熱力能源是工業發展和居民生活必需的能源之一，熱力能源生產企業由于行業特點，普遍存在“散、亂、污、小”的情況，行業整體信息化水平低，安全隱患嚴重、能源效率低下、管理經營落后。全應智慧熱電云是首個面向熱力行業的工業互聯網云系統，將分散而規模小的熱力生產企業廣泛接入，為每個企業提供生產過程和生產管理優化等服務。
對于每家熱力生產企業，全面接入熱力生產全過程的數據，在數字空間建立物理世界的數字孿生以及從數字孿生不同側面描述運作機制的工業機理、專家知識、機器學習、深度學習等模型。利用數字孿生的仿真、預測、診斷等能力，為熱力生產企業提供智能司爐、生產監控、管網平衡、設備管理、經營分析等綜合智能化解決方案，為企業實現安全生產、效益提升、節能環保、智慧化運營、信息化管理等綜效。
一、 項目概況
1. 項目背景
我國工業蒸汽和居民供熱主要采用煤炭作為一次能源，現存的燃煤鍋爐達46萬臺，年燃煤量高達4億噸標煤。我國工業鍋爐具有“數量大、容量小、燃煤為主”的特點，自動化程度低、運營水平差、能效低、污染大、管損嚴重等問題是熱力能源行業污染大、成本高、依賴人工的主要原因。
隨著最嚴環境保護法的出臺，抗擊霧霾、保衛藍天成為最大的民生工程，全面推進熱能行業朝高效、清潔、環保方向發展已成為必然。
2. 項目簡介
構建一套面向熱力能源行業的工業互聯網云平臺，以云計算、物聯網、大數據、移動計算技術為基礎, 通過實時物聯網數據采集、異構子系統數據深度整合、高可靠低時延數據傳輸、海量數據存儲與管理、智能大數據分析、矢量組態報表、360°超高清晰數據可視化及分布式多屏顯示聯動等一整套技術，為企業用戶提供機器設備實時監控與運維、生產安全實時告警、生產流程信息化管理、人工智能輔助生產、經營分析實時可視化表達等，提高熱力生產企業的數字化、信息化水平，讓企業運營管理人員全面掌握企業運行狀態，及時做出智慧決策，從而全面優化企業運行效率，幫助企業節能減排，促進企業安全生產，有效提高企業運營效率。
項目建成后，在項目中積累的智能化改造和施工方案、面向熱力能源行業的工業互聯網平臺（包括大數據平臺、微服務平臺、客戶端應用等）、智能司爐模型、管理信息化系統、組態可視化、告警模板等一系列面向行業的工業互聯網平臺內容均可行業內直接復制使用。同時，在熱力能源行業的工業互聯網開發和實踐模式可水平推廣到其他行業。
3. 項目目標
將大型熱力生產中心經智能化改造后統一納入綜合監控管理平臺，實現熱能生產過程、生產環境、生產設備、生產用能、和熱能消費的實時監控，構建熱能生產與消費數字模型，實時分析生產與運營數據，動態調整生產工藝參數，保障供熱站安全生產、燃煤能效提升、蒸汽損耗減少、運營效率提高、和工作流程合規，實現全國分布的集中供熱中心集中化監控、數字化運營、精細化管理、和集團化企業總部管理層的智慧化決策等綜合效益，達到減員增效、節省燃煤、降低成本、綠色環保、管理規范的目標，打造合規、安全、綠色、高效、智慧的煤炭熱能產業。具體指標包括：
? 生產數據接入：將整個熱力生產系統主要的2500+個生產過程數據點接入到工業互聯網平臺，進行集中存儲和檢索；
? 生產監控：為熱力生產過程的10+個生產過程子系統提供形象化的監控組態圖，支持通過PC、手機、電視、大屏幕進行查看；
? 故障預警與診斷：提供熱力生產過程常見30種故障的預警、故障診斷和故障恢復建議；
? 智能化生產:提供智能司爐機器人、智能化管網平衡、智能設備運維管理等智能化服務，輔助人工進行生產過程控制和生產管理，將鍋爐燃效提升10%以上、設備故障率降低50%以上；
? 管理信息化：提供工單管理、巡檢管理、能源管理、生產經營分析等信息化管理功能，替代現有的手工紙本作業，人工作業效率提升30%；
二、項目實施概況
1 需求分析
2017 年中國的熱能需求是 55 萬蒸噸/小時，全年熱能消費量為 48 億噸。 隨著 GDP的 增長，年工業熱能需求量增長5.2%，到2022 年工業熱能需求為69萬蒸噸/小時。中國現存工業鍋爐70萬臺，其中燃煤鍋爐46萬臺，燃氣/油/電鍋爐10萬臺，其余為生物質、地熱等新能源鍋爐。
鍋爐的生產控制是整個熱能生產的核心環節，也是最復雜的生產工藝過程，如下圖展示了鍋爐控制的核心抽象：
整個鍋爐控制過程是一個“非線性、強耦合、大延遲”的系統，這種問題對于人的理解和優化操作是無法實現的，即使是使用基于機理的計算模型也很難計算的很清楚，如下圖展示了鍋爐控制的分解環節機器困難點：
目前的熱能生產控制普遍依賴于人工經驗和手工作業，在以下幾個方面問題突出：
1) 粗放式鍋爐控制導致能源浪費
目前熱力中心基本都已實現了基于DCS或PLC的集中式自動控制，然而最關鍵的燃料供給、配風、給水等核心的鍋爐控制操作仍舊依賴于人工。司爐工的經驗高低嚴重影響了鍋爐的燃燒效率。目前行業平均的鍋爐燃燒效率在70%~75%，距離鍋爐額定效率90%仍有較大空間，由于控制不精細導致了15%以上的燃料浪費。
2) 人工環保控制導致環保指標不穩定
環保問題越來越成為社會關注的焦點，熱力中心的環保執行已基本實現自動控制，然而大多數的加藥操作仍舊依賴于人工。“在什么時候加？加多少？”完全依賴于人工的經驗和責任心。由于人工操作的不確定性導致環保排放指標會出現較大波動，給環保監管部門造成工作負擔，同時增加了熱力中心的環保開支。
3) 安全保障缺乏系統性體制
熱力生產是一個對安全性要求極高的行業，熱力生產安全風險項也非常繁多，并且熱力中心的生產事故不僅影響熱力中心自身同時也會帶來非常惡劣的社會影響。目前，行業中普遍缺乏系統性的安全管理體制和標準，每個熱力生產企業根據管理者的經驗自行策劃和制定安全生產管理制度。“安全風險項識別不足”、“安全管理制度不健全”、“應急管理手段缺乏”等問題普遍存在。同時，由于沒有系統性的安全管理體制，導致安全專項資金并沒有被合理的利用。
4) 經營管理信息化水平低
熱力生產企業由于單體規模小、分布比較分散等特點，普遍在信息化建設上缺乏投入，大量的工作仍然依賴于手工和紙本作業。管理流程仍然是紙本流轉方式，經營管理數據靠人工匯總上報。作業效率低、管理風險大、經營數據滯后。
隨著國家政策對節能降耗和環境保護要求的提高，以及行業競爭的加劇，以上這些問題已經成為嚴重制約行業企業發展的問題。熱力生產企業亟待解決。
2 系統架構
系統全面獲取生產工藝全過程的關鍵數據，在云端對生產過程進行數字化建模，再基于數字模型為一線生產執行人員和上層生產管理人員提供各個維度的可視化展示，指導進行生產優化，如下圖所示：
下圖為 全應智慧熱電云工業互聯網平臺的架構圖：
全應智慧熱電云工業互聯網平臺共分為六層：
? 物理層指的是現實物理世界，包括產線、物理環境、信息化系統等，通過傳感器、智能儀表、自動控制系統、信息化系統等將物理世界的事件數字化；
? 邊緣層用于對接物理層的數據，對物理層數據進行采集、匯聚、編碼，并基于物理層數據實現邊緣控制、邊緣應用等；
? IaaS層是提供通用計算、網絡、存儲資源，可以是基于公有云虛擬化資源或基于實際物理環境搭建的私有云環境；全應智慧熱電云工業互聯網平臺基于現有IaaS層技術，并不專門提供IaaS層設施；
? PaaS層體現了全應智慧熱電云工業互聯網平臺的核心能力，包含了一整套大數據平臺體系、基于基礎PaaS技術的微服務基礎體系和云服務體系，以及一整套工業互聯網第三方開發工具集；
? SaaS層是一組基于PaaS層的應用體系，提供了一整套面向云租戶和云管理員的具體應用，這里包含平臺通用微應用和面向行業的微應用插件；通過將微應用進行組裝可以實現多種面向不同用戶的應用系統，包括云租戶的工業APP和面向云后臺的相關管理應用；
? 客戶端提供了若干面向不同用途的客戶端應用運行環境，包括基于瀏覽器的PC客戶端、面向手機和Pad的移動客戶端、面向電視和電視墻的可視化播放器、以及可視化播放器的遙控器；平臺的用戶可以通過這些客戶端對各種SaaS層應用進行使用；
3 應用場景
1) 智能司爐
基于熱能生產關鍵生產工藝過程的歷史運行數據，對給粉機、鍋爐、管網等建立數字孿生和數據模型，能夠通過模型實時對最佳鍋爐參數進行預測，為司爐人員提供最優的操作建議，對各種鍋爐控制進行實時最優化調整，包括：給粉機運行數量、給粉機頻率、一次風機頻率、二次風機頻率、引風機頻率、給水泵頻率、減溫減壓水開度等。如下圖是基于深度學習的鍋爐控制模型：
在鍋爐集控室提供一套電子看板系統，在電子看板上展示司爐相關的關鍵參數，同時定期為司爐工展示司爐建議。如下圖所示：
2) 生產系統監控
為了提高生產的效益和安全，企業的生產管理人員和安全專家需要能夠隨時隨地了解整個生產系統的實時狀態，及時發現系統中的問題，及時進行優化。
生產系統監控應該能夠提供對整個生產工藝過程的實時在線查看；能夠以組態圖的形式對化水的超濾、反滲透、混床，燃燒的水系統、鍋爐系統，環保的除塵、脫硫、脫銷等工藝過程展示重要參數的實時指標，同時能夠以曲線的形式展示各項生產數據的實時趨勢和歷史變化過程。如下圖所示：
基于對生產過程建立的數字孿生和數字模型，對生產過程進行實時監控和預測，對即將發生的故障進行提前預警，并對異常情況進行在線實時診斷，實現故障預警、故障診斷、故障及時恢復，降低故障發生的概率、減少故障的影響時間和范圍。
3) 設備管理
整個生產廠區包含了若干重要生產設備，其中主要的設備有：
? 化水工藝中的重要設備：原水泵、超濾泵、各種過濾器、超濾膜、反滲透增加泵、各種加藥泵、反滲透膜、混床等；
? 鍋爐的重要設備：氮氣罐、給粉機、一次風機、二次風機、引風機、給水泵、除氧器、汽包等；
? 環保系統的重要設備：除塵布袋、噴吹脈沖閥、工藝泵、攪拌泵、循環泵等；
重要設備的持續運行對整個生產過程至關重要，設備的全生命周期管理需要進行數字化、規范化的管理。對每個設備建立設備檔案，從設備采購信息、保養記錄、檢修記錄、備品備件等進行統一全面地管理。保障設備管理員和檢修隊能夠按時準確地對設備提供保養和檢修，確保設備持續穩定運行。
4) 巡檢管理
生產廠區中包含需要安全生產的檢查項，這其中包括安全風險檢查點、設備檢查點、生產工藝檢查點。在生產過程中，需要定時對這些檢查點進行人工巡檢，確保生產安全、設備安全和工藝正常。目前的巡檢管理基本依靠人工到各個巡檢點進行查看，將巡檢觀察的結果使用紙本進行記錄。由于巡檢員的能力、經驗和責任心的不同，容易導致巡檢質量參差不齊、巡檢效果不理想的問題。
為了解決巡檢中存在的問題，需要一套標準化的巡檢設備和巡檢管理系統，達到以下效果：
? 標準化巡檢路線、巡檢項目、巡檢操作規程，確保不同的巡檢人員能夠達到一致的巡檢效果；
? 使用生物識別手段（如指紋）和巡檢位置標識，確保指定的人在指定的時間到指定的點進行巡檢；
? 當巡檢完成后，將巡檢結果及時上報，確保安全生產負責人能夠第一時間獲得巡檢的結果，明確巡檢中發現的問題；
三、下一步實施計劃
全應智慧熱電云作為面向能源行業的工業互聯網平臺系統，將以熱力能源為切入點，繼續接入越來越多的熱力能源生產企業，為熱力能源生產企業提供生產和管理的全面數字化、信息化和智能化服務，并將在熱力能源生產企業的實施經驗復制到上下游產業及其他行業，最終成為面向整個能源行業的工業互聯網云平臺系統。
下一步的實施計劃將分為以下幾個階段：
? 階段一：2019年8月到2020年12月，將熱力能源的工業互聯網方案系統在全國進行推廣，接入不少于100家熱力生產企業，同時基于數據進一步優化目前方案中的管理功能和智能化功能；期間通過已接入客戶逐步接觸上游的燃料生產廠家；
? 階段二：2021年1月到2021年12月，將熱力能源方案在整個行業大量復制，接入不少于1000家熱力生產企業；逐步形成2~3個面向能源行業不同細分領域的工業互聯網解決方案；
? 階段三：2022年1月以后，對已形成的工業互聯網解決方案在整個行業中進行大量復制，同時形成面向整個能源行業的產業互聯網平臺，實現產業鏈的整體優化；
四、項目創新點和實施效果
1 基于數字孿生和數據模型智能化控制和診斷
熱能生產的核心控制工藝過程是“非線性、強耦合、大延遲”的多參數組合優化問題，傳統的基于人工和基于計算模型的優化方法在實踐中都被證實效果不理想，本項目提出了一套基于數字孿生的數據模型，將工業機理、專家知識、機器學習和深度學習技術進行有機融合，有效地對整個生產工藝過程進行個性化建模，基于模型實現生產過程的安全故障預警和診斷、生產工藝控制的智能化優化，實現安全生產、效益提升、節能環保等效果。
2 完備的行業應用體系
基于獲取的數據，通過一系列專門針對熱力站開發的行業APP，為客戶打造了一整套完備的信息化和智能化解決方案。
1) 信息化內容
? 設備管理與維護：通過信息化手段對生產相關設備進行管理，提供設備臺賬、維護保養管理、檢修管理等功能，幫助企業更加有序和條理化地管理設備，降低設備故障導致的生產停機；
? 生產監控：通過對整個生產工藝過程的各個環節進行全程數據監控，及時發現生產中的異常事件，及時控制和修正，降低安全事故的發生；
? 庫存管理：對生產原材料和設備備品備件進行系統化管理，在保障生產的前提下最小化資金占用，幫助企業節省成本和保障生產；
? 能耗分析：通過對生產中主要能源消耗的分項計量和數據統計，發現生產中的能耗占比和趨勢，及時進行針對性的改進，通過降低能源消耗降低企業的總成本；
? 巡檢管理：利用信息化手段規范化巡檢計劃、巡檢執行、巡檢效果評估等環節，幫助企業管理者更好地發揮巡檢在生產安全中的作用；
? 工單管理：利用信息化手段將生產中發生的安全告警、巡檢中發現的安全隱患進行持續追蹤和解決，提高管理的效率；
? 經營分析：將企業的生產、經營數據進行實時統計和多屏可視化展示，幫助企業各級管理者實時掌握企業的生產經營情況，及時作出決策，提高企業的管理效益；
2) 智能化內容
? 智能司爐：司爐是熱力行業最核心的生產過程，司爐的優劣直接影響到安全和效益；智能司爐是通過對司爐過程建立智能模型，利用大數據技術對司爐過程進行持續優化，從而提高生產的效益，降低成本；
3 成功案例
全應科技的全應智慧熱電云管理系統已經于2018年5月起應用于陜西煤業化工新型能源公司。
陜西煤業化工新型能源公司是以煤炭清潔利用技術為核心，多能優勢互補為原則，為工業園區及民用提供熱能整體解決方案服務商。
全應科技智慧熱電云管理系統，把集中供熱中心經智能化改造后統一納入云平臺在線運營，實現熱能生產過程、生產環境、生產設備、生產用能、和熱能消費的實時監控，構建熱能生產與消費數字模型，實時分析生產與運營數據，動態調整生產工藝參數，保障供熱站安全生產、燃煤能效提升、蒸汽損耗減少、運營效率提高、和工作流程合規，實現全國分布的集中供熱中心集中化監控、數字化運營、精細化管理、和智慧化決策等綜合效益，達到減員增效、節省燃煤、降低成本、綠色環保、管理規范的目標，打造合規、安全、綠色、高效、智慧的煤炭熱能產業，實現保衛藍天的社會責任。
? 安全性提升50%：實時采集機器設備運行數據與生產環境數據，在線智能診斷生產安全指數，發現不安全因素及時報告，并預測下一階段的生產安全性，全方位保障生產過程安全可靠。
? 燃燒效率提升8%：全面收集工業生產中每道生產工序的機器執行、時間消耗、人工作業、與物料數據，構建人-機-料-法四位一體的生產數字模型。大數據系統及時發現產能瓶頸，人工智能系統實時反饋最優生產參數。 全面提升生產效率。
? 損耗降低50%：在線監控每道生產工序執行結果，與工藝參數實時對標，第一時間發現并鎖定殘次品產生的工位與原因，阻止殘次品流入下一道工序，協助品管人員和產線工人快速調整與修正。 全面保障高品質產品生產。
? 成本降低15%：全面整合工業生產數據與企業運營數據，構建企業統一數據平臺，實時分析企業運營關鍵指標，全方位感知企業運營狀態，廣域協同聯動，高效運營決策； 最終實現企業數字化運營，精細化管理，和智慧化決策的目標，從根本上提升企業市場競爭力。