工业互联网+智慧能源管控系统在钢铁行业的应用与实践

王军生，曲泰安，白雪

（1. 海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009；2. 鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；3. 鞍钢集团信息产业有限公司，辽宁 鞍山 114051）

近年来，在国家供给侧改革的新形势下，尤 其是随着工业互联网[1]相关新技术的飞速发展，以新技术开发为支撑、以绿色发展为约束、以智能化发展为方向、以效益最大化为目标已经成为钢铁行业发展和国家调控的重点方向。其中数字化、网络化、智慧化能源管控系统的开发应用已成为新的引领方向，能源效率、能源成本的深度分析将成为钢铁企业精细化管理的主要内容，而国内目前运行的企业能源中心已无法支撑能源集约化和精细化的管理需求，急需在工业互联网支撑下，开展钢铁企业智慧能源管控系统开发与应用研究。

鞍钢集团以自主研发的“精钢”工业互联网平台为基础，建立具有自感知、自分析、自决策、自优化能力的钢铁企业能源智能管控系统。 从物质流和能源流协同优化的角度出发，为钢铁企业能源管理提供“看得见、说得清、管得好”的全流程一站式智能服务。

1 系统总体建设目标

针对钢铁企业能源管控中心功能单一，管而不控，无法满足能源管理数字化、网络化、智能化发展需要的问题，基于鞍钢“精钢”工业互联网平台，打造能源流、物质流和信息流三流合一、协同优化的智慧化能源管控平台及工业软件。 平台充分运用“大数据+机理”的手段，实现能源生产全站所室远程集中操控；物质流、能源流、信息流全维度数据融合；能源知识显性化、模型化、图谱化；全系统能耗动态评价优化；多时空尺度能源流预测及耦合优化；生产与能源计划调度一体化优化；全流程碳排放[2]核算与分析等能源全生命周期智能服务。 达到实时全面了解钢铁企业能源全生命周期管理和应用现状，诊断能源应用各环节出现的异常问题，预知能源流产生和消耗的变化趋势，提出能源综合优化方案，进而有效减少能源介质放散损失，提高能源介质的相互转化效率，降低企业能源成本，实现能源价值最大化的目的。

2 工业互联网平台核心优势

钢铁行业属于流程制造业，其工业智能制造[3]作用机理主要由三大部分组成，包括三大对象（人、物（设备）、系统）、三大网络（工业互联网、物联网[4]、互联网）和四大手段（工业大数据[5]、知识（机理+数据AI）、 信息物理系统CPS[6]（数字孪生）、数据通信（5G））。 工业智能制造作用机理如图1 所示。

图1 工业智能制造作用机理Fig. 1 Mechanism of Actionin for Dustrial Intelligent Manufacturing

工业互联网钢铁工业智能制造发展的重要发力点是钢铁行业智能化关键技术落地实施的主要平台载体。 依靠工业互联网平台框架[7]和核心技术，不但可以将工业控制系统与信息系统、大数据分析系统以及数字孪生系统进行无缝融合，还可以同时在各钢铁生产工序和信息系统间，建立以数据为核心的多维时空矩阵式网格。因此工业互联网平台是面向钢铁制造业数字化转型需求，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的综合服务体系，支撑钢铁行业制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的载体，工业互联网[8]平台框架如图2 所示。

图2 工业互联网平台框架Fig. 2 Framework for Industrial Internet Platform

3 系统平台架构、功能及特点

3.1 系统平台架构

鞍钢集团建立的钢铁企业能源智能管控系统采用先进的工业互联网架构，运用云、边、端协同的模式，以实现通讯类型统一化、多维数据融合化、基础设施虚拟化以及系统横纵一体化。工业互联网+智慧能源管控系统平台架构如图3所示。

图3 工业互联网+智慧能源管控系统平台架构Fig. 3 Platform Framework for Industrial Internet and Intelligent Energy Management and Control System

3.2 系统功能概述

工业互联网+智慧能源管控系统产品在2018 年作为鞍山钢铁两化融合[9]重点项目在鲅鱼圈分公司开始建设实施，2018 年底上线运行后，经过两年多不断的功能升级、 模块封装和系统优化，于2021 年底完成第二代产品发布，智慧能源管控系统产品功能如图4 所示。

图4 智慧能源管控系统产品功能Fig. 4 Product Features for Intelligent Energy Management and Control System

系统产品从下至上包含能源远程集控、 智能调度、能源专业智慧管控、能源精细管理、物-能协同优化、数据可视化和移动应用七大部分。

（1）远程集控产品主要服务于企业能源生产操控，实现各能源介质生产、供给的全流程智能化精准控制，是能源管控系列产品的“操作层”。

（2）智能调度产品主要服务于智能调度，提供智能调度策略在线生成，支撑智能调度主要运行参数和计量数据在线查询、报警等功能。该产品的调度策略需要能源专业智慧管控系统提供基础数据及专家知识库的支撑，是能源管控系列产品的“执行层”。

（3）能源专业智慧管控产品主要服务于各能源专业管控，包括供电、发电、燃气、给水、氩氮氧、压缩空气等专业管理，未来可横向扩展到其他能源介质，例如氢气等。提供各能源专业运行状态在线监视和科学评价、历史工况回溯分析、趋势发展预测优化等“一站式”智能服务，实现专业能源管理“看得见，说得清，管得住”，是能源管控系列产品的“管理层”。 能源专业智慧管控产品与集控产品在部分需要闭环优化控制功能上可进行集成部署应用。

（4）能源精细管理系统主要服务于能源业务精细化管理，从能源计划编制、能源实绩查询、计量日清日结，再到能源指标管理、绩效考核、对标分析，实现全流程能源业务综合管理和分析，是能源管控系列产品的“基础决策层”。

（5）物-能协同优化系统是在能源精细管理系统的基础上从冶金流程的角度，研究钢铁企业物质流-能量流之间的耦合关系，实现物-能动态协同优化，是能源管控系列产品的“协同决策层”。

（6）数据可视化和移动应用作为其他五部分的辅助产品用于集控大厅大屏展示和手机端展示，不具备独立应用的条件。可视化大屏模块主要用于集控大厅大屏展示，用直观的可视化方式对能源生产、存储、消耗、外销等各环节进行展示。移动应用是利用移动终端展示能源生产、 存储、消耗、外销等各环节信息，为用户提供随时随地的数字化体验。

以上各部分系统功能既相对独立，又相辅相成，是一套满足不同规模、不同层次需求钢铁企业用户的智慧能源管控产品。

3.3 系统平台四化特点

系统平台具备“四化”特点，即系统纵向一体化、业务云端智能化、多维数据共享化和通讯类型统一化。

（1）系统纵向一体化：平台根据能源生产操作、能源管理、工业能效分析[10]、能耗评价等业务场景，在纵向上，利用工业互联网平台云边端协同优势，实现了从生产远程操控、能源管理到能效能耗分析评价的一体化协同。

（2）业务云端智能化：平台将海量数据经过清洗处理后将全部能源数据上云，在云端利用机理模型+大数据模型+知识图谱三驱动的方式，实现了能源全维度管控的数字化和智能化。

（3）多维数据共享化：围绕能源管理、能效分析、能耗评价智能化需求，平台将能源相关的钢铁生产计划数据、质量数据、生产调度数据、财务数据等多系统、多时空、多维度的数据进行了融合与协同，打造了一幅完整的、全维度的能源流、物质流、碳素流、价值流合一的数据融合图谱。

（4）通讯类型统一化：平台在工业协议通讯层对多种工业通讯协议进行了统一转换和整合，同时利用分布式+负载均衡技术，实现了底层通讯类型的统一化，不仅大幅降低了多协议在平台层的转换成本，更加从本质上保证了工业互联网平台在边缘控制上的高效、稳定和可靠性。

4 系统主要技术和创新点

（1）构建基于鞍钢“精钢云”系统的工业互联网平台，实时采集并整合电、水、煤气、氧气、蒸汽等物质流数据，为钢铁企业能源智慧管理的特征提取、规律分析、优化决策提供了一站式大数据服务；

（2）自主开发高稳定性的远程自动化集控系统、混合煤气在线智能调控、制氧机组自动变负荷控制等核心技术，实现了集约化整合和远程集控的安全稳定运行；

（3）自主创建能源业务知识图谱，运用数据挖掘技术，将海量数据知识图谱化，隐性知识显性化，实现知识共享、知识驱动及持续优化；

（4）利用“数据+机理”相结合技术，分级建立单体设备、 各工序及公司级吨钢综合能耗分析与优化模型，实现了全系统多层次的在线能耗分析与优化；

（5）自主研发多能流预测和多介质耦合优化技术，实现了复杂工况下的煤气、蒸汽、电力等多能源介质在线动态协同优化，提高了能源使用效率，大幅度降低了能源消耗；

（6）自主研发钢铁联合企业全流程碳排放在线核算分析系统，实现了碳排放在线计算和关联分析；

（7）自主研发基于5G+云边协同的钢铁工业数据采集技术，实现在工业互联网架构下，有线网络+5G 专网共融的钢铁工业生产设备、计量仪表、管网状态等数据采集可视化、智能化。

5 系统应用效果及实施建议

5.1 系统应用效果

工业互联网+智慧能源管控系统2019 年初首次在鞍钢股份鲅鱼圈分公司建成投运，实现了国内钢铁行业四个首创，即国内钢铁行业首创全部动力站所室远程集中操控；首创能源全介质在线能效分析及能耗评价；首创利用机理+大数据+知识图谱三驱动技术实现多介质耦合优化平衡；首创在能源管控系统内实现全流程碳排放在线跟踪管理功能。

系统在鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公司投运后，全面提升了公司能源管控系统运行和协调效率，其中通过远程集控模块优化人力资源43.6%；通过制氧机负荷调整功能降低工序电耗1.7%；通过能耗能效分析功能降低加热炉煤气单耗3%；通过煤气平衡预测分析和多介质耦合优化功能，大幅提高了余热资源利用效率；通过电力需量监视模块降低基本电费30%；通过水系统分析模块降低新水消耗3%以上，实现降低吨钢综合能耗1.9%以上，年创效超过8 700 万元，为助力钢铁企业快速发展提供有力的技术支撑。

2020 年鞍钢股份能源管控中心能源集控项目开始建设，由于鞍钢股份本部能源站所室和基础自动化工作繁多，该项目分两期建设，目前项目一期及系统平台的远程集控、能源管理部分已经上线试运行，项目建成后，将实现国内钢铁行业体量最大的能源生产集控中心，涵盖本部192 个能源站所室，6 大能源专业，初步预计项目一期即可实现综合能耗降低1.5%以上，年创效9 000 万元以上。

工业互联网+智慧能源管控系统平台目前正在鞍钢股份朝阳钢铁公司、 攀钢集团攀钢钒公司进行项目建设，工业互联网+智慧能源管控系统已经成为鞍钢集团具有核心竞争力的重点推广产品之一，未来该产品将为更多的钢铁企业提供优质服务，为提升钢铁行业能源转换效率、提高能效能耗管控水平、 降低钢铁产品能源成本做出更多支撑和贡献。

5.2 系统实施建议

智慧能源管控系统建设与当下钢铁企业数字化转型、智能制造有着同样的目标和意义。借助工业互联网平台，智慧能源管控系统不仅是传统的信息化、智能化项目建设，也要随着钢企能源管控流程再造、流程优化等管理变革一起，全方位进行体系化建设。结合工业互联网平台+智慧能源管控系统实施经验，在项目的实施路径上，建议从以下四方面综合考虑。

（1）钢铁业务驱动

智慧能源管控不仅要考虑钢铁企业自身能源特色，同时要全维度依靠钢铁全流程中能源所有相关的钢铁产品生产、质量、设备、财务、销售等各项业务的实际需求，以业务为核心，全面驱动钢铁能源的数字化、智能化建设。

（2）信息技术支撑

新一代信息技术是支撑钢铁能源智慧化管控的根本，利用新兴IT 技术与业务OT 进行完整融合，将AI、5G、数字孪生等新技术从点到面、到线全面推广建设，为钢铁智慧能源管控的高质量发展做强有力支撑。

（3）多维数据融合

利用工业互联网平台纵向、 横向的多维融合能力，打破原有传统的五级系统观念，对与能源管控相关的多系统、多维度、多时空数据进行全方位融合，建立横纵交替的智慧能源大数据空间，为深入、广泛分析能效能耗数据提供基础，建立从数据到信息、到知识、到价值的完整链条，实现能源数字价值最大化。

（4）系统功能协同

在系统平台内，利用扁平化和云边端协同架构，可以很好的实现纵向的功能协同。 横向上，要与钢铁产品的销售系统、ERP、MES、质量、设备、物流等所有相关系统进行协同，这样才能实现能源流与物质流、碳素流、价值流的多流合一、多维协同，才能从本质上实现能源从服务生产向指导生产的重大转变，才能帮助钢铁企业实现能源效率与生产效率综合价值最大化的高质量发展目标。

6 结语

能源生产和管理并不是孤立的，工业互联网+智慧能源管控系统在能源业务上，将设备、控制系统、信息系统和专家系统进行纵向集成，打破原有的五级架构；横向上将能源各个专业，如燃气、供电、发电、给水、制氧等进行融合，通过机理+大数据+知识图谱三驱动模型进行能源流的分析、预测和多介质耦合优化，实现能源介质之间系统化的平衡优化；从企业纵深角度，通过系统间的协同生产计划、设备检修、调度、财务、销售等各类数据，实现能源和钢铁产品综合价值最优化；从而在三个维度上建立了一套完整的多时空、 多维度的立体管控体系，为钢铁行业能源的智能化管控探索了一条切实可行的新路线、新局面。