作者：吉林通化网航信息技术股份有限责任公司 王树强，胡明，王君海，宋书龙

    摘要：本文通过对通化钢铁集团股份有限公司的“能源平衡自动化控制系统项目”的设计及实施，按照可持续发展和循环经济理念，提高环境保护和资源综合利用水平，节能降耗。最大限度地提高氧气、煤气、蒸气、电力的综合利用水平，力争实现“零排放”，建立循环型钢铁企业。使中小型钢铁企业有效利用生产过程中产生的剩余氧气、煤气、蒸气，减少放散，提高生态环境质量。

   关键词：钢铁行业；自动化；能源平衡；循环经济

    1 前言

    所谓能源平衡即合理利用现有能源，减少浪费，协调能源分配，实现能源的相对平衡，从而达到节约能源，降低生产成本的目的。能源平衡对能耗型企业意义尤为重大。

    我国加人WTO后，钢铁工业面临着产品质量、价格和售后服务上激烈的竞争。节能降耗、降成本是钢铁企业提高市场竞争力的最重要手段之一。国内外钢铁企业十分重视企业的节能工作，充分利用已开发出来的各项新技术、新设备、新方法来最大限度地在钢铁生产过程中实现回收余热余能，达到能源平衡控制，在有条件的情况下，形成能源控制自动化，减少煤气放散等能源浪费。

    据统计，近年来世界钢铁工业能源消耗占世界总能耗的10％左右，我国钢铁工业总能耗也占全国总能耗的10％左右。根据冶金重点企业统计汇总能源消耗情况进行计算得出，各主要工序能耗占钢铁工业总能耗的比例见表1。

                                        表1 钢铁企业工序能耗比例表
               
      
    从表1可看出铁系统的能耗占钢铁工业总能耗的61.43％，其次为电炉和轧钢，分别为20.82％和9.40％。

    日本新日铁钢铁公司的余热余能回收利用率已达到92％以上，其企业能耗占成本的比例是14％。我国宝钢的余热余能回收率在68％，其能耗占生产成本的20％，我国大多数钢铁企业的余热余能回收利用率在30％~50％，其能耗占生产成本的30％~45％。我国重点企业的能耗要比国外先进企业的能耗高出30％以上，最高的企业达1295Kg/t。这说明，我国钢铁企业节能潜力巨大。

    近年来，信息技术的发展为企业提供了全新的能源控制技术，即将信息网络技术、自动化技术、现场工艺技术充分融合，形成网络化的能源平衡控制框架，使能源在线管理和能源实现平衡成为可能。

    我国只有少数几个大型钢铁企业引进了能源平衡控制自动化系统，耗资上亿元人民币，多数中小规模的企业在能源平衡控制自动化系统建设方面还是空白。通钢作为我国一家大型钢铁联合企业，能源管理自动化水平比较低，能耗指标较先进水平差距较大，针对这一情况，吉林通化网航信息技术股份有限责任公司（以下简称通化网航）针对中小规模钢铁企业研发并应用通钢能源平衡控制自动化系统，在能源平衡系统方面做了一些有益的尝试，本文将根据我公司实施通钢能源平衡系统的具体情况，详细阐述本套系统的实施过程、工作原理及使用后的成效，以期对中小规模冶金企业能源平衡系统的建设起到借鉴作用。

    2 能源平衡系统构架

    钢铁企业普遍存在能源消耗大，循环再利用不足，能耗指标偏高，使产品成本难以得到改善，在市场竞争中往往处于劣势。利用自动化、信息化、工艺控制三项技术的深入结合，改善能源消耗指标，循环再利用成为新的经济形式下的主题。

    能源平衡系统实现钢铁企业主要能源：煤气、蒸气、氧气、电力平衡自动控制系统开发；进行通用性改造，实现总体能源自动控制系统的开发和产业化；解决大型企业能源控制软件不适合中小型企业的问题。

    基本结构如图1所示。系统架构如图2所示
 
                     
                                                        图1 能源平衡系统结构图

    企业信息化一般由三部分内容组成：ERP（企业资源计划）系统、MES（制造执行）系统、PCS（过程控制）系统，而钢铁企业由于流程复杂，其信息化应用被公认为最为复杂和困难的，如图3所示。能源平衡控制自动化系统是MES和PCS两个层面应用的重要组成。

    其中，ERP主要根据企业的人、财、物各种资源的状况和产、供、销各个环节的信息，对生产进行合理有效的计划、组织，使生产经营活动协调有序地进行，并对企业的战略计划进行决策；
       
                         
                                     图2 通钢能源平衡系统框架图  

                                  

                                   图3 企业信息化系统流程图

    MES则根据ERP系统下达的合同计划，通过生产调度、生产统计、成本控制、物料平衡和能源管理过程组织生产，并将信息加以采集、传递和加工处理，及时呈报ERP系统；

    PCS系统根据MES下达的生产指令进行各工序的过程控制，设定各种设备的具体动作参数，进行各种模型计算和控制计算，同时收集执行过程中的实时数据上传MES和ERP系统。MES层起到承上启下的作用，能源平衡控制系统绝大多数功能突出体现在MES层次。

    由于钢铁企业工序繁多，工序间能量转换、物料转换复杂，生产组织受各种因素影响，计划变更频繁，节能工作也相对复杂。

    据分析，国内外现代化钢铁企业生产过程中可回收利用的余热余能，一般占能源消耗量的7％，其总能耗成本约占其钢铁产品成本的20％左右。

    网航能源平衡系统共分四个部分：数据平台、能源平衡专家系统、物理隔离系统、操作界面。

    2.1 数据平台

    由采集层、传输层、管理层及数据挖掘构成。

    （1）采集层

     包括智能一次表和二次表。多个模拟信号输出的流量一次表将其信号传到数据采集器中（个别二型一次表须加转换器，以便输出4~20mA信号），变成一路数字信号进传输层。某些参数还须作补偿后方可变成数字信号进传输层。电量检测则由智能电能表直接输出数字信号进数据采集分站。

    （2）传输层

    由采集层来的各路串行信号上行数据有的直接经双绞线到数采分站的计算机中去，经数采分站计算机处理后的数据有的经专线直传系统数据服务器。经过专家系统生成的操作数据（OD）经由传输系统，传递至设备PLC，设备动作，完成能源平衡所需的设备操作。

    传输层示意图如图4所示。
  
                   
                                        图4 传输层示意图

   （3）管理层

    数据管理层由服务器和工作站来控制，服务器负责现场数据处理，实现数据共享。工程师工作站，用于对现场仪表进行维护，如累计量清理等。对数采分站中软件进行维护。

    采用IDATA分布式实时数据库，它具有OPC接口能力，可提供ORACLE数据库支持。结合BO的数据挖掘和数据展现功能，实现网上发布，各个授权客户可网上浏览有关数据和曲线。

    IDATA Server是IDATA实时数据库的核心，主要功能是对实时数据和历史数据进行存储管理，与其它模块进行通讯，支持各种应用对数据的访问，设置组态信息和对用户权限进行控制管理。

     设备数据接口CIMIO Server ，是实时数据库与各种设备和应用进行数据通讯的接口。它从各种设备获取实时数据，并将数据传送给IDATA Server进行管理。同时，通过它可以与多种实时数据库系统和关系型数据库实现双向数据交换。

    IDATA的工作流程和各模块之间关系如图5所示。
   
                     
                            图5 IDATA的工作流程和各模块之间关系示意图

    IDATA服务器接收并管理各采集站采集的实时数据，响应客户端对实时数据和历史数据的查询，保证数据的真实性、完整性，提高了磁盘的利用率，保证了对客户端的请求作出快速响应。IDATA数据库中的数据不仅可用于生产现场监控、计划调度、工艺改进、事故分析，同时还可以将数据传送至关系型数据库中，为厂领导及相关管理部门服务。在IDATA的支持下，可实现装置的先进控制、流程模拟、优化、计划、专家系统等。服务器操作系统平台可以采用UNIX或Windows Server，在服务器上安装有实时数据库的IDATA Server和CIMIO Server两个模块。

    设备接口CIMIO主要功能是与DCS、PLC和数据库系统交换数据。与各种关系数据库（Oracle、DB2、Sybase、MS SQLServer）双向交换数据。
  
                       
                                            图6 CIMIO数据流图

    （4）数据挖掘系统

     数据挖掘就是从数据中发现知识和寻找规律，并用它们指导生产或管理，提高效益。由于现实世界中产生的数据都是复杂数据，其复杂性表现为：非线性、多因子、高噪声、非高斯分布、非均匀分布以及自变量相关。数据挖掘从挖掘任务和挖掘方法的角度划分为数据总结、分类发现、聚类和关联规则发现四种非常重要的组成部分。

    数据总结

    数据总结目的是对数据进行浓缩,给出它的紧凑描述。数据挖掘主要关心从数据泛化的角度来讨论数据总结。

    分类发现

   分类在数据挖掘中是一项非常重要的任务,目前在商业上应用最多。分类的目的是学会一个分类函数或分类模型(也常常称作分类器)，该模型能把数据库中的数据项映射到给定类别中的某一个。

   聚类

   聚类是把一组个体按照相似性归成若干类别，即“物以类聚”。它的目的是使得属于同一类别的个体之间的距离尽可能的小，而不同类别上的个体间的距离尽可能的大。聚类方法包括统计方法、机器学习方法、神经网络方法和面向数据库的方法。

     关联规则发现

    关联规则发现的主要对象是事务型数据库，其中针对的应用则是售货数据，也称货篮数据。

   2.2 能源平衡专家系统

   能源平衡专家系统利用神经网络技术，部分改善生产过程控制和提高产品质量，还将彻底改变技术复杂性。经过充分实践，研发出能源平衡数学模型，包括：煤气平衡数学模型，氧气平衡数学模型，蒸汽平衡数学模型，电力平衡数学模型，极限温度控制数学模型。能源专家系统接收数据后，数学模型计算出操作数据。

   2.3 物理隔离系统

   物理隔离指网络不得直接或间接联入非指定地址网络。主要用于工业控制网和政府内部网的安全保护，在技术上确保各网络之间互不影响。

   2.4 操作界面

   系统采用B/S结构，操作界面友好，界面系统与浏览器实现无缝集成，提供界面锁定等安全功能。操作界面允许用户自定义扩展功能，加入第三方应用。

    3 能源平衡系统效果

   3.1 实施能源平衡系统的过程

   根据通钢能源生产及使用的总体分布结构，并充分考虑现场实际情况，前端数据采集部分根据实际情况尽量采用原有的压力传感器、流量计、温度计等一次仪表，用配电器进行信号隔离、分配；信号数模转换、处理采用稳定性及可靠性俱佳的西门子S7-300系列PLC；信号传输主干采用通钢信息网络原有的光缆；控制信号传输采用带屏蔽专用控制电缆，保证控制信号的准确传输；中央控制部分在网航网络中心机房建立能源中心站服务器，使用专用工业组态软件组态王结合SQL2000数据库软件，使得能源中心站能够进行实时信息管理系统控制，采用计算机实时显示系统信息，记录历史数据，并适时根据具体情况报警、提示；在一段时间的使用及磨合之后，建立能源平衡专家系统，参与能源的管理、调配，科学组织生产。
  
                        
                                    图7 煤气控制系统示意图

    3.2 能源平衡系统实施取得的效益

    氧气在线管理系统投入运行以来，系统运行正常，氧气压力的调整时间也由过去的40分钟～4个小时缩短到5～7分钟，收到了明显的效果。吨钢综合氧气单耗（含炼铁用氧）90.66立方米，比以往同期降低3.71立方米，全年降低氧气消耗5426237立方米，年降低生产成本（5426237立方米×0.85元/立方米）＝4612302元。煤气平衡系统实现管网控制，每年实现综合经济效益近2500万元。
  
                        
                                    图8 氧气平衡系统示意图

    4 结束语

    钢铁工业开展节能工作要系统节能，而不能各工序单打一的简单考虑。系统节能的思路是，实现管理节能、技术节能、结构节能并举，达到以较少的资金投入，实现最大的节能效果和经济效益。建立和完善企业的能源控制和管理系统，对企业各工序生产过程进行监控，进行故障分析诊断、能源平衡预测，利用系统运行优化、专家系统、高速采集数据和及时分析、归档处理，实现能源系统的分散控制、集中管理。管理节能可为企业创出节约总能耗的5％。

    能源平衡系统实施的效果不仅仅体现在经济效益上，更重要的是体现在企业管理手段和管理水平以及社会效益上，它解决了产品产量与能源消耗调整中的难题，可以大幅减缓产品产量与能源消耗之间的阶段性不平衡问题，从根本上解决了能源管理中的现场盯、看、守的管理模式，一改旧的管理模式为网络在线管理模式，管理模式的转变，带来了管理上的进步和飞跃，使能源消耗型企业管理水平登上了一个新台阶，走上了可持续发展之路。

    王树强（1971-）

    1993年毕业于北京科技大学冶金专业，现任吉林通化网航信息技术股份有限责任公司总经理。

    胡 明（1975-）

    1999年毕业于长春工程学院计算机工程专业，现任吉林通化网航信息技术股份有限责任公司工控分公司工程师。

    王君海（1970-）

    现任吉林通化网航信息技术股份有限责任公司副总经理。

    宋书龙（1970-）

    造价师，高级工程师，1992年毕业于东北师范大学数学系电子工程专业，现就职于吉林通化网航信息技术股份有限责任公司。   

    摘自《自动化博览》2012年第四期