基础。
（5）管理方式转变
实现了从经验调度到数据决策的智能调度的管理方式转变，大大提升了管理效率和管控力度。
4.4 社会效益
（1）本平台基于工业互联网平台设计研发，项目涉及到的问题点，属于行业普遍存在的共性问题，在钢铁企业实施后具有较好的社会推广价值，具有解决行业共性问题的能力，为推动钢铁行业能源高质量可持续发展提供借鉴和参考。
（2）由于企业对于自身能源资源的最优配置、数字化展现、智能化调度业务支持在系统管控原理和指导思想方面存在异曲同工的情况，因此本平台跨行业可推广性较强，不仅适合钢铁行业，还适合于有色、石油、化工、园区等大型流程行业的能介系统智能平衡与决策。
5 结语
在国家数字化转型的大背景下，钢铁企业数字化绿色环保能源高效利用平台专注在工业生产过程中借助通信和计算新技术的优势，实现能源管控和资源优化配置。平台收集设备和系统的大量数据并进行分析，再应用分析结果优化工业制造运营。利用工业互联网，企业可具备高度的灵活性、敏捷性和效率，提高生产和业务运营的整体绩效，创建新的服务功能和业务模型，并最终获取转型成果。钢铁企业数字化绿色环保能源高效利用平台融合云计算、大数据、机器学习、人工智能、模型和应用研发工具为一体，通过优化与创新最终实现钢铁行业生产经营的价值最大化和能源智能化管控及高效利用。
参考文献
[1] 陈娟. 面向钢铁企业能源管控系统的数据采集与分析[D]. 内蒙古科技大学.