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(jìn)一步增強(qiáng)。在政策引領(lǐng)下，通過(guò)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(shí)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(lái)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(jìn)資源節(jié)約、集約利用，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)修復(fù)、健全生態(tài)安全保障機(jī)制、加大環(huán)境綜合治理力度。對(duì)于水資源，特別針對(duì)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(shí)施濃度與總量的雙重監(jiān)管。
水利部〔2019〕373號(hào)文件發(fā)布了新階段下鋼鐵工業(yè)用水定額，進(jìn)一步明確了現(xiàn)有企業(yè)水資源的管理目標(biāo)及新建企業(yè)水資源論證、許可及評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，對(duì)于含焦化及冷軋的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，先進(jìn)值為3.9 m3/t粗鋼、領(lǐng)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(jìn)智能制造發(fā)展實(shí)施“兩步走”戰(zhàn)略：第一步，到2020年，智能制造發(fā)展基礎(chǔ)和支撐能力明顯增強(qiáng)，傳統(tǒng)制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造，對(duì)有條件、有基礎(chǔ)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)智能轉(zhuǎn)型取得明顯進(jìn)展；第二步，到2025年，智能制造支撐體系基本建立，重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)初步實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型?！朵撹F工業(yè)調(diào)整升級(jí)規(guī)劃》也明確要求行業(yè)夯實(shí)智能制造基礎(chǔ)、全面推進(jìn)智能制造的任務(wù)。
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(jìn)性及城市鋼廠的重要指標(biāo)。典型長(zhǎng)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(fēng)口、爐體及設(shè)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(shè)施大多配套主體生產(chǎn)線單獨(dú)分期建設(shè)，由于主線設(shè)備多引進(jìn)于日系或德系，其對(duì)于水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念有所差異，導(dǎo)致實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理風(fēng)格差異較大。各水處理設(shè)施裝備水平、自動(dòng)化程度、水質(zhì)過(guò)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(yù)?？傮w來(lái)看，水系統(tǒng)操作人員分散，操作模式各異，運(yùn)行管理也主要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。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(duì)接，水系統(tǒng)的“智慧”嚴(yán)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(guò)200余套，且涉及10多家品牌?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞彪s，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(luò)連接方式既包括各廠商標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，也有大量的各種專用現(xiàn)場(chǎng)總線。全流程的學(xué)習(xí)成本、二次開(kāi)發(fā)代價(jià)和長(zhǎng)期運(yùn)維成本居高不下，也不利于互動(dòng)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(duì)優(yōu)化調(diào)整時(shí)，往往存在時(shí)間和空間上的脫節(jié)。
（2）自動(dòng)化完成度不高
現(xiàn)有各水系統(tǒng)雖能實(shí)現(xiàn)大多數(shù)自動(dòng)控制，但部分環(huán)節(jié)還需要人工干預(yù)，還有大量機(jī)電一體品、閥門(mén)等不具備遠(yuǎn)程操作條件。部分重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)配置不全，現(xiàn)場(chǎng)分散配置大量值班崗位，員工現(xiàn)場(chǎng)工作及巡檢強(qiáng)度大。雖然，部分區(qū)域已經(jīng)實(shí)施或正在實(shí)施部分集中操作，但對(duì)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(guò)能源管理系統(tǒng)EMS進(jìn)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(yàn)進(jìn)行管控。全廠性的水量平衡需要從多個(gè)系統(tǒng)中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，信息采集沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，造成統(tǒng)計(jì)偏差，水量?jī)?yōu)化難，排放管控難。生產(chǎn)動(dòng)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(tái)，水系統(tǒng)的整體綜合管控水平還需要進(jìn)一步提升。
三、鋼鐵工業(yè)智慧水系統(tǒng)發(fā)展展望
參考國(guó)際機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)（SAE）提出的自動(dòng)駕駛技術(shù)L0~ L5分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，我們把鋼鐵工業(yè)水系統(tǒng)發(fā)展分為以下五個(gè)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(dú)立運(yùn)行，部分遠(yuǎn)程控制，部分操作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。
（2）集中水系統(tǒng)：同一中控室對(duì)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(yùn)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(huà)面風(fēng)格統(tǒng)一。
（4）智能水系統(tǒng)：常態(tài)自動(dòng)運(yùn)營(yíng)，根據(jù)產(chǎn)線指令與異常信息，一鍵調(diào)控，實(shí)現(xiàn)少人值守。典型特征：一鍵變負(fù)荷；一鍵換輥（切換）；系統(tǒng)健康度預(yù)警；水位水量自平衡；設(shè)備管網(wǎng)狀態(tài)預(yù)測(cè)。
（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(shí)現(xiàn)無(wú)人值守與經(jīng)濟(jì)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(shí)時(shí)及趨勢(shì)工況自動(dòng)優(yōu)化公輔運(yùn)行；應(yīng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整及后臺(tái)參數(shù)優(yōu)化。
Figure 1 Schematic diagram of water system development stage of iron and steelindustry
需要指出的是，對(duì)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(biāo)進(jìn)行頂層規(guī)劃與設(shè)計(jì)。對(duì)于已有鋼鐵企業(yè)水系統(tǒng)整合與改造，應(yīng)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(tái)數(shù)據(jù)全線貫通，控制系統(tǒng)的真正融合。軟件上通過(guò)架構(gòu)優(yōu)化、畫(huà)面整合、畫(huà)面優(yōu)化統(tǒng)一風(fēng)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(guò)合理配置冗余拓?fù)?、冗余服?wù)器、網(wǎng)絡(luò)安全等措施提升系統(tǒng)安全性。對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)行智能控制，以知識(shí)模型改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)操作，利用大數(shù)據(jù)提供決策支持，以時(shí)間粒度帶動(dòng)管理深度。
四、水系統(tǒng)智慧應(yīng)用
（1）水量平衡模型：用于自動(dòng)控制全廠或局部給排水設(shè)施運(yùn)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(guò)實(shí)時(shí)用水量指導(dǎo)取水、制水；也能根據(jù)實(shí)時(shí)用水量、制水量、排水量、回用量，分析損耗點(diǎn)，節(jié)約水耗[1,2]。對(duì)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(guò)程間斷進(jìn)行，要求水處理系統(tǒng)同步間斷運(yùn)行。送水泵根據(jù)用戶指令可按若干個(gè)預(yù)設(shè)模式進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)停，系統(tǒng)內(nèi)其他泵組根據(jù)水量平衡聯(lián)動(dòng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)零干預(yù)。根據(jù)指令或設(shè)定目標(biāo)，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)與板式換熱器（蒸發(fā)空冷器），使水溫滿足用戶要求；自動(dòng)控制送水泵啟停與備用泵投入，保證供水水壓。進(jìn)一步結(jié)合用戶生產(chǎn)熱負(fù)荷反饋與大氣環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)，可提前預(yù)測(cè)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(jià)的水泵運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)能效電廠。由于水庫(kù)、圍廠河、管網(wǎng)具備緩沖作用，泵站的逐時(shí)抽水量可以不等于系統(tǒng)逐時(shí)的供水量。在這一前提下，利用峰谷電價(jià)差，制定各個(gè)時(shí)段泵站的流量、揚(yáng)程以及對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)機(jī)方案用以指導(dǎo)泵站的運(yùn)行調(diào)度，使得能夠合理的利用電能資源，降低泵站的運(yùn)行費(fèi)用。
（4）水庫(kù)生態(tài)運(yùn)行：掌握長(zhǎng)江枯水期氯離子動(dòng)力系數(shù)分析取水技術(shù)、氯離子與電導(dǎo)率相關(guān)性分析取水技術(shù)，取優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)江原水入庫(kù)、全天候監(jiān)控水庫(kù)水質(zhì)。實(shí)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(fèi)操作技術(shù)。
（5）設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)：采用先進(jìn)的預(yù)測(cè)性維護(hù)理念，轉(zhuǎn)變檢修、維修方式，提升可靠性[3,4]。通過(guò)構(gòu)建與集成機(jī)械健康監(jiān)測(cè)模塊化，可提前預(yù)知和判斷旋轉(zhuǎn)設(shè)備的潛在故障。如通過(guò)對(duì)軸承和齒輪故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合各向震動(dòng)、電流強(qiáng)度或開(kāi)機(jī)瞬間變化程度，有效通過(guò)模型提供更早期的預(yù)警與趨勢(shì)判斷。
（6）智慧監(jiān)盤(pán)：將員工經(jīng)驗(yàn)和機(jī)器智能相互交融、不斷迭代增強(qiáng)[5]。智慧監(jiān)盤(pán)以多維度的“健康度”（安全性、經(jīng)濟(jì)性等）對(duì)水系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期望值（多參數(shù)關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)模型）和當(dāng)前值作對(duì)比，并考慮當(dāng)前工況下關(guān)聯(lián)參數(shù)的交互影響作用，得出當(dāng)前及未來(lái)水系統(tǒng)的“健康度”，用于指導(dǎo)員工快速發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)與隱患，起到監(jiān)視危險(xiǎn)點(diǎn)、提醒設(shè)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(dǎo)意見(jiàn)，發(fā)現(xiàn)提示時(shí)層層遞進(jìn)，迅速找到原因，起到精準(zhǔn)控制時(shí)間、監(jiān)視危險(xiǎn)點(diǎn)、提醒設(shè)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(yùn)行的勞動(dòng)強(qiáng)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(shè)備的聯(lián)合調(diào)控，操作過(guò)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(kāi)發(fā)APS/ABS功能，可大幅簡(jiǎn)化員工操作難度，對(duì)絕大多數(shù)操控任務(wù)實(shí)現(xiàn)一鍵操作，比如：一鍵調(diào)溫、一鍵變負(fù)荷、一鍵換輥（換規(guī)格）、一鍵水量平衡、一鍵開(kāi)/停機(jī)等。也為后續(xù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。
