（控制理论与控制工程专业论文）大型钢铁企业能源管理系统的建立及能耗分析方法研究.pdf

上海交通大学硕士论文 大型钢铁企业能源管理系统的建立及能耗分析方法研究 摘要 本文以解决我国大型钢铁企业的高能耗问题为研究目标，以宝 钢能源中心的能源运行管理与分析系统为研究背景，详细讨论了如 何利用先进的信息技术建立适应现代化大型钢铁企业发展需要的能 源运行管理与分析系统，并在对几种常用的钢铁企业能耗分析方法 进行系统剖析的基础上，将一种智能化的模糊神经网络技术应用到 了钢铁企业能源消耗的建模、构序与预测过程中，为钢铁企业的能 耗分析问题提供了一种新型的解决方案。 宝钢能源运行管理与分析系统由任务单与管网子系统、报表子 系统及o l a p 子系统组成。系统采用分布式客户机n 务器体系结构， 有机地运用了先进的系统技术、计算机技术、数据库技术、网络技 术及o l a p 技术，实现了对能源中心内各种能介系统运行方式变更 信息及各种动力管网设备运行信息的无纸化归档管理与查询功能， 集成了对各种计划、管理、决策类报表的编制与查询功能，并在大 型钢铁企业中首次成功地实现了主要能源信息的数据仓库和在线联 机分析处理( o l a p ) 系统，从而为宝钢能源中心的工作人员提供了 方便、灵活的信息传递、存储和查询方式，为管理人员提供了高效、 可靠的决策支持手段，为建设适合大型钢铁企业发展需要的现代化 能源中心奠定了坚实的基础。 钢铁企业的高能耗问题不仅会导致生产的高成本，同时也会造 上海交逐大举硕士论文 成资源盼滚费和对环境的污染，甚至严重影响钢铁企遂的可持续发 震。为了实现钢铁企业的节能降糕，在本世纪劾进一步缩小与世界 先进国家钢铁工业的能耗差距，寻求钢铁企业能耗分析的新方法和 有效途径是极其必要的。模糊理论及神经网络等智能化科学理论和 毳拜究方法酶不断发鼹，力销铁企藏能耗分析提供了薪静途径。本文 首先分折了摸糊神经耀络技术的特点，并将一j f i i 改进的模糊神经网 络算法应用到了钢铁企业的能耗分析过程中，对钢铁企业吨钢综合 能耗的影响因索进行了建模、预测和定量分析。 关键字：能源中心，e s e o s ，能耗分析，吨钢综合能耗， 模糊神经网络 上海交通大学硕士论文 d e s i g no ft h ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m o fs t e e li n d u s t r y a n dr e s e a r c ho fe n e r g y a n a l y s i s a b s t r a c t i no r d e rt or e d u c et h e h i g he n e r g yc o n s u m p t i o no fo u rc o u n t r y s s t e e li n d u s t r i e s ，w ed i s c u s si nd e t a i l si nt h i sp a p e ra b o u th o wt ou s et h e a d v a n c e di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e st oe s t a b l i s ht h ee n e r g ym a n a g e m e n t a n da n a l y s i ss y s t e mw h i c hc a nm e e tt h en e e d so ft h eq u i c kd e v e l o p m e n t o fm o d e r ns t e e li n d u s t r i e s a n dt h e n ，o nt h eb a s i so fi l l u m i n a t i n gs e v e r a l m e t h o d so f e n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y s i s ，w em a k e u s eo faf u z z y - n e u r a l n e t w o r kf r a m e w o r ko nt h em o d e l i n g 、s o r t i n ga n dp r e d i c t i n gp r o c e s so f e n e r g yc o n s u m p t i o n a n d p r o v i d ean e w m e t h o df o rt h ea n a l y s i so f e n e r g y c o n s u m p t i o n t h ee n e r g ym a n a g e m e n ta n da n a l y s i ss y s t e mi sc o m p o s e do ft h r e e s u bs y s t e m s w eu s et h ed i s t r i b u t e dc l i e n t s e r v e rf r a m e w o r kt ob u i l dt h i s s y s t e ma n di n t e g r a t ea d v a n c e ds y s t e m ，c o m p u t e r , d a t a b a s e ，n e t w o r ka n d o l a p t e c h n o l o g i e si n t oi t i t i st h ef i r s ts u c c e s s f u la p p l i c a t i o nm a d eu p o fd a t aw a r e h o u s ea n do l a pt e c h n i q u ei ns t e e li n d u s t r i e s w i 廿lt h i s s y s t e m ，w ep r o v i d et h es t a f f so f t h ee n e r g yc e n t e ro fb a os t e e lw i t ha n e a s y a n df l e x i b l e w a yo nt r a n s m i t t i n g ，s t o r i n g a n d q u e r y i n ge n e r g y 上海交通大学硕士论文 i n f o r m a t i o n s i m u l t a n e o u s l y , w em a k eas o l i df o u n d a t i o no fb u i l d i n ga m o d e m e n e r g yc e n t e rt h a tc a nm e e t t h en e e d so ft h ed e v e l o p m e n to fs t e e l i n d u s t r i e s t h e h i g he n e r g yc o n s u m p t i o n o fs t e e li n d u s t r i e sw o u l dn o to n l yl e a d t oh i g hc o s t ，b u ta l s ow a s t en a t u r a lr e s o u r c e sa n d p o l l u t et h ee n v i r o n m e n t i tw o u l dc o u n t e r a c tt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs t e e li n d u s t r i e sa tt h e s a m et i m e i no r d e rt or e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，w en e e dt os e a r c h f o rs o m en e wm e t h o d so n a n a l y s i s o f e n e r g yc o n s u m p t i o n t h e d e v e l o p m e n to ff u z z yt h e o r ya n d n e u r a ln e t w o r k p r o v i d e su ss u c han e w w a y i nt h i sp a p e r , w ea n a l y z et h ef e a t u r eo f t h ef u z z y - n e u r a ln e t w o r k f i r s t t h e n ，w e m a k eu s eo fa n i m p r o v e df u z z y n e u r a l n e t w o r k f r a m e w o r ki n t ot h em o d e l i n g 、p r e d i c t i n ga n da n a l y z i n gp r o c e s so f e n e r g y c o n s u m p t i o n k e y w o r d s ：e n e r g yc e n t e r ，e s e o s ，a n a l y s i so f e n e r g yc o n s u m p t i o n e n e r g yc o n s u m p t i o np e r t o no f s t e e l ，f u z z y - n e u r a ln e t w o r k 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名t 鳓 日期：2 。三年i , q ? 7 - h 上海交通大学 学位论文版投使用授权书 本学位论文露喾突全了瓣学校蠢关保露、嫠弼学位论文豹缎 定，潲意攀梭保留并岗溪髹青关帮f 藏糨椽滋交论文戆复印 拳黎魄 子凝，允诲论文被凌藤觏蒋阕。零天授校上海交遥丈学可默褡本学 位论文豹全部袋黎分蠹容壤入有关数据瘁避行检索，可以采魍影 印、臻印或镪描等笈铺手羧保存髑汇编奉学谯论文。 保褰函在三军鳃密嚣溪藤本援寝书。 本学位论文满于 苓舔整曩。 游在以上方框内手丁“4 ”) 学位论文赭签名搿指删嗍：务研 鼗鬻：弦i 年t 箕2 争霞 基嬲：姑年f 胃；手霹 f 2 上海交通大学硕士论文 1 1 引言 第一章绪论 钢铁企业是资源密集型产业，多年来钢铁企业的能源消耗约占全国能源消 耗总量的1 0 ，列第三位。高能耗不仅会导致高成本，同时也会造成资源的浪 费和对环境的污染，甚至严重影响钢铁企业的可持续发展。因此，解决高能耗 问题，已成为钢铁企业在“十五”期间的重要战略任务之一。 要解决钢铁企业的高能耗问题，目前迫切需要解决的两个问题是： 建立现代化的能源中心 所谓现代化的能源中心，是集能源管理与能源系统工程、计算机技术与网 络通讯技术、软件工程与人工智能等于一体的现代化能源管理手段，也是一种 利用先进的电子、信息技术改造传统产业的有力工具。它可以通过高速数据网 在线采集能源数据，利用电子计算机统一管理企业的能源购入、转换、分配和 使用诸环节，监视能源设备的安全运行，实时进行能源介质的工序调度平衡工 作，综合实现企业的能源需求预测、优化分配、合理利用、计划平衡、自动控 制和决策分析，从而能够行之有效地为钢铁企业的节能降耗工作服务。 掌握科学、有效的能耗分析手段 在钢铁生产流程中，影响企业能耗的因素很多，而且各因素之间的相互作 用非常复杂，因此很难对各种因素对企业能耗的影响程度进行合理估计。只有 掌握科学、有效的能耗分析手段，对企业能耗指标进行系统的全面的定量分解 剖析，才能明确企业节能降耗的方向，为制定能耗控制措施和指导生产工艺节 能奠定基础。 下面的两节中，我们将就上述两个问题分别进行分析，从而引出本文的论 述范围和研究目的。 上海交通大学硕士论文 1 2 钢铁企业现代化畿源中心的建设问题 自从能源管理中心( 简称能源中心) 在日本钢铁企业出现以来，由于其良 好的经济效益，使得各国越来越多的钢铁企业相继建设这样的中心，我国的宝 钢，早在2 0 世纪7 0 年代，就开始从日本引进能源中心技术。本节将以宝钢为 例，讨论我国大型钢铁企业能源中心的管理现状、存在问题以及解决方案。 1 2 1 宝钢能源中心简介 宝钢是一个特大型钢铁企业，能源是宝钢生产的心脏和动脉。宝钢生产所 需的能源介质有电力、水、重油、各种煤气、蒸汽、氧、氮、氩等1 7 种，能源 介质的流程见图1 ，2 1 1 所示。能源介质管网遍布全厂，线路长达数百公里，供 应生产的能源介质昼夜不息、变化频繁，形成了能源介质系统性强、产供用同 时完成、等量平衡困难、运行动态变化复杂、信息量大等特征，而且能源产供 用具有连续型流程业的特点。能源的流通构成了宝钢生产的动脉。它们的安全 运行、稳定供应是全厂生产的保证。 图1 2 1 1 宝钢能源介质流程 e 海交通大学砸士论文 宝钢对能源供需管理的总要求是：安全运行，稳定供应，有效利用。宝钢 的用能特点可以概括为： 1 品种多，有电力、高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、中低压蒸汽、重 油、氧、氮、氩、原水、工业水、过滤水、纯水、软水、饮用水、循 环水、排水共1 7 种； 2 用量大，年耗标准煤几百万吨： 3 同步生产使用二次能源，要求二次能源供应连续稳定； 4 能源之间转换住强，如果转炉煤气不足，则采用合成转炉煤气，保证 转炉煤气供应的稳定性，还有高炉煤气代煤，焦炉煤气代油等； 5严禁发生事故，一旦发生故障，也要能及时排除，防止扩大，使对全 局的影响减到最小程度； 6 能源涉及到方方面面，供应必须满足生产各环节的要求，系统性强。 因此，宝钢的能源管理是一个多元的综合性系统工程，要求能对信息迅速 传递、及时反馈、集中监测并控制能源潮流。担负这一任务的能源中一t l ，在宝 钢生产中具有特殊意义，它虽然不直接承担生产加工，但却是全厂生产的心脏 和动脉。为此宝钢设立了能源中心。能源中心集计算机技术、系统工程、网络 通讯及管理科学于一体，采用现代化方法，对二次能源的发生设备和能源使用 进行集中统一的系统管理。 1 2 2 宝钢能源中心的地位和功能 宝钢能源中心管理包括动力( 除煤外) 、电力、水道三大部分的能源介质， 全厂性的环境监测装置也设在能源中心。能源管理范围是从能源的发生处( 或 接受处) 到各级能源使用工厂的入口处。能源中心作为宝钢总厂的一个组成部 分，其地位和作用如图1 2 2 1 所示。目前，宝钢能源中心采用实时监控与管 理信息系统( e m s 系统) 实现对宝钢全厂的各种主要大型能源设施，如变电站、 水泵站、煤气加压站、煤气混合站、蒸汽管网等的实时监控、在线生产调整；e m s 采集分布在2 l 平方公里的广大地域内的主要过程信息量多达1 1 5 2 5 点。e m s 系 统的建成和运行为宝钢能源的安全运行、稳定供应提供了有效的手段和途径。 6 上海交通大学硕士论文 生产计划 曰生产计划 日能源计划 统计 监控 图1 2 2 1能源中m 在总厂中的地位和作用 e m s 系统的历年运行，为宝钢积累了丰富的能源运行数据，但e m s 系统 的数据存储和管理模式为典型的实时监控管理系统形式，还缺乏有效利用这些 数据资源对能源系统运行状况进行深入分析的功能。 宝钢能源中心的主要功能可概括为： ( 1 ) 根据钢铁生产计划编制能源供需计划； ( 2 ) 对各种能源进行潮流监视和供需调整； ( 3 ) 对重要的能源设备进行遥测、遥控操作，实现集中操作管理； ( 4 ) 通过联络指令装置对各生产厂、各能源设备生产岗位、能源设备巡检 人员进行业务联系和发布调整指令，使能源设备合理运转，充分而高 效地利用各种能源； ( 5 ) 能源系统发生异常和事故时，进行能源系统紧急调整处理，防止事故 扩大，保证生产和设备的安全；一旦发生全厂性的事故( 如台风、火 灾、大潮汛) 时，能源中心还可以起到防灾指挥中心的作用； ( 6 ) 能源中心的计算机进行能源信息采集处理、监视报警、预测控制等工 作，并制作和打印各种能源生产报表； ( 7 ) 收集厂内、外的环境监测数据和定点气象观测数据。 上海交通大学硕士论文 1 2 ，3 宝钢能源中心的管理现状与存在问题 宝钢能源中心的实时监控与管理信息系统( e m s 系统) 采用分布式计算机网 络系统，对钢铁企业各生产环节所需的一次能源和二次能源及余热利用等实现 了分散控制和集中管理，为使煤气、电力、蒸汽等诸多能源介质实现相互转换、 互为补充，节能运行，建立了系统硬件、软件的有效基础。 e m s 系统的历年运行，在能源介质主要信息的采集、基础自动化和运行监 控方面发挥着其不可替代的重要作用。然而，e m s 系统作为一个特大型在线监 控系统，对能源系统管理决策的支持能力有一定的局限性。主要表现在： ( 1 ) 各种管理报表的编制方面。e m s 系统完成的报表功能为固定格式的 日报、月报、准点报等。能源中心技术人员在编制各种报表时，对 e m s 数据的利用还停留在阅读e m s 的打印报表，人工选择、输入供 需月报编制所需的数据阶段，对各种报表的使用停留在文件处理方 式，实现各种报表的编制工作量大，对报表中积累的数据再利用率 低，难以实现已有报表汇总数据的查询和分析。 ( 2 ) 近期能介数据利用方面。e m g 系统对能源中，t l , 技术人员只提供几种 特定格式的数据查询功能，而且，使用人员需对e m s 系统有相当的 了解，能介数据导出和再使用困难，所以，技术人员要利用这些数 据做分析相当不便。 ( 3 ) 历史能介数据利用方面。e m s 的数据备份为数据文件，有其特有的 命名方法，文件内数据以e m s 定义的信号标识加以区别。要了解这 些数据的定义和文件的定义方式需要大量的时间，要利用这些数据 做分析，更需要大量的编程工作。因此，能源中心技术人员对e m s 的历史数据利用变得相当困难。 ( 4 ) 对信息的覆盖面方面。e m s 主要实现对宝钢重要能介设备状态的遥 测、遥控和主要能介过程信息的采集。宝钢中小型能源设备的操作 仍为人工现场操作、对操作信息的记录和管理为纸面形式，难以进 行设备操作情况的查询和统计，缺乏对各种设备操作进行科学管理 的有效手段。 上海交通大学硕士论文 1 2 4 建立能源运行管理与分析系统的必要性 从上- - + 节中对宝钢能源中心管理现状及存在问题的分析可阻看出，虽然 宝钢能源中心通过e m s 系统实现了宝钢一次能源、二次能源及余热利用等的集 中控制监测和管理，但e m s 系统属于监控管理系统，其提供的信息和功能的主 要面向能源中心调度室的现场操作人员，旦定制报表、信息查询以及数据分析 等功能有限。为使能源中心技术室人员也能够有效地利用e m s 系统提供的数据 进行能耗分析，为优化能源利用和管理服务，必须按能源管理的需求，系统规 划、开发新的系统，以满足对能源运行状况分析的需要，并进一步为实时优化 能源运行服务，而这个新的系统，就是能源运行管理与分析系统。 推而广之，建立能源运行管理与分析系统，对宝钢之外的其它大型钢铁企 、具有同样重要的意义，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 钢铁企业竞争的需要。大型钢铁企业不仅面对国内企业的竞争，随 着我国即将进入w t o ，还将面对国外大型钢铁企业的强大竞争压力。 能源成本在钢铁生产的成本中占有很大的比重。加强能源系统的优 化运行，提高能源的利用率，可以有效的降低成本，提高企业在世 界钢铁市场中的竞争力。 ( 2 ) 企业决策支持的需要。对大型钢铁企业来说，它的能源中心已经实 现了基础自动化和监控层面的信息化。而它对于管理决策的支持有 限，这样会造成决策支持在能源系统方面的薄弱环节，使企业在降 低能源成本时缺乏合理的切入点。 ( 3 ) 数据资源有效剥用的需要。e m s 系统记录了宝钢能源运行的海量数 据。这些数据是企业的宝贵财富，通过对它的分析和发掘，可以发 现重要的企业能源运行规律。这些规律，无论在管理决策时，还是 在系统的改造中，都有很强的指导意义。 ( 4 )加强环境保护的需要。随着社会的进步，人们的环保意识日益增强， 对钢铁企业的环保提出了更高的要求。对钢铁企业来说，高能耗往 往意味着高污染。如果对能源系统加强科学管理，降低能耗，不但 可以改善环境，而且可以降低环保方面的费用。 上海交通大学硕士论文 1 2 5 能源运行管理与分析系统的建设目标 在钢铁企业的能源中心建立能源运行管理与分析系统( 简称e s e o s ) ，通 过利用计算机网络、数据库、数据仓库等先进的计算机技术，对e m s 系统的数 据资源进行提取、处理，以便能源中- i i , 技术人员能及时生成适用的生产报表、 曲线和对能源运行状况进行分析为能源生产专业技术人员优化能源系统运行 方式提供决策支持；系统同时实现能介系统运行方式变更信息无纸化归档管理， 能介动力系统管网设备运行信息的计算机管理和查询，这一功能的实现将提高 能源管理系统的应变处理能力，完善科学管理：系统还实现对各种能源介质的 主要标志性数据提供灵活的查询和分析手段，为对钢铁企业能源系统运行进行 深入的数据挖掘和建模，为企业各级领导进行能源系统宏观管理提供决策支持， 奠定坚实的基础。 1 3 钢铁企业能耗分析概述 要实现钢铁企业的节能降耗，另一个急待解决的问题就是掌握科学、高效、 可靠的能耗分析方法。 1 3 1 钢铁企业能耗分析的必要性 钢铁企业是耗能大户，其能源消耗费用包括一次能源费用及二次能源转换、 加工、输送、回收等费用约占钢铁生产总成本的2 0 3 0 ，而能源消耗又是 生产总成本中可控制的关键部分。 高能耗不仅会导致高成本，也会造成资源的浪费和环境污染，严重影响钢 铁工业的可持续发展。 因此，通过能耗分析实现节能降耗就成为钢铁企业的一项重要战略任务。 上牌交通大学碰! 士论文 1 3 2 钢铁企业能耗分析的主要指标 我国钢铁企业能源消耗指标主要用吨钢能耗表示。吨钢能耗是反映钢铁企 业能源消耗和能源利用状况的重要技术经济指标，它能大致反映出钢铁联合企 业钢铁生产的技术水平、原材料条件和管理水平等。按照国家统计局和国家冶 金局的规定，我国吨钢能耗有反映企业能源消耗的吨钢综合能耗和用于钢铁联 合企业间能耗对比的吨钢可比能耗。 1 ，3 3 现有的钢铁企业能耗分析方法 现有的钢铁企业能耗分析方法包括工艺结构分析法、层次分析法、对比分 析法及e p 分析法等，目前已经有很多文献针对这些能耗分析方法进行了讨论。 但因为影响钢铁企业能源消耗的因素很多，各因素之间的相互作用又非常复杂， 而传统的能耗方法或者计算太过复杂，或者根本无法解决能耗分析中的非线性 问题，因此，迫切需要为钢铁企业的能耗分析问题提供新的智能化解决途径。 1 3 4 模糊神经网络在钢铁企业能耗分析中的应用 随着现代科学技术的迅猛发展、人们需要解决的问题的复杂性增加，直接 从数据样本中抽取经验规则的模糊神经网络( f u z z yn e u r a ln e t w o r k ) 已得到越 来越多的关注。模糊控制是从行为上模拟人的逻辑思维、推理和决策过程；神 经网络则是从机理上模拟人的神经系统的抑制、兴奋和冲动过程。模糊控制基 于模糊语言描述的产生式规则：神经网络控制基于蕴涵某种函数关系的网络结 构。模糊神经网络作为这两种非解析性方法的结合体，在过程建模、模式识别 和优化控制等领域中，表现出了不同于传统方法的优势。 在钢铁企业能源消耗分析中应用模糊神经网络，不仅能为能源消耗的影响 因素作定量诊断，而且能对各影响因素作优化设计，甚至还可以对各影响因素 作出预测，这就能为钢铁企业的能源决策提供依据，这些，是其它很多传统研 究方法所不能及的。 上海交通大学硕士论文 1 4 本文的主要内容与编排 本文针对我国大型钢铁企业的高能耗问题，以宝钢为背景，提出了在钢铁 企业的能源中心建立能源运行管理与分析系统的总体设计思想，并进一步论述 了如何利用计算机技术、网络通讯技术、数据库技术及o l a p 技术等现代化信 息技术来建立该能源运行管理与分析系统的解决方案。同时，在对钢铁企业能 耗指标及能耗分析方法进行系统介绍的基础上，利用一种改进的模糊神经网络 算法对影响钢铁企业综合吨钢能耗的因素进行了剖析，为优化钢铁企业的能源 结构与生产结构，最终达到节能降耗的目的提供了一些薪的思路。 本文的具体内容安排如下： 第一章绪论 针对我国大型钢铁企业的高能耗问题，以宝钢为背景，简要介绍了钢铁企 业能源中，山的地位和功能、在能源中也嚏立能源运行管理与分析系统的必要性 以及钢铁企业能源消耗的分析指标及分析方法，从而引出本文的研究目的及内 容安排。 第二章钢铁企业能源运行管理与分析系统的设计与实现 以宝钢为例，在需求分析的基础上，提出了钢铁企业能源管理与分析系统 的总体设计思想，并进一步介绍了各子系统的实现方案。 第三章建立能源运行管理与分析系统的关键技术 介绍了与建立钢铁企业能源运行管理与分析系统相关的数据库技术、网络 技术、分布式计算技术以及o l a p 技术等现代化信息技术。 第四章钢铁企业能耗指标及能耗分析方法概述 简要介绍了主要的能耗分析指标，并对现有的各种能耗分析方法进行了比 较详细的说明。 第五章模糊神经网络及其在钢铁企业吨钢综合能耗分析中的应用 简要介绍了模糊神经网络理论，并以宝钢为例介绍如何将一种改进的模糊 匕海交通大学碗j j 论文 神经网络应用到钢铁企业吨钢综合能耗的e - p 分析法中，对影响钢铁企业吨钢 综合能耗的各项因素进行了剖析，为钢铁企业的节能降耗工作提供了一种新型 的分析与决策方案。 第六章总结与展望 对本文内容进行总结，指出将来的发展方向。 上海交蝤大学硕士论文 第二章钢铁企业能源运行管理与分析系统的设计与实现 在绪沦中，我们已经讨论了在钢铁企业的现代化能源中心建立能源运行管 理与分析系统的必要性和建设目标。本章中，我们将以宝钢为例，进一步讨论 我国大型钢铁企业能源运行管理与分析系统的设计。 2 1 需求分析 通过与宝钢能源部技术人员之间的密切合作和对能源运行现状的深入分 析，确定了宝钢能源运行管理与分析系统的信息及功能需求如下： 实现能介系统运行方式变更信息联机处理，并进行归档管理；实现能介动 力系统管网设备运行状态信息查询，提高能源系统调度的应变处理能力， 完善科学管理。 运用先进的系统技术、信息技术、计算机技术，对宝钢的重要能源数据进 行集中有效管理，生成适用的生产报表、曲线。 实现对各种主要能源数据的在线联机分析处理( o l a p ) 。 2 2 设计指导思想 基于绪论中提到的问题及上述系统需求分析，确定宝钢能源运行管理与分 析系统的设计指导思想如下： 整体规划，充分发挥和利用现有硬件和软件系统的作用，减少不必要的经 济投入，实现先进性与经济性、近期目标与长远目标的结合。 分布实施，利用分布式服务器客户机网络建立规范、开放、安全可靠的人 机交互系统。 密切交互，在需求分析和系统实施过程中不断与能源中心的工作人员进行 交流，以期尽可能减少系统的更新次数。 1 4 上海交通大学硕：l 论文 用户满意，使系统能够充分符合用户需求，从而实现最佳的工作效率与经 济效益。 2 3 总体设计 2 3 1 系统组成 宝钢能源分析管理系统主要由三大部分组成( 如图2 3 11 所示) ： ( 1 ) 任务单与管网子系统：实现能源中心各种能介系统任务单信息的无纸 化传送与归档管理；实现停复役申请单的无纸化传送与归档管理；利 用管网图将各动力管网设备运信息记入数据库并提供查询。 ( 2 ) 报表予系统：为用户提供燃气、电力、热力、氧氮氩四个专业和供需 月报、管理月报、调度日报三个层次的报表查询及编制功能。同时， 能够根据用户的要求随时导入e m s 的数据，产生累计月报，生成图表 曲线或归档当日、当月的数据。 ( 3 ) o l a p 子系统：建立宝钢能源数据仓库，提供浏览和查询宝钢能源数 据仓库数据的能源管理和o l a p 系统。 t1 ltt l计算机及网络、s q l s e f v e f7 o 、v b 、p b 、应用软件支撑系统 i 图2 3 1 1e s e o s 系统软件结构图 1 5 l 海变通大学硕士论文 2 3 2 系统网络结构 计算机网络是整个能源运行管理与分析系统的支撑系统，它支持信息资源 共享和分布式处理。本系统采用客户机i n 务器模式，网络结构如图2 。3 2 1 所 示。 能中i - i 图2 3 2 1 系统网络结构图 技术室 系统网络中的计算机主要执行下述四项功能： 第一个功能是监视全厂能源供求情况，并立即用数字表格或图的形式显示 出来，与此同时，把收到的数据信息迅速整理出供第二、第三功能所需的计算 原始数据。需要时，它还将根据测得的数据，回归出能耗变化的方程式报出能 源供求的预测数据，这种回归和预测很重要。能源中心根据回归式可以明确哪 些功能或能耗部门出现问题时，变化快，幅度大，经济损失大( 或因势利导可 取得大的收益) ，因而必须迅速处理。利用预测功能。可以在问题刚刚出现或即 将出现时，预知到发出调度指令时，问题将发展到什么程度，按此做出调度方 案进行调度达到快速处理的目的。一个钢铁联合企业各耗能工序和供能部门需 监测的有数百甚至上千个测试点，如每小时监测一遍连同数据整理，该计算机 1 6 上海交通大学硕士论文 的任务是相当繁重的。 第二个功能是编制年、季、月及日能源供求计划。根据生产计划做出能源 供求计划。计划中的能耗，外购能源量及应采取的节能措施，都是实际生产中 应力争达到的，对生产起到指导作用。年、季和月计划中包括要实施的节能工 程和节能技措以及这些节能措施发挥作用的时间、效果、能源购入量和售出量 ( 高炉煤气或焦炉煤气、蒸汽等) 等。这些计划中的些数据和指标就是能源 中心经济收益的目标，应千方百计使之实现甚至超额完成。日计划的编制应是 按典型生产日计划进行能源的分配计划。计划考虑面较多且详细。除了按能耗 指标及生产计划计算出各生产工序的各种能耗外，还要对煤气平衡( 包括煤气 柜的储量变化) 、氧气平衡、蒸汽平衡、水平衡、自备电厂发电量等各能源的平 衡以：受它们相互问的影响关系做出详细的安排。例如，由于轧钢产品品种更改 要求多耗煤气，因此会出现煤气供应短缺。可能有几种方法解决，一是压缩某 个( 或某些) 煤气用户供气量，满足轧钢需要。也可以减少供锅炉用煤气量， 由此引起的锅炉燃料减少可以用外购的补充燃料( 煤或油) 来补足，也可减少 自各电厂发电用蒸汽量，增加外购电量以满足既不减少蒸汽用户供汽量也不减 少供电量。如果是用后者，由于减少对锅炉供煤气，因此锅炉产汽量减少，计 划中需确定在此情况下，应减少哪台锅炉的负荷为好( 不同锅炉因负荷下降， 热效率的降低程序也不一样) 。又由于追求的是经济效益，所以确定选择什么办 法的时候都要用费用多少，对成本影响多少为标准。能源价格的变化直接影响 到费用的多少，因此它也是选择解决办法时的一个重要因素。 第三个功能是进行最优化计算。这是能源中心取得经济效益的主要手段。 从原理方面说，最优化计算的结果是无限多个能源分配方案中心最优结果。它 的实用性取决于计算中的约束条件是否密切结合本厂生产的实际。越是符合其 效果也越好。所谓本厂生产实际，是指供能及耗能部门内部，因生产条件变化 在能源方面变化的规律，和更为重要的各供链耗能部门在能源方匿相：巨依赖楣 互影响的规律。这个规律不是文字性的说明( 定性的) ，而必须是有数学的表达 ( 定量的) 。在最优化计算中，计划达到的能源费用是目标，各工序间互相影响 规律是约束条件，而经过整理的实测生产、能耗数字则是计算的原始数据。在 编制年、季、月及日计划时，也需用最优化计算做出最佳的能耗计划，并在日 上海变通大学硕士论文 常生产中实施，但是由于生产条件经常会发生变化，会偏离编计划时的条件， 结果会导致对能源分配( 费用) 产生大的影响，所以此时要重新做最优化计算。 条件变化了，原计划的办法是否仍然可用，需要由值班人员检查确定。能用， 由值班人员发出调整指令，不能用，要做新的计算，新计算结果是否与当时条 件符合，仍然要由值班人员核对后发出指令进行调度。例如，高炉出现小故 障，要减风操作。此时高炉煤气发生量减少，此时能源中心可能采用由高炉煤 气柜补充的措施，但高炉煤气柜只能解决短时间的补充作为应急措旋。根据以 往经验回归出的煤气发生量变化规律，能源中心计算机要计算出来，当计算结 束，做出调度方案时高炉煤气发生量将减少到多少，最优调度方案应按这个发 生量做计算。究竟这个方案是否能实施，要由值班人员核对，如果故障很快消 除，煤气发生量又增加，这个方案就不能使用，必要时需重新计算。显然，计 算速度越快，这种因计算速度延迟导致情况变化过大、需重新计算发生的机率 也就相应减少。 第四个功能是网络通信。无论是制作计划、报表还是进行优化计算，所利 用的信息都将通过网络获得，而且，能源中心各部门之间任务单、申请单的传 送，也应该依靠网络进行。唯有如此，才能真正实现能源中心的无纸化管理。 2 4 详细设计 2 4 1任务单与管网子系统的功能与软件结构 任务单与管网子系统的功能包括： 实现宝钢能源中心各种能介系统任务单的无纸化传送、归档与查询管 理。 实现宝钢能源中心各种能介系统停复役申请单的无纸化传送、归档与查 询管理。 利用管网图将各动力管网设备运行信息记入数据库并满足查询需要。 任务单及管网子系统的软件结构，如图2 4 1 1 所示。 簿雯强大学硕士论文 圈2 4 1 1e s e o s 任务单与管网子系统软件结构 1 9 上海交通大学硕士论文 2 4 2 报表子系统的功能与软件结构 报表子系统实现的功能包括： 提供调度日报以及各专业的供需月报、管理月报的编制、归档及查询功 能；根据用户的要求能够导入e m s 的相关数据。 提供累计报表生成功能以及有关能耗分析的图表曲线功能。 根据用户需求，对各种报表及分析数据提供灵活的查询，并对查询结果 提供另存功能。 系统对报表编制提供灵活的修改功能，如增减能介用户，修改报表输出 格式等。 报表子系统的软件结构，如图2 4 2 1 所示。 2 0 上海交通大学硕士论文 图2 4 2 ie s o b s 报表子系统软件结构 2 1 上海交通大学硕士论文 2 4 3 o l a p 子系统的功能与软件结构 0 1 a p 予系统的功能包括： 用于实现对各种能源的主要标志性数据提供灵活的查询和分析手段。 为宝钢能源技术人员和能源管理人员提供有效的决策支持。 o l a p 子系统的软件结构，如图2 4 ，3 1 所示。 数据源数据仓库分析服务客户端 图2 4 3 1 e s e o so l a p 子系统软件结构 2 5 系统的创新点 总结宝钢能源运行管理与分析系统项目的实施，我们认为其主要创新点在 于： ( 1 ) 系统有机地运用了先进的系统技术、信息技术、计算机技术，对宝钢的重 要能源信息进行集中有效管理，方便了能源技术人员、管理人员对重要能 源数据的灵活查询、提供了有效的决策支持手段。 ( 2 ) 系统集成了能源技术室人员编制各类专业的各种重要报表的功能，并提供 了e m s 中能介数据的直接导入功能，为提高各类专业报表的编制速度、报 e 海交通大学硕士论文 表数据的再利用，提供了切实可行的解决方案：为实现监控系统到决策支 持系统的无缝连接创造了一种新的模式。 ( 3 ) 系统实现了能介系统运行方式变更信息无纸化归档管理，能介动力系统管 网设备运行信息管理、查询，提高了能源管理的应变能力，完善了能源系 统运行的科学管理。 ( 4 ) 系统在大型企业中首次成功地实现了主要能源信息的数据仓库和在线联机 分析处理( o l a p ) 系统。为能源管理人员提供了多维度的能源数据灵活查 询。 e 海交通大学硕上论文 第三章建立能源运行管理与分析系统的关键技术 上一章中，我们讨论了钢铁企业能源运行管理与分析系统的设计问题，为 了成功地在钢铁企业能源中心建立能源运行管理与分析系统，数据库技术、网 络技术、分布式计算技术及o l a p 技术等现代化信息技术是必不可少的组成部 分，下面将分别对这些关键技术进行说明。 3 1 数据库技术 3 1 1s o ls e r v e r7 0 的特点 简单的图形化管理工具，使系统管理更为直观方便。s q ls e r v e r 企业管 理器是一个基于图形用户界面( g u i ) 的集成管理工具，利用它可以配 置管理s q ls e r v e r 服务器、管理数据库和数据库对象、备份和恢复数 据、调度任务和管理警报、实现数据复制和数据转换等。 隐含的并发控制能力。s q ls e r v e r 利用动态锁定功能防止用户在查询和 更新并发搡作时相互发生冲突，动态锁定是隐含的，用户不必关心锁定 过程。 丰富的编程接口。s q ls e r v e r 提供了t r a n s a c t s q l 、d b l i b r a r yf o rc 和d b l i b r a r yf o rv i s u a lb a s i c 、嵌入式s q l 等开发工具，t r a n s a c t s q l 与工业标准s q 。语言兼容，并在其基础上加以扩充，使它更适合事务 处理方面的需要。此外它还支持o d b c 和o l ed b 规范，可以使用 o d b c 、o l ed b 接口函数访问s q ls e r v e r 数据库。 多线程体系结构。s q i 。s e r v e r 支持多线程操作，在多用户并发访问对， 系统在产生较小额外负担的情况下能够进行并行处理，从而减少内存需 求，提高系统的吞吐量。在用户数量增加时，s q ls e r v e r 的运行速度也 不会明显变慢。 上海交通大学硕论文 s q ls e r v e r 是m i c r o s o f t 服务器套件b a c k o f f t c e 的成员之一，它与其它 软件( w i n d o w sn t 、i n t e m e ti n f o r m a t i o ns e r v e r 、e x c h a n g es e r v e r 等) 有机结合，并充分利用它们所提供的服务或功能( 如安全管理、事件日 志、性能监视器、内存管理和异步i o 等) ，从而增强了s q ls e r v e r 数 据库系统的功能，且仅占用较少的系统资源。 具有很好的伸缩性。s q ls e r v e r7 0 既能运行在w i n d o w s9 5 9 8 操作系 统下，又可以运行在w i n d o w sn tw o r k s t a t i o n 、w i n d o w sn ts e r v e r 等 操作系统下。并且能够实现自身动态管理，自动调整对内存、锁定等资 源的使用和配置。所以它可以满足从桌面应用到大型企业的分布式应用 等不同层次的需求。 3 1 2s q ls e r v e r 数据完整性 数据完整性可以分为实体完整性、域完整性、参照完整性和用户定义完整 性四类。为了实现数据完整性，s q ls e r v e r7 0 提供了一下手段： 触发器( t r i g g e r ) ：触发器是一种特殊形式的存储过程，无论什么时候， 当一个指定的事件( 插入、更新或删除) 修改表时，它就被自动调用。 触发器能够查询其它表，执行非常复杂的s q l 命令。触发器主要用于 实施复杂的商业规则。 规则( r u l e ) ：规则规定能被插入列中的可接收值。规则可与一个列或 用户定义的数据类型相结合。规则主要用于实施域完整性，使得列中的 值落在一个特定的范围内，匹配一个特定的格式或匹配一个指定表中的 一项值。 缺省值( d e f a u l t ) ；缺省值规定了当用户没有输入值，是由数据库自动 插入表中的某列的缺省值。与规则一样，缺省值可与一个列或用户定义 的数据类型相结合。 约束( c o n s t r a i n t ) ：约束是由数据库为用户实施的应用规则，它限制用 户可以输入列中的可能值。约束不仅可以与一列相联系，也可以与多个 列相联系。 圭塑奎望查堂堡兰堡苎 3 1 3s o ls e r v e r 数据备份与恢复 s q ls e r v e r7 0 支持动态备份和增量备份。动态备份允许数据库正在运行的 时候备份数据，即使是在数据库i f 备份时，用户仍可以继续访问数据库。增量 备份允许只备份事务日志。此外，s q l s e r v e r7 0 的备份向导还允许用户输入s q l 语句，有选择地备份数据。 s q ls e r v e r 中有两种数据库恢复操作：一种是系统自动执行的修复 ( r e c o v e r y ) 操作，另一种是用户执行的数据库恢复( r e s t o r e ) 操作。s q l s e r v e r 每次启动时，均自动执行数据库恢复操作，以确保因断电等因素而引起系统异 常关闭之前已完成的事务都写到数据库文件中，而未完成的事务则被回滚。 用户执行的数据库恢复操作是指在系统出现故障时，由系统管理员或数据 库所有者从数据库备份和日志备份中恢复系统或用户数据库。数据库的备份许 可可由数据库所有者授予其它用户，但恢复操作许可不自2 授予他人。 3 1 4s 0 1s e r v e r 的性能优化方法 服务器的选择与配置 s q ls e r v e r 作为一种新型的数据库，与w i n d o w sn t 网络操作系统结合得最 为紧密，提高w i n d o w sn t 自身的性能，可以减少数据的冲突，消除瓶颈，提 高系统的访闳性能。但w i n d o w sn t 支持两种文传系统；n t 文件系统( n t f s ) 和文件分配表(