智能司爐APP
一、企業(yè)簡介
上海全應科技有限公司，簡稱全應科技（ALLSENSE），成立于2016年，創(chuàng)始人為工業(yè)智能專家夏建濤博士，是一家聚焦熱電生產過程智能化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新型企業(yè)，是我國熱電行業(yè)智能化的開創(chuàng)者與領導者。公司為上海市雙軟認證企業(yè)和高新技術企業(yè)。
全應科技自主研發(fā)的全應熱電云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺已經(jīng)獲得28項知識產權、2項專利。自2018年以來，已經(jīng)為華東地區(qū)、華北地區(qū)、華中地區(qū)、西北地區(qū)等多家知名熱電生產企業(yè)和城市供熱公司提供智能在線運行優(yōu)化服務。
目前，公司員工已有120多人，60%以上都是研發(fā)部員工（其中核心技術團隊主要由： 人工智能專家+熱動專家+大數(shù)據(jù)專家+云計算專家+熱控專家組成，15% 業(yè)務、營銷人員。20%工程部人員以及5%行政支持人員等。
二、工業(yè)APP簡介
（一）、問題定位
我國的能源結構特點是多煤少油少氣，火力發(fā)電占據(jù)全國發(fā)電量的60%以上。因為熱電聯(lián)產的高效特性，我國近年來大力發(fā)展熱電聯(lián)產。其中燃煤熱電聯(lián)產應用最為廣泛。
隨著自動化技術的快速發(fā)展應用，我國的燃煤熱電聯(lián)產普遍應用了DCS系統(tǒng)來監(jiān)控和運行生產系統(tǒng)。部分簡單的生產過程，比如汽包給水過程，通過PID邏輯自動運行。
但是對于系統(tǒng)級的多參數(shù)控制和燃燒/脫硝等大延遲控制場景， 以PID為主的控制技術無法做出正確的生產執(zhí)行決策和有效地進行自動運行，仍廣泛依賴運行人員的經(jīng)驗和現(xiàn)場實時控制，運行人員自主決策，并手動將調控指令通過DCS系統(tǒng)進行下達和執(zhí)行。
這樣的人工+DCS控制模式中，在煤炭熱值和用戶負荷都大幅波動的場景下，運行人員的經(jīng)驗決策很難精準尋找到最優(yōu)生產控制參數(shù)，造成生產控制不穩(wěn)定，生產效率較為低下的結果。
智能司爐工業(yè)APP將為熱電生產企業(yè)帶來節(jié)能降耗、安全提升、排放降低、人力需求降低的綜合價值：
1.節(jié)能降耗
智能司爐工業(yè)APP的核心價值是幫助熱電生產企業(yè)節(jié)能降耗，通過建立生產過程數(shù)字孿生模型，精準匹配供需關系，讓多個設備運行在最高效率區(qū)間等，實現(xiàn)端到端的運行效率提升。
通過多方面的節(jié)能優(yōu)化，預計總體提升熱電生產企業(yè)運行能效2-5%，將為熱電生產企業(yè)每年節(jié)約燃煤成本500萬元以上。
2.安全提升
對全系統(tǒng)狀態(tài)全面監(jiān)盤和控制，并通過語音及時報告，避免運行人員疏忽遺漏和誤操作。將運行異常實時通知專工和生產管理層，以便管理層及時指導操作。對發(fā)生的異常基于數(shù)據(jù)進行智能診斷，對歷史異常進行統(tǒng)計分析，識別重大隱患，全方位提升熱電廠運行安全等級。
3.排放降低
燃煤量的減少必然會帶來二氧化碳、氮氧化物等污染物排放的等量降低， 同時全應熱電云系統(tǒng)可以更好的控制燃燒，降低氮氧化物初始生成量，減少化學藥劑的用量。有效提升熱電廠環(huán)保達標能力。
人力需求降低
運行人員跟隨智能司爐工業(yè)APP的推薦值進行操作，會極大的降低對運行人員經(jīng)驗的依賴，減輕運行人員的操作壓力和工作量，提升運行班組工作效率。
（二）、創(chuàng)新點
智能司爐工業(yè)APP以“數(shù)字孿生”為基礎，引入知識智能（熱能工業(yè)機理、專家知識）和數(shù)據(jù)智能（機器學習、深度學習），實現(xiàn)預測、診斷、仿真能力，達到對熱電生產全過程精準控制、精準維護、精準運營。
智能司爐通過建立鍋爐的數(shù)字孿生，將智能調度計算的最佳運行調度策略分解到鍋爐部分的控制目標進行分解和優(yōu)化控制，在達到鍋爐控制目標的前提下，保證鍋爐運行的安全、高效、環(huán)保。
在智能司爐看板上，人工智能應用會直接提示給煤、給風等關鍵控制參數(shù)的具體控制指令，例如給煤機的頻率、一二次風機的頻率、風門的開度等。司爐人員根據(jù)給出操作提示進行司爐，即可以在安全平穩(wěn)運行的基礎上，達到能效最優(yōu)，NOx初始排放最低的效果。
（三）、功能介紹
鍋爐燃燒優(yōu)化
鍋爐燃燒是一個復雜的系統(tǒng)，包含了給煤、配風、環(huán)保等多個方面，需要同時將主汽壓力、排煙氧含量、排煙溫度、爐膛溫度、爐膛壓力等參數(shù)控制到合適。同時還需要平衡排煙熱損失和未燃燒熱損失，對各種控制參數(shù)進行尋優(yōu)，以盡可能提高鍋爐的運行效率。然而，在實際運行中，運行人員幾乎無法在保障供需平衡的情況下對系統(tǒng)進行尋優(yōu)和精準控制。
全應熱電云系統(tǒng)基于人工智能、云計算和大數(shù)據(jù)計算技術，通過建立的鍋爐數(shù)字孿生模型，根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)在不同負荷段下對鍋爐運行參數(shù)進行實時熱態(tài)尋優(yōu)，并且通過精準地調整鍋爐的各種控制量，使鍋爐運行在最優(yōu)參數(shù)，從而實現(xiàn)鍋爐運行能效的最大化。
（四）、功能和技術指標優(yōu)勢
指標1：提升熱電生產效率2%以上：
通過建立生產過程數(shù)字孿生模型，精準匹配供需關系，讓多個設備運行在最高效率區(qū)間等，實現(xiàn)端到端的運行效率提升。通過多方面的節(jié)能優(yōu)化，預計總體提升熱電生產企業(yè)運行能效2-5%，將為熱電生產企業(yè)每年節(jié)約燃煤成本500萬元以上。
三、技術方案說明
（一）、工業(yè)APP架構
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是實現(xiàn)智能制造的路徑，是將物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進信息化技術與工業(yè)生產相融合的具體形式，即“兩化融合”中的信息化。
熱能生產的智能化也需要借助于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。熱能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺除了通用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的基礎元素外，還包括了針對熱能行業(yè)特有的組件。如下圖展示了全應熱電云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺+智能司爐工業(yè)APP的架構：
該平臺分為以下幾層：
物理層：代表實際生產系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來源和控制接口，包括物理系統(tǒng)的傳感器、智能儀表、自動控制系統(tǒng)，和各種信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、文件等。
邊緣層：邊緣層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的最底層，實現(xiàn)與物理層系統(tǒng)的對接以及現(xiàn)場的計算和控制等，包括對接傳感器的物聯(lián)網(wǎng)采集器、對接智能儀表和自動控制系統(tǒng)的IoTGateway、對接信息化系統(tǒng)的DataHub、邊緣計算和控制的邊緣計算控制服務器。
IaaS層：云端基礎設施層，提供了云端系統(tǒng)的基礎軟硬件資源，包括計算資源、網(wǎng)絡資源、存儲資源、操作系統(tǒng)資源等。
PaaS層：云端平臺層，提供了面向工業(yè)的工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)微服務和交付工具等。該層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心層，其中工業(yè)大數(shù)據(jù)提供了面向工業(yè)的時間序列數(shù)據(jù)引擎、實時計算數(shù)據(jù)引擎、數(shù)據(jù)緩存引擎、數(shù)據(jù)檢索引擎等。工業(yè)微服務提供了基于容器化管理的各種基礎服務和各種微服務管理引擎等。面向熱能生產，該層提供了面向熱能生產的數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)預處理組件、數(shù)據(jù)分析組件，以及面向熱能生產的公共微服務。在開發(fā)工具部分，提供了面向熱能生產的組態(tài)工具、報表工具等。
SaaS層：基于PaaS層提供的平臺基礎設施，提供面向熱能生產的各種業(yè)務應用。
客戶端層：提供基于PC、TV、大屏幕、手機等多終端客戶端，為不同角色、不同場景、不同應用提供最佳適配 。
除此之外，信息安全是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中非常重要的能力，一套貫穿邊緣端到云端的安全與運維監(jiān)控系統(tǒng)保障了整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的穩(wěn)定運行和信息安全。
（二）、工業(yè)APP關鍵技術
智能司爐運行優(yōu)化的最關鍵技術就是數(shù)字孿生技術，通過數(shù)字孿生技術可以精準地在數(shù)字世界里模擬現(xiàn)實世界的生產系統(tǒng)。結合數(shù)字孿生可以對生產系統(tǒng)進行預測、仿真、診斷，進而對實現(xiàn)尋優(yōu)和故障處理。
數(shù)字孿生技術最關鍵的是“精準“，因為如果模擬的不精準，就會導致預測、仿真、診斷出現(xiàn)偏差，進而導致尋優(yōu)和故障處理錯誤。所以，如何能夠精準地模擬每一套/臺個性化系統(tǒng)和設備的運行規(guī)律是極其困難的。全應熱電云面向熱電系統(tǒng)的數(shù)字孿生體系，通過有機地將工業(yè)機理/專家知識和數(shù)據(jù)統(tǒng)計/機器學習技術進行融合，既體現(xiàn)了同類型系統(tǒng)的通用特性，又能兼顧每個系統(tǒng)的個性化特性，極好地平衡了模型的準確性和泛化能力，能夠非常精準地模擬每套生產系統(tǒng)的運行規(guī)律。數(shù)字孿生技術支撐智能司爐APP的核心計算模型的實現(xiàn)。
四、應用情況描述
（一）、應用場景描述
本APP適用于工業(yè)園區(qū)集中供熱熱電廠、大型化工、造紙等流程制造企業(yè)自備熱電廠、城市集中供熱熱源廠等。
這些熱電生產企業(yè)燃煤品質波動大、負荷波動大，運行控制依賴運行人員工作經(jīng)驗，總體生產效率低，供汽品質不穩(wěn)定。
智能司爐工業(yè)APP可以為這些熱電生產企業(yè)提供智能生產參數(shù)尋優(yōu)，提高生產效率。
（二）、商業(yè)化情況
江蘇紅豆集團熱電廠始建于2001年，為集團內部企業(yè)生產供熱和部分供電，并向周邊其它企業(yè)、商業(yè)、民用供熱。
熱電廠生產系統(tǒng)主要包括2臺110t/h的高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐和1臺130t/h的高溫高壓煤粉爐，以及總容量為38MW的4臺汽輪機發(fā)電機組，是典型的母管制熱電聯(lián)產生產系統(tǒng)。下游通過7條供熱管線為140余家工業(yè)客戶進行供熱和供電。
園區(qū)除熱電廠外，還建設了太陽能發(fā)電互補和峰谷電儲能系統(tǒng)以提高綜合能源使用效率。
因為下游企業(yè)用熱波動頻繁且波動范圍大、生產機組配置復雜、燃煤熱值波動等因素，而且人工運行很難精準跟隨用戶需求變動，造成鍋爐燃燒控制不穩(wěn)定、供需不平衡，運行效率較低等挑戰(zhàn)。
全應科技與紅豆熱電廠于2019年7月達成合作，全應熱電云于2019年9月在紅豆熱電廠開始上線運行，主要提供了智能調度、智能司爐、智能司機、生產監(jiān)控、告警管理、工單管理和經(jīng)營分析等功能。
其中智能調度、智能司爐和智能司機模塊，主要為值長、鍋爐運行人員和汽機運行人員提供人工智能生產參數(shù)建議，提升鍋爐、汽機、雙減等全廠綜合運行效率，為企業(yè)節(jié)能降耗。
生產監(jiān)控、告警管理、工單管理、經(jīng)營分析主要為運行人員、運行管理人員、中層和高層管理人員提供信息化工具，提升管理效率，提升決策水平。
通過對比上線前后熱電廠生產報表數(shù)據(jù)，綜合運行效率提升4.5%以上，為企業(yè)大大降低了燃煤成本，年收益600萬元以上。
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