摘要：在新時代發展背景下,鋼鐵行業依然存在結構產品單一與產能過剩等問題,對其生產所提出的環保要求也變得越來越嚴格,大部分企業都將降本增效當做核心任務。而通過構建能源管控系統是實現節能減排工作的有效措施。在鋼鐵企業智慧能源管控中心構建過程中,主要依靠的是大數據技術優勢,將迅捷的計算方法和廉價傳感器作為基礎,為鋼鐵企業經營生產提供支持,形成了多元化的能源供給方式。對此本文針對鋼鐵企業智慧能源管控系統的基本架構與技術方案進行分析,并提出科學合理的開發與實踐策略。

概述

在鋼鐵企業智慧能源管控系統建立過程中，其平臺主要通過采集并整合煤氣、氧氮氬氣、水電、蒸氣以及天然氣等能源流數據，來實現能源流、物質流以及信息流相統一，為鋼鐵企業能源管控提供遠程控制、規律分析以及決策優化等一站式能源管控服務。同時，平臺充分利用了大數據技術的手段，提供了能源消耗評價、平衡預測以及多能源介質耦合優化等分析服務，使鋼鐵企業能夠多方面了解到當前能源生命周期的管理與應用情況，診斷能源使用期間所出現的各種異常問題，從而提高能源介質的轉化效率，降低鋼鐵企業生產成本，帶來較大的能源價值。

鋼鐵企業能源管控系統的基本架構

通常情況下，鋼鐵企業能源管控系統主要是由現場控制層、數據采集層以及應用服務層所構成。底層與上層數據指令分別通過上行與下行通信來完成信息傳遞和遠程控制。首先，現場控制層主要由PLC、RTU和DCS等信息采集設備組合而成。在經過監控點采集之后，數據參數可以經過PLC，利用網絡傳入到能源管控系統中，還可以經過現場子站采集之后通過網絡傳入到能源管控系統當中。隨后遠程終端設備可以將測得的各類狀態轉化為可發送的數據格式，利用以太網傳輸到能源管控中心，并將中央計算機所傳輸過來的數據轉化為命令，從而對鋼鐵企業生產設備進行遠程操控。其次，數據采集處理層主要是將實時數據庫作為核心，利用相關工具來完成數據處理與歸檔。數據采集系統通常都包括數據采集與處理、人工錄入以及數據儲存等步驟，其中作為自動采集的補充手段，人工錄入發揮著至關重要的作用。應用服務層主要包括監控系統和能源管理系統兩大部分。綜合監控系統的設置主要包括工藝單元與電力需求測系統等模塊，可以對循環水系統、煤氣柜以及能介管網等單元進行實時監控和故障處理。鋼鐵企業智慧能源管控系統如圖一所示。

圖一 鋼鐵企業智慧能源管控系統

鋼鐵企業智慧能源管控系統構建原則

能源單元與管控工藝是基本

將動態與精細化管理相結合的智慧能源管理系統，可以將各個能源單元核心層進行多方面分析，從而確保能源管控可以在能源專業方面實現精細化與實用性。同時，結合相關的之智能優化系統，可以完成能源動力系統操控、管理以及因素分析智能化發展。除此之外，動態精細化管控信息系統，能夠將各個工序作為目標，在計量與信息化系統的支持下，利用全程能源跟蹤實現更加完整且時效較短的成本分析，從而多方面支持鋼鐵企業與各工序能源結構的完善與調節，最終使智慧能源管控變得更加客觀與科學。

完善能源基礎管理，構建精益化能源運行管控模式

鋼鐵企業智慧能源經濟運行目標應當按月設計，多方面實施能源經濟運行日通報、月總結以及周點評。對能源管理專業考核方法進行完善并嚴格執行，貫徹落實責任制與激勵制度，從而將能耗目標的完成情況整合到各個鋼鐵企業年度考核當中，加強企業能源動力監察的執行能力，較大限度地減少資源浪費。另外，整個平臺都要建立于鋼鐵企業數據中心與私有云端上，以大數據技術為基礎來出臺解決方案，從而利用前臺框架來支持鋼鐵企業實現多方位運作。

優化能源管控統計、對標與評價方式

在動態與精細化智慧能源管理信息系統應用期間，可以在智慧層面上，從普通行業標桿或縱向對標比較策略向互相結合的狀態發生轉變。其中目標與狀態相結合就是將目標作為根本出發點，用當前的狀態來調整目標動態模式。而且，幾乎左右的管控標準與能效因子都是隨著狀態變化而改變的，這種分析模式將呈現出更加客觀的特點，并且還可以完成在線運行，保證生命周期內的能源可以實現精細化管理，從而更好地支持鋼鐵企業能源生產與管理，提高智慧能源管控系統運行的整體效率。

技術方案

遠程集控平臺

在智慧能源管控平臺中，遠程集控系統是十分重要的組成部分，也是平臺順利運行的基礎保障，它主要承擔著三項重要任務：一是確保鋼鐵生產現場操控的穩定性，二是利用集控中心對現場站所進行遠程控制，三是為基礎管理系統與智能專家系統提供所有的能源生產與計算數據。

同時，遠程集控系統主要是由趨勢查詢、能源調度、故障排查以及遠程控制等模塊組成，在本地設備優化升級與自動化改造基礎上，將生產現場不同型號的控制系統結合在一起，連接控制系統和智能網關設備。集控中心端配置了高新更服務器群，利用1：N互為冗余的分布式結構，從而確保系統可以更加穩定、可靠的運行。在遠程控制系統的幫助下，不同區域與不同介質的站所，可以結合工藝相關性進行重組優化，實現站所室集中操控與故障實時掌握，并對其中的故障原因進行分析，從而大幅度提高工作人員的效率。

基礎能源管理系統

基礎能源管理系統可以在采集并整合鋼鐵企業分公司MES和ERP系統數據的基礎上，對年月日計劃數據進行詳細制定與管理，結合實時計量數據，劃分出不同時期的輸出報表，提供生產運行支持管理與能源事故管理。同時還可以對鋼鐵企業核心能源設備的原始設計參數與維修信息進行管理。通過對比五種主要功能介質的消耗與成本，可以從不同層次進行對比、環比和分析。此外，在基礎能源管理系統應用基礎上，可以實現數據不落地式的管理，也就是數據統計、財務結算、應用分析全部都由系統完成，實現能源管理分析自動化與準確化。基礎能源管理主要包括以下八大模塊，如圖一所示。

能源計劃管理

鋼鐵企業、產線以及機組中的煤氣、水電、氧氣、氮氣以及氬氣等動力能源介質供應都需要歷史計劃數據的查詢與管理。

報表與實際績效管理

鋼鐵企業、產線、工序以及機組各能源介質報表的生成與打印。

能源質量管理

定期維護、事故管理以及檔案管理、

能源設備管理

預防性維修管理、事故管理、缺陷管理以及檔案管理。

運營支持管理

關鍵能源的作業計劃設定、審批以及履歷管理，應急預案檢索實現能源作業、辦公管理信息化，實現信息共享與信息傳遞網絡化，為鋼鐵企業有效辦公提供可靠的信息支持。

移動點巡檢管理

為巡檢人員提供便捷且有效的輔助性工具，使點檢人員通過掃二維碼就可以完成設備點檢，從而實現對鋼鐵生產設備進行實時管理。作為遠程集控過程中的關鍵輔助手段，移動點巡檢發揮著至關重要的作用。輔助點巡檢人員通過日常的點檢、巡檢等工作。能夠開創集控時代下的全新點檢模式。

人員交接管理

接收移動點巡檢軟件上所上傳的巡檢人員位置信息，并將其上傳到接班日志查詢功能上。

綜合分析功能

此功能主要包括鋼鐵企業生產成本分析、績效分析、對比分析以及能源指標分析等基礎分析功能。

圖二 基礎能源管理模塊

智能化專家系統

智能專家系統充分利用了大數據與機理相結合的措施，提供了能源消耗分析、能效影響分析以及平衡預測分析等相關服務，從而使鋼鐵企業可以實時且多方面地掌控能源整個生命周期管理與具體應用現狀，診斷能源在各使用環節出現的各種異常問題，預制能源流的消耗發展趨勢，提供能源綜合優化方案，從而減少能源介質的放散損失，提高能源介質轉化效率，降低企業的能源成本，使有限的能源可以發揮出更高的價值。從整體劃分情況來看，智能化專家系統主要分為以下幾個模塊：

一是能效專家系統。它可以針對加熱爐、熱風爐以及燒結機等能效評價優化模型，開展實時診斷與評價，在線提供專家優化方案，指導其在現場的操作，例如在加熱爐煤氣燃燒模型應用中，實現加熱爐全自動智能燃燒控制，可提高物料加熱質量，有利于全線穩定生產，提高產品質量，同時降低煤氣消耗，減少氧化燒損，節約工序成本，確保煙氣達標排放。同時對海量的歷史現場操作與工藝數據等能耗數據進行操作，在整合能源流數據和物質流數據的基礎上，建立起物質流中生產組織和能耗影響分析模型，從而通過模型訓練與優化來確定能耗影響因素與影響這一因素的權重。

二是煤氣專家系統。它可以建立起不同場景、時段的煤氣發生量與消耗量預測模型，對煤氣管網平衡性進行調度。在煤氣專家應用過程中，大數據技術應用的核心都集中在構建煤氣發生量、消耗量預測模型方面。建立起能源平衡數據模型，模型可以根據當班的鐵水產量、鋼水產量和焦炭產量，以及各用戶產量，超前計算出每小時和每班高爐煤氣、轉爐煤氣和焦爐煤氣的發生量、消耗量，提前預告發電機調控煤氣使用量，減少煤氣放散。

三是發電專家系統。構建完整的發電機組與鍋爐機組效率模型，提高鋼鐵企業發電機組的運行效率，同時還可以對發電機組的各運行參數進行裂化分析與故障預測。同時，熱效率模型主要是挖掘歷史發電機組運行效率和鍋爐操作工藝參數數據，構建影響分析與預測模型，了解其對發電機組運行效率的影響，利用這些影響因子來預測發電機組的實際運行效率，從而確保在發電機組出現異常問題時，系統中包含的專家知識庫可以及時給出優化方案，指導操作人員完成系統優化，提高發動機組的綜合效率。

四是多介質耦合優化。構建起集煤氣、蒸汽以及電等多能源耦合優化模型，進而完成多能流協同分配，帶來很大價值。同時，根據煤氣富余量、蒸汽需求量以及電需求量預測模型，結合峰谷平電價的差異，來完成動態規劃，從而對發電機組煤氣消耗量與蒸汽量進行合理分配。

五是碳排放專家。建立起關于碳排放計算與分析模型，對影響企業碳排放的因素進行綜合分析，在完善工藝與生產組織的基礎上，降低鋼鐵企業碳排放量，從而實現綠色制造。

六是氧氣專家。可以構建多個場景時段的氧氣消耗量預測模型，對氧氣管網平衡調度進行完善，堅強制氧機的運作負荷。在氧氣專家當中，大數據技術一般都會應用在制氧機負荷調整以及專家知識庫建設期間。從而實現知識庫的結構化發展。

鋼鐵企業能源管控系統開發與實踐的具體策略

優化計量設施，整合數據平臺

在此過程中，要打破EMS與ERP系統的信息通路，對深入工序的用能信息與設備動態信息進行科學整理，鋼鐵企業生產流程現場終端、靜態管理者與現場操作人員需要同步向系統提供可靠數據，進而在信息交互的基礎上建成相應的數據庫。同時，還要發揮出大數據技術體量大于多維度的特點，減少系統當中的不確定性，將智能問題轉變為數據問題，在分析因果關系與強相關關系數據的基礎上開發出智能專家系統。使鋼鐵企業生產節奏與能源生產計劃可以順利銜接在一起，最終有效融合能源靜態管理與動態調整。

不斷開發單介質動態平衡的專家系統

單介質專家系統具備專注和專門化的特點，將單介質供應的安全性與穩定性作為基本目標，但是對人為操作的依賴性較強，只能起到輔助決策的作用。對此，不惜要整合企業采購系統、ERP、HER以及財務銷售系統等信息化平臺，構建完善的企業云數據平臺，實現深度的數據共享，建立起多介質有效轉換的智慧能源系統。在系統自學習與自訓練的基礎上，減少對人的依賴性，實現不同介質之間的有效轉換與智能調控。

對構建智慧能源環境管控中心進行延伸思考

在GIS技術、時鐘系統、VR技術與專家系統共同構建的思維虛擬智能工廠基礎上，將其應用在鋼鐵企業全景教學、重要事件回顧以及事故智能預測方面。利用GIS、GPS與之圖形識別的智能終端功能，對圖像、表計和顏色識別、溫濕度以及林格曼黑度進行遠程實時監測，通常都應用在較為危險且重復性的工作當中。

升級軟硬件設備改造

為了滿足鋼鐵企業能源管控中心的實際建設需求，需要對各部分設備與儀表進行升級與改造，從而滿足通信、監控以及控制具體要求。在此過程中，系統利用以太網接口采集PLC 系統數據，利用 RS485 串口采集計量儀表的信號，在此基礎上通過RTU接入到鋼鐵企業能源管理中心。另外，在硬件方面，需要完成現場原有交換機、第三方應用等能源管控系統通訊柜內的RTU網絡連接工作。在軟件方面，需要提供鋼鐵企業生產現場各站PLC的IP地質，對PLC完成適應性配置與程序調整。而針對第三方上位機系統，還需要對通訊接口進行開放，配合過程自動化采集數據信息，來提高能源儀表配備率與精細化管理水平。

安科瑞智慧能源管控系統概述

安科瑞智慧能源管控系統采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

應用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、造紙、化工、物流、食品、水廠、電廠、供熱站、軌道交通、航空工業、木材、工業園區、醫院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產品、工器具制造等離散制造業。

系統結構

現場通過廠區局域網和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。

現場設備層：主要是連接于網絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構建該配電、耗水、耗氣系統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。

平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：

系統功能

平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理。實時監測企業各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。

平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

大屏展示

用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業及各區域的能耗折標、產值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區域展示該區域的分類能耗、產值等相關信息。

首頁

首頁展示峰谷平用電、變壓器情況、年能耗趨勢、單耗趨勢、分類能耗等企業級統計數據。

數據監控

對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。

能源實時監控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監測，確保用能環節的持續穩定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網絡圖、能源計量網絡圖等功能。

能流圖：需要在能流圖上對水、電、氣的消耗情況進行實時展示；當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，同時支持APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗報警提示等；

配電圖：將配電房真實情況畫入配電圖，實時展示接入的門禁、水浸、電水氣等儀表的實時參數、門禁水浸狀態及能耗數據。

實時統計：實時統計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

數據展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區域、不同設備的不同的能耗參數；

檢測：對能源報警信息進行集中顯示，可以對報警閾值信息進行相關處理操作，可以對報警參數進行在線設置，當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，具備APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗等報警提示；

視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

變壓器監控

展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

儀表實時監控

展示各個水電氣儀表的實時參數變化，以曲線圖的方式展示。

能源中控

將所有有關能源的能源參數集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現各個產業線的對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

用能統計

從能源使用種類、監測區域、車間、生產工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

成本分析

統計各個監測節點（工廠、車間）的當年、季度、月、周、日各類能源消耗費用，其中電包括峰電量、峰電費、谷電量、谷電費以及平均電量和平均電費。

產品單耗統計

與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。同時將產品單耗與行業/國家/國際指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、指定時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力，評定能源消耗是否合理。

運行監測

系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視。可直接從動態監測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。

自定義能耗報表

用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產各種報表，查看企業各個節點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環比報表，支持導出報表。

同比、環比

提供能耗成本的圖形對比分析，包括分時段（日、月、年）的同比、環比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環比

分析報告

以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統計分析，讓用戶更加了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

能耗設備用能

監控耗能設備運行、停機及異常狀態，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。

線損分析

根據節點、能源分類，查詢各個節點線路上的能源損耗數據，及時發現能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。

碳排放管理

按照區域對碳排放總量的變化趨勢進行統計，并進行同環比分析。對單位產值碳排放量進行計算，并結合減排指標實現超標預警，提升區域減排水平，促進碳達峰目標實現。

電能質量監測

實時監測諧波含量、三相不平衡度、功率因數等，確保功率因數不低于供電局考核指標，避免被罰款和設備出現故障。

運維管理

系統支持設備日常巡檢計劃、派工、消缺、報修、派工等設備運維管理，方便運行管理人員的制定巡檢計劃、派工，巡檢人員執行巡檢、完成工單、巡檢發現問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養需要。

報警管理

針對于電氣正常開展、限電和能耗雙控，實現電參量異常報警、電氣火災隱患報警、能耗超標報警、限電報警等，幫助企業提前預警，避免發生火災事故和被罰款導致用能成本過高。支持分級分類報警，可對報警進行派發與閉環處理。

能耗抄表

可自定義時間段抄儀表的抄表值以及差值，可自定義抄表的分類分項。

能耗分析自定義時間抄表

可自定義時間段內各個拓撲節點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

容需量報表

提供容需量報表，實時展示容量需量價格的變化情況，幫助企業實現容改需，降低基本電費。

復費率報表

對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析，為企業分時用電，優化成本效益提供數據支持。

文檔管理

對國標、能源管理制度、能源指標體系等文件進行歸檔，可快速查詢相關文檔。對儀表臺賬進行系統管理，支持文件的上傳和下載。

3D可視化大屏

對場景進行虛擬仿真，展示各區域運行及能源消耗情況，可實現分層預覽、轉場展示、風格切換、智能巡檢等效果，支持模型與監測點位的自定義綁定。

3D子系統

對各動力子系統進行虛擬仿真，展示子系統的動力管線、設備的實時狀態及能源消耗情況，可實現動態的能源流向效果。

工業組態

可通過圖形化的編輯方式自定義組態圖，展示設備運行狀態及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監測數據。

自定義駕駛艙

可通過圖形化的操作方式自定義駕駛艙，以折線圖、餅圖、表格等圖形展示采集數據及各類統計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。

基礎數據管理

對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節點、能源、公示、及相關參數進行配置、修改、刪除等管理、進行用戶添加和授權管理、合同管理。

手機APP

APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、產線比對、效率分析、同環比分析、能耗折標、事件記錄、運行監視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。

知識產權證書

系統硬件配置

結束語

綜上所述，鋼鐵企業通過構建智慧能源管控系統，能夠提高能源綜合管理水平，有效降低能源消耗，這也是鋼鐵企業完成智能制造轉型的重要條件。同時，智慧能源平臺還可以為企業提供自分析、自決策等相關智能化服務，不僅具備了縱向處理能力，同時也擁有橫向協調功能，在鋼鐵企業中得到了十分廣泛的應用。

審核編輯 ：李倩