智慧能源管控系统在钢铁企业的设计与应用

摘要：在新时代发展背景下,钢铁行业依然存在结构产品单一与产能过剩等问题,对其生产所提出的环保要求也变得越来越严格,大部分企业都将降本增效当做核心任务。而通过构建能源管控系统是实现节能减排工作的有效措施。在钢铁企业智慧能源管控中心构建过程中,主要依靠的是大数据技术优势,将迅捷的计算方法和廉价传感器作为基础,为钢铁企业经营生产提供支持,形成了多元化的能源供给方式。对此本文针对钢铁企业智慧能源管控系统的基本架构与技术方案进行分析,并提出科学合理的开发与实践策略。

关键词：钢铁企业；智慧能源管控系统；专家系统；技术方案；节能降耗；智慧工厂

概述

在钢铁企业智慧能源管控系统建立过程中，其平台主要通过采集并整合煤气、氧氮氩气、水电、蒸气以及天然气等能源流数据，来实现能源流、物质流以及信息流相统一，为钢铁企业能源管控提供远程控制、规律分析以及决策优化等一站式能源管控服务。同时，平台充分利用了大数据技术的手段，提供了能源消耗评价、平衡预测以及多能源介质耦合优化等分析服务，使钢铁企业能够多方面了解到当前能源生命周期的管理与应用情况，诊断能源使用期间所出现的各种异常问题，从而提高能源介质的转化效率，降低钢铁企业生产成本，带来较大的能源价值。

钢铁企业能源管控系统的基本架构

通常情况下，钢铁企业能源管控系统主要是由现场控制层、数据采集层以及应用服务层所构成。底层与上层数据指令分别通过上行与下行通信来完成信息传递和远程控制。首先，现场控制层主要由PLC、RTU和DCS等信息采集设备组合而成。在经过监控点采集之后，数据参数可以经过PLC，利用网络传入到能源管控系统中，还可以经过现场子站采集之后通过网络传入到能源管控系统当中。随后远程终端设备可以将测得的各类状态转化为可发送的数据格式，利用以太网传输到能源管控中心，并将中央计算机所传输过来的数据转化为命令，从而对钢铁企业生产设备进行远程操控。其次，数据采集处理层主要是将实时数据库作为核心，利用相关工具来完成数据处理与归档。数据采集系统通常都包括数据采集与处理、人工录入以及数据储存等步骤，其中作为自动采集的补充手段，人工录入发挥着至关重要的作用。应用服务层主要包括监控系统和能源管理系统两大部分。综合监控系统的设置主要包括工艺单元与电力需求测系统等模块，可以对循环水系统、煤气柜以及能介管网等单元进行实时监控和故障处理。钢铁企业智慧能源管控系统如图一所示。

图一 钢铁企业智慧能源管控系统

钢铁企业智慧能源管控系统构建原则 

能源单元与管控工艺是基本 

将动态与精细化管理相结合的智慧能源管理系统，可以将各个能源单元核心层进行多方面分析，从而确保能源管控可以在能源专业方面实现精细化与实用性。同时，结合相关的之智能优化系统，可以完成能源动力系统操控、管理以及因素分析智能化发展。除此之外，动态精细化管控信息系统，能够将各个工序作为目标，在计量与信息化系统的支持下，利用全程能源跟踪实现更加完整且时效较短的成本分析，从而多方面支持钢铁企业与各工序能源结构的完善与调节，最终使智慧能源管控变得更加客观与科学。 

完善能源基础管理，构建精益化能源运行管控模式 

钢铁企业智慧能源经济运行目标应当按月设计，多方面实施能源经济运行日通报、月总结以及周点评。对能源管理专业考核方法进行完善并严格执行，贯彻落实责任制与激励制度，从而将能耗目标的完成情况整合到各个钢铁企业年度考核当中，加强企业能源动力监察的执行能力，较大限度地减少资源浪费。另外，整个平台都要建立于钢铁企业数据中心与私有云端上，以大数据技术为基础来出台解决方案，从而利用前台框架来支持钢铁企业实现多方位运作。

优化能源管控统计、对标与评价方式 

在动态与精细化智慧能源管理信息系统应用期间，可以在智慧层面上，从普通行业标杆或纵向对标比较策略向互相结合的状态发生转变。其中目标与状态相结合就是将目标作为根本出发点，用当前的状态来调整目标动态模式。而且，几乎左右的管控标准与能效因子都是随着状态变化而改变的，这种分析模式将呈现出更加客观的特点，并且还可以完成在线运行，保证生命周期内的能源可以实现精细化管理，从而更好地支持钢铁企业能源生产与管理，提高智慧能源管控系统运行的整体效率。

技术方案 

远程集控平台 

在智慧能源管控平台中，远程集控系统是十分重要的组成部分，也是平台顺利运行的基础保障，它主要承担着三项重要任务：一是确保钢铁生产现场操控的稳定性，二是利用集控中心对现场站所进行远程控制，三是为基础管理系统与智能专家系统提供所有的能源生产与计算数据。 

同时，远程集控系统主要是由趋势查询、能源调度、故障排查以及远程控制等模块组成，在本地设备优化升级与自动化改造基础上，将生产现场不同型号的控制系统结合在一起，连接控制系统和智能网关设备。集控中心端配置了高新更服务器群，利用1：N互为冗余的分布式结构，从而确保系统可以更加稳定、可靠的运行。在远程控制系统的帮助下，不同区域与不同介质的站所，可以结合工艺相关性进行重组优化，实现站所室集中操控与故障实时掌握，并对其中的故障原因进行分析，从而大幅度提高工作人员的效率。 

基础能源管理系统 

基础能源管理系统可以在采集并整合钢铁企业分公司MES和ERP系统数据的基础上，对年月日计划数据进行详细制定与管理，结合实时计量数据，划分出不同时期的输出报表，提供生产运行支持管理与能源事故管理。同时还可以对钢铁企业核心能源设备的原始设计参数与维修信息进行管理。通过对比五种主要功能介质的消耗与成本，可以从不同层次进行对比、环比和分析。此外，在基础能源管理系统应用基础上，可以实现数据不落地式的管理，也就是数据统计、财务结算、应用分析全部都由系统完成，实现能源管理分析自动化与准确化。基础能源管理主要包括以下八大模块，如图一所示。 

能源计划管理 

钢铁企业、产线以及机组中的煤气、水电、氧气、氮气以及氩气等动力能源介质供应都需要历史计划数据的查询与管理。

报表与实际绩效管理 

钢铁企业、产线、工序以及机组各能源介质报表的生成与打印。

能源质量管理 

定期维护、事故管理以及档案管理、 

能源设备管理 

预防性维修管理、事故管理、缺陷管理以及档案管理。 

运营支持管理 

关键能源的作业计划设定、审批以及履历管理，应急预案检索实现能源作业、办公管理信息化，实现信息共享与信息传递网络化，为钢铁企业有效办公提供可靠的信息支持。 

移动点巡检管理 

为巡检人员提供便捷且有效的辅助性工具，使点检人员通过扫二维码就可以完成设备点检，从而实现对钢铁生产设备进行实时管理。作为远程集控过程中的关键辅助手段，移动点巡检发挥着至关重要的作用。辅助点巡检人员通过日常的点检、巡检等工作。能够开创集控时代下的全新点检模式。 

人员交接管理 

接收移动点巡检软件上所上传的巡检人员位置信息，并将其上传到接班日志查询功能上。 

综合分析功能 

此功能主要包括钢铁企业生产成本分析、绩效分析、对比分析以及能源指标分析等基础分析功能。

图二 基础能源管理模块

智能化专家系统 

智能专家系统充分利用了大数据与机理相结合的措施，提供了能源消耗分析、能效影响分析以及平衡预测分析等相关服务，从而使钢铁企业可以实时且多方面地掌控能源整个生命周期管理与具体应用现状，诊断能源在各使用环节出现的各种异常问题，预制能源流的消耗发展趋势，提供能源综合优化方案，从而减少能源介质的放散损失，提高能源介质转化效率，降低企业的能源成本，使有限的能源可以发挥出更高的价值。从整体划分情况来看，智能化专家系统主要分为以下几个模块： 

一是能效专家系统。它可以针对加热炉、热风炉以及烧结机等能效评价优化模型，开展实时诊断与评价，在线提供专家优化方案，指导其在现场的操作，例如在加热炉煤气燃烧模型应用中，实现加热炉全自动智能燃烧控制，可提高物料加热质量，有利于全线稳定生产，提高产品质量，同时降低煤气消耗，减少氧化烧损，节约工序成本，确保烟气达标排放。同时对海量的历史现场操作与工艺数据等能耗数据进行操作，在整合能源流数据和物质流数据的基础上，建立起物质流中生产组织和能耗影响分析模型，从而通过模型训练与优化来确定能耗影响因素与影响这一因素的权重。 

二是煤气专家系统。它可以建立起不同场景、时段的煤气发生量与消耗量预测模型，对煤气管网平衡性进行调度。在煤气专家应用过程中，大数据技术应用的核心都集中在构建煤气发生量、消耗量预测模型方面。建立起能源平衡数据模型，模型可以根据当班的铁水产量、钢水产量和焦炭产量，以及各用户产量，超前计算出每小时和每班高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气的发生量、消耗量，提前预告发电机调控煤气使用量，减少煤气放散。 

三是发电专家系统。构建完整的发电机组与锅炉机组效率模型，提高钢铁企业发电机组的运行效率，同时还可以对发电机组的各运行参数进行裂化分析与故障预测。同时，热效率模型主要是挖掘历史发电机组运行效率和锅炉操作工艺参数数据，构建影响分析与预测模型，了解其对发电机组运行效率的影响，利用这些影响因子来预测发电机组的实际运行效率，从而确保在发电机组出现异常问题时，系统中包含的专家知识库可以及时给出优化方案，指导操作人员完成系统优化，提高发动机组的综合效率。 

四是多介质耦合优化。构建起集煤气、蒸汽以及电等多能源耦合优化模型，进而完成多能流协同分配，带来很大价值。同时，根据煤气富余量、蒸汽需求量以及电需求量预测模型，结合峰谷平电价的差异，来完成动态规划，从而对发电机组煤气消耗量与蒸汽量进行合理分配。 

五是碳排放专家。建立起关于碳排放计算与分析模型，对影响企业碳排放的因素进行综合分析，在完善工艺与生产组织的基础上，降低钢铁企业碳排放量，从而实现绿色制造。 

六是氧气专家。可以构建多个场景时段的氧气消耗量预测模型，对氧气管网平衡调度进行完善，坚强制氧机的运作负荷。在氧气专家当中，大数据技术一般都会应用在制氧机负荷调整以及专家知识库建设期间。从而实现知识库的结构化发展。

钢铁企业能源管控系统开发与实践的具体策略 

优化计量设施，整合数据平台 

在此过程中，要打破EMS与ERP系统的信息通路，对深入工序的用能信息与设备动态信息进行科学整理，钢铁企业生产流程现场终端、静态管理者与现场操作人员需要同步向系统提供可靠数据，进而在信息交互的基础上建成相应的数据库。同时，还要发挥出大数据技术体量大于多维度的特点，减少系统当中的不确定性，将智能问题转变为数据问题，在分析因果关系与强相关关系数据的基础上开发出智能专家系统。使钢铁企业生产节奏与能源生产计划可以顺利衔接在一起，最终有效融合能源静态管理与动态调整。 

不断开发单介质动态平衡的专家系统 

单介质专家系统具备专注和专门化的特点，将单介质供应的安全性与稳定性作为基本目标，但是对人为操作的依赖性较强，只能起到辅助决策的作用。对此，不惜要整合企业采购系统、ERP、HER以及财务销售系统等信息化平台，构建完善的企业云数据平台，实现深度的数据共享，建立起多介质有效转换的智慧能源系统。在系统自学习与自训练的基础上，减少对人的依赖性，实现不同介质之间的有效转换与智能调控。 

对构建智慧能源环境管控中心进行延伸思考 

在GIS技术、时钟系统、VR技术与专家系统共同构建的思维虚拟智能工厂基础上，将其应用在钢铁企业全景教学、重要事件回顾以及事故智能预测方面。利用GIS、GPS与之图形识别的智能终端功能，对图像、表计和颜色识别、温湿度以及林格曼黑度进行远程实时监测，通常都应用在较为危险且重复性的工作当中。 

升级软硬件设备改造 

为了满足钢铁企业能源管控中心的实际建设需求，需要对各部分设备与仪表进行升级与改造，从而满足通信、监控以及控制具体要求。在此过程中，系统利用以太网接口采集PLC 系统数据，利用 RS485 串口采集计量仪表的信号，在此基础上通过RTU接入到钢铁企业能源管理中心。另外，在硬件方面，需要完成现场原有交换机、第三方应用等能源管控系统通讯柜内的RTU网络连接工作。在软件方面，需要提供钢铁企业生产现场各站PLC的IP地质，对PLC完成适应性配置与程序调整。而针对第三方上位机系统，还需要对通讯接口进行开放，配合过程自动化采集数据信息，来提高能源仪表配备率与精细化管理水平。 

安科瑞智慧能源管控系统概述

安科瑞智慧能源管控系统采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。

应用场所

钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。

系统结构

现场通过厂区局域网和平台通讯，平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能与局域网联通的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

系统可分为三层：即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。

现场设备层：主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任，这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。

网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

平台管理层：包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器，一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。

平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：

系统功能

平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。

平台登录

在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

大屏展示

用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。

首页

首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。

数据监控

对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快的掌握点位的报警，并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。

能源实时监控：对于水、电、气等能源消耗进行实时监测，确保用能环节的持续稳定运行，显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。

能流图：需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示；当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等；

配电图：将配电房真实情况画入配电图，实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。

实时统计：实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

数据展示：通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数；

检测：对能源报警信息进行集中显示，可以对报警阈值信息进行相关处理操作，可以对报警参数进行在线设置，当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示；

视频监控

接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。

变压器监控

展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。

仪表实时监控

展示各个水电气仪表的实时参数变化，以曲线图的方式展示。

能源中控

将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中，能从多个维度对比分析，实现各个产业线的对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

用能统计

从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。

成本分析

统计各个监测节点（工厂、车间）的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用，其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。

产品单耗统计

与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

绩效分析

对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、指定时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力，评定能源消耗是否合理。

运行监测

系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。

自定义能耗报表

用户可通过自定义报表头与列，灵活生产各种报表，查看企业各个节点的能耗，单耗，成本，综合能耗等信息，并同比、环比报表，支持导出报表。

同比、环比

提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。

同比

环比

分析报告

以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。

能耗设备用能

监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。

线损分析

根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。

碳排放管理

按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现超标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。

电能质量监测

实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不低于供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。

运维管理

系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。

报警管理

针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。

能耗抄表

可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。

能耗分析自定义时间抄表

可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。

容需量报表

提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。

复费率报表

对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。

文档管理

对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。

3D可视化大屏

对场景进行虚拟仿真，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。

3D子系统

对各动力子系统进行虚拟仿真，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。

工业组态

可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。

自定义驾驶舱

可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。

基础数据管理

对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。

手机APP

APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。

知识产权证书

系统硬件配置

结束语

综上所述，钢铁企业通过构建智慧能源管控系统，能够提高能源综合管理水平，有效降低能源消耗，这也是钢铁企业完成智能制造转型的重要条件。同时，智慧能源平台还可以为企业提供自分析、自决策等相关智能化服务，不仅具备了纵向处理能力，同时也拥有横向协调功能，在钢铁企业中得到了十分广泛的应用。