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1背景

本案例以河南省最大的鋼鐵企業安陽鋼鐵（以下簡稱安鋼）為場景，以構建鋼鐵行業工業互聯網平臺為契機，先行對包括煤氣/蒸汽/壓空等介質進行數字化監控與智能化調度升級改造，開發滿足安鋼場景的能源資源智能化平衡調配相關應用功能，從而推動安鋼在能源資源運營有效性方面得到顯著提升。

2案例實施與應用

2.1總體概況

圖1安鋼智慧能源管控平臺分布實施規劃

結合安鋼智能制造升級規劃，本案例是立足于“鋼鐵工業互聯網平臺搭建”為契機，以能源資源配置優化、能源運行管控能力提升為宗旨，設計開發基于精益運營規則、源于大數據建模驅動、采取自主策略推送的智能化運行調度管理系統，即“能源智能導航系統”作為“安鋼智慧能源管控平臺”第一階段實施目標。

2.2實現目標

（1）構建鋼鐵行業特質工業互聯網平臺：以安鋼場景工業互聯網平臺搭建作為實踐對象，形成可滿足鋼鐵企業業務需求的工業互聯網平臺；

（2）研發基于平臺3個智能平衡子系統：研發滿足安鋼能源運行調度業務智能化升級的智能導航系統，第一階段包括煤氣/壓縮空氣/蒸汽智能平衡子系統，未來可移植其他能介；

（3）連接>50套設備+采集>5000個數據：對安鋼場景包括焦化、燒結、高爐等機組設備實施包括能源、設備狀態、關鍵工藝參數等數據采集與信息共享；

（4）設計>50個適用鋼鐵場景工業模型：運用AI分析方法和大數據挖掘等技術，建立能源算法模型庫，設計支持能源運行智能導航的各類工業模型。

2.3應用技術

能源智能導航系統是以工業互聯網架構、新IOT、數孿定義、三維漫游、AI模型等新技術為基礎設計研發的，具體如下：工業互聯網架構技術、多元多流信息采集技術、平臺數據重構技術、場景實例數孿定義技術、數孿三維漫游技術、異常感知規則引擎技術、動態根因分析技術、大數據挖掘技術、基于狀態感知的預測技術、干預與應急雙重響應技術、過程運營精益分析技術、跨介質/工序協同與聯動技術、策略自主推送信息導航技術、運營執行追蹤引擎技術。上述部分技術是以業務規則精益化梳理+運營數據挖掘相結合的高階運營分析，既體現了依托互聯網技術強大的信息互聯與共享能力，同時凸顯了源于業務知識高度提煉后的模型化設計及數據實時驅動的新設計理念。

2.4總體架構

項目采用工業互聯網架構技術，搭建安陽鋼鐵能源智能導航系統所需要的開發環境與相關智能應用的運行環境，具體軟件架構如圖2所示。

圖2智慧能源管控平臺頂層架構設計

基于安鋼能源數字化升級整體規劃，本例涉及的能源智能導航系統主要功能如圖3所示（橘色背景）。

圖3 系統主要功能模塊

2.5應用設計

（1）以重構的業務管控流程設計功能支持為高度數字化呈現能源運行調度業務，同時最大化以軟件信息能力+算力算法替代人工的智能化操作為目標，對安鋼的運行調度流程實施管控模式和執行流程上的梳理與重構，即以“信息收集-->狀態感知-->異常識別-->誘因分析-->策略推送（策略設計-->角色推送）-->執行跟蹤-->統計分析”的運行管控閉環流程，設計調度指令從產生到下達全過程信息化、數字化、智能化的功能支持。

圖4智能化調度業務流程圖

（2）基于角色設計定制功能及系統運行邏輯

·結合安鋼組織架構和業務從屬關系，按運行調度管理職責和角色，設計從能源運行調度到機組主操的自上而下的業務邏輯與信息流，即服務于公司全員的“企業全景導航”->服務于能源運行/調度為主的“單介質全網監控”->服務于生產廠部調度為主的“全廠能效監控”->服務于設備主操為主的“單體設施智慧監屏”，如圖5所示。

圖5系統功能框架及運行示意圖

·按角色和業務管理需要，實施功能定制化和通用性設計，如圖6所示。

所有角色-企業能效導航大屏

廠部調度-XX廠級運行智慧監屏

煤氣調度-煤氣全網監控

氣柜主操-煤氣柜運行智慧監屏 

圖6分角色定制化設計功能畫面

（3）植入精益理念和運營工具的能效高階分析

·設計動態異常感知+誘因分析的根因分析引起以精益運營視角審視安鋼能源系統運行場景，提煉挖掘系統異常影響因素，構建根因邏輯分析架構，實施從“系統狀態跟蹤”“產供用平衡分析”“工序主因分析”“影響根本因素分析”等層次和維度，向用戶推送異常誘因分析。

·支持策略執行有效性統計分析，分介質/分周期統計策略推送條數、執行條數、未執行條數，支持明細查詢與追溯等。

3應用創新性、重點與難點問題及解決思路

3.1應用創新性

（1）植入精益理念與運營工具的應用加持以精益運營視角審視安鋼能源資源調度配置運營的有效性（如圖7所示），洞察業務管理中的價值洼地和快贏機會，推動調度管控機制完善、執行流程優化。并在建模和應用研發中緊密結合精益運營方法和輔助工具，使軟件功能充分釋放和詮釋精益運營管控要求，極致幫助企業在能源資源的損失洞見、運營高效、改善持續獲得應用服務加持。

圖7融合精益理念與工具的軟件設計

（2）采用先進的互聯網架構搭載工業應用采用互聯網架構實施數據采集、處理、模型設計、應用前后端開發，從下向上分為物聯數采層，數據層、模型層、數字孿生層和應用層，如圖8所示。

圖8工業互聯網平臺架構圖

（3）可通用定制的行業數字孿生體結構以安鋼場景為構建對象，把場景中各個能源系統從產出-消亡的生命周期、端到端業務流程、單體-多體-跨工序-跨系統的運行管理涉及的產線、機組、設備設施及其他管理要素，進行物理世界與數字空間的虛實映射和數字化描述，形成可重用復用的數孿體（數字底座）。

圖9 鋼鐵能效場景數孿定義

（4）以“策略推送+信息導航”方式實施能源運行與資源調度

結合場景組織關系、管理流程，設計“狀態感知-異常識別-誘因分析-策略設計-策略推送-執行跟蹤-統計分析”的能源運行智能調度的管控流程。從而實現能源運行調度業務從“人工”向“信息化+智能化”升級，從“經驗“向“規則建模+數據挖掘“轉變。

（5）建模驅動自主異常識別與根因分析設計規則引擎，自上而下按“系統異常識別->平衡歸因分析->工序歸因分析->設備歸因分析->關鍵誘因分析”的層級，梳理設計異常表象與根本原因的從屬、因果等邏輯關系，形成各能源介質的根因分析邏輯分析架構。

（6）采用基于預測的前饋干預+實時判斷的后饋響應的雙重模式實施動態尋優。

3.2重點與難點問題

（1）能源系統供需平衡矛盾普遍突出。尤其在煤氣/蒸汽/氧氣/壓空等介質系統，產用失均衡、供需欠耦合，造成的資源損失千萬規模；

（2）對能源數據的利用停留在展示為主，確保采集數據質量的平衡校驗、供需平衡趨勢跟蹤分析、產用存動態預測基本都沒有，尤其缺少生產線關鍵設施的運行狀況、跨介質間聯動信息及運行異常的自主感知與分析，上述信息對于能源運行調度極為重要，是確保能介高質量生產供應的必要前提；

（3）能源資源缺乏標準化的時效最優配置和柔性調度能力。現有能源系統無法支持專業人員持續、準確地實施能源資源最優配置，尤其是運行中缺乏實時輔助決策類信息，引發包括響應調節延遲、運行操控隨意、調節精度偏差大、甚至出現資源配置錯位等系列系統運行問題。

3.3解決思路

為解決安鋼現有無法全網可視化、全流程信息斷鏈、系統供需平衡失耦、跨工序協同效率低、資源配置不合理等問題，需要對現有能源調度的業務流程、管控模式、運行機制、功能支持等方面予以改善和解決，具體設計思路如下：

（1）梳理企業能源計量配置現狀，結合未來業務藍圖補充完善能源計量表具，確保能源計量數據達到軟件所需要求。

（2）以安鋼場景能效運行管控所涉及的對象包括產線、機組、設備等為對象，進行數字孿生體設計，形成可重用、復用的數孿框架（實例、參數等），以支持軟件研發。

（3）開展多元多態數據采集，按“能源流、價值流、物質流、設備狀態”等維度對數據進行分類采集和清洗處理，并逐步形成具有場景特質的能源大數據。

（4）對能介運行與平衡規則進行精益化梳理，及通過訪談和觀察方式獲取現場技術人員的經驗知識和操作習慣（準確的），形成支持應用軟件運行的異常識別/觸發引擎、根因分析邏輯、策略規則配置等標準文件。

（5）引用新技術、融合新理念、采用新模式實施企業能源運行調度。

以自動策略推送替代人工經驗指令的能源運行調度管控新模式，并按“信息獲取-狀態感知-異常識別-誘因分析-策略推送-執行跟蹤-統計分析”管控模式設計智能化調度功能框架，將原有過度依賴人工經驗判斷和操作的業務予以替代，達到能介系統運行的過程可監視、異常可識別、原因可分析、尋優策略化、結果可評價的管控效果，如圖10所示。

圖10現有與未來調度業務對比

（6）植入精益思想設計應用功能

·采用以“產用存預測”為前提的前饋干預，及“實時異常”為依據的應激響應，實施雙重異常判斷+尋優推送，以保證系統異常時的預防性優化及應激式補救；

·梳理提煉并行形成跨工序/跨介質間的聯動機理、協同關系，包括：（轉煤）煤氣回收-柜容-使用三聯動、（鍋爐）煤氣-蒸汽-發電三聯動、熱風爐/加熱爐工藝變化與緩沖的聯動、余熱回收-供熱-發電三聯動，促進系統資源總體優化；

·關注焦爐、熱風爐、轉爐、加熱爐等關鍵設備的生產工藝變化，確保狀態可追蹤、可理論預判，為能源預測、平衡判斷、能效分析提供關鍵信息支持；

·追蹤評估包括熱風爐/轉爐工藝節拍均衡性，在全景可視化的基礎上，構建集群優化模型支持多機組聯調群控，挖掘熱風爐/轉爐工藝變化時能源使用特點及對煤氣管網、轉煤/蒸汽回收等影響，為分析、預測及策略設計提供信息支持；

·按時效利潤最優理念對能介資源配置的合理性、價值化進行動態分析，確保能源向高附加值業務鏈流動、高質高用品級對等、減少能源轉換損失。

（7）基于角色設計分級管控機制與功能對企業能源業務涉及的角色、崗位、管理要素、控制要求，進行結構化剖析和合理性辨識，以此設計基于崗位角色的定制化業務功能推送，策略自上而下推送分解、措施自下而上實施疊加，如圖11所示。

圖11 基于角色設計分級管控機制

（8）系統具備較強的靜態可配置性和業務可擴展性。考慮到能源系統隨業務和工藝系統不斷擴展或改變的特點，支持用戶通過靜態參數、配置文件實現能源業務的升級和擴展。

4實現效益

4.1直接經濟效益

（1）降低高/焦煤氣趨于“零”放散，提高轉爐煤氣回收量2～3m3/t；

（2）增加余熱回收，提高余熱發電量8～10%；

（3）減少資源排放損失，降低空壓機綜合電耗3～5kWh/km3；

（4）立足單體能效提升與集群組合最優，支持窯爐數字運營，撬動爐窯節能降本>10%；

（5）實現能源運行管理模式創新，管控效率提升5%以上。

4.2間接經濟效益

（1）收窄管網波動10%～15%，改善能介供應品質，促進產線提質增產；

（2）均衡轉爐冶煉節拍，優化轉爐冶煉節奏，提高轉爐產量；

（3）源于節能降碳，促進碳資產增值。

4.3隱性管理價值

（1）能源大數據構建，形成同標準的能源流與設備狀態、工藝參數、生產物流等數據匯集，為后續企業數字化升夯實數據基礎。

（2）全景數孿定義可復用，采用數字孿生技術，定義的場景數孿體可實現未來工業場景應用開發的重用復用，提高便捷性。

（3）經驗知識傳承，基于運行規則梳理，能源管理知識、操控經驗、專家知識提煉形成模型化功能，有助于知識傳承與持續改進。

（4）跨部門協同效率提升，促進多部門協同控制目標一致、措施同軸、效果同向及響應及時，提升能源管理整體效率。

（5）調度角色一崗多專，系統將運行規則、經驗、知識等模型化，依據推送策略組織能源調度，降低了調度人員從業的專業門檻和領域壁壘。

5案例意義

（1）案例通過對企業能效精益運營改善和工業能效APP賦能運營的深度結合，采取“共性提煉+特質定制”的落地路線，對基礎工業的適用性和復用性極強；

（2）本案例涉及到的問題點，屬于鋼鐵行業普遍共性問題，因此在安鋼實施后具有較好的社會推廣價值；

（3）鑒于能源管控原理和指導思想方面存在異曲同工的情況，因此本項目具備跨行業推廣性。即不僅適合鋼鐵行業，還適合于有色、石油、化工、園區等大型流程行業的能介系統智能平衡調配。A

摘自《自動化博覽》2022年8月刊