一、引言
作為“十三五”收關之年，“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，落實供給側結構性改革、提高資源利用與產出效率將是鋼鐵工業(yè)現在乃至將來綠色高質量發(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，傳統制造業(yè)重點領域基本實現數字化制造，對有條件、有基礎的重點產業(yè)智能轉型取得明顯進展；第二步，到2025年，智能制造支撐體系基本建立，重點產業(yè)初步實現智能轉型?！朵撹F工業(yè)調整升級規(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)智慧水系統發(fā)展現狀
鋼鐵生產工業(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。典型長流程鋼鐵聯合企業(yè)水系統包括以下部分：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；用于高爐風口、爐體及設備等間接冷卻的清循環(huán)系統；用于高爐冷卻壁、連鑄結晶器等間接冷卻的純水密閉系統；用于軋線鋼坯冷卻除磷、煙氣濕式除塵等的濁循環(huán)系統；用于加熱爐汽化冷卻及煙氣余熱回收系統；用于焦化廢水、冷軋廢水等廢水處理、回用及零排放系統等等。
以某廠水系統現狀為例，各水處理設施大多配套主體生產線單獨分期建設，由于主線設備多引進于日系或德系，其對于水處理系統的設計理念有所差異，導致實際現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，水系統操作人員分散，操作模式各異，運行管理也主要依靠個人經驗。全廠各水系統之間、水系統與主線工藝生產之間缺乏信息對接，水系統的“智慧”嚴重不足，主要表現在：
（1）控制系統零亂分散：
全廠水系統共有各類控制系統不僅數量超過200余套，且涉及10多家品牌?？刂葡到y架構及網絡拓撲繁雜，既有常規(guī)的c/s結構，也有大量的單客戶端結構，還有部分廠商封閉的特殊構架。網絡連接方式既包括各廠商標準的以太網，也有大量的各種專用現場總線。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、數據共享、生產協同、綜合決策。生產控制僅能滿足基本生產要求，在面對優(yōu)化調整時，往往存在時間和空間上的脫節(jié)。
（2）自動化完成度不高
現有各水系統雖能實現大多數自動控制，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，現場分散配置大量值班崗位，員工現場工作及巡檢強度大。雖然，部分區(qū)域已經實施或正在實施部分集中操作，但對于全廠水系統而言，總體還是處于分散操作的形態(tài)。
（3）數據挖掘能力不足
水系統之間僅通過能源管理系統ems進行部分用能量層面的數據交互。類似工序間、水系統與用戶間、水系統與制造系統間的信息溝通不足。在數據分析、輔助決策方面功能較弱，主要還是依靠操作或調度人員的經驗進行管控。全廠性的水量平衡需要從多個系統中導入數據，信息采集沒有統一標準，造成統計偏差，水量優(yōu)化難，排放管控難。生產動態(tài)信息與能源管理信息互為信息孤島。缺少全方位的數據管理平臺，水系統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l0~ l5分級標準，我們把鋼鐵工業(yè)水系統發(fā)展分為以下五個階段（圖1）：
（1）傳統水系統：各水處理系統配套產線獨立運行，部分遠程控制，部分操作現場實施。
（2）集中水系統：同一中控室對多水處理系統集中操作，打破物理、地理維度上的鴻溝。典型特征：操作控制室整合。
（3）數字水系統：各水處理系統之間操作控制與運行數據集成，打破信息維度上的鴻溝。典型特征：數據一張表；數據不落地；控制系統畫面風格統一。
（4）智能水系統：常態(tài)自動運營，根據產線指令與異常信息，一鍵調控，實現少人值守。典型特征：一鍵變負荷；一鍵換輥（切換）；系統健康度預警；水位水量自平衡；設備管網狀態(tài)預測。
（5）智慧水系統：根據各類生產狀態(tài)，自平衡、自調控，最終實現無人值守與經濟最優(yōu)。典型特征：與高爐、煉鋼等專家系統數據交互，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，對系統進行自動調整及后臺參數優(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，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)水系統整合與改造，應該采取的不僅僅是傳統拉光纖式的物理性操作室整合，而是上層平臺數據全線貫通，控制系統的真正融合。軟件上通過架構優(yōu)化、畫面整合、畫面優(yōu)化統一風格、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、網絡安全等措施提升系統安全性。對關鍵系統和設備實行智能控制，以知識模型改進經驗操作，利用大數據提供決策支持，以時間粒度帶動管理深度。
四、水系統智慧應用
（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、軋制等生產過程間斷進行，要求水處理系統同步間斷運行。送水泵根據用戶指令可按若干個預設模式進行自動開停，系統內其他泵組根據水量平衡聯動進行調整，保證系統水量平衡。
（2）穩(wěn)態(tài)調控模型：用于清循環(huán)、純水密閉等系統，實現零干預。根據指令或設定目標，自動調節(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。進一步結合用戶生產熱負荷反饋與大氣環(huán)境溫濕度等數據，可提前預測與調控，優(yōu)化電能利用。
（3）能耗優(yōu)化模型：用于構建基于電價的水泵運行策略，實現能效電廠。由于水庫、圍廠河、管網具備緩沖作用，泵站的逐時抽水量可以不等于系統逐時的供水量。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機方案用以指導泵站的運行調度，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分析取水技術、氯離子與電導率相關性分析取水技術，取優(yōu)質長江原水入庫、全天候監(jiān)控水庫水質。實現“避咸取淡、避污取清、避低取高、避峰取谷”的保質量、控污染、降電耗、省電費操作技術。
（5）設備預測性維護：采用先進的預測性維護理念，轉變檢修、維修方式，提升可靠性[3,4]。通過構建與集成機械健康監(jiān)測模塊化，可提前預知和判斷旋轉設備的潛在故障。如通過對軸承和齒輪故障進行監(jiān)測，結合各向震動、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、經濟性等）對水系統運行情況進行綜合評價，以期望值（多參數關聯預測模型）和當前值作對比，并考慮當前工況下關聯參數的交互影響作用，得出當前及未來水系統的“健康度”，用于指導員工快速發(fā)現風險與隱患，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，而只需關注指導意見，發(fā)現提示時層層遞進，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）：水處理系統大多數操作涉及單系統、多設備的聯合調控，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，對絕大多數操控任務實現一鍵操作，比如：一鍵調溫、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)進一步實現無人值守打下扎實的基礎。
來源：北極星水處理網
