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    作者：吉林通化網(wǎng)航信息技術(shù)股份有限責(zé)任公司 王樹強(qiáng)，胡明，王君海，宋書龍

    摘要：本文通過對通化鋼鐵集團(tuán)股份有限公司的“能源平衡自動化控制系統(tǒng)項目”的設(shè)計及實施，按照可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，提高環(huán)境保護(hù)和資源綜合利用水平，節(jié)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，力爭實現(xiàn)“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)；自動化；能源平衡；循環(huán)經(jīng)濟(jì)

    1 前言

    所謂能源平衡即合理利用現(xiàn)有能源，減少浪費，協(xié)調(diào)能源分配，實現(xiàn)能源的相對平衡，從而達(dá)到節(jié)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)面臨著產(chǎn)品質(zhì)量、價格和售后服務(wù)上激烈的競爭。節(jié)能降耗、降成本是鋼鐵企業(yè)提高市場競爭力的最重要手段之一。國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)十分重視企業(yè)的節(jié)能工作，充分利用已開發(fā)出來的各項新技術(shù)、新設(shè)備、新方法來最大限度地在鋼鐵生產(chǎn)過程中實現(xiàn)回收余熱余能，達(dá)到能源平衡控制，在有條件的情況下，形成能源控制自動化，減少煤氣放散等能源浪費。

    據(jù)統(tǒng)計，近年來世界鋼鐵工業(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(jù)冶金重點企業(yè)統(tǒng)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(tǒng)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(dá)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(shù)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(dá)1295Kg/t。這說明，我國鋼鐵企業(yè)節(jié)能潛力巨大。

    近年來，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)、自動化技術(shù)、現(xiàn)場工藝技術(shù)充分融合，形成網(wǎng)絡(luò)化的能源平衡控制框架，使能源在線管理和能源實現(xiàn)平衡成為可能。

    我國只有少數(shù)幾個大型鋼鐵企業(yè)引進(jìn)了能源平衡控制自動化系統(tǒng)，耗資上億元人民幣，多數(shù)中小規(guī)模的企業(yè)在能源平衡控制自動化系統(tǒng)建設(shè)方面還是空白。通鋼作為我國一家大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，能源管理自動化水平比較低，能耗指標(biāo)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(zé)任公司（以下簡稱通化網(wǎng)航）針對中小規(guī)模鋼鐵企業(yè)研發(fā)并應(yīng)用通鋼能源平衡控制自動化系統(tǒng)，在能源平衡系統(tǒng)方面做了一些有益的嘗試，本文將根據(jù)我公司實施通鋼能源平衡系統(tǒng)的具體情況，詳細(xì)闡述本套系統(tǒng)的實施過程、工作原理及使用后的成效，以期對中小規(guī)模冶金企業(yè)能源平衡系統(tǒng)的建設(shè)起到借鑒作用。

    2 能源平衡系統(tǒng)構(gòu)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(biāo)偏高，使產(chǎn)品成本難以得到改善，在市場競爭中往往處于劣勢。利用自動化、信息化、工藝控制三項技術(shù)的深入結(jié)合，改善能源消耗指標(biāo)，循環(huán)再利用成為新的經(jīng)濟(jì)形式下的主題。

    能源平衡系統(tǒng)實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)主要能源：煤氣、蒸氣、氧氣、電力平衡自動控制系統(tǒng)開發(fā)；進(jìn)行通用性改造，實現(xiàn)總體能源自動控制系統(tǒng)的開發(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)的問題。

    基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示
 
                     
                                                        圖1 能源平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    企業(yè)信息化一般由三部分內(nèi)容組成：ERP（企業(yè)資源計劃）系統(tǒng)、MES（制造執(zhí)行）系統(tǒng)、PCS（過程控制）系統(tǒng)，而鋼鐵企業(yè)由于流程復(fù)雜，其信息化應(yīng)用被公認(rèn)為最為復(fù)雜和困難的，如圖3所示。能源平衡控制自動化系統(tǒng)是MES和PCS兩個層面應(yīng)用的重要組成。

    其中，ERP主要根據(jù)企業(yè)的人、財、物各種資源的狀況和產(chǎn)、供、銷各個環(huán)節(jié)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)營活動協(xié)調(diào)有序地進(jìn)行，并對企業(yè)的戰(zhàn)略計劃進(jìn)行決策；
       
                         
                                     圖2 通鋼能源平衡系統(tǒng)框架圖  

                                  

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

    MES則根據(jù)ERP系統(tǒng)下達(dá)的合同計劃，通過生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)統(tǒng)計、成本控制、物料平衡和能源管理過程組織生產(chǎn)，并將信息加以采集、傳遞和加工處理，及時呈報ERP系統(tǒng)；

    PCS系統(tǒng)根據(jù)MES下達(dá)的生產(chǎn)指令進(jìn)行各工序的過程控制，設(shè)定各種設(shè)備的具體動作參數(shù)，進(jìn)行各種模型計算和控制計算，同時收集執(zhí)行過程中的實時數(shù)據(jù)上傳MES和ERP系統(tǒng)。MES層起到承上啟下的作用，能源平衡控制系統(tǒng)絕大多數(shù)功能突出體現(xiàn)在MES層次。

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

    據(jù)分析，國內(nèi)外現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過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(tǒng)共分四個部分：數(shù)據(jù)平臺、能源平衡專家系統(tǒng)、物理隔離系統(tǒng)、操作界面。

    2.1 數(shù)據(jù)平臺

    由采集層、傳輸層、管理層及數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)成。

    （1）采集層

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

    （2）傳輸層

    由采集層來的各路串行信號上行數(shù)據(jù)有的直接經(jīng)雙絞線到數(shù)采分站的計算機(jī)中去，經(jīng)數(shù)采分站計算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)有的經(jīng)專線直傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器。經(jīng)過專家系統(tǒng)生成的操作數(shù)據(jù)（OD）經(jīng)由傳輸系統(tǒng)，傳遞至設(shè)備PLC，設(shè)備動作，完成能源平衡所需的設(shè)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(shù)據(jù)管理層由服務(wù)器和工作站來控制，服務(wù)器負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。工程師工作站，用于對現(xiàn)場儀表進(jìn)行維護(hù)，如累計量清理等。對數(shù)采分站中軟件進(jìn)行維護(hù)。

    采用IDATA分布式實時數(shù)據(jù)庫，它具有OPC接口能力，可提供ORACLE數(shù)據(jù)庫支持。結(jié)合BO的數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)展現(xiàn)功能，實現(xiàn)網(wǎng)上發(fā)布，各個授權(quán)客戶可網(wǎng)上瀏覽有關(guān)數(shù)據(jù)和曲線。

    IDATA Server是IDATA實時數(shù)據(jù)庫的核心，主要功能是對實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲管理，與其它模塊進(jìn)行通訊，支持各種應(yīng)用對數(shù)據(jù)的訪問，設(shè)置組態(tài)信息和對用戶權(quán)限進(jìn)行控制管理。

     設(shè)備數(shù)據(jù)接口CIMIO Server ，是實時數(shù)據(jù)庫與各種設(shè)備和應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的接口。它從各種設(shè)備獲取實時數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給IDATA Server進(jìn)行管理。同時，通過它可以與多種實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)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時數(shù)據(jù)，響應(yīng)客戶端對實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的查詢，保證數(shù)據(jù)的真實性、完整性，提高了磁盤的利用率，保證了對客戶端的請求作出快速響應(yīng)。IDATA數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不僅可用于生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控、計劃調(diào)度、工藝改進(jìn)、事故分析，同時還可以將數(shù)據(jù)傳送至關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，為廠領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)管理部門服務(wù)。在IDATA的支持下，可實現(xiàn)裝置的先進(jìn)控制、流程模擬、優(yōu)化、計劃、專家系統(tǒng)等。服務(wù)器操作系統(tǒng)平臺可以采用UNIX或Windows Server，在服務(wù)器上安裝有實時數(shù)據(jù)庫的IDATA Server和CIMIO Server兩個模塊。

    設(shè)備接口CIMIO主要功能是與DCS、PLC和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。與各種關(guān)系數(shù)據(jù)庫（Oracle、DB2、Sybase、MS SQLServer）雙向交換數(shù)據(jù)。
  
                       
                                            圖6 CIMIO數(shù)據(jù)流圖

    （4）數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)

     數(shù)據(jù)挖掘就是從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)知識和尋找規(guī)律，并用它們指導(dǎo)生產(chǎn)或管理，提高效益。由于現(xiàn)實世界中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都是復(fù)雜數(shù)據(jù)，其復(fù)雜性表現(xiàn)為：非線性、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(shù)據(jù)挖掘從挖掘任務(wù)和挖掘方法的角度劃分為數(shù)據(jù)總結(jié)、分類發(fā)現(xiàn)、聚類和關(guān)聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)四種非常重要的組成部分。

    數(shù)據(jù)總結(jié)

    數(shù)據(jù)總結(jié)目的是對數(shù)據(jù)進(jìn)行濃縮,給出它的緊湊描述。數(shù)據(jù)挖掘主要關(guān)心從數(shù)據(jù)泛化的角度來討論數(shù)據(jù)總結(jié)。

    分類發(fā)現(xiàn)

   分類在數(shù)據(jù)挖掘中是一項非常重要的任務(wù),目前在商業(yè)上應(yīng)用最多。分類的目的是學(xué)會一個分類函數(shù)或分類模型(也常常稱作分類器)，該模型能把數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)項映射到給定類別中的某一個。

   聚類

   聚類是把一組個體按照相似性歸成若干類別，即“物以類聚”。它的目的是使得屬于同一類別的個體之間的距離盡可能的小，而不同類別上的個體間的距離盡可能的大。聚類方法包括統(tǒng)計方法、機(jī)器學(xué)習(xí)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和面向數(shù)據(jù)庫的方法。

     關(guān)聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)

    關(guān)聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)的主要對象是事務(wù)型數(shù)據(jù)庫，其中針對的應(yīng)用則是售貨數(shù)據(jù)，也稱貨籃數(shù)據(jù)。

   2.2 能源平衡專家系統(tǒng)

   能源平衡專家系統(tǒng)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，部分改善生產(chǎn)過程控制和提高產(chǎn)品質(zhì)量，還將徹底改變技術(shù)復(fù)雜性。經(jīng)過充分實踐，研發(fā)出能源平衡數(shù)學(xué)模型，包括：煤氣平衡數(shù)學(xué)模型，氧氣平衡數(shù)學(xué)模型，蒸汽平衡數(shù)學(xué)模型，電力平衡數(shù)學(xué)模型，極限溫度控制數(shù)學(xué)模型。能源專家系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后，數(shù)學(xué)模型計算出操作數(shù)據(jù)。

   2.3 物理隔離系統(tǒng)

   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(nèi)部網(wǎng)的安全保護(hù)，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(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，操作界面友好，界面系統(tǒng)與瀏覽器實現(xiàn)無縫集成，提供界面鎖定等安全功能。操作界面允許用戶自定義擴(kuò)展功能，加入第三方應(yīng)用。

    3 能源平衡系統(tǒng)效果

   3.1 實施能源平衡系統(tǒng)的過程

   根據(jù)通鋼能源生產(chǎn)及使用的總體分布結(jié)構(gòu)，并充分考慮現(xiàn)場實際情況，前端數(shù)據(jù)采集部分根據(jù)實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(shù)模轉(zhuǎn)換、處理采用穩(wěn)定性及可靠性俱佳的西門子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用控制電纜，保證控制信號的準(zhǔn)確傳輸；中央控制部分在網(wǎng)航網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房建立能源中心站服務(wù)器，使用專用工業(yè)組態(tài)軟件組態(tài)王結(jié)合SQL2000數(shù)據(jù)庫軟件，使得能源中心站能夠進(jìn)行實時信息管理系統(tǒng)控制，采用計算機(jī)實時顯示系統(tǒng)信息，記錄歷史數(shù)據(jù)，并適時根據(jù)具體情況報警、提示；在一段時間的使用及磨合之后，建立能源平衡專家系統(tǒng)，參與能源的管理、調(diào)配，科學(xué)組織生產(chǎn)。
  
                        
                                    圖7 煤氣控制系統(tǒng)示意圖

    3.2 能源平衡系統(tǒng)實施取得的效益

    氧氣在線管理系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，系統(tǒng)運(yùn)行正常，氧氣壓力的調(diào)整時間也由過去的40分鐘～4個小時縮短到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(tǒng)實現(xiàn)管網(wǎng)控制，每年實現(xiàn)綜合經(jīng)濟(jì)效益近2500萬元。
  
                        
                                    圖8 氧氣平衡系統(tǒng)示意圖

    4 結(jié)束語

    鋼鐵工業(yè)開展節(jié)能工作要系統(tǒng)節(jié)能，而不能各工序單打一的簡單考慮。系統(tǒng)節(jié)能的思路是，實現(xiàn)管理節(jié)能、技術(shù)節(jié)能、結(jié)構(gòu)節(jié)能并舉，達(dá)到以較少的資金投入，實現(xiàn)最大的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。建立和完善企業(yè)的能源控制和管理系統(tǒng)，對企業(yè)各工序生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行故障分析診斷、能源平衡預(yù)測，利用系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化、專家系統(tǒng)、高速采集數(shù)據(jù)和及時分析、歸檔處理，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的分散控制、集中管理。管理節(jié)能可為企業(yè)創(chuàng)出節(jié)約總能耗的5％。

    能源平衡系統(tǒng)實施的效果不僅僅體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益上，更重要的是體現(xiàn)在企業(yè)管理手段和管理水平以及社會效益上，它解決了產(chǎn)品產(chǎn)量與能源消耗調(diào)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題，從根本上解決了能源管理中的現(xiàn)場盯、看、守的管理模式，一改舊的管理模式為網(wǎng)絡(luò)在線管理模式，管理模式的轉(zhuǎn)變，帶來了管理上的進(jìn)步和飛躍，使能源消耗型企業(yè)管理水平登上了一個新臺階，走上了可持續(xù)發(fā)展之路。

    王樹強(qiáng)（1971-）

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

    胡 明（1975-）

    1999年畢業(yè)于長春工程學(xué)院計算機(jī)工程專業(yè)，現(xiàn)任吉林通化網(wǎng)航信息技術(shù)股份有限責(zé)任公司工控分公司工程師。

    王君海（1970-）

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

    宋書龍（1970-）

    造價師，高級工程師，1992年畢業(yè)于東北師范大學(xué)數(shù)學(xué)系電子工程專業(yè)，現(xiàn)就職于吉林通化網(wǎng)航信息技術(shù)股份有限責(zé)任公司。   

    摘自《自動化博覽》2012年第四期