一． 課題的迫切性

在高耗能行業——冶金企業， 能源是生產過程中最基本的資源， 確保能源系統的穩定和經濟運行對企業產品的質量和企業的經濟效益具有十分重要的作用。鋼鐵企業長期居高不下的能源消耗， 不僅影響了企業的經濟效益， 而且嚴重惡化環境， 不利于企業的可持續發展， 是長期困擾冶金企業的難題之一。 國內某年產值 150 多億的礦業公司， 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， 經濟損失巨大。

冶金企業能源計量與管理系統可以作為考核生產、 管理決策和指導節能的技術平臺， 實現對全廠耗能的總體監控， 是現代企業能源管理的重要技術措施， 也是大型冶金企業提高節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， 但目前行業中的能源管控系統主要還是 2007 年上海寶信軟件股份有限公司開發的 MES 系統， 其實現了能源管理系統的基本功能， 主要包括數據的采集、 記錄、 報警、 人機界面、報表生成。

但近十年隨著科技進步的發展， 尤其是計量技術、 物聯網技術、 先進控制技術的發展， 冶金行業需要一套更合理精確的能源計量管控系統來滿足產品質量和節能環保的要求。

二． 課題的特色及內容

本課題重點關注大數據技術與控制理論在冶金行業的推廣應用。

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

A.傳統的控制多為基于閉環的不需要精確建模的 PID 控制， 在冶金行業中，很多環節的測量精度遠遠不夠， 無法實現反饋；

B.冶金行業為過程控制系統， 基于機理的建模基本不可能實現， 基于數據驅動的建模和控制器設計是近幾年剛剛出現的技術，在行業中還沒有成功案例；

C.現有的能源管控系統為軟件公司開發的， 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容：

（1） 反饋數據點的合理確定： 冶金企業工況較差， 在運行數十年后， 其原裝檢測裝置會出現不同程度的損壞， 甚至數據完全失真， 維修和更換的成本巨大， 且需要停產， 影響正常生產活動。 而且， 企業生產線經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。

（2） 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提供可靠的數據支撐；

（3） 基于數據驅動的生產模型建立和控制器設計： 從現有數據報表中提取有效數據， 建立基于輸入輸出數據的特征模型來模擬生產過程， 并以此模型為依據設計黃金分割自適應控制器來控制閥門開度等操作量， 可以根據生產負荷的變化有效地動態預測煤氣流量、 溫度、 壓力等關鍵數據的變化， 實現能源的優化控制。以煤氣預測為例， 國內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。

（4） 通過控制算法的改進提高鋼鐵產品的品質。 鋼鐵企業的沖擊負荷普遍都比較大， 現有的控制方式主要是人工經驗加 PID 控制， 在過渡過程造成的振蕩對產品的品質有很大的影響。 如果能夠實現恒溫或恒熱量控制， 可以使鋼鐵產品的質量提高一個或更多檔次。 這就需要解決現有算法在過渡過程存在的超調量和調整時間問題。 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建模和控制方法。 以該理論為依據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， 解決了暫態性能、 穩定性和控制精度的問題。 已經成功應用于航天工程、 航天地面工程、 過程控制等多個系統， 如飛船的再入、 飛船的交會對接、 藥廠的溫度控制等，為復雜的生產控制提供了一種新型的中國人自己開發的控制方法。

（5） 用能優化分析： 在企業總利潤最高， 能耗最低的目標下指導企業改善能源結構和產品結構；

（6） 能源預測與分析： 根據歷史數據， 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活動。

（7） 提供各種管理人員需要的報表： 根據權限， 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

根據初步調研， 總結冶金行業的能源管控基本包括如下幾方面:

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

設計能源管控系統的基本目標是： 由能源中心進行集中監控， 實現變電所、變電室等供配電區域； 煤氣柜、 煤氣加壓站、 煤氣放散、 煤氣混合等煤氣區域；排水泵站等水區域； 空壓站等區域的全自動化生產， 對能源平衡進行預測和及時調整， 以減少煤氣放散， 增加轉爐煤氣回收， 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)確定數據采集方案， 包括測量點的拓撲選擇及不同數據的采集方式（ 周期采集或中斷采集等）；

(2)整理數據， 包括數據的分類和管理權限的確定， 數據分類主要有實時數據、短時數據、 統計數據、 歷史數據、 記錄等； 管理權限主要是根據部門不同， 界定可以查看到的生產數據， 及對數據進行處理的指導方案等；

(3)特征模型的建立及黃金分割自適應控制器的設計， 實現煤氣流量的自動調節，并通過算法的預測性和自適應性提高煤氣品， 進而提升鋼鐵產品的品質;

(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

保守預期， 可使煤氣的管網損失從目前的 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； 能源管理系統的綜合效益預期在 5元/噸鋼左右。