一、前言

　　2002年定了十五攻關計劃引導項目數字化電廠，通過五年的攻關完成了數字化電廠關鍵技術攻關，解決了：

　　（1）仿真、控制、信息三位一體平臺，和巨大容量的實時數據庫、歷史數據庫

　　（2）在線仿真技術基本功能、 關鍵技術的開發

　　2006年底國家驗收評價達世界領先水平，也實現了發每度電省4~8克煤耗的可喜結果。

　　盡管領導和專家們希望我們進入流程工業，但我們并沒啟動，我們只是在數字化電廠系統產業化工作上繼續努力，又實現了8臺600兆瓦，鞏固成果。

　　2010年初，工信部選擇了武安地區新峰水泥廠，在政府的鼓勵下和新峰集團識國家之大體的精神推動下，共同要為流程工業的節能減排干大事的精神鼓勵下，形成了共識和動力。

　　1.2010年3月15日項目啟動

　　2.2011年8月系統上線

　　3.2011年12月23日國家成果鑒定

　　4.2012年6月12日工信部組織現場推廣會

　　5.2012年8月16日專題研討會

　　水泥項目的在線仿真開發存在很大難點。全物理、全化學過程的在線數學模型，要在保證質量的前提下實現節能減排，找出切實可行的辦法降低能耗，同時推進產業升級。

　　在新峰示范項目的整個過程中難點很多，也因此逼出很多創新點（如：應用近70個軟測量，直接控制窯的效率、在線配比、在線能源審計、在線決策控制等）

　　二、關于工業節能減排

　　(一) 節能減排是我國重要的戰略部署

　　1. 九屆全國人大政府工作報告對節能減排提出了明確的要求：

　　貫徹落實節約資源的基本國策

　　強化重點耗能企業節能管理

　　十一五期間實現單位GDP能耗下降16%

　　2. 十一屆全國人大五次會議政府工作報告提出：

　　節能減排的關鍵是節約能源、提高能效、減少污染

　　要抓緊制定出臺合理控制能源消費總量工作方案，加快理順能源價格體系

　　綜合運用經濟、法律和必要的行政手段，突出抓好工業、交通、建筑、公共機構、居民生活等重點領域和千家重點耗能企業節能減排

　　(二) 工業節能減排技術發展回顧

　　(三) 流程工業節能減排面臨的問題

　　1. 政府發布了《千家企業節能行動實施方向》，但如何用技術手段為政府提供真實可靠的能源利用狀況

　　2. 流程工業（包括水泥、鋼鐵、玻璃、焦化主要高耗能產業）共性存在八類問題

　　共性問題1：流程工業大部分企業沒有或沒有完善的在線能源管控系統來保證節能減排的需要，實現科學用能，提高能源利用效率

　　共性問題2：沒有手段和工具不斷的研究能耗現狀和優化的方法，沒有辦法在線進行產品能耗的評價和分析，對主要用能系統進行能效分析和評價，對企業進行能耗綜合分析；因此也很難實現在線對標和在線能源審計

　　共性問題3：系統的特點幾乎都是多參數、多變量及來料（煤、多種類的原材料等）多變化，質量要求高，比如對水泥而言，主要指標近百個，操作指標、操作參數等關系交叉、復雜，其他工業系統也類同，目前調試、試驗的手段差

　　共性問題4：仿真、信息、控制技術在各工業系統和應用參差不齊，特別是不在同一平臺上，就很難實現數據的挖掘和全面功能實現

　　共性問題5：全系統信息不在同一平臺上，可視化的程度差，看不到或根本看不全，很難掌握生產的全面情況，更談不上生產優化和能效水平提高。特別是管理和生產信息分離，很難實現管控一體化

　　共性問題6： 測量方面共性問題，①重要參數沒有測量儀器；②重量測量誤差大，影響能耗測定

　　共性問題7：各種化驗不能實時，影響在線功能的實現

　　共性問題8：對重要參量的計算、統計各有標準，很多還沒有統一的標準，影響可比性，爭議多

　　三、解決問題思想的形成

　　(一) 強烈需求形成解決流程工業節能減排的思想動力

　　我國節能減排任務很重，特別是工業系統能耗量占全國73%以上。

　　工業系統節能的任務是十分重要而艱難的，必須在工信部的領導下，站在解決世界共性問題的高度，響應國家戰略部署的需要

　　以落實科學發展觀為指導思想，依靠科技創新和先進的科學技術、理念和管理方法研制出滿足工業節能需要的大型系統工程產品

　　國家發展需要掌握節能技術發展現狀，以及流程工業的節能減排面對的共性問題

　　國家的能源戰略是節能優先，而節能的核心就是系統節能，推動了解決問題思路的形成

　　(二) 選擇科學用能、系統節能作為解決工業系統節能的理論依據

　　1. 全國節能減排的形勢，更換設備、關停設備系統以及開發可再生能源等投資規模已形成，但工業系統如何挖掘、提高能源利用效率沒有廣泛投入研究和實施。目前很多領導、專家學者提到科學用能、系統節能，它是我國能源戰略的核心，是節能的升華。掌握科學用能、系統節能的基本概念、理論和方法是搞好節能工作的關鍵，需要通過理論應用去指導實現節能的企業需求很多，節能潛力很大。

　　2. 科學用能、系統節能是研究如何高效、安全使用能源，針對不同的復雜系統尋找系統節能的思想方法和分析手段。科學用能是深入研究用能系統的合理配置和用能過程中物質轉化與能量轉化的基本規律與它們的工程應用。科學用能是從整個系統的角度來研究如何用好能，同時，要對用能的全過程和各個環節進行在線的分析，綜合得出結論并應用于工程實踐中。

　　3. 解決流程工業面對的節能問題，選擇了科學用能、系統節能作為實現節能的理論依據，并與采用先進的創新技術路線相結合。由于仿真技術是解決系統問題的重要技術手段，在線仿真就是解決運行設備在線復雜系統問題的重要工具。

　　(三) 選擇在線仿真技術作為解決水泥工業節能問題的核心技術

　　1. 應用高精度、全物理過程的數學模型形成了數字化了的水泥廠作為系統節能減排的試驗床

　　2. 進行了仿真、控制、信息、通訊四位一體平臺等相關的技術的開發

　　3. 以多項創新技術配合，形成以仿真技術為核心的水泥工業節能減排整體解決方案

　　四、水泥工業節能減排全范圍數字化管控技術研發的目標與任務

　　(一) 水泥工業現狀

　　1. 行業在設計、制造、產能提高等方面有了快速進步和科技創新，形成水泥大國，也有大量總結，比如：

　　《水泥新型干法生產精細操作與管理》（謝平克老師），十分精辟總結了運行的經驗

　　《水泥工業粉磨系統節能增產技術百例》（喬彬老師）， 反應出行業為節能減排做出的努力

　　《新型干法水泥技術原理與應用》一書中，陳全德老師指出："新型干法水泥技術，涵蓋了許多豐富的理論和科研成果，指導水泥工業設計、研發、生產等工作不斷完善、優化和提升。……要知其然，并且知其所以然，方可切實做好各項工作"

　　2. 從為實現水泥工業的科學用能和系統節能的角度看，還存在一些具體現象和問題

　　仿真、信息、控制技術在各個水泥廠應用的情況參差不齊，特別是都不在同一平臺上

　　多參數、多變量及來料（煤、多種類的原材料、工業垃圾等）多變化、質量要求高，主要指標100多個

　　操作指標、操作參數等關系交叉、復雜

　　目前調試、試驗的手段差

　　信息不在一個平臺，可觀察到信息量很少，力量不足，看不到或根本就看不全，很難掌握生產的全面情況

　　測量量少，個別偏差大，設備運行的病態時常出現

　　管理和生產信息分離，很難實現管控一體化

　　各種化驗不能實時，影響在線功能的實現

　　計算、統計各有標準，沒有統一的標準，爭議多

　　(二) 研發的目標

　　鑒于以上狀態，為了實現總目標，形成項目研發思想指導下的目標：

　　1. 用數字化實現全廠信息共享：大容量實時數據庫、充足容量和速度的網絡、大容量歷史數據庫

　　2. 實現在線診斷、在線分析和控制、在線對標、在線能源審計

　　3. 實現全過程的信息化、科學理念、方法和管理融合

　　4. "科學用能、系統節能"的工具

　　5. 尋求節能最好的效果，力爭能耗達國際先進水平

　　(三) 研發措施與功能

　　1. 行綜合應用仿真、控制、信息、通訊、網絡技術。比如：MOD中的統一門戶系統等

　　2. 提高可視化程度。比如：化驗的結果全廠共享，窯內的熱效率、溫度示意圖，在線對標結果等

　　3. 基于在線仿真技術支撐各項在線功能的實現，形成節能技術研究、驗證的試驗床

　　4. 大量采用軟測量技術，補充信號少、測不到、不能實時等各種問題

　　5. 采用在線決策控制，實現三磨一窯的智能化控制，維持在線尋優下運行

　　(四) 研發技術路線小結

　　(五) 研發功能的結構圖

　　在線仿真系統的建立反映水泥廠運行機理的全范圍、全物理過程、高精度仿真動態數學模型，其中數學模型遵循現代化學工程及"三傳一反"（傳熱、傳質、動量傳遞及化學反應）工程原理，特征參數能夠正確揭示設備中系統或設備的內在機理

　　實時數據庫--數據點個數為1,300,000多個

　　歷史數據庫--數據點個數為130,000多個

　　數學模型--程序行數總計為234,800多行

　　軟測量--點個數為70個

　　五、在線仿真技術簡述

　　(一) 仿真技術是重要的戰略技術

　　真正發揮仿真技術是重要戰略技術的作用，因為仿真技術提供了一個在可控條件下對客觀對象進行模擬的虛擬實驗室，具有經濟、安全、可重復和不受氣候、場地、時間限制的優勢，被認為是繼理論研究和實驗研究之后的第三種認識世界和改造世界的重要手段。

　　仿真技術是落實科學發展觀的重要手段

　　仿真技術是實現有效社會管理的支撐技術

　　仿真技術在水泥工業發展、提升的應用：

　　1. 提升系統操作、運行水平--培訓仿真機

　　2. 支撐設計系統研究--設計研究仿真系統

　　3. 支撐設備制造研究--設備研究仿真機

　　4. 支撐科學用能、系統節能實現節能減排--基于在線仿真的水泥工業數字化管控系統

　　(二) 在線仿真技術的概念

　　在線仿真是指根據運行設備、系統的設計參數和特性參數建立全物理過程的精細數學模型并建立了在線仿真系統，再通過真實運行系統DCS、輔機和需要的實時數據通過數據庫進入模型，從而使仿真系統直接取得現場運行狀態和操作動作，實時地對當前狀態進行仿真計算并跟蹤生產線實際運行。

　　(三) 在線仿真技術的主要功能

　　數據采集分析

　　運行狀態初始化

　　在線實時運行

　　在線經濟性計算

　　異常事件預測

　　節能減排實驗床

　　在線信息顯示

　　全物理過程的仿真

　　特征參數的在線計算

　　控制系統研究

　　自學習功能

　　DCS系統組態轉換

　　在線仿真控制站控制

　　(四) 在線仿真技術的幾個要點

　　在線仿真系統介入生產第一線為節能減排的實現提供基礎，不是簡單的信息組合，是揭示能效如何高效利用的虛擬實驗室，是信息技術在工業系統的革命性變化，要點如下：

　　1.建立全范圍、全物理過程的精細數學模型

　　2.建立初始化條件

　　3.高精度跟蹤機組運行

　　4.機組運行中在線仿真模型可操作

　　5.能實現不同速度運行，快速運行（預警預報）

　　6.多套在線模型在運行，實現特性分析、軟測量和特殊需求

　　7.所用的數據是真實運行數據，不僅僅是設計數據

　　8.是實現智能化的基礎

　　(五) 在線仿真與離線仿真的關系及區別

　　六、如何應用在線仿真技術解決節能減排

　　(一)基于在線仿真的節能減排系統要達到的主要目標、主要措施與功能

　　1. 主要目標：

　　用數字化實現全廠的信息共享（大容量實時數據庫，充足容量和速度的網絡，大容量歷史數據庫）

　　建立高精度、全物理過程的數學模型

　　實現在線狀態下用能狀態診斷，分析在線對標、在線能源審計、在線控制

　　能實現科學用能、系統節能的研究工具，尋求節能最佳的效果

　　能實現生產優化與管理優化的結合

　　2. 主要措施與功能：

　　綜合應用仿真、控制、信息、通訊和網絡技術

　　提高可視化程度（如：化驗結果、生料配比全廠共享，窯內熱效率、磨煤機出力等軟測量信號可以作為監控主信號等）

　　基于在線仿真技術支撐各項在線功能的實現，形成節能技術研究、驗證的試驗床

　　大量采用軟測量技術，補充信號少、測不到、不能實時等各類問題

　　采用在線決策控制系統，自動實現智能化控制，維持在線尋優下運行

　　(二)  基于在線仿真技術實現節能減排，需要相關的關鍵技術開發和高新技術綜合應用

　　1. 關鍵技術開發

　　四位一體的支撐平臺（仿真、控制、信息和通訊），支撐整個系統：設計、分調、聯調、安裝、運行、維修

　　大容量實時數據庫和歷史數據庫

　　一系列工具軟件和符合不同行業的算法

　　2. 相關的技術開發

　　研發在線決策控制理論與技術

　　研發軟測量技術

　　研發實時質量分析技術

　　大量的分析工具和信息管理技術

應用在線仿真技術實現節能減排任務中在線仿真的地位

　　在線仿真技術在水泥工業節能減排中的重要作用

 

　　在水泥數字化項目中，在線仿真系統涉及的主要內容有：

　　應用仿真技術建立了全范圍數學模型

　　采用初始化等技術支持數學模型運行，形成追蹤、快退、試驗、離線分析、軟測量等五種運行方式

　　模型精度采用重要參數工業測量標定

　　基于在線仿真系統形成77項功能

　　數學模型的程序行總行數為235,000多行

　　支撐在線仿真運行及實現各項功能的實施數據庫，數據點為1,300,000多個，歷史數據庫數據點個數為130,000多個

　　七、在線仿真技術在水泥工業系統的節能減排作用

　　(一) 科學用能、系統節能需要研究的內容

　　1.研究系統節能的方向和途徑

　　2.生產工序之間的協調配合

　　3.研究平行作業的各設備的負荷分配和優化運行

　　4.研究系統的能源效率和尋找最優煤耗

　　5.生產過程的操作指標、工藝參數及各參數之間的關系

　　6.生產優化與控制參數的配合

　　7.物料配比與產品質量的關系

　　8.企業能耗、利潤、成本等多目標間的相互關系，制定年度、季度生產計劃

　　9.企業的物質流、能量流的分析及其對總能耗的影響

　　10.研究能源管控中心得供需優化、決策

　　11. 研究智能控制方案的參數驗證

　　12.自動維持最優參數和維持優化的智能控制

　　應用在線仿真系統實現水泥生產線節能減排的范圍

　　水泥工業節能減排實現的要點：

　　1. 穩：系統穩定、高負荷運行效果將會更好

　　2. 優化參數配合：針對多變量的系統必須在線不斷優化

　　3. 在線進行診斷、分析、審計、對標：隨時進行校正

　　4. 斤斤計較：系統節能潛力大，要有斤斤計較精神，才能不斷提升能耗水平

　　5. 安全：更加注意維護設備、系統運行安全，進而降低能耗成本

　　(二) 解決水泥工業節能減排問題的有力工具

　　1.系統節能需要研究的內容很多，現場也不可能反復試驗，因此在線仿真系統就是必需的、不可缺少的研究系統節能的試驗床

　　2.在線仿真系統精細的數學模型支撐了大量軟測量功能之實現，其軟測量和模型運行的中間變量支撐了在線分析、在線對標和在線能源審計等功能

　　3.在線仿真技術支撐了測量信號誤差糾正

　　4.借助模型快速計算，變換已知條件計算預測參數的變化

　　5.通過精細的數學模型研究設備特性研究和掌握關鍵技術

　　6.研究控制方案、控制參數和在線決策控制的理論與技術，以使控制系統能維護能耗最低

　　7.在線仿真系統提供了管理人員和運行人員實現節能的能力和水平，不斷挖掘節能潛力

　　8.如何充分應用全范圍、全物理過程的在線仿真系統實現水泥工業節能減排：

　　(1)數據核對：利用測試單位的實測數據標定在線仿真系統的數據和校核DCS的數據（檢查現場測量）

　　(2)檢查在線仿真系統跟蹤現場運行參數的精度，校對關鍵參數和軟測量值

　　(3)建立在線仿真系統實驗工況對現場能效進行診斷、優化、研制（可進行幾十次實驗）

　　(4)現場驗證系統優化的結果，在實際生產線運行并監測能效變化，節能減排的效果，不斷挖潛

　　(5)控制和維持優化運行，各種在線分析結果，指導運行

　　(6)反復優化，不斷提升節能減排的效果

　　(7)現場運行結果與仿真系統操作結果比對

　　(8)設定目標尋找方案，提高節能水平

　　八、工業系統應用仿真技術實現節能減排是工業系統重大變革

工業信息化過程中應用的發展

 

　　九、通過實踐得到幾點認識

　　（一）實現節能減排，領導是關鍵、技術是助力：

　　節能減排工作是涉及社會、經濟、技術等系統工程 。

　　（二）實施工業化與信息化兩化融合，可有效推動節能減排的實施：

　　依靠科技創新和科技進步推動流程工業節能減排，有利于生產系統領導、科技人員、操作人員的技術水平和管理水平的提高。

　　（三）實施科學用能、系統節能是核心：

　　多方面的研究和工程實施可加強培養懂工藝和了解仿真技術的人才，加強交叉培訓，加快建模技術提升。

　　（四）加強驗證隊伍的建設，有利于節能減排的實施：

　　全國實施水泥工業系統節能減排的關鍵環節是要加強節能效果測試。因為，無論是能耗審核，還是在線仿真的驗證等都帶來工作量。加快驗證隊伍建設是必要的、是急需的。

　　（五）加強測量技術的研究與開發很重要：

　　有利于在線計量分析，特別對計算方法、修正方法、比較方法等共性問題，加強標準化措施。

　　（六） 政府重視、金融機構、實施單位、技術單位需要緊密結合：

　　政府持續重視以實現水泥工業系統節能減排，實施單位的意愿和資金配套是重要環節，應立即開始進行各種交流，推進各有關單位相結合。