一、引言
作為“十三五”收關(guān)之年，“十三五”期間，鋼鐵工業(yè)能源與環(huán)保約束進一步增強。在政策引領下，通過綠色可持續(xù)發(fā)展、資源節(jié)約和污染物減排等措施，落實供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、提高資源利用與產(chǎn)出效率將是鋼鐵工業(yè)現(xiàn)在乃至將來綠色高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。
“十三五規(guī)劃綱要”明確要求推進資源節(jié)約、集約利用，加強生態(tài)保護修復、健全生態(tài)安全保障機制、加大環(huán)境綜合治理力度。對于水資源，特別針對是具有突出環(huán)境影響的總氮、總磷、重金屬等污染物，在納入流域、區(qū)域及車間排口以排污許可證為法律約束，實施濃度與總量的雙重監(jiān)管。
水利部〔2019〕373號文件發(fā)布了新階段下鋼鐵工業(yè)用水定額，進一步明確了現(xiàn)有企業(yè)水資源的管理目標及新建企業(yè)水資源論證、許可及評價指標。其中，對于含焦化及冷軋的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，先進值為3.9 m3/t粗鋼、領跑值為3.1m3/t粗鋼。
另一方面，工信部“智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）”指出，2025年前，推進智能制造發(fā)展實施“兩步走”戰(zhàn)略：第一步，到2020年，智能制造發(fā)展基礎和支撐能力明顯增強，傳統(tǒng)制造業(yè)重點領域基本實現(xiàn)數(shù)字化制造，對有條件、有基礎的重點產(chǎn)業(yè)智能轉(zhuǎn)型取得明顯進展；第二步，到2025年，智能制造支撐體系基本建立，重點產(chǎn)業(yè)初步實現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型?！朵撹F工業(yè)調(diào)整升級規(guī)劃》也明確要求行業(yè)夯實智能制造基礎、全面推進智能制造的任務。
二、鋼鐵工業(yè)智慧水系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
鋼鐵生產(chǎn)工業(yè)是用水大戶，噸鋼耗新水是衡量一座鋼鐵廠先進性及城市鋼廠的重要指標。典型長流程鋼鐵聯(lián)合企業(yè)水系統(tǒng)包括以下部分：水源取水、工業(yè)用水制取、循環(huán)冷卻水、廢水處理與回用等，如用于工業(yè)水、軟水、純水等的制取系統(tǒng)；用于高爐風口、爐體及設備等間接冷卻的清循環(huán)系統(tǒng)；用于高爐冷卻壁、連鑄結(jié)晶器等間接冷卻的純水密閉系統(tǒng)；用于軋線鋼坯冷卻除磷、煙氣濕式除塵等的濁循環(huán)系統(tǒng)；用于加熱爐汽化冷卻及煙氣余熱回收系統(tǒng)；用于焦化廢水、冷軋廢水等廢水處理、回用及零排放系統(tǒng)等等。
以某廠水系統(tǒng)現(xiàn)狀為例，各水處理設施大多配套主體生產(chǎn)線單獨分期建設，由于主線設備多引進于日系或德系，其對于水處理系統(tǒng)的設計理念有所差異，導致實際現(xiàn)場運行管理風格差異較大。各水處理設施裝備水平、自動化程度、水質(zhì)過程監(jiān)控深度等水平參差不齊，還有不少工作需要人工干預。總體來看，水系統(tǒng)操作人員分散，操作模式各異，運行管理也主要依靠個人經(jīng)驗。全廠各水系統(tǒng)之間、水系統(tǒng)與主線工藝生產(chǎn)之間缺乏信息對接，水系統(tǒng)的“智慧”嚴重不足，主要表現(xiàn)在：
（1）控制系統(tǒng)零亂分散：
全廠水系統(tǒng)共有各類控制系統(tǒng)不僅數(shù)量超過200余套，且涉及10多家品牌。控制系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)絡拓撲繁雜，既有常規(guī)的c/s結(jié)構(gòu)，也有大量的單客戶端結(jié)構(gòu)，還有部分廠商封閉的特殊構(gòu)架。網(wǎng)絡連接方式既包括各廠商標準的以太網(wǎng)，也有大量的各種專用現(xiàn)場總線。全流程的學習成本、二次開發(fā)代價和長期運維成本居高不下，也不利于互動交流、數(shù)據(jù)共享、生產(chǎn)協(xié)同、綜合決策。生產(chǎn)控制僅能滿足基本生產(chǎn)要求，在面對優(yōu)化調(diào)整時，往往存在時間和空間上的脫節(jié)。
（2）自動化完成度不高
現(xiàn)有各水系統(tǒng)雖能實現(xiàn)大多數(shù)自動控制，但部分環(huán)節(jié)還需要人工干預，還有大量機電一體品、閥門等不具備遠程操作條件。部分重要設備的運行狀態(tài)、設備狀態(tài)的監(jiān)測配置不全，現(xiàn)場分散配置大量值班崗位，員工現(xiàn)場工作及巡檢強度大。雖然，部分區(qū)域已經(jīng)實施或正在實施部分集中操作，但對于全廠水系統(tǒng)而言，總體還是處于分散操作的形態(tài)。
（3）數(shù)據(jù)挖掘能力不足
水系統(tǒng)之間僅通過能源管理系統(tǒng)ems進行部分用能量層面的數(shù)據(jù)交互。類似工序間、水系統(tǒng)與用戶間、水系統(tǒng)與制造系統(tǒng)間的信息溝通不足。在數(shù)據(jù)分析、輔助決策方面功能較弱，主要還是依靠操作或調(diào)度人員的經(jīng)驗進行管控。全廠性的水量平衡需要從多個系統(tǒng)中導入數(shù)據(jù)，信息采集沒有統(tǒng)一標準，造成統(tǒng)計偏差，水量優(yōu)化難，排放管控難。生產(chǎn)動態(tài)信息與能源管理信息互為信息孤島。缺少全方位的數(shù)據(jù)管理平臺，水系統(tǒng)的整體綜合管控水平還需要進一步提升。
三、鋼鐵工業(yè)智慧水系統(tǒng)發(fā)展展望
參考國際機動車工程師學會（sae）提出的自動駕駛技術(shù)l0~ l5分級標準，我們把鋼鐵工業(yè)水系統(tǒng)發(fā)展分為以下五個階段（圖1）：
（1）傳統(tǒng)水系統(tǒng)：各水處理系統(tǒng)配套產(chǎn)線獨立運行，部分遠程控制，部分操作現(xiàn)場實施。
（2）集中水系統(tǒng)：同一中控室對多水處理系統(tǒng)集中操作，打破物理、地理維度上的鴻溝。典型特征：操作控制室整合。
（3）數(shù)字水系統(tǒng)：各水處理系統(tǒng)之間操作控制與運行數(shù)據(jù)集成，打破信息維度上的鴻溝。典型特征：數(shù)據(jù)一張表；數(shù)據(jù)不落地；控制系統(tǒng)畫面風格統(tǒng)一。
（4）智能水系統(tǒng)：常態(tài)自動運營，根據(jù)產(chǎn)線指令與異常信息，一鍵調(diào)控，實現(xiàn)少人值守。典型特征：一鍵變負荷；一鍵換輥（切換）；系統(tǒng)健康度預警；水位水量自平衡；設備管網(wǎng)狀態(tài)預測。
（5）智慧水系統(tǒng)：根據(jù)各類生產(chǎn)狀態(tài)，自平衡、自調(diào)控，最終實現(xiàn)無人值守與經(jīng)濟最優(yōu)。典型特征：與高爐、煉鋼等專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，以實時及趨勢工況自動優(yōu)化公輔運行；應用循環(huán)水冷卻模型、緩蝕阻垢模型、生化與深度處理模型等，對系統(tǒng)進行自動調(diào)整及后臺參數(shù)優(yōu)化。
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figure 1 schematic diagram of water system development stage of iron and steelindustry
需要指出的是，對于新建鋼鐵企業(yè)配套水系統(tǒng)，宜以智能水處理、智慧水處理為目標進行頂層規(guī)劃與設計。對于已有鋼鐵企業(yè)水系統(tǒng)整合與改造，應該采取的不僅僅是傳統(tǒng)拉光纖式的物理性操作室整合，而是上層平臺數(shù)據(jù)全線貫通，控制系統(tǒng)的真正融合。軟件上通過架構(gòu)優(yōu)化、畫面整合、畫面優(yōu)化統(tǒng)一風格、工位模塊化可配置等措施，支持高效集中操作；硬件上，通過合理配置冗余拓撲、冗余服務器、網(wǎng)絡安全等措施提升系統(tǒng)安全性。對關(guān)鍵系統(tǒng)和設備實行智能控制，以知識模型改進經(jīng)驗操作，利用大數(shù)據(jù)提供決策支持，以時間粒度帶動管理深度。
四、水系統(tǒng)智慧應用
（1）水量平衡模型：用于自動控制全廠或局部給排水設施運行平衡。由于取水（制水） = 用水 + 損耗 + 排水 – 回用，構(gòu)建全流程水量平衡信息。通過實時用水量指導取水、制水；也能根據(jù)實時用水量、制水量、排水量、回用量，分析損耗點，節(jié)約水耗[1,2]。對于局部平衡，即水處理單元中各水池間的水量平衡。由于澆鑄、精煉、軋制等生產(chǎn)過程間斷進行，要求水處理系統(tǒng)同步間斷運行。送水泵根據(jù)用戶指令可按若干個預設模式進行自動開停，系統(tǒng)內(nèi)其他泵組根據(jù)水量平衡聯(lián)動進行調(diào)整，保證系統(tǒng)水量平衡。
（2）穩(wěn)態(tài)調(diào)控模型：用于清循環(huán)、純水密閉等系統(tǒng)，實現(xiàn)零干預。根據(jù)指令或設定目標，自動調(diào)節(jié)冷卻塔風機與板式換熱器（蒸發(fā)空冷器），使水溫滿足用戶要求；自動控制送水泵啟停與備用泵投入，保證供水水壓。進一步結(jié)合用戶生產(chǎn)熱負荷反饋與大氣環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)，可提前預測與調(diào)控，優(yōu)化電能利用。
（3）能耗優(yōu)化模型：用于構(gòu)建基于電價的水泵運行策略，實現(xiàn)能效電廠。由于水庫、圍廠河、管網(wǎng)具備緩沖作用，泵站的逐時抽水量可以不等于系統(tǒng)逐時的供水量。在這一前提下，利用峰谷電價差，制定各個時段泵站的流量、揚程以及對應的開關(guān)機方案用以指導泵站的運行調(diào)度，使得能夠合理的利用電能資源，降低泵站的運行費用。
（4）水庫生態(tài)運行：掌握長江枯水期氯離子動力系數(shù)分析取水技術(shù)、氯離子與電導率相關(guān)性分析取水技術(shù)，取優(yōu)質(zhì)長江原水入庫、全天候監(jiān)控水庫水質(zhì)。實現(xiàn)“避咸取淡、避污取清、避低取高、避峰取谷”的保質(zhì)量、控污染、降電耗、省電費操作技術(shù)。
（5）設備預測性維護：采用先進的預測性維護理念，轉(zhuǎn)變檢修、維修方式，提升可靠性[3,4]。通過構(gòu)建與集成機械健康監(jiān)測模塊化，可提前預知和判斷旋轉(zhuǎn)設備的潛在故障。如通過對軸承和齒輪故障進行監(jiān)測，結(jié)合各向震動、電流強度或開機瞬間變化程度，有效通過模型提供更早期的預警與趨勢判斷。
（6）智慧監(jiān)盤：將員工經(jīng)驗和機器智能相互交融、不斷迭代增強[5]。智慧監(jiān)盤以多維度的“健康度”（安全性、經(jīng)濟性等）對水系統(tǒng)運行情況進行綜合評價，以期望值（多參數(shù)關(guān)聯(lián)預測模型）和當前值作對比，并考慮當前工況下關(guān)聯(lián)參數(shù)的交互影響作用，得出當前及未來水系統(tǒng)的“健康度”，用于指導員工快速發(fā)現(xiàn)風險與隱患，起到監(jiān)視危險點、提醒設備異常、監(jiān)督操作工藝等作用。員工不用去盯著諸多參數(shù)，而只需關(guān)注指導意見，發(fā)現(xiàn)提示時層層遞進，迅速找到原因，起到精準控制時間、監(jiān)視危險點、提醒設備異常、降低啟停能耗、監(jiān)督操作工藝等作用，大幅降低操作運行的勞動強度。
（7）aps（一鍵啟停）、abs（功能組一鍵啟停）：水處理系統(tǒng)大多數(shù)操作涉及單系統(tǒng)、多設備的聯(lián)合調(diào)控，操作過程雖有一定繁瑣性，但步驟基本可固定，具有將其歸類、整合、合并成功能組的可能性。因此，開發(fā)aps/abs功能，可大幅簡化員工操作難度，對絕大多數(shù)操控任務實現(xiàn)一鍵操作，比如：一鍵調(diào)溫、一鍵變負荷、一鍵換輥（換規(guī)格）、一鍵水量平衡、一鍵開/停機等。也為后續(xù)進一步實現(xiàn)無人值守打下扎實的基礎。
來源：北極星水處理網(wǎng)
