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)、管理決策和指導節(jié)能的技術平臺，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措施，也是大型冶金企業(yè)提高節(jié)能效益的重大技術措施。吸引了東北大學、中南大學、浙江大學、大連理工大學等高校及施耐德電氣有限公司的關注，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、物聯(lián)網(wǎng)技術、*控制技術的發(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
本課題重點關注大數(shù)據(jù)技術與控制理論在冶金行業(yè)的推廣應用。
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：
- 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；
- 冶金行業(yè)為過程控制系統(tǒng)，基于機理的建模基本不可能實現(xiàn)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模和控制器設計是近幾年剛剛出現(xiàn)的技術，在行業(yè)中還沒有成功案例；
- 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的儲備。
基于這些問題，本課題提出了以下內(nèi)容：
- 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)有拓撲結構的基礎上，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。
- 計量設備的更新：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；
- 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的生產(chǎn)模型建立和控制器設計：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)設計黃金分割自適應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)預測煤氣流量、溫度、壓力等關鍵數(shù)據(jù)的變化，實現(xiàn)能源的優(yōu)化控制。以煤氣預測為例，國內(nèi)大部分鋼廠的煤氣柜是作保安用。建立了預測模型后，可根據(jù)工作負荷變化情況，實時預測出煤氣的供需狀況，指導對用戶的分配方案，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。
- 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)設計的自適應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。
- 用能優(yōu)化分析 ：在企業(yè)總利潤，能耗的目標下指導企業(yè)改善能源結構和產(chǎn)品結構；
- 能源預測與分析用能優(yōu)化分析：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，采用預測方法，預測各種能源的未來消費趨勢，合理安排采購和生產(chǎn)活動。
- 提供各種管理人員需要的報表：根據(jù)權限，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．課題的具體技術路線
根據(jù)初步調(diào)研，總結冶金行業(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。
針對馬鞍山鋼鐵廠的具體情況，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：
- 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）；
- 整理數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的分類和管理權限的確定，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)進行處理的指導方案等；
- 特征模型的建立及黃金分割自適應控制器的設計，實現(xiàn)煤氣流量的自動調(diào)節(jié)，并通過算法的預測性和自適應性提高煤氣品質(zhì)，進而提升鋼鐵產(chǎn)品的品質(zhì);
- 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
保守預期，可使煤氣的管網(wǎng)損失從現(xiàn)在的40%降低到20%；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)的綜合效益預期在5元/噸鋼左右。
