張  立  谷  莉  韓志海  張楊冰  鄭一暢  譚鵬云  張  蕾

（安陽鋼鐵股份有限公司）

摘要：鋼鐵企業充分利用工業互聯網、大數據、邊緣計算等新技術，以能效為試點進行數字化轉型探索與實踐，打造基于數字化的綠色環保能源高效利用平臺，建設環保智能管控系統、VOCs智慧溯源系統和煤氣、蒸汽、壓縮空氣的智能調度系統，推動企業環保管控能力和能源配置能力的顯著提升，最終實現企業的綠色環保和能源高效利用。

關鍵詞：工業互聯網；環保智能管控系統；VOCs智慧溯源系統；能源智能調度系統

0  引言

在國民經濟的發展中，鋼鐵工業的發展決定著一個國家的命運。我國每年的鋼鐵工業能源消耗數量驚人，能源消耗費用在整個鋼鐵工業生產的成本中占比巨大，僅外購能源所占比重就達到了30%。鋼鐵工業的能源消耗問題非常嚴峻，在當今新能源發展戰略中實現低排放、低耗能、高效快速穩定的可持續發展戰略是國之根本，節能減耗是鋼鐵企業的首要任務。鋼鐵企業積極推進數字化綠色環保能源高效利用平臺的建設，抓好環保管控，提高能源的利用率，節約成本，實現鋼鐵工業生產效益最大化。

1  建設背景

1.1  企業現狀

為了促進鋼鐵企業的環保能源高效利用，企業加強工業互聯網的深度應用，積極推進基于數字化的綠色環保能源高效利用平臺的建設，引領河南省鋼鐵行業數字化轉型的示范建設。基于運營中管理矛盾比較突出的業務領域，企業充分利用工業互聯網、大數據、邊緣計算等新技術，以能效為試點進行數字化轉型探索與實踐，開發建設環保智能管控系統、VOCs智慧溯源系統和能源系統資源平衡調配的智能化應用系統，從而推動企業環保管控和能源資源運行能力的顯著提升。鋼鐵企業作為重工業生產企業，在環保管控方面存在極大難度，在煤氣/蒸汽/壓縮空氣等能介系統運營方面，也存在著一定供需平衡矛盾和資源利用效率偏低的情況，尤其是環保和能源信息互聯互通、環保和能源數據深度利用、運營管理協同優化等方面，存在一定改善和提升空間，利用工業互聯網技術將是解決信息互通、生產協同、資源效率實時最優的技術手段。

1.2  存在的痛點問題

（1）企業環保管控受國家地方政策影響大；企業內部員工環保意識相對較弱；企業環保責任制度、薪酬激勵制度不完善；企業的環保管理水平相對落后；企業環保管控的信息化程度不高。

（2）企業能源系統資源供需平衡矛盾普遍、問題突出。由于鐵鋼聯合生產的復雜性和生產組織不確定性的存在，鋼鐵企業在能介系統資源平衡方面存在著間歇性能介供應不足與系統資源放散交錯并行的狀態，比如煤氣/氧氣/蒸汽等系統，其能介系統受產/用端供應與需求不均衡，及系統自身柔性生產供應能力不足等情況，能源資源的供需耦合矛盾較為普遍，資源損失嚴重。

（3）能源調度信息化建設問題限制了企業能源調度作用。企業雖建立了以能介潮流數據采集展示等功能的能源系統，但僅僅是將能源系統的計量數據進行采集和展示，基于采集數據形成的相關分析和決策支持等能力基本沒有，由于過程中生產運行狀況可視化和關鍵信息的跟蹤缺失，對于能源資源的運行調度基本是以調度人員根據數據經驗判斷和現場聯系進行能介平衡調度，因此在過程中無法準確、及時、標準化地進行供需平衡調配。同時,公司的基礎能源計量和數據維護不足,在解決信息互聯互通上以及在解決全能介的監控上會帶來一定的障礙。

（4）缺少動態快速的異常識別-診斷分析-決策推送的信息化支持。當前運行過程中，管理人員對于各類能介負荷變化較大的系統資源的運行異常的識別和分析的能力不足，系統運行缺乏自主問題追蹤與揭示、異常狀態與工況分析、能源平衡趨勢預測、調配策略情景模擬等信息化、智能化的軟件工具支持，實際運行中更多的是通過人的經驗值進行判斷和分析，組織供需平衡調配，而系統調配是否達到預期效果、是否是最佳保障方式、最經濟運行方式或已超出系統負荷須預先調整等情況的合理性無從判斷，基于問題識別-精益分析-策略推送的快速決策輔助的亟待改善。

（5）能源資源缺乏標準化的時效最優配置和柔性調度能力。工具無法支持專業人員持續、準確地實施能源資源最優配置，尤其是運行中缺乏實時輔助決策類信息，因此行業普遍存在運行人員基于經驗或感覺的粗放型能源運行管理，引發包括響應調節延遲、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題。

綜上所述，受到環保和能源運營管理能力不足和信息化缺乏支持等方面的制約，企業針對環保管控和能源資源有效性運營方面存在明顯的價值洼地，因此其亟待科學管理方法的導入和新工業軟件架構的突破創新，實現企業環保管控和能源數據資產價值化的最大釋放。該平臺的建設基于公司環保管控和能源系統平衡調度業務運營現狀，通過搭建鋼鐵行業工業互聯網平臺，建設環保智能管控系統、VOCs智慧溯源系統和煤氣、蒸汽和壓縮空氣的智能調度系統，實現對基礎的環保和能源數據的梳理和監控，為拓展數字化轉型應用建設夯實基礎。

2  建設目標

鋼鐵企業貫徹鋼鐵行業數字化轉型及兩化融合的戰略部署，平臺建設的總體目標如下：

（1）搭建一個鋼鐵行業工業互聯網平臺，開發環保智能管控系統、VOCs智慧溯源系統和三個能源智能應用：煤氣智能平衡系統APP、蒸汽智能平衡系統APP、壓縮空氣智能平衡系統APP，并對現有的基礎環保和能源數據及系統進行梳理，建設基于數字化的綠色環保能源高效利用平臺。

（2）通過對主要生產設備、環保設備、環保監測設備的集中采集，實現對全廠有組織排放監測、無組織排放監控、治理設備運行監控、污染行為監控、生產狀態監控和污染物在線監測預警、溯源分析和精準定位。

（3）通過本平臺的建設將連接不少于以下生產工序：焦化、燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼、動力、制氧、公輔等，并連接不少于50套設備，梳理基礎能源管理數據，并采集不少5000個數據點。

（4）通過本平臺的建設將設計和開發不少于10個工業模型。

利用工業互聯網、大數據、邊緣計算等新技術，提升環保和能源信息互聯互通、環保和能源數據深度利用、運營管理協同優化，從而推動企業環保管控和能源資源運行能力顯著提升。

3  建設方案

3.1   建設思路

基于公司環保管控和能源系統平衡調度業務運營現狀，建設基于數字化的綠色環保能源高效利用平臺，通過搭建工業互聯網平臺，建設環保智能管控系統、VOCs智慧溯源系統和煤氣、蒸汽、壓縮空氣的智能調度系統，并實現對基礎的環保和能源數據的梳理和監控，為拓展數字化轉型應用建設夯實基礎。

3.2  建設范圍

平臺建設涉及企業有組織排放、無組織排放、設備運行、污染行為、生產狀態的監控和所有的能源介質，包括高/焦/轉爐煤氣、蒸汽、壓縮空氣、鼓風、雨水、污水、脫鹽水、純水、工業水、生活水、電等介質。基本覆蓋焦爐、燒結、高爐、轉爐、電爐、加熱爐、熱處理爐、燃氣鍋爐、發電、汽動鼓風機、煤氣柜、煤氣加壓站、空壓站等主要工藝機組和公輔裝備。

3.3  平臺架構

圖1  工業互聯網的四層架構

基于數字化的綠色環保能源高效利用平臺按照工業互聯網的四層架構進行建設。工業互聯網的四層架構（邊緣層、資源層IaaS、平臺層PaaS、應用層SaaS層）如上圖所示。

3.4 建設方案

平臺建設方案包括邊緣層的數據采集方案，IaaS層平臺部署方案，PaaS技術方案，以及SaaS層應用方案。其中，邊緣層提供平臺所需的基礎能源數據采集以及IaaS所需要的平臺部署資源，IaaS層利用公司私有云平臺進行搭建，將所需的污染物數據、能源數據、設備數據、生產運行數據等匯聚到PaaS平臺，并在PaaS層上進行應用層的開發，SaaS層開發環保智能管控系統、VOCs智慧溯源系統、煤氣智能平衡系統APP、蒸汽智能平衡系統APP、壓縮空氣智能平衡系統APP。

3.4.1 邊緣層數據采集方案

環保和能源計量數據主要來源于包括EMS系統（IFIX）、智慧計量系統（1/2級+部分3級）、電表抄表系統（1/2級+部分3級）、環境管理信息系統等系統。具體數采需求如下：

能源運行參數：煤氣(高爐/轉爐/焦爐/天然氣/混合煤氣)；蒸汽（高壓/中壓/低壓蒸汽）、氧氣、壓縮空氣、電力。

公輔設施參數：煤氣柜、煤氣混合站、加壓系統、氧氣球罐、氣/液化裝置。

生產狀態參數：燒結點火爐、焦爐、高爐、轉爐、熱風爐、加熱爐、退火爐、鍋爐等。

生產計劃信息：主要產線設備包括燒結點火爐、焦爐、高爐、轉爐、熱風爐、加熱爐、退火爐、鍋爐等。

余熱運行參數：燒結環冷余熱設備、焦爐余熱利用設備、轉爐煙氣余熱回收設施、加熱爐汽化冷卻設施、供熱系統換熱設備。

單體設備信息：除塵風機、空壓機、鼓風機、加壓機、制氧機等。

數據采集解決方案通過邊緣數采網關實現對于現場多源異構的數據進行實時的連接、采集和處理，其中數據包括但不限于設備（如PLC、SCADA、DCS）、傳感器（如不同的儀表）、生產管理系統（如MES、EMS）、業務管理系統（如ERP）等。

3.4.2 IaaS層平臺部署方案

平臺作為整體數據融合、匯聚、監控和管理的中心，采用集團內部構建私有云部署和實施，協同于各控制區的邊緣數采方案。分布式集群部署，支持企業業務應用不間斷服務。平臺提供的數字孿生體框架不僅可以從數據源頭對現場多源異構數據進行治理，而且在數字空間對生產現場的設備等系統建立模型，支持結構化地從工業工程的角度組織和管理設備數據和算法模型。平臺通過松耦合分層解耦設計支持從系統資源、數據接入、算法開發、模型構建到數字化表征、業務應用多個維度的橫向擴展能力。

3.4.3 PaaS層技術方案

ThingswiseiDOS是為工業場景特制的完全基于云原生技術的工業數據操作系統。系統以典型云計算PaaS層技術對外提供支持能力，以工業數據為基礎和驅動力，以數字孿生框架技術核心，以工業模型和算法為載體，以實時流式計算引擎為特色，以配置文件及低代碼開發為工具，實現面向工業場景多源異構數據采集、流式數據即來即算，模型及算法高效復用，及應用快速動態反應等的功能特點。

系統提供創新型構建方式以數字孿生體定義工業設備屬性和模型，支持用戶以可視化工具定義和配置數字孿生體，簡易實現從OT的視角映射物理實體和組織設備數據，有力地促進兩化融合。系統提供面向大數據分析和挖掘的計算引擎，相對于實時流式數據驅動的計算引擎，該大數據處理功能支持對在線的實時計算和離線的數據分析。數字表征框架提供統一的數字孿生的定義和配置體系，在數字空間對生產現場的設備等系統建立模型，支持結構化地從工業工程的角度組織和管理設備數據和算法模型，支持構建數字虛擬工廠，簡化算法模型、應用開發和計算的復雜度，并實現一次建模，多處復用的能力。

3.4.4 SaaS層應用設計方案

（一）環保智能管控平臺

圖2  環保智能管控平臺

鋼鐵企業環保智能管控平臺對主要生產設備、環保設備、環保監測設備和視頻進行集中采集，通過對全廠有組織排放監測、無組織排放監控、治理設備運行監控、污染行為監控、生產狀態監控等，實現對全廠環保態勢的實時監測監控、管理和展示。

（二）VOCs智慧溯源系統

VOCs智慧溯源系統根據氣象條件和各點位VOCs監測濃度，實現各種氣候條件下全區域環境VOCs污染物在線監測預警、溯源分析和精準定位，形成一體化的環境監測、管理體系。

（三）煤氣智能平衡系統

基于煤氣系統運營特點，通過管理運營改善、運行信息關聯、分析計算建模和工業互聯網平臺技術的深度耦合，設計研發適用于甲方的煤氣系統運行智能化調配的軟件解決方案，主要功能包括：全網運行可視化、時效資源最優配置、異常識別-誘因分析、在線能效診斷、分級策略推送、兼顧前饋干預與應激響應、動態推送策略導航、跨工序跨系統協同，最終實現面向角色的跨時空精準化、策略化實時輔助決策。

主要功能：

（1）實現全網運行端到端可視化與數字化管理

（2）支持異常動態識別與誘因根因分析的功能

（3）支持關鍵煤氣設施在線智能診斷的功能

（4）支持跨系統系統協同優化與聯動響應

（5）支持多介質跨工序的多層級策略調配信息推送功能

（6）支持熱風爐/煤氣柜/鍋爐/混氣站的策略化智能控制

（7）設計可自定義配置調度規則的業務功能

（8）煤氣系統在線運行評價和后臺數據分析評價

（9）支持煤氣系統運行績效統計分析、策略跟蹤等功能

（四）蒸汽智能平衡系統

以鋼鐵企業蒸汽系統資源數字化、運行過程可視化為基礎，支持熱力公司圍繞蒸汽資源（余熱+鍋爐）供需平衡的最優配置實施策略化調度，并以蒸汽資源平衡為切入點圍繞“煤氣-蒸汽-發電”資源的價值最大化配置，支持用戶實施跨能介系統的策略導航及聯合調配。

主要功能：

（1）支持端到端全網運行可視化。

（2）支持異常動態識別與誘因根因分析的功能。

（3）支持多介質跨工序的多層級策略調配信息推送功能。

（4）支持余熱資源回收利用分析功能。

（5）支持鍋爐智慧管理功能。

（五）壓縮空氣智能平衡系統

“壓縮空氣智能平衡”主要以壓縮空氣介質為主要對象設計研發智能化平衡業務支持功能。支持用戶實現對壓縮空氣系統端到端可視化、運行異常識別-誘因分析，基于角色推送“單體-集群-系統供應”運行策略，支持空壓站多機組、空壓機單體策略化經濟運行。

主要功能：

（1）應用端到端全網運行可視化手段, 包括供應站設備和所有用戶設備總貌，并標明主要參數。

（2）采取異常動態識別與誘因根因分析等措施, 對空壓系統設備輕載、停車、流量突變等情況，能夠給出報警提示。

（3）提供基于供需策略調度的最優運行模式的決策，通過精益思路設計的策略化資源匹配方案，動態向壓縮空氣制氣系統推送最優運行組織方式。

（4）建立壓縮機的數字孿生體，確定這些電機設備的能效計算模型。

（5）支持壓縮空氣系統經濟運行統計分析。

（六）能效全景智慧監屏

能效全景智慧監屏是原有EMS系統升級的一個子功能，支持對能源系統運行全貌實施數字化展現，并從公司運行成本追蹤、關鍵公輔設備運行狀態、能源運行經濟性指標（放散率、余熱余能資源回收與利用、緩沖用戶運行）、關鍵管控參數等維度，可視化反映當前能源運營管控水平。

圖3  能源全景智慧監屏

主要功能：

（1)支持對能源系統實時運營全貌進行可視化跟蹤與呈現，推送包括噸鋼綜合能耗、能源成本、碳排放、煤氣放散、煤氣回收、余熱發電、燃氣發電、最大電力負荷、中水回用量、液氧汽化量等關鍵能源績效指標和系統運行實時數據。

（2)作為“各類能介智能平衡系統”的主頁入口畫面，為用戶推送包括能源供應、轉運、用能等設備及公輔系統關鍵閥門的實時狀況跟蹤和趨勢，相關設備狀態與單介質智能平衡系統的運行狀態共享。

（3）為調度推送能源系統運行異常預警信息、關鍵能效根因分析及基于規則的策略推送。

4  實施成效

4.1  市場推廣價值

該平臺具有極高的推廣價值，中國具有300+家上規模鋼鐵企業，環保管控系統和能源智能調度系統基本未升級。平臺建成后極大的推動了企業的節能減碳，每年可節降能源消耗上百億，對于總體減碳效果有巨大影響。

4.2 直接經濟效益

通過鋼鐵企業部署實施，推動了企業能源運行管控模式的變革和運營效率的提升，按行業理論測算，一般通過提升能源系統資源運營水平和效率，可降低公司總能源消耗5～10%左右，主要節能減排降碳效益如下：

1、降低高/焦煤氣放散損失，提高轉爐煤氣回收利用價值

（1）通過策略化資源調配和智能化調度，推動煤氣系統資源組合和配置效益最大化，從而實現煤氣資源放散損失減少并趨向零放散。

（2）基于煉鋼轉爐煤氣回收數據分析，轉爐存在較多整爐放散、部分回收情況，通過策略化回收設置與煤氣柜精益控制，提高單爐煤氣回收量、轉爐煤氣綜合利用價值。

（3）增加焦爐煤氣邊際效益，通過煤氣資源的價值化配置，將焦爐煤氣資源按確定的供應機制，差異化和選擇性的對用戶實施供給，從而實現焦爐煤氣資源邊際效益。

2、增加余熱回收利用，提高余熱發電價值

通過蒸汽資源合理調度，推動余熱利用價值提升，擴大產線余熱入網、提高余熱發電負荷、減少因蒸汽不足導致燃氣鍋爐對外送汽。

3、降低壓空運營損失

通過系統提供的時時資源平衡分析，支持不同模式下的空壓站集群策略化供應，減少資源排放損失，降低空壓機綜合電耗。

4、平抑系統管網波動，助力產線提質增效

通過對高爐/焦爐煤氣管網壓力波動的調控和優化，促進煤氣系統管網窄幅波動，平抑管網寬幅波動造成的煤氣供應問題，穩定煤氣管網壓力，對公司所有以煤氣作為燃料的爐窯的燃燒質量帶來好處，將極大改善生產的穩定和產品的質量。

4.3 間接經濟效益

環保管控是企業經濟發展的基礎，不但可以提升企業經濟效益，塑造良好的公眾形象，而且有助于構建優質的企業管理文化，提升企業的知名度和綜合競爭能力。

通過對企業能源進行智能化管控，給企業帶來了眾多間接經濟效益：

（1）平抑系統管網波動，穩定生產

通過對高爐/焦爐煤氣管網壓力波動的調控和優化，促進煤氣系統管網窄幅波動，穩定煤氣供應及產線生產。

（2）優化窯爐燃燒，提升精益運行水平

通過對工業爐窯關鍵運行數據監控、分析、異常識別，支持單體智能診斷及“單體-集群-系統”控制優化。如降爐窯低排煙損失、改善加熱質量、增加熱爐時機產量等。

（3）降碳減排

應用案例的實施有助于進一步降低能源放散損失、優化爐窯效率、提高能源利用率，降低碳排放量，為企業創造碳減排收益。

（4）提升企業數字化運營水平

通過能源流、設備狀態、生產物流等信息融合和價值關聯的能源大數據構建，將業務數字化，整體提升能源管理數字化運營水平，為企業數字化轉型夯實數據基礎。

（5）管理方式轉變

實現了從經驗調度到數據決策的智能調度的管理方式轉變，大大提升了管理效率和管控力度。

4.4 社會效益

（1）本平臺基于工業互聯網平臺設計研發，項目涉及到的問題點，屬于行業普遍存在的共性問題，在鋼鐵企業實施后具有較好的社會推廣價值，具有解決行業共性問題的能力，為推動鋼鐵行業能源高質量可持續發展提供借鑒和參考。

（2）由于企業對于自身能源資源的最優配置、數字化展現、智能化調度業務支持在系統管控原理和指導思想方面存在異曲同工的情況，因此本平臺跨行業可推廣性較強，不僅適合鋼鐵行業，還適合于有色、石油、化工、園區等大型流程行業的能介系統智能平衡與決策。

5  結語

在國家數字化轉型的大背景下，鋼鐵企業數字化綠色環保能源高效利用平臺專注在工業生產過程中借助通信和計算新技術的優勢，實現能源管控和資源優化配置。平臺收集設備和系統的大量數據并進行分析，再應用分析結果優化工業制造運營。利用工業互聯網，企業可具備高度的靈活性、敏捷性和效率，提高生產和業務運營的整體績效，創建新的服務功能和業務模型，并最終獲取轉型成果。鋼鐵企業數字化綠色環保能源高效利用平臺融合云計算、大數據、機器學習、人工智能、模型和應用研發工具為一體，通過優化與創新最終實現鋼鐵行業生產經營的價值最大化和能源智能化管控及高效利用。

參考文獻

[1]  陳娟. 面向鋼鐵企業能源管控系統的數據采集與分析[D]. 內蒙古科技大學.