·118 工程科学学报，第39卷，第1期 因此，铁素物质流沿着由制造流程的工序/工位设 生产过程的能源进行管理分配，并辅助企业能源决策. 备制造单元构成的制造流程网络运动.主要工序设 目前，企业的能源管理系统基本都是相对独立的信息 备，如各种治金反应器和钢铁产品制备加工设备（焦 系统，与生产指挥及执行系统仅有限关联. 炉、高炉、转炉、铸机、加热炉、轧机等)，构成制造流程 具体而言，企业资源计划系统是面向整个企业运 网络中物质流通过的网络节点.在冶金环节为满足治 营的信息化管理系统，一般包括了生产控制（计划和 金工艺要求还需涉及辅材的加入（辅材的物流），以及 制造)、物流管理（分销、采购和库存）和财务、人力资 各种备品备件等物流，这些铁素物质流之外的物流可 源管理等功能模块，涉及物质流、能量流、资金流等的 在生产物流运行中暂不考虑.铁素流的治金加工过 计划控制，通过以销定产的方式制定生产计划、资源计 程，会伴随能量消耗或二次能源产生，并且各种能量因 划等，并对钢铁制造流程进行总体安排和系统控制. 形式不同而构成不同的能量流网络.尽管铁素流携带 制造执行系统是一个分厂及车间级的制造执行系统， 有大量能量（如热烧结矿和焦炭、高温铁水、高温钢水 考虑制造过程的资源平衡与生产计划实施，注重产品 和高温钢坯)，但这部分能量除在主物流加工运行过 和批次，在钢铁生产中通过制造过程（炼铁一炼钢一 程中被直接利用之外的部分暂不考虑进人能量流系 精炼一连铸一轧制等)各工序及主体设备来进行生产 统.一般只考虑能独立成体系的能量流网络，主要涉 实施及管理，与企业资源计划系统协调流程的运行控 及不同煤气的产生一分类一储存一利用系统、电力系 制，并负责收集生产执行的相关信息，是生产管理与控 统、气体及动力分类制备与调节系统等能量流系统.制活动信息集成的关键点，也是协调上层企业资源计 电力子网络为生产过程中绝大部分设备的正常运行提 划系统与下层制造单元设备过程控制的桥梁.过程控 供动力，满足各生产设备、动力设备、辅助设备等的用 制系统聚焦于具体的冶金或加工生产过程，主要负责 电需求，企业通过购买外部电能或利用企业自身煤气、 流程各主要工序的工位设备上的生产工艺过程控制、 余热和余压发电，从而形成电力子网络.在煤气子网 生产数据采集、流程的运行管控指令执行等，确保具体 络中，焦炉、高炉和转炉通过物理、化学反应及物质变 生产过程顺利进行.能源管理系统是针对生产运行过 化分别产生焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气，这些单元 程中的能源利用进行分散控制和集中管理的信息化管 设备既是用能设备，也是二次能源的各种煤气产品的 理系统，与企业资源计划系统、制造执行系统和过程控 产生设备，煤气能源产品的产生、流动与应用形成了煤 制系统都相关联，对钢铁生产中的产能设备和用能设 气子网络，煤气主要用于设备加热，富余的煤气可用于 备进行实时监控，采集能源信息，加工、分析和处理，有 发电.钢铁企业还需要一些特殊气体及动力的保证， 效预测能源使用，并制定合理的能源需求计划，提高能 如氧气、氨气、氢气和压缩空气，通过各自的运输管道 源管理水平及利用效率 向高炉、转炉、精炼炉等单元设备提供满足生产工艺过 流程中主要工序的工位设备是生产系统与能源系 程需要的气体.另外，在生产运行过程中也会有蒸汽 统的主要监控对象，构成生产执行、能源消耗及二次能 (余热锅炉产生)、余压（高炉炉顶）等余热余能的产生 源产生和数据采集的基础，也是生产系统与能源系统 及利用问题，不同种类的气体分类形成动力子网络，其 信息交互和协同的基础.能源系统会涉及对所有用能 中的余热和余压也可用于发电而进入电力子网络.不 与产能设备的监控.但是，当前钢铁企业的生产管控 同能源介质构成的各能量子网络也在制造流程的主体 与能源的信息化系统大多独立建设，在运行过程中缺 工序及工位设备的制造单元交汇，为满足工艺需要而 乏信息交互，存在生产、能源与资源的供应不匹配等问 相互协调 题，导致能源难以按需供给和有效利用.因此，需要寻 2.2钢铁企业主要信息化系统 求有效的协同优化方法、建立协同优化机制，加强生产 钢铁制造过程物质流和能量流的运行情况及生产 与能源信息系统之间的沟通，以促进物质流和能量流 控制信息都是借助企业信息系统来表达，通过信息系 的协同优化，提高生产效率和能源利用效率 统的信息流来指导生产顺行及能源有效利用.在钢铁 3钢铁制造流程中物质流和能量流的协同 企业的生产运行管理层面，信息化系统如图1所示，一 般包括企业资源计划系统、制造执行系统、过程控制系 3.1制造单元上的协同 统(process control system,PCS)、能源管理系统等.企 在由制造流程工序的工位设备构成的制造流程网 业资源计划系统、制造执行系统和过程控制系统分别 络节点上，铁素流的治冶金或加工过程中发生了化学和 自上而下的对应为制造企业生产运营的决策层、控制 物理变化，存在物料、能源的消耗和转换.对于任意一 层和执行层，是生产工艺系统管理和生产实施控制的 个工位设备，进行流入、流出的物质变换和能量分析， 信息化系统：而能源管理系统是产能和用能设备监控 可得到该工位设备的物质和能量耦合关系，如图2所 及能源管理的信息系统，负责能源数据的采集，对整个 示.设任一工序i（假设共有n个工序，i=1,2,…,n)工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 因此,铁素物质流沿着由制造流程的工序/ 工位设 备制造单元构成的制造流程网络运动. 主要工序设 备,如各种冶金反应器和钢铁产品制备加工设备(焦 炉、高炉、转炉、铸机、加热炉、轧机等),构成制造流程 网络中物质流通过的网络节点. 在冶金环节为满足冶 金工艺要求还需涉及辅材的加入(辅材的物流),以及 各种备品备件等物流,这些铁素物质流之外的物流可 在生产物流运行中暂不考虑. 铁素流的冶金加工过 程,会伴随能量消耗或二次能源产生,并且各种能量因 形式不同而构成不同的能量流网络. 尽管铁素流携带 有大量能量(如热烧结矿和焦炭、高温铁水、高温钢水 和高温钢坯),但这部分能量除在主物流加工运行过 程中被直接利用之外的部分暂不考虑进入能量流系 统. 一般只考虑能独立成体系的能量流网络,主要涉 及不同煤气的产生—分类—储存—利用系统、电力系 统、气体及动力分类制备与调节系统等能量流系统. 电力子网络为生产过程中绝大部分设备的正常运行提 供动力,满足各生产设备、动力设备、辅助设备等的用 电需求,企业通过购买外部电能或利用企业自身煤气、 余热和余压发电,从而形成电力子网络. 在煤气子网 络中,焦炉、高炉和转炉通过物理、化学反应及物质变 化分别产生焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气,这些单元 设备既是用能设备,也是二次能源的各种煤气产品的 产生设备,煤气能源产品的产生、流动与应用形成了煤 气子网络,煤气主要用于设备加热,富余的煤气可用于 发电. 钢铁企业还需要一些特殊气体及动力的保证, 如氧气、氮气、氦气和压缩空气,通过各自的运输管道 向高炉、转炉、精炼炉等单元设备提供满足生产工艺过 程需要的气体. 另外,在生产运行过程中也会有蒸汽 (余热锅炉产生)、余压(高炉炉顶)等余热余能的产生 及利用问题,不同种类的气体分类形成动力子网络,其 中的余热和余压也可用于发电而进入电力子网络. 不 同能源介质构成的各能量子网络也在制造流程的主体 工序及工位设备的制造单元交汇,为满足工艺需要而 相互协调. 2郾 2 钢铁企业主要信息化系统 钢铁制造过程物质流和能量流的运行情况及生产 控制信息都是借助企业信息系统来表达,通过信息系 统的信息流来指导生产顺行及能源有效利用. 在钢铁 企业的生产运行管理层面,信息化系统如图 1 所示,一 般包括企业资源计划系统、制造执行系统、过程控制系 统(process control system, PCS)、能源管理系统等. 企 业资源计划系统、制造执行系统和过程控制系统分别 自上而下的对应为制造企业生产运营的决策层、控制 层和执行层,是生产工艺系统管理和生产实施控制的 信息化系统;而能源管理系统是产能和用能设备监控 及能源管理的信息系统,负责能源数据的采集,对整个 生产过程的能源进行管理分配,并辅助企业能源决策. 目前,企业的能源管理系统基本都是相对独立的信息 系统,与生产指挥及执行系统仅有限关联. 具体而言,企业资源计划系统是面向整个企业运 营的信息化管理系统,一般包括了生产控制(计划和 制造)、物流管理(分销、采购和库存) 和财务、人力资 源管理等功能模块,涉及物质流、能量流、资金流等的 计划控制,通过以销定产的方式制定生产计划、资源计 划等,并对钢铁制造流程进行总体安排和系统控制. 制造执行系统是一个分厂及车间级的制造执行系统, 考虑制造过程的资源平衡与生产计划实施,注重产品 和批次,在钢铁生产中通过制造过程(炼铁—炼钢— 精炼—连铸—轧制等)各工序及主体设备来进行生产 实施及管理,与企业资源计划系统协调流程的运行控 制,并负责收集生产执行的相关信息,是生产管理与控 制活动信息集成的关键点,也是协调上层企业资源计 划系统与下层制造单元设备过程控制的桥梁. 过程控 制系统聚焦于具体的冶金或加工生产过程,主要负责 流程各主要工序的工位设备上的生产工艺过程控制、 生产数据采集、流程的运行管控指令执行等,确保具体 生产过程顺利进行. 能源管理系统是针对生产运行过 程中的能源利用进行分散控制和集中管理的信息化管 理系统,与企业资源计划系统、制造执行系统和过程控 制系统都相关联,对钢铁生产中的产能设备和用能设 备进行实时监控,采集能源信息,加工、分析和处理,有 效预测能源使用,并制定合理的能源需求计划,提高能 源管理水平及利用效率. 流程中主要工序的工位设备是生产系统与能源系 统的主要监控对象,构成生产执行、能源消耗及二次能 源产生和数据采集的基础,也是生产系统与能源系统 信息交互和协同的基础. 能源系统会涉及对所有用能 与产能设备的监控. 但是,当前钢铁企业的生产管控 与能源的信息化系统大多独立建设,在运行过程中缺 乏信息交互,存在生产、能源与资源的供应不匹配等问 题,导致能源难以按需供给和有效利用. 因此,需要寻 求有效的协同优化方法、建立协同优化机制,加强生产 与能源信息系统之间的沟通,以促进物质流和能量流 的协同优化,提高生产效率和能源利用效率. 3 钢铁制造流程中物质流和能量流的协同 3郾 1 制造单元上的协同 在由制造流程工序的工位设备构成的制造流程网 络节点上,铁素流的冶金或加工过程中发生了化学和 物理变化,存在物料、能源的消耗和转换. 对于任意一 个工位设备,进行流入、流出的物质变换和能量分析, 可得到该工位设备的物质和能量耦合关系,如图 2 所 示. 设任一工序 i (假设共有 n 个工序,i = 1,2,…,n) ·118·