1 引言
近幾年來，中國的鋼鐵行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛．在2008年世界金融危機(jī)的大環(huán)境下，全國鋼鐵企業(yè)粗鋼總產(chǎn)量達(dá)50 048．8萬噸，鋼材58 177．3萬噸㈠位居世界產(chǎn)鋼大國榜首，有力地支持了國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)．但是，全國鋼鐵企業(yè)總能耗達(dá)到22 324．49萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能源總消耗量的15％以上，平均噸鋼綜合能耗629．93千克標(biāo)準(zhǔn)煤／噸，與日、德等發(fā)達(dá)國家還有20％左右的差距．降低鋼鐵噸鋼綜合能耗，就能大量節(jié)省能源．
制約我國鋼鐵企業(yè)綜合能耗下降的因素包括鋼鐵工業(yè)布局、原料質(zhì)量、工藝水平和設(shè)備差異以及管理水平差距∽近年來，我國鋼鐵行業(yè)快速淘汰一批落后工藝和設(shè)備，推廣型煤技術(shù)、焦?fàn)t廢煙氣干燥入爐煤的設(shè)備、干熄焦)、高爐余壓發(fā)電、熱裝熱送等節(jié)能和能源綜合利用工藝，使我國鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)工藝上升到一個新的水平，取得了明顯的節(jié)能效果。
鋼鐵企業(yè)用能設(shè)備數(shù)量多、工藝日趨復(fù)雜，使用的能源介質(zhì)達(dá)二十多種，且能源介質(zhì)的產(chǎn)生或消耗之間有復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使能源系統(tǒng)的管理和調(diào)控難度加大．因管理和調(diào)控不當(dāng)、不及時(shí)引起的能源介質(zhì)放散現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，引起大量能源浪費(fèi)和環(huán)境污染．集成工業(yè)測控、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)而形成的能源管理系統(tǒng)正是針對這些問題而產(chǎn)生的新型技術(shù)．
本文將介紹能源管理的主要階段，先進(jìn)能源管理系統(tǒng)的主要技術(shù)與功能，并分析先進(jìn)能源管理系統(tǒng)的研究內(nèi)容與進(jìn)展情況．最后給出結(jié)論與展望．
2 能源管理模式發(fā)展階段及先進(jìn)EMS系統(tǒng)
能源管理模式可劃分為3個階段：基于單機(jī)設(shè)備與工序級的能源管理、基于能源介質(zhì)平衡的能源管理、基于全流程優(yōu)化與系統(tǒng)節(jié)能思想的能源管理．
2.1 基于單機(jī)設(shè)備與工序級優(yōu)化控制的能源管理
單機(jī)設(shè)備與工序級能源管理在分解能耗過程、完成能耗指標(biāo)、實(shí)施能源考核等方面具有目標(biāo)明確、責(zé)任清晰、效果明顯等優(yōu)點(diǎn)．這種管理模式在能源系統(tǒng)的局部雖然能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)，但是隨著生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大和工藝日趨復(fù)雜，難以達(dá)到設(shè)備或工序之間的匹配和系統(tǒng)優(yōu)化，能源放散的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生．
2.2 基于能源介質(zhì)平衡的能源管理
本階段是按照鋼鐵企業(yè)能源介質(zhì)管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，解決能源介質(zhì)的生產(chǎn)、回收、消耗之間的平衡，防止發(fā)生不必要的放散．論文分別討論了煤氣、電、氧氣等能源介質(zhì)的綜合平衡與優(yōu)化問題．體現(xiàn)了這一管理思想．用以實(shí)施這種管理的平臺就是EMS。圖1為某大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)EMs網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
圖1 某大型鋼鐵企業(yè)EMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
如圖1所示，設(shè)備與能源管網(wǎng)的測控信號經(jīng)由遠(yuǎn)程測控單元或PLC系統(tǒng)，傳輸?shù)絀O服務(wù)器，再存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器．操作人員通過能源大廳的操作平臺和應(yīng)用服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫以獲知現(xiàn)場的情況，并按照相應(yīng)介質(zhì)的調(diào)度操作標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施調(diào)度．同時(shí)，各能源生產(chǎn)與使用單位可以通過網(wǎng)絡(luò)和web服務(wù)器瀏覽實(shí)時(shí)能源信息．
本階段能源管理系統(tǒng)的主要技術(shù)包括：集散控制系統(tǒng)(DCS)或現(xiàn)場總線系統(tǒng)(FCS)：適應(yīng)鋼鐵集中管理、分散控制的需要．
網(wǎng)絡(luò)通信：高效、穩(wěn)定、可靠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備互聯(lián)、采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程操作．
數(shù)據(jù)庫：存貯現(xiàn)場歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，供EMS作統(tǒng)計(jì)、分析、評估、預(yù)測、查詢等．
人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)軟件、專家系統(tǒng)等技術(shù)提供操作、監(jiān)控、技術(shù)支持等服務(wù)．
EMS應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控范圍和系統(tǒng)容量得到擴(kuò)展，因此能夠?qū)δ茉唇橘|(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)精細(xì)計(jì)量；能從系統(tǒng)的角度實(shí)施能源介質(zhì)的平衡調(diào)度；考核能源實(shí)績、控制能源成本，提高能源管理的效果和水平．
但是，EMS系統(tǒng)的操作人員調(diào)控的方法是以靜態(tài)平衡為主，在生產(chǎn)計(jì)劃變動、物料變化干擾、生產(chǎn)環(huán)節(jié)不可預(yù)知的停機(jī)、檢修等情況下難以及時(shí)調(diào)控．目前解決的辦法是在產(chǎn)耗設(shè)計(jì)中考慮基本平衡，并采用中問貯存裝置(如氣柜)以緩沖能源介質(zhì)的波動，其調(diào)節(jié)能力有限．
目前我國鋼企能源管理大都處于本階段．
2.3 基于全流程優(yōu)化控制與系統(tǒng)節(jié)能思想的先進(jìn)能源管理系統(tǒng)
先進(jìn)能源管理系統(tǒng)是在EMs功能與性能上的提高．從全流程優(yōu)化控制的角度，依據(jù)市場環(huán)境和利潤目標(biāo)通過企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(ERP)形成生產(chǎn)決策和生產(chǎn)計(jì)劃，然后由制造執(zhí)行系統(tǒng)MES分解到生產(chǎn)工藝和作業(yè)崗位實(shí)施．先進(jìn)能源管理系統(tǒng)服務(wù)于全流程優(yōu)化控制中的指標(biāo)分解、生產(chǎn)實(shí)施和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的優(yōu)化控制，同時(shí)也受約束于企業(yè)總能耗(或單位能耗)和環(huán)保的要求．圖2為鋼鐵企業(yè)全流程優(yōu)化控制與先進(jìn)能源管理系統(tǒng)關(guān)系圖．
圖2 全流程優(yōu)化控制與先進(jìn)能源管理系統(tǒng)關(guān)系圖
正如文所述，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)質(zhì)上是以鐵素流為主要形式的物質(zhì)流和以碳素流為主要形式的能量流按照設(shè)定的“程序”和“流程網(wǎng)”作有序動態(tài)的運(yùn)行．先進(jìn)能源管理系統(tǒng)要建立包含各類能源設(shè)施和設(shè)備的“能量流網(wǎng)絡(luò)”，運(yùn)用系統(tǒng)節(jié)能的思想，考慮物質(zhì)流與能量流及其耦合關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)建起動態(tài)能源介質(zhì)的預(yù)測、仿真和優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的全局優(yōu)化控制．
由于鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)流程復(fù)雜，現(xiàn)場的影響與制約因素多，如：建模困難、能源介質(zhì)參數(shù)(如燃?xì)獾臒嶂?變化、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整、檢修時(shí)間不確定，加大了能源管理和優(yōu)化控制的難度．因此，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)學(xué)建模、基于物質(zhì)流和能源流的能源網(wǎng)絡(luò)建模、能源在線監(jiān)測、用能設(shè)備優(yōu)化控制、能源預(yù)測、能源仿真與優(yōu)化調(diào)度算法等都是先進(jìn)能源管理系統(tǒng)要解決的問題．
3 先進(jìn)能源管理系統(tǒng)的研究內(nèi)容與新進(jìn)展
先進(jìn)能源管理系統(tǒng)現(xiàn)階段的研究內(nèi)容及其邏輯關(guān)系如圖3所示．其研究內(nèi)容主要有5個方面：能源在線監(jiān)測、生產(chǎn)過程優(yōu)化控制和電機(jī)等設(shè)備能效分析是從3個不同的角度解決能源合理利用問題；集成平臺是解決能源系統(tǒng)的信息化問題；多介質(zhì)監(jiān)測、分析優(yōu)化則是從系統(tǒng)的角度解決整個能源系統(tǒng)的運(yùn)行問題．
圖3 先進(jìn)能源管理系統(tǒng)研究內(nèi)容及其邏輯關(guān)系
3.1 能源在線監(jiān)測
傳統(tǒng)的能源在線監(jiān)測，以對各種能源介質(zhì)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和介質(zhì)計(jì)量為主．在先進(jìn)能源管理系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)白上而下的管控一體化的目標(biāo)，傳統(tǒng)能源在線監(jiān)測的內(nèi)容上有新的擴(kuò)展，為跟蹤能源的使用和能源調(diào)度提供依據(jù)．最新研究包括：
(1)能源地理信息系統(tǒng)(GIS)
針對鋼鐵企業(yè)能源管網(wǎng)錯綜復(fù)雜、分布范圍廣，全面管理和維護(hù)難度很大的問題，提出利用GIS平臺實(shí)時(shí)監(jiān)測煤氣、蒸汽、電、氧、氮、氬、氫氣、水(包括原水、除鹽水、冷凝水、淡化海水)等關(guān)鍵能源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)事故報(bào)警精確定位技術(shù)，為管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、危險(xiǎn)源辨識、事故搶險(xiǎn)和能源優(yōu)化調(diào)配提供輔助依據(jù)．該技術(shù)的主要內(nèi)容：
1)管網(wǎng)地形圖的建立與管理
利用MAPGIS軟件作為GIS的開發(fā)平臺，針對能源管網(wǎng)與周圍的建筑物、綠地、等高線、水系、道路等的關(guān)系，建立管網(wǎng)地形圖數(shù)據(jù)庫，標(biāo)注相關(guān)數(shù)據(jù)．按照基礎(chǔ)地形圖和各種專題地圖分類、分層管理，并實(shí)現(xiàn)地形圖的分層變焦無縫顯示．建立一系列的地形圖維護(hù)機(jī)制，使地圖信息與實(shí)際相符．
2)管網(wǎng)建庫的建立與管理
按照外業(yè)探測資料、其它格式數(shù)據(jù)或管網(wǎng)竣工圖數(shù)據(jù)在管網(wǎng)地形圖中錄入管網(wǎng)分布與結(jié)構(gòu)信息的方法．建網(wǎng)的內(nèi)容包括管網(wǎng)詳圖、多媒體圖片、管網(wǎng)相關(guān)設(shè)備等．在管網(wǎng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備出現(xiàn)變化時(shí)，能方便快捷更新．
3)管線規(guī)劃與綜合分析
利用GIS平臺，避免在管網(wǎng)擴(kuò)(改)建規(guī)劃中管網(wǎng)區(qū)域碰撞；對管網(wǎng)區(qū)域埋深提供有力的依據(jù)，實(shí)時(shí)檢測管網(wǎng)老化并建立預(yù)警機(jī)制．
(2)能源介質(zhì)泄漏檢測與定位
能源介質(zhì)的泄漏導(dǎo)致能源浪費(fèi)，甚至引起嚴(yán)重安全隱患與環(huán)境污染．目前在面向蒸汽系統(tǒng)跑冒滴漏的蒸汽疏水閥在線測量技術(shù)取得進(jìn)展．該技術(shù)主要內(nèi)容是：
1)基于超聲多頻的高精度氣體泄漏在線檢測由疏水閥的微孔或縫隙所導(dǎo)致的氣體泄漏，其產(chǎn)生的超聲信號的頻率隨內(nèi)外壓差、孔徑大小的不同而不同，同時(shí)，超聲波的能量隨著距離的增加迅速衰減．精確測量氣體泄漏所產(chǎn)生的超聲信號以確定泄漏的地點(diǎn)和孔徑大小．
2)強(qiáng)噪聲背景下氣體泄漏判定與泄漏量計(jì)量工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境極為復(fù)雜，現(xiàn)場存在大量背景噪聲，增加了對泄漏所產(chǎn)生的超聲信號的提取難度，在信號采集時(shí)需去除噪聲信號，結(jié)合氣體壓力的變化提出氣體泄漏的判定策略，實(shí)現(xiàn)氣體泄漏量計(jì)量．
(3)能源介質(zhì)管網(wǎng)的仿真模型及測量數(shù)據(jù)校正
能源質(zhì)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)(流程、管徑、保溫等)往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，不一定是最優(yōu)設(shè)計(jì)，而能源管網(wǎng)測控中儀表的工作狀態(tài)不一定正常，精度會隨環(huán)境變化而降低．該技術(shù)的主要內(nèi)容：
1)能源介質(zhì)管網(wǎng)仿真模型
依據(jù)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建立流體管網(wǎng)的水力學(xué)和熱力仿真模型，快速對流體管網(wǎng)進(jìn)行水力學(xué)和熱力學(xué)模擬計(jì)算，為管網(wǎng)設(shè)計(jì)(流程、管徑、保溫等)和改造提供依據(jù)；實(shí)時(shí)模擬仿真管網(wǎng)的運(yùn)行狀況或預(yù)測管網(wǎng)中介質(zhì)的未來運(yùn)行狀態(tài)，減少管網(wǎng)在傳輸介質(zhì)時(shí)的各種損耗．
2)能源介質(zhì)管網(wǎng)測量數(shù)據(jù)校正
根據(jù)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和流體能源介質(zhì)的物理性質(zhì)，對傳輸?shù)紼MS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是否異常、所處的工作區(qū)間進(jìn)行判定，依據(jù)測量到的數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，去除顯著誤差和實(shí)施數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)，提高測控?cái)?shù)據(jù)的精度和可靠性．
3.2 生產(chǎn)過程的能效分析與優(yōu)化控制
煉焦、煉鐵、煉鋼和軋鋼是鋼鐵企業(yè)的主要高耗能生產(chǎn)過程，其生產(chǎn)設(shè)備能耗占整個生產(chǎn)能耗的70％以上．傳統(tǒng)能源管理系統(tǒng)注重這些過程能源的計(jì)劃、計(jì)量、分析與考核，而對物流能流關(guān)系、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的參數(shù)優(yōu)化等問題關(guān)注度不高．
在先進(jìn)能源管理系統(tǒng)中，以減少能源消耗為目標(biāo)，綜合考慮原料流、產(chǎn)品流(物質(zhì)流)和能量流的耦合關(guān)系，建立高能耗設(shè)備的能源投入產(chǎn)出模型和面向操作的實(shí)績能效評估方法，結(jié)合投入產(chǎn)出模型和能效評估實(shí)現(xiàn)面向能效提高的高能耗設(shè)備操作優(yōu)化．本項(xiàng)技術(shù)的主要內(nèi)容是：
1)高能耗生產(chǎn)過程能源投入產(chǎn)出模型
結(jié)合設(shè)備的物理化學(xué)原理以及運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)分析，建立能源投入與產(chǎn)出模型，用于能效分析、用能預(yù)測以及面向節(jié)能的生產(chǎn)過程設(shè)備優(yōu)化操作．
2)面向操作的實(shí)績能效評估方法
建立面向操作(操作方法、參數(shù)、環(huán)境等因素)的實(shí)績能效評估方法，建立操作與設(shè)備能效之間的關(guān)系，以指導(dǎo)設(shè)備的節(jié)能操作．
3)面向能效提高的高能耗操作優(yōu)化
研究面向操作能效評估指標(biāo)的動態(tài)優(yōu)化方法，根據(jù)當(dāng)前能效評估結(jié)果和分析，采用粒子群優(yōu)化等智能尋優(yōu)算法，在設(shè)備能源投入產(chǎn)出模型空間中搜索能源消耗最小的操作模式，實(shí)現(xiàn)高耗能設(shè)備節(jié)能操作．文分別論述了加熱設(shè)備與連鑄過程節(jié)能操作優(yōu)化的方法．
3.3 電機(jī)、泵類用能設(shè)備能效分析與優(yōu)化控制
傳統(tǒng)能源管理系統(tǒng)，對中小型電機(jī)及空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵的運(yùn)行情況不夠重視．但是，由于電機(jī)、空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵的數(shù)量多，有效監(jiān)測與優(yōu)化控制這些設(shè)備的運(yùn)行能夠顯著節(jié)能．最新的研究包括：
(1)非侵入式電機(jī)能源效率在線檢測分析技術(shù)
電機(jī)是鋼鐵企業(yè)的主要動力設(shè)備，也是主要耗能設(shè)備．這些電機(jī)的大部分在低于設(shè)計(jì)額定負(fù)荷60％的負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，導(dǎo)致高達(dá)30％的用電被浪費(fèi)掉．在這些電機(jī)中，80％是中小型電機(jī)，由于單臺容量不大，在管理中易被忽視．本技術(shù)能在線檢測電機(jī)運(yùn)行效率，且成本低廉，使實(shí)施中小型電機(jī)系統(tǒng)能源管理成為可能．
本技術(shù)的內(nèi)容包括：
1)復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下電機(jī)電流信號特征提取
采用基于切比雪夫一致逼近原理的FIR濾波、小波分析消噪、線性調(diào)頻的時(shí)頻分析消噪、周期信號混疊等信號預(yù)處理技術(shù)，解決復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下電機(jī)電流信號特征提取與分析問題，提高轉(zhuǎn)速估計(jì)、故障診斷等所需的特定頻率特征信號的提取準(zhǔn)確度．
2)基于推理模型的電機(jī)能源效率非侵入式、低成本在線檢測與分析
采用小波分析、現(xiàn)代譜估計(jì)等先進(jìn)的信號處理技術(shù)，和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等智能信息處理技術(shù)，基于電機(jī)定子電流特征分析(MCSA)技術(shù)，建立電機(jī)能源效率推理模型，研究非侵入式電機(jī)效率在線檢測與分析方法．在不依賴轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等傳感器，不構(gòu)建高精度電機(jī)等效電路的條件下，實(shí)現(xiàn)電機(jī)效率的高精度在線估計(jì)．
(2)空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、工業(yè)泵能耗監(jiān)測技術(shù)
在工業(yè)生產(chǎn)中，電機(jī)主要用來驅(qū)動風(fēng)機(jī)、泵、空氣壓縮機(jī)及各種加工設(shè)備，構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)．其中用于驅(qū)動空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)和工業(yè)泵的能耗分別占到電機(jī)能耗的15％和27％．對這些設(shè)備的能耗監(jiān)測對于面向節(jié)能的設(shè)備管理和設(shè)備改造有重要的參考價(jià)值．
本技術(shù)的核心內(nèi)容包括：
1)影響空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)效率的主要運(yùn)行參數(shù)在線檢測與分析技術(shù)
研究分析空氣流量、溫度、壓力、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)對風(fēng)機(jī)效率的影響，研究開發(fā)對風(fēng)機(jī)性能有重大影響的空氣參數(shù)的在線檢測與估計(jì)方法，依據(jù)風(fēng)機(jī)定律和風(fēng)機(jī)性能曲線，建立風(fēng)機(jī)系統(tǒng)效率估計(jì)模型．
2)基于能耗分析與優(yōu)化模型的空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能源效率優(yōu)化技術(shù)
以風(fēng)機(jī)效率在線監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ)，建立能耗分析與優(yōu)化模型，開發(fā)電機(jī)系統(tǒng)能耗分析與優(yōu)化軟件，與電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)能源效率在線監(jiān)測與節(jié)能優(yōu)化平臺實(shí)現(xiàn)集成．
3)基于多參量的工業(yè)泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測
當(dāng)工業(yè)泵運(yùn)行中發(fā)生各類異常時(shí)，如：傳動對中不正、軸承損壞、密封泄漏、槳葉損傷等，都會伴隨有運(yùn)行噪音增大、軸承溫度升高、機(jī)體振動增大等現(xiàn)象．本技術(shù)能夠從各種干擾條件下提取信號，并建立噪聲、溫度、振動信號與工業(yè)泵運(yùn)行狀態(tài)間的對應(yīng)關(guān)系．
4)基于示功圖的工業(yè)泵運(yùn)行效率監(jiān)測
采用智能濾波技術(shù)，以提高光桿載荷和位移的測量精度，同時(shí)監(jiān)測泵的出口壓力、揚(yáng)程等參量，建立能夠確定工業(yè)泵運(yùn)行效率的示功圖，實(shí)現(xiàn)工業(yè)泵的優(yōu)化運(yùn)行，提高運(yùn)行效率．
3.4 系統(tǒng)集成平臺
系統(tǒng)集成平臺的主要功能是整合先進(jìn)能源管理系統(tǒng)各層采集到或處理后的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)能源信息存儲、共享、發(fā)布、應(yīng)用及開發(fā)．和傳統(tǒng)的EMS集成平臺相比，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面更廣，系統(tǒng)容量與可靠性更高．系統(tǒng)集成平臺的研究內(nèi)容包括：
(1)新一代能源測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
適用于先進(jìn)能源管理系統(tǒng)的新一代能源測控網(wǎng)絡(luò)是工廠能源精細(xì)計(jì)量與優(yōu)化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)．其主要任務(wù)是支持對工廠的多種能源介質(zhì)、多種用能設(shè)備進(jìn)行大范圍的能效計(jì)量和分析．針對目前鋼鐵企業(yè)綜合自動化網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性——短程和長程，低速和高速，無線和有線多種情況并存，且各種設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相互之問不兼容，新一代能源測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的內(nèi)容包括：
1)低能耗短程異構(gòu)能源測控網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)
通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建實(shí)時(shí)、可靠、低功耗的工廠能源測控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)多種設(shè)備、多種能源介質(zhì)的不同內(nèi)容、特點(diǎn)和要求的通信需求，使得網(wǎng)絡(luò)能效最大化．
2)基于智能天線的長程能源測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
智能天線的長程能源測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相對于普通無線技術(shù)增加了傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)容量，有望以無線的方式解決鋼鐵企業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、測點(diǎn)間距遠(yuǎn)、布線困難等問題．
3)面向大數(shù)據(jù)量傳輸應(yīng)用的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
基于藍(lán)牙、IEEE 802．11技術(shù)，開展多信道復(fù)用的高速通信技術(shù)以提高先進(jìn)能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境的適應(yīng)性．
4)新一代異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與互操作技術(shù)
在實(shí)現(xiàn)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)之后，運(yùn)用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、10服務(wù)器和OPC server等技術(shù)，通過服務(wù)器交換各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。
(2)數(shù)據(jù)集成平臺技術(shù)
大型復(fù)雜先進(jìn)能源管理系統(tǒng)完成正常功能通常需要通過SCADA軟件對數(shù)萬個、甚至十?dāng)?shù)萬個能源點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視或控制，為了完成高級的能源管理和優(yōu)化調(diào)度功能，還需要對生產(chǎn)系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)進(jìn)行集成．這就是數(shù)據(jù)集成平臺的功能．主要包括：
1)數(shù)據(jù)標(biāo)簽化
鋼鐵企業(yè)的數(shù)據(jù)環(huán)境如圖4，ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)提供生產(chǎn)實(shí)績、產(chǎn)值、原料等方面的指標(biāo)與數(shù)據(jù)，MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))提供主工序計(jì)劃、檢修、設(shè)備狀態(tài)等信息，能源監(jiān)控系統(tǒng)則提供各種能源介質(zhì)與設(shè)備檢測數(shù)據(jù)，還有其他如檢驗(yàn)系統(tǒng)和手工錄入數(shù)據(jù)信息．能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求與它們之間存在網(wǎng)狀關(guān)系．
將數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換成標(biāo)簽，供數(shù)據(jù)需求方訂閱．
2)數(shù)據(jù)交換與處理
標(biāo)簽中心是一塊內(nèi)存區(qū)域，所有數(shù)據(jù)都通過標(biāo)簽中心交換．各種來源的標(biāo)簽都可以向標(biāo)簽中心寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的使用者可以掃描標(biāo)簽中心讀取數(shù)據(jù)或訂閱標(biāo)簽，在標(biāo)簽數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，標(biāo)簽中心會把變化的標(biāo)簽打包發(fā)給訂閱者．
圖4 鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)環(huán)境
通過數(shù)據(jù)標(biāo)簽化，簡化這些關(guān)系，如圖5：
圖5 數(shù)據(jù)標(biāo)簽化
3)應(yīng)用開發(fā)平臺
運(yùn)用基于服務(wù)接口的動態(tài)組件庫技術(shù)，使系統(tǒng)的核心模型及算法可在不同應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)動態(tài)配置，減少系統(tǒng)二次開發(fā)工作量及由此帶來的出錯概率．
3.5 多能源介質(zhì)管理、分析和優(yōu)化系統(tǒng)
從企業(yè)運(yùn)營的角度，在市場環(huán)境、營利目標(biāo)、安全、節(jié)能、環(huán)保等約束條件下，要實(shí)現(xiàn)能源、資源合理配置與使用．因此需要研究多能源介質(zhì)的管理，多介質(zhì)、多設(shè)備組成的工廠能源系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化調(diào)度的方法，以保障生產(chǎn)所需要的能源能夠按照時(shí)問、質(zhì)量、數(shù)量要求輸送給用能設(shè)備，保證整個生產(chǎn)系統(tǒng)安全有序地運(yùn)行和節(jié)能降耗．
(1)能源供應(yīng)量與需求量中長期與短期預(yù)測
能源供應(yīng)量與需求量預(yù)測是順利組織生產(chǎn)，實(shí)施平衡與優(yōu)化調(diào)度的前提．預(yù)測分為中長期和短期兩種．
鋼鐵企業(yè)能源供應(yīng)量(能源生產(chǎn)環(huán)節(jié))和需求量(能源需求方)中長期預(yù)測，一般有兩類方法可供選用，即時(shí)間序列分析法和影響因素分析法．前者分析歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，推算規(guī)劃預(yù)測期的供應(yīng)量與需求量，適用于未進(jìn)行大型工藝改造的鋼鐵企業(yè)．后者根據(jù)影響能源供應(yīng)量與需求量的因素，分析可能達(dá)到的數(shù)值或水平．對于發(fā)展中的鋼鐵企業(yè)，采用影響因素分析法能達(dá)到較好的預(yù)測效果．
短期能源介質(zhì)的動態(tài)預(yù)測的基礎(chǔ)是建立能源投入與消耗模型，結(jié)合各工序能源介質(zhì)流量波動規(guī)律，充分考慮生產(chǎn)計(jì)劃、檢修計(jì)劃及動態(tài)工況信息建立模型，以實(shí)現(xiàn)合理預(yù)測。
(2)能源系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)
能源系統(tǒng)的建模與仿真，輔助工廠能源優(yōu)化調(diào)度，避免出現(xiàn)能源浪費(fèi)的有效技術(shù)手段．根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒定律、管內(nèi)流動伯努利定律，以及相應(yīng)的邊界條件和初始條件建立物質(zhì)流、能量流及其耦合的數(shù)學(xué)模型，分析鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的工作行為和特征．能源系統(tǒng)的建模仿真還考慮到能源系統(tǒng)的分散性、用能模式多樣性的特點(diǎn)，使仿真的結(jié)果能夠真實(shí)描述能源系統(tǒng)未來的運(yùn)行狀態(tài)．文論述了鋼鐵企業(yè)煤氣系統(tǒng)的動態(tài)仿真方法．
(3)能源優(yōu)化調(diào)度技術(shù)
能源優(yōu)化調(diào)度是提高能源利用效率、降低生產(chǎn)成本的核心技術(shù)手段．其目標(biāo)是在滿足生產(chǎn)用能的情況下，有效降低能源成本：即在滿足能源需要的約束條件下控制最經(jīng)濟(jì)的能源介質(zhì)轉(zhuǎn)化方向．
能源優(yōu)化調(diào)度是基于能流一耦合建立能源轉(zhuǎn)換模型和能源平衡模型，根據(jù)企業(yè)物流能源投入產(chǎn)出模型及多目標(biāo)綜合評價(jià)方法建立鋼鐵企業(yè)能源平衡分析及評價(jià)系統(tǒng)．模型化法和系統(tǒng)節(jié)能分析法是解決該問題的常用方法．
國內(nèi)外采用模型化方法對企業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能研究的模型主要有投入產(chǎn)出模型、優(yōu)化模型、平衡模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等；研究系統(tǒng)節(jié)能的分析方法是用來對節(jié)能(或能耗)進(jìn)行比較、分析和評價(jià)的方法．具有代表性的方法有：比較分析法、因素分析法、層次分析法等．文研究了多種優(yōu)化調(diào)度的方法和相關(guān)的算法，使能源優(yōu)化調(diào)度可以應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中．
4 先進(jìn)能源管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題及其發(fā)展趨勢預(yù)測
綜上所述，基于全流程控制與系統(tǒng)節(jié)能思想的先進(jìn)能源管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題主要是：能源介質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，生產(chǎn)過程與設(shè)備能效分析與優(yōu)化控制，信息系統(tǒng)集成和多目標(biāo)多約束的全流程能源預(yù)測、仿真、優(yōu)化控制等幾個方面．為了同時(shí)適應(yīng)新形勢下鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保、安全地運(yùn)行等多種目標(biāo)的苛刻要求，可以預(yù)見這些關(guān)鍵技術(shù)問題在未來的發(fā)展趨勢：
(1)高精度和高精細(xì)程度的能源介質(zhì)測控技術(shù)
鋼鐵企業(yè)在市場與能源成本方面的壓力下，勢必會加強(qiáng)能源考核，深挖節(jié)能潛力．提高現(xiàn)場儀表測量精度并且加大精細(xì)化測量將成為提高能源管理水平和效果的重要手段之一．
用于計(jì)量各種能源介質(zhì)的高精度、性能可靠、便于安裝的新型智能儀表在先進(jìn)能源管理系統(tǒng)中有大量需求．和傳統(tǒng)儀表相比其精度更高，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測控功能，還需要具有自診斷與自校準(zhǔn)等智能儀表的特征．
能源介質(zhì)的計(jì)量精細(xì)程度將逐步提高．改變基于分廠(工序)之間的能源結(jié)算方式，將能源介質(zhì)在工序中的消耗情況納入能源管理系統(tǒng)．同時(shí)，提高能源介質(zhì)的質(zhì)量(如煤氣成分、熱值)實(shí)時(shí)檢測能力和精度，并精確分析與計(jì)量能源介質(zhì)的損耗、泄漏量．
(2)生產(chǎn)過程與設(shè)備狀態(tài)變量精確測定與閉環(huán)控制技術(shù)
先進(jìn)能源管理系統(tǒng)將重要的耗能生產(chǎn)過程與耗能設(shè)備也作為研究對象，從能效分析的角度建立耗能生產(chǎn)過程或設(shè)備的運(yùn)行變量與能耗、質(zhì)量之間的關(guān)系，以優(yōu)化控制生產(chǎn)過程和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)．
一批實(shí)時(shí)檢測技術(shù)與控制技術(shù)將發(fā)揮重大作用，如基于激光誘導(dǎo)的鋼水成分檢測、高爐爐料分布仿真與預(yù)測技術(shù)、燒結(jié)燒成帶溫度分布測定、煤氣成分與熱值的快速測定等．通過新型檢測技術(shù)、軟測量技術(shù)等手段，提高過程變量可檢測范圍和精度．逐步實(shí)現(xiàn)對能耗有重要影響的生產(chǎn)過程由開環(huán)控制轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)控制．檢測技術(shù)的進(jìn)步必將在降低能耗指標(biāo)的同時(shí)保持質(zhì)量指標(biāo)在一定水平．
集中管理和監(jiān)控中小型電機(jī)、風(fēng)機(jī)和水泵等一大批工作原理相似、能耗較高的輔機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)與能耗狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)設(shè)備故障狀態(tài)下運(yùn)行引起的高能耗、電機(jī)與負(fù)載不匹配、負(fù)載對外做功超過需求等引起能源浪費(fèi)的問題．通過建立能效分析與優(yōu)化控制的一系列新技術(shù)和方法提高主要用能設(shè)備的能源利用效率．
(3)安全可靠的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺整合與數(shù)據(jù)互聯(lián)互操作技術(shù)
鋼鐵企業(yè)先進(jìn)能源管理系統(tǒng)控制的設(shè)備具有地理分布廣，數(shù)據(jù)來源與形式復(fù)雜多樣，數(shù)據(jù)量大且實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)．有必要研究整合不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺的技術(shù)方案，形成滿足實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全可靠、功耗低等要求的新一代能源測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及解決大容量數(shù)據(jù)集成與應(yīng)用的基礎(chǔ)問題．綜合應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS信息服務(wù)平臺等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)之后，運(yùn)用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、IO服務(wù)器和OPC Server等技術(shù)，通過服務(wù)器交換各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成的目的．這些通信技術(shù)將成為先進(jìn)能源管理系統(tǒng)中新技術(shù)應(yīng)用的亮點(diǎn)．
(4)基于全流程優(yōu)化思想并應(yīng)用先進(jìn)控制理論的能源預(yù)測、仿真和優(yōu)化調(diào)度技術(shù)
鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)表現(xiàn)出多變量、強(qiáng)耦合、非線性、大滯后、多尺度等特點(diǎn)．在控制目標(biāo)上首先要滿足生產(chǎn)需要，同時(shí)，適應(yīng)市場環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益、能耗與環(huán)保等約束條件或優(yōu)化目標(biāo)．解決這個系統(tǒng)的控制問題的未來研究方向可能是依據(jù)全流程優(yōu)化控制的思想，綜合運(yùn)用控制理論和尋優(yōu)策略，有效解決能源預(yù)測、仿真與優(yōu)化調(diào)度問題．
首先是對能源的中長期需求預(yù)測與短期預(yù)測的研究，除前述的研究方法和思想之外，還可以按照全流程思想將工藝、時(shí)間、能耗指標(biāo)分解到鋼鐵生產(chǎn)、能源運(yùn)輸和能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，完成能源中長期和短期更細(xì)致的需求預(yù)測，達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)．
其二是鋼鐵企業(yè)能流與物流動態(tài)耦合與協(xié)調(diào)關(guān)系的研究．通過機(jī)理建模、經(jīng)驗(yàn)建模、統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘等手段，建立能流與物流的動態(tài)數(shù)學(xué)模型及相關(guān)變量的安全作用域．研究利用該模型仿真能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，有效預(yù)防在基于設(shè)計(jì)值的平衡被生產(chǎn)變化打破時(shí)形成顧此失彼的被動局面；優(yōu)化設(shè)計(jì)能源介質(zhì)的供應(yīng)、轉(zhuǎn)換、傳輸和緩沖環(huán)節(jié)(如煤氣柜)．
其三是完善和豐富鋼鐵企業(yè)能源的優(yōu)化調(diào)度算法及相關(guān)理論研究．這些研究的目標(biāo)是改變基于設(shè)計(jì)值或經(jīng)驗(yàn)值的靜態(tài)調(diào)控模式，能夠針對計(jì)劃變動、生產(chǎn)檢修與臨時(shí)故障檢修等動態(tài)工況對能源系統(tǒng)引起的波動做出靈活、及時(shí)、正確的響應(yīng)，避免發(fā)生由于系統(tǒng)失調(diào)引起的能源系統(tǒng)冒煙冒火和放散現(xiàn)象．前面述及的模型化法和能耗分析法，結(jié)合近幾年來快速發(fā)展的先進(jìn)控制理論和方法(如針對系統(tǒng)大滯后或部分變量無法直接測量問題的預(yù)測控制、推斷控制，針對系統(tǒng)存在多種干擾和時(shí)變特性時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的魯棒控制，針對對象非線性和不確定性的智能控制、專家系統(tǒng)的方法和最優(yōu)控制理論等)，可能形成解決優(yōu)化調(diào)度問題全新思路，以完善和豐富先進(jìn)能源管理系統(tǒng)的算法庫．這些理論在先進(jìn)能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，也必將促進(jìn)理論本身走向成熟．
5 結(jié)論
我國鋼鐵企業(yè)的高能耗和低能效是推動EMS相關(guān)技術(shù)研究的重要原因．智能儀表、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場總線、先進(jìn)控制理論等為鋼鐵企業(yè)的能源實(shí)時(shí)測控及能源管網(wǎng)信息集成提供了技術(shù)條件．EMS成為現(xiàn)階段鋼鐵企業(yè)實(shí)施節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的有效手段．
能源管理發(fā)展有三個階段：即單機(jī)設(shè)備與工序節(jié)能的能源管理、基于能源介質(zhì)平衡的能源管理和基于系統(tǒng)節(jié)能與全流程控制思想的先進(jìn)能源管理．目前我國鋼企大都處于第二階段．
先進(jìn)能源管理系統(tǒng)在能源介質(zhì)的監(jiān)測、生產(chǎn)過程與設(shè)備能效分析與優(yōu)化控制、信息系統(tǒng)集成、能源供需預(yù)測、系統(tǒng)仿真與優(yōu)化調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)上取得了重要進(jìn)展．可以預(yù)見未來的技術(shù)發(fā)展趨勢是：能源測控的精度和精細(xì)程度大幅度提高；對鋼鐵生產(chǎn)能耗有重大影響的生產(chǎn)過程與設(shè)備變量精確測量和閉環(huán)控制技術(shù)全面實(shí)施，對電機(jī)、泵類輔助生產(chǎn)設(shè)備集中監(jiān)測與優(yōu)化控制；采用或研究安全可靠、便于互聯(lián)和互操作的網(wǎng)絡(luò)平臺及數(shù)據(jù)集成技術(shù)；應(yīng)用全流程指標(biāo)思想的能源供需預(yù)測技術(shù)、適應(yīng)能源系統(tǒng)動態(tài)工況的物流能流耦合模型研究及其仿真、結(jié)合模型化和能耗分析方法應(yīng)用控制理論解決優(yōu)化調(diào)度問題．
先進(jìn)能源管理系統(tǒng)在鋼鐵企業(yè)中全面推廣必將提高鋼鐵企業(yè)能源管理水平，大幅度提高能源利用效率．
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本文標(biāo)題：面向鋼鐵企業(yè)的先進(jìn)能源管理ERP系統(tǒng)研究新進(jìn)展
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