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      作者：吉林通化網航信息技術股份有限責任公司 王樹強，胡明，王君海，宋書龍

    摘要：本文通過對通化鋼鐵集團股份有限公司的“能源平衡自動化控制系統項目”的設計及實施，按照可持續發展和循環經濟理念，提高環境保護和資源綜合利用水平，節能降耗。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“零排放”，建立循環型鋼鐵企業。使中小型鋼鐵企業有效利用生產過程中產生的剩余氧氣、煤氣、蒸氣，減少放散，提高生態環境質量。

   關鍵詞：鋼鐵行業；自動化；能源平衡；循環經濟

    1 前言

    所謂能源平衡即合理利用現有能源，減少浪費，協調能源分配，實現能源的相對平衡，從而達到節約能源，降低生產成本的目的。能源平衡對能耗型企業意義尤為重大。

    我國加人WTO后，鋼鐵工業面臨著產品質量、價格和售后服務上激烈的競爭。節能降耗、降成本是鋼鐵企業提高市場競爭力的最重要手段之一。國內外鋼鐵企業十分重視企業的節能工作，充分利用已開發出來的各項新技術、新設備、新方法來最大限度地在鋼鐵生產過程中實現回收余熱余能，達到能源平衡控制，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。

    據統計，近年來世界鋼鐵工業能源消耗占世界總能耗的10％左右，我國鋼鐵工業總能耗也占全國總能耗的10％左右。根據冶金重點企業統計匯總能源消耗情況進行計算得出，各主要工序能耗占鋼鐵工業總能耗的比例見表1。

                                        表1 鋼鐵企業工序能耗比例表
               
      
    從表1可看出鐵系統的能耗占鋼鐵工業總能耗的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到92％以上，其企業能耗占成本的比例是14％。我國寶鋼的余熱余能回收率在68％，其能耗占生產成本的20％，我國大多數鋼鐵企業的余熱余能回收利用率在30％~50％，其能耗占生產成本的30％~45％。我國重點企業的能耗要比國外先進企業的能耗高出30％以上，最高的企業達1295Kg/t。這說明，我國鋼鐵企業節能潛力巨大。

    近年來，信息技術的發展為企業提供了全新的能源控制技術，即將信息網絡技術、自動化技術、現場工藝技術充分融合，形成網絡化的能源平衡控制框架，使能源在線管理和能源實現平衡成為可能。

    我國只有少數幾個大型鋼鐵企業引進了能源平衡控制自動化系統，耗資上億元人民幣，多數中小規模的企業在能源平衡控制自動化系統建設方面還是空白。通鋼作為我國一家大型鋼鐵聯合企業，能源管理自動化水平比較低，能耗指標較先進水平差距較大，針對這一情況，吉林通化網航信息技術股份有限責任公司（以下簡稱通化網航）針對中小規模鋼鐵企業研發并應用通鋼能源平衡控制自動化系統，在能源平衡系統方面做了一些有益的嘗試，本文將根據我公司實施通鋼能源平衡系統的具體情況，詳細闡述本套系統的實施過程、工作原理及使用后的成效，以期對中小規模冶金企業能源平衡系統的建設起到借鑒作用。

    2 能源平衡系統構架

    鋼鐵企業普遍存在能源消耗大，循環再利用不足，能耗指標偏高，使產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、工藝控制三項技術的深入結合，改善能源消耗指標，循環再利用成為新的經濟形式下的主題。

    能源平衡系統實現鋼鐵企業主要能源：煤氣、蒸氣、氧氣、電力平衡自動控制系統開發；進行通用性改造，實現總體能源自動控制系統的開發和產業化；解決大型企業能源控制軟件不適合中小型企業的問題。

    基本結構如圖1所示。系統架構如圖2所示
 
                     
                                                        圖1 能源平衡系統結構圖

    企業信息化一般由三部分內容組成：ERP（企業資源計劃）系統、MES（制造執行）系統、PCS（過程控制）系統，而鋼鐵企業由于流程復雜，其信息化應用被公認為最為復雜和困難的，如圖3所示。能源平衡控制自動化系統是MES和PCS兩個層面應用的重要組成。

    其中，ERP主要根據企業的人、財、物各種資源的狀況和產、供、銷各個環節的信息，對生產進行合理有效的計劃、組織，使生產經營活動協調有序地進行，并對企業的戰略計劃進行決策；
       
                         
                                     圖2 通鋼能源平衡系統框架圖  

                                  

                                   圖3 企業信息化系統流程圖

    MES則根據ERP系統下達的合同計劃，通過生產調度、生產統計、成本控制、物料平衡和能源管理過程組織生產，并將信息加以采集、傳遞和加工處理，及時呈報ERP系統；

    PCS系統根據MES下達的生產指令進行各工序的過程控制，設定各種設備的具體動作參數，進行各種模型計算和控制計算，同時收集執行過程中的實時數據上傳MES和ERP系統。MES層起到承上啟下的作用，能源平衡控制系統絕大多數功能突出體現在MES層次。

    由于鋼鐵企業工序繁多，工序間能量轉換、物料轉換復雜，生產組織受各種因素影響，計劃變更頻繁，節能工作也相對復雜。

    據分析，國內外現代化鋼鐵企業生產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品成本的20％左右。

    網航能源平衡系統共分四個部分：數據平臺、能源平衡專家系統、物理隔離系統、操作界面。

    2.1 數據平臺

    由采集層、傳輸層、管理層及數據挖掘構成。

    （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據采集器中（個別二型一次表須加轉換器，以便輸出4~20mA信號），變成一路數字信號進傳輸層。某些參數還須作補償后方可變成數字信號進傳輸層。電量檢測則由智能電能表直接輸出數字信號進數據采集分站。

    （2）傳輸層

    由采集層來的各路串行信號上行數據有的直接經雙絞線到數采分站的計算機中去，經數采分站計算機處理后的數據有的經專線直傳系統數據服務器。經過專家系統生成的操作數據（OD）經由傳輸系統，傳遞至設備PLC，設備動作，完成能源平衡所需的設備操作。

    傳輸層示意圖如圖4所示。
  
                   
                                        圖4 傳輸層示意圖

   （3）管理層

    數據管理層由服務器和工作站來控制，服務器負責現場數據處理，實現數據共享。工程師工作站，用于對現場儀表進行維護，如累計量清理等。對數采分站中軟件進行維護。

    采用IDATA分布式實時數據庫，它具有OPC接口能力，可提供ORACLE數據庫支持。結合BO的數據挖掘和數據展現功能，實現網上發布，各個授權客戶可網上瀏覽有關數據和曲線。

    IDATA Server是IDATA實時數據庫的核心，主要功能是對實時數據和歷史數據進行存儲管理，與其它模塊進行通訊，支持各種應用對數據的訪問，設置組態信息和對用戶權限進行控制管理。

     設備數據接口CIMIO Server ，是實時數據庫與各種設備和應用進行數據通訊的接口。它從各種設備獲取實時數據，并將數據傳送給IDATA Server進行管理。同時，通過它可以與多種實時數據庫系統和關系型數據庫實現雙向數據交換。

    IDATA的工作流程和各模塊之間關系如圖5所示。
   
                     
                            圖5 IDATA的工作流程和各模塊之間關系示意圖

    IDATA服務器接收并管理各采集站采集的實時數據，響應客戶端對實時數據和歷史數據的查詢，保證數據的真實性、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。IDATA數據庫中的數據不僅可用于生產現場監控、計劃調度、工藝改進、事故分析，同時還可以將數據傳送至關系型數據庫中，為廠領導及相關管理部門服務。在IDATA的支持下，可實現裝置的先進控制、流程模擬、優化、計劃、專家系統等。服務器操作系統平臺可以采用UNIX或Windows Server，在服務器上安裝有實時數據庫的IDATA Server和CIMIO Server兩個模塊。

    設備接口CIMIO主要功能是與DCS、PLC和數據庫系統交換數據。與各種關系數據庫（Oracle、DB2、Sybase、MS SQLServer）雙向交換數據。
  
                       
                                            圖6 CIMIO數據流圖

    （4）數據挖掘系統

     數據挖掘就是從數據中發現知識和尋找規律，并用它們指導生產或管理，提高效益。由于現實世界中產生的數據都是復雜數據，其復雜性表現為：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。數據挖掘從挖掘任務和挖掘方法的角度劃分為數據總結、分類發現、聚類和關聯規則發現四種非常重要的組成部分。

    數據總結

    數據總結目的是對數據進行濃縮,給出它的緊湊描述。數據挖掘主要關心從數據泛化的角度來討論數據總結。

    分類發現

   分類在數據挖掘中是一項非常重要的任務,目前在商業上應用最多。分類的目的是學會一個分類函數或分類模型(也常常稱作分類器)，該模型能把數據庫中的數據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。聚類方法包括統計方法、機器學習方法、神經網絡方法和面向數據庫的方法。

     關聯規則發現

    關聯規則發現的主要對象是事務型數據庫，其中針對的應用則是售貨數據，也稱貨籃數據。

   2.2 能源平衡專家系統

   能源平衡專家系統利用神經網絡技術，部分改善生產過程控制和提高產品質量，還將徹底改變技術復雜性。經過充分實踐，研發出能源平衡數學模型，包括：煤氣平衡數學模型，氧氣平衡數學模型，蒸汽平衡數學模型，電力平衡數學模型，極限溫度控制數學模型。能源專家系統接收數據后，數學模型計算出操作數據。

   2.3 物理隔離系統

   物理隔離指網絡不得直接或間接聯入非指定地址網絡。主要用于工業控制網和政府內部網的安全保護，在技術上確保各網絡之間互不影響。

   2.4 操作界面

   系統采用B/S結構，操作界面友好，界面系統與瀏覽器實現無縫集成，提供界面鎖定等安全功能。操作界面允許用戶自定義擴展功能，加入第三方應用。

    3 能源平衡系統效果

   3.1 實施能源平衡系統的過程

   根據通鋼能源生產及使用的總體分布結構，并充分考慮現場實際情況，前端數據采集部分根據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，用配電器進行信號隔離、分配；信號數模轉換、處理采用穩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絡原有的光纜；控制信號傳輸采用帶屏蔽專用控制電纜，保證控制信號的準確傳輸；中央控制部分在網航網絡中心機房建立能源中心站服務器，使用專用工業組態軟件組態王結合SQL2000數據庫軟件，使得能源中心站能夠進行實時信息管理系統控制，采用計算機實時顯示系統信息，記錄歷史數據，并適時根據具體情況報警、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，參與能源的管理、調配，科學組織生產。
  
                        
                                    圖7 煤氣控制系統示意圖

    3.2 能源平衡系統實施取得的效益

    氧氣在線管理系統投入運行以來，系統運行正常，氧氣壓力的調整時間也由過去的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，年降低生產成本（5426237立方米×0.85元/立方米）＝4612302元。煤氣平衡系統實現管網控制，每年實現綜合經濟效益近2500萬元。
  
                        
                                    圖8 氧氣平衡系統示意圖

    4 結束語

    鋼鐵工業開展節能工作要系統節能，而不能各工序單打一的簡單考慮。系統節能的思路是，實現管理節能、技術節能、結構節能并舉，達到以較少的資金投入，實現最大的節能效果和經濟效益。建立和完善企業的能源控制和管理系統，對企業各工序生產過程進行監控，進行故障分析診斷、能源平衡預測，利用系統運行優化、專家系統、高速采集數據和及時分析、歸檔處理，實現能源系統的分散控制、集中管理。管理節能可為企業創出節約總能耗的5％。

    能源平衡系統實施的效果不僅僅體現在經濟效益上，更重要的是體現在企業管理手段和管理水平以及社會效益上，它解決了產品產量與能源消耗調整中的難題，可以大幅減緩產品產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場盯、看、守的管理模式，一改舊的管理模式為網絡在線管理模式，管理模式的轉變，帶來了管理上的進步和飛躍，使能源消耗型企業管理水平登上了一個新臺階，走上了可持續發展之路。

    王樹強（1971-）

    1993年畢業于北京科技大學冶金專業，現任吉林通化網航信息技術股份有限責任公司總經理。

    胡 明（1975-）

    1999年畢業于長春工程學院計算機工程專業，現任吉林通化網航信息技術股份有限責任公司工控分公司工程師。

    王君海（1970-）

    現任吉林通化網航信息技術股份有限責任公司副總經理。

    宋書龍（1970-）

    造價師，高級工程師，1992年畢業于東北師范大學數學系電子工程專業，現就職于吉林通化網航信息技術股份有限責任公司。   

    摘自《自動化博覽》2012年第四期