一． 課題的迫切性

在高耗能行業(yè)——冶金企業(yè)， 能源是生產(chǎn)過程中最基本的資源， 確保能源系統(tǒng)的穩(wěn)定和經(jīng)濟運行對企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟效益具有十分重要的作用。鋼鐵企業(yè)長期居高不下的能源消耗， 不僅影響了企業(yè)的經(jīng)濟效益， 而且嚴重惡化環(huán)境， 不利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展， 是長期困擾冶金企業(yè)的難題之一。 國內(nèi)某年產(chǎn)值 150 多億的礦業(yè)公司， 僅由于電量計量不準以及漏計等原因， 每天就與供電方計量存在上萬度的誤差， 經(jīng)濟損失巨大。

冶金企業(yè)能源計量與管理系統(tǒng)可以作為考核生產(chǎn)、 管理決策和指導(dǎo)節(jié)能的技術(shù)平臺， 實現(xiàn)對全廠耗能的總體監(jiān)控， 是現(xiàn)代企業(yè)能源管理的重要技術(shù)措施， 也是大型冶金企業(yè)提高節(jié)能效益的重大技術(shù)措施。 吸引了東北大學(xué)、 中南大學(xué)、 浙江大學(xué)、 大連理工大學(xué)等高校及施耐德電氣有限公司的關(guān)注， 但目前行業(yè)中的能源管控系統(tǒng)主要還是 2007 年上海寶信軟件股份有限公司開發(fā)的 MES 系統(tǒng)， 其實現(xiàn)了能源管理系統(tǒng)的基本功能， 主要包括數(shù)據(jù)的采集、 記錄、 報警、 人機界面、報表生成。

但近十年隨著科技進步的發(fā)展， 尤其是計量技術(shù)、 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、 *控制技術(shù)的發(fā)展， 冶金行業(yè)需要一套更合理精確的能源計量管控系統(tǒng)來滿足產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保的要求。

二． 課題的特色及內(nèi)容

本課題重點關(guān)注大數(shù)據(jù)技術(shù)與控制理論在冶金行業(yè)的推廣應(yīng)用。

目前冶金行業(yè)的能源管控重點是在數(shù)據(jù)管理上， 在控制上做得很少。 究其原因， 主要有以下幾個方面：

A.傳統(tǒng)的控制多為基于閉環(huán)的不需要精確建模的 PID 控制， 在冶金行業(yè)中，很多環(huán)節(jié)的測量精度遠遠不夠， 無法實現(xiàn)反饋；

B.冶金行業(yè)為過程控制系統(tǒng)， 基于機理的建?；静豢赡軐崿F(xiàn)， 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模和控制器設(shè)計是近幾年剛剛出現(xiàn)的技術(shù)，在行業(yè)中還沒有成功案例；

C.現(xiàn)有的能源管控系統(tǒng)為軟件公司開發(fā)的， 缺少控制理論與控制技術(shù)的儲備。

基于這些問題， 本課題提出了以下內(nèi)容：

（1） 反饋數(shù)據(jù)點的合理確定： 冶金企業(yè)工況較差， 在運行數(shù)十年后， 其原裝檢測裝置會出現(xiàn)不同程度的損壞， 甚至數(shù)據(jù)*失真， 維修和更換的成本巨大， 且需要停產(chǎn)， 影響正常生產(chǎn)活動。 而且， 企業(yè)生產(chǎn)線經(jīng)過若干年的改建擴建， 在計量裝置上容易形成冗余， 不同的計量方案會引起 10-40%的計量誤差。 因此， 在現(xiàn)有拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上， 確定新的計量方案， 主要是計量點的確定， 可以降低成本， 提高能源利用效率。

（2） 計量設(shè)備的更新： 在計量點確定后， 選擇安裝方便、 計量精度更高的在線式計量裝置， 可以為能源管控系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐；

（3） 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的生產(chǎn)模型建立和控制器設(shè)計： 從現(xiàn)有數(shù)據(jù)報表中提取有效數(shù)據(jù)， 建立基于輸入輸出數(shù)據(jù)的特征模型來模擬生產(chǎn)過程， 并以此模型為依據(jù)設(shè)計黃金分割自適應(yīng)控制器來控制閥門開度等操作量， 可以根據(jù)生產(chǎn)負荷的變化有效地動態(tài)預(yù)測煤氣流量、 溫度、 壓力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化， 實現(xiàn)能源的優(yōu)化控制。以煤氣預(yù)測為例， 國內(nèi)大部分鋼廠的煤氣柜是作保安用。 建立了預(yù)測模型后， 可根據(jù)工作負荷變化情況， 實時預(yù)測出煤氣的供需狀況， 指導(dǎo)對用戶的分配方案，這樣煤氣柜既可保安又可作緩沖， 可以提高煤氣的有效利用率， 減少煤氣放散。

（4） 通過控制算法的改進提高鋼鐵產(chǎn)品的品質(zhì)。 鋼鐵企業(yè)的沖擊負荷普遍都比較大， 現(xiàn)有的控制方式主要是人工經(jīng)驗加 PID 控制， 在過渡過程造成的振蕩對產(chǎn)品的品質(zhì)有很大的影響。 如果能夠?qū)崿F(xiàn)恒溫或恒熱量控制， 可以使鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量提高一個或更多檔次。 這就需要解決現(xiàn)有算法在過渡過程存在的超調(diào)量和調(diào)整時間問題。 而特征建模方法可以很好的解決這個問題， 該算法是 1992 年吳宏鑫院士提出的一個工程實用性很強的控制系統(tǒng)建模和控制方法。 以該理論為依據(jù)設(shè)計的自適應(yīng)控制器包括維持跟蹤、 黃金分割、 邏輯積分和邏輯微分四部分， 解決了暫態(tài)性能、 穩(wěn)定性和控制精度的問題。 已經(jīng)成功應(yīng)用于航天工程、 航天地面工程、 過程控制等多個系統(tǒng)， 如飛船的再入、 飛船的交會對接、 藥廠的溫度控制等，為復(fù)雜的生產(chǎn)控制提供了一種新型的中國人自己開發(fā)的控制方法。

（5） 用能優(yōu)化分析： 在企業(yè)總利潤， 能耗的目標下指導(dǎo)企業(yè)改善能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；

（6） 能源預(yù)測與分析： 根據(jù)歷史數(shù)據(jù)， 采用預(yù)測方法， 預(yù)測各種能源的未來消費趨勢， 合理安排采購和生產(chǎn)活動。

（7） 提供各種管理人員需要的報表： 根據(jù)權(quán)限， 由用戶自行生成所需報表并打印輸出。 方便管理人員及時掌握各類信息。

三． 課題的具體技術(shù)路線

根據(jù)初步調(diào)研， 總結(jié)冶金行業(yè)的能源管控基本包括如下幾方面:

①供配電系統(tǒng)； ②給排水系統(tǒng)， 包括輸水系統(tǒng)、 排水泵站、 消防系統(tǒng)等; ③動力系統(tǒng)： 包括煤氣加壓站、 煤氣混合站、 煤氣柜、 放散塔、 燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)、 蒸汽系統(tǒng)、 氧氣氮氣等輸配系統(tǒng)。

設(shè)計能源管控系統(tǒng)的基本目標是： 由能源中心進行集中監(jiān)控， 實現(xiàn)變電所、變電室等供配電區(qū)域； 煤氣柜、 煤氣加壓站、 煤氣放散、 煤氣混合等煤氣區(qū)域；排水泵站等水區(qū)域； 空壓站等區(qū)域的全自動化生產(chǎn)， 對能源平衡進行預(yù)測和及時調(diào)整， 以減少煤氣放散， 增加轉(zhuǎn)爐煤氣回收， 并對異常運行情況進行快速處理。

針對大多鋼鐵廠的具體情況， 考慮先從目前急需解決的煤氣計量及管控方面入手。 具體實施方案如下：

(1)確定數(shù)據(jù)采集方案， 包括測量點的拓撲選擇及不同數(shù)據(jù)的采集方式（ 周期采集或中斷采集等）；

(2)整理數(shù)據(jù)， 包括數(shù)據(jù)的分類和管理權(quán)限的確定， 數(shù)據(jù)分類主要有實時數(shù)據(jù)、短時數(shù)據(jù)、 統(tǒng)計數(shù)據(jù)、 歷史數(shù)據(jù)、 記錄等； 管理權(quán)限主要是根據(jù)部門不同， 界定可以查看到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)， 及對數(shù)據(jù)進行處理的指導(dǎo)方案等；

(3)特征模型的建立及黃金分割自適應(yīng)控制器的設(shè)計， 實現(xiàn)煤氣流量的自動調(diào)節(jié)，并通過算法的預(yù)測性和自適應(yīng)性提高煤氣品， 進而提升鋼鐵產(chǎn)品的品質(zhì);

(4)安全性保證， 主要是各種報警、 故障的排除、 記錄和分析等。

四． 課題效果

保守預(yù)期， 可使煤氣的管網(wǎng)損失從目前的 40%降低到 5%以下； 提高能源的運行管理效率， 實現(xiàn)全自動控制后， 可使日常管理成本降低 50%； 能源實時平衡能力提高 30%-80%， 大大減少煤氣放散量； 能源管理系統(tǒng)的綜合效益預(yù)期在 5元/噸鋼左右。