淺談鋼鐵冶金企業(yè)能源管理系統(tǒng)的設計與應用

時間：2020-09-04

摘要：介紹了中國鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)(EMS)的應用現(xiàn)狀，在對現(xiàn)有的鋼鐵企業(yè)EMS進行實地調研和總結的基礎上，針對鋼鐵生產過程能耗的特點完成了鋼鐵企業(yè)EMS的需分析、架構設計和系統(tǒng)各個模塊功能的開發(fā)工作。通過管理和優(yōu)化能源使用，實現(xiàn)了鋼鐵生產過程的管控一體化，從而降低了鋼鐵企業(yè)的生產能耗，提高了企業(yè)的市場競爭力。

關鍵詞：鋼鐵企業(yè);能源管理系統(tǒng);能耗;管控一體化

引言

隨著世界范圍內工業(yè)革命的爆發(fā)，各種能源的消耗越來越大。從現(xiàn)今**范圍看來，能源問題已是重中之重，世界都在提倡節(jié)能環(huán)保。而從耗能方面來看，企業(yè)耗能大、浪費多等給社會造成很大負擔，同時對企業(yè)自身的發(fā)展也帶來了不利的影響。企業(yè)不能僅靠提高設備利用率或降低能耗來節(jié)約資源，而應該對這些設備進行監(jiān)控與管理，將能源的計劃和消耗信息進行管理，從而達到節(jié)能減排的效果。

能源管理系統(tǒng)(EMS)能夠對能耗數(shù)據(jù)進行分析和整理，對能源用量、能耗成本進行分攤，同時生成各種關鍵能耗指標并根據(jù)系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)進行需求側管理，從而發(fā)現(xiàn)生產過程中能源的浪費。在企業(yè)的能源管理中，中國鋼鐵企業(yè)仍以相對落后的管理方式為主，己經不能夠適應當前鋼鐵生產的大型化、高速化和激烈市場競爭的需要。

1 鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)的需求分析

鋼鐵企業(yè)的EMS可以把分散的能源信息，利用水、蒸汽、風、電、煤、氣等各種能源計量設備，實現(xiàn)能源信息的統(tǒng)一匯總，并進行計算和分析，通過數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，科學地得出每天、每周、每月、每季、每年各個生產工序的能源消耗，從而科學地得出節(jié)能操作指導報告，從中挖掘節(jié)能潛力，為能源管理提出科學依據(jù)。EMS根據(jù)分析節(jié)能效果的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)主觀和客觀控制額外節(jié)能，幫助企業(yè)實現(xiàn)能源管理、節(jié)能降耗、降低成本、提高生產效益的目的。

2 鋼鐵企業(yè)EMS的架構設計

2.1 總體架構設計

鋼鐵企業(yè)的EMS采用EMS采用C/S與 B/S相結合的系統(tǒng)架構，整個系統(tǒng)框架以及應用均采用 C/S模式，其后臺數(shù)據(jù)流采用 B/S架構。系統(tǒng)的關鍵設備包括歷史數(shù)據(jù)庫服務器、實時數(shù)據(jù)庫服務器、含Web Service的應用服務器、I/O服務器、環(huán)保服務器。各類操作HMI，PLC，網絡交換機等。其中，歷史數(shù)據(jù)庫服務器、實時數(shù)據(jù)庫服務器和應用服務器全部為冗余置，為集群系統(tǒng)。

EMS網絡架構按標準的三層結構設置。即**層、匯聚層和接入層。其中**層為冗余配置，**層交換機為異地設置。同時，EMS設置現(xiàn)場工業(yè)以太環(huán)網，用于連接區(qū)域前置PLC、環(huán)保采集子站等設備。

圖1 EMS總體架構設計示意

2.2 硬件架構設計

鋼鐵企業(yè)EMS的設計運用了軟件設計中常用的分層設計思想。將EMS劃分為3個層次，其硬件架構設計，從下至上依次為數(shù)據(jù)感知層、傳輸層、應用層。

圖2 鋼鐵企業(yè)EMS的硬件架構示意

1)感知層。感知層主要利用現(xiàn)場各類傳感設備。例如液位傳感器、智能電表、風口溫度傳感器、濕度傳感器、鼓風壓力傳感器等，采集EMS所需的各類能源數(shù)據(jù)。以鋼鐵生產過程中高爐煉鐵供料系統(tǒng)為例，采集的參數(shù)包括：礦石(O)庫存量、焦炭(C)庫存量、供料開始時間、持續(xù)時間、礦批料長、焦批料長、供料速度等。

2)傳輸層。鋼鐵企業(yè)EMS的傳輸層設計是根據(jù)生產管理、生產過程和僻生產系統(tǒng)的功能需求，傳輸使用串行總線技術以及工業(yè)以太網技術架構建設。目前，鋼鐵企業(yè)生產管理中比較常用的工業(yè)串行總線技術是采用RS4-85電氣標準和Modbus通信協(xié)議。其特點就是實施起來比較簡單實用，并且目前大多數(shù)重工業(yè)企業(yè)的現(xiàn)場傳感器都支持RS-485與Modbus協(xié)議。

3)應知層。應用層提供了鋼鐵企業(yè)生產過程中能源消耗數(shù)據(jù)的采集、能源消耗數(shù)據(jù)的多維分析、匯總報表、生產優(yōu)化、生產配料管理與系統(tǒng)后臺管理等多項功能。通過能源數(shù)據(jù)采集匯總，可以幫助企業(yè)生產管理者了解鋼鐵業(yè)各計量點能源的使用情況，并幫助企業(yè)管理實現(xiàn)鋼鐵生產過程能源優(yōu)化調度，從而配置的入料參數(shù)使系統(tǒng)**較好的管理和節(jié)能效果。有利于實現(xiàn)鋼鐵生產過程的管控一體化。

2.3 軟件架構設計

鋼鐵企業(yè)的EMS的軟件架構主要分5個部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)中間件、功能應用和數(shù)據(jù)展示。

1)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要通過兩種方式：儀表計量，通過智能電力儀表、智能水表、燃氣表等未端采集裝置采集各種能耗數(shù)據(jù);人工錄入，通過手動錄入的方式獲取設備信息、產量等數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)倉庫。系統(tǒng)建立對應不同視角的數(shù)據(jù)模型，并生成相應的數(shù)據(jù)倉庫，供EMS進行數(shù)據(jù)分析及評估。

3)數(shù)據(jù)中間件。提供數(shù)據(jù)抽取及校驗、數(shù)據(jù)報表定時生成、數(shù)據(jù)權限分配管理、系統(tǒng)配配、計量儀表等各種基礎服務。

4)功能應用。主要給用戶提供不同的業(yè)務功能模塊。呈現(xiàn)鋼鐵廠的能耗分析情況，并對能耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析處理，幫助企業(yè)管理者尋找能耗漏洞，制訂生產計劃和節(jié)能方案。

5)數(shù)據(jù)展示。系統(tǒng)提供多種靈活的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，支持包括工作站電腦、手機、平板等訪問方式，并針對操作人員、管理人員、**等不同類型用戶的需求及權限顯示相心功能界面，便于用戶隨時隨地地了解相關能耗信息。

3 鋼鐵企業(yè)EMS的主要功能

鋼鐵企業(yè)的EMS功能從總體上分為兩大部分：監(jiān)視與遠程控制功能;能源管理功能。監(jiān)視與遠程控制功能主要包括：能源介質過程數(shù)據(jù)監(jiān)視、能源設備及主要工序運轉狀態(tài)監(jiān)視、能源設備遠程控制、大屏幕顯示。能源管理功能主要包括：能源計劃編制、能源實績管理及質量管理、能源運行支持與調度、能源沒備管理等。能源信息處理、能源故障處理是輔助功能。

圖 4 鋼鐵企業(yè)EMS功能架構示意

4 應用效果

鋼鐵企業(yè)EMS投入實際運行后帶來諸多盜處。主要有以下幾點：

1)提高勞動生產率。由于部分車間實現(xiàn)**并成立集中調度中心，這樣減少了動力系統(tǒng)定員。

2)節(jié)能效益。利用水、蒸汽、風、電、煤、氣等各種能源計量設備，實現(xiàn)能源信息的統(tǒng)一匯總、計算、分析，提高能源介質的利用效率，使用該系統(tǒng)綜合節(jié)能可達20%左右。

3)環(huán)保效益。能源消耗量減少，工業(yè)生產廢氣排放量降低，為節(jié)能減排、創(chuàng)建綠色工廠做出貢獻。

4)提高了能源管理水平。公司及各生產廠**能根據(jù)網上的實時數(shù)據(jù)進行生產決策，為**決策提供了實時性和科學性參考。能源管理中心的建立使各生產廠能及時向公司匯報實時情況，避免了錯報、漏報、瞞報等情況的發(fā)生。

5)為建立績效考核方案提供參考。工業(yè)生產型企業(yè)進行生產排班，靈活設置每個班組的生產時間段，自動導入或手工輸入班組產量，能耗系統(tǒng)統(tǒng)計每個班組的總能耗和單，橫向比較班組用能情況，有利于建立績效考核方案。

5 安科瑞工業(yè)能耗管理平臺介紹

5.1 平臺架構介紹

安科瑞能源管控系統(tǒng)采用分層分布式網絡結構，具有良好的可靠性與實時性，主要由現(xiàn)場設備層(能源計量終端)、通訊管理層(通訊管理終端)和主站層(能源監(jiān)控平臺)三個部分組成。

以上三個部分分別貫穿整個系統(tǒng)的全部結構。能源管理系統(tǒng)總體設計結構按照能源管理的基本結構設計，滿足以上三部分的同時，增加了部分分析、監(jiān)控、決策和發(fā)布平臺。

圖5 工業(yè)能耗管理平臺架構組成

5.2 平臺功能介紹

圖6 工業(yè)能耗管理功能示意圖

5.2.1可視化展示

展示企業(yè)各類能耗總量、折標值、能源成本、能源消耗趨勢、分項能耗占比、區(qū)域能源消耗對比,以及當前天氣情況、污染情況，并三維展示企業(yè)重要工藝或工段的能源消耗動態(tài)。

5.2.2實時監(jiān)控

對企業(yè)各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠實時的監(jiān)測各個點位的運作情況，同時能較快速的掌握點位的報警。

5.2.3用能統(tǒng)計

從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、生產工藝/工段時間、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對企業(yè)用能統(tǒng)計、同比、環(huán)比分析、折標對比，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

5.2.4單耗統(tǒng)計

與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，通過產品產量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析。以便企業(yè)能夠根據(jù)產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

5.2.5績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區(qū)域、產線、工段等進行日、周、月、年、*時段，結合能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內部能效水平和節(jié)能潛力。

5.2.6能耗預測

通過對企業(yè)生產工藝、生產設備等的能耗使用情況進行分析，建立能耗計算模型，根據(jù)人工智能算法對數(shù)據(jù)和模型進行修正，對未來企業(yè)能耗趨勢進行預測分析，為節(jié)能提供有效的決策依據(jù)。

5.2.7運行監(jiān)測

系統(tǒng)對區(qū)域、工段、設備能源消耗進行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測設備及工藝運行狀態(tài)，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統(tǒng)一次運行監(jiān)視?？芍苯訌膭討B(tài)監(jiān)測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數(shù)據(jù)，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。

5.2.8分析報告

以年、月、日對企業(yè)的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行統(tǒng)計分析，讓用戶了解系統(tǒng)的運行情況，并為用戶提供數(shù)據(jù)基礎，方便用戶發(fā)現(xiàn)設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節(jié)能潛力。

5.2.9移動端支持

APP支持Android、IOS操作系統(tǒng)，方便用戶按能源分類、區(qū)域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業(yè)能源消耗、效率分析、同環(huán)比分析、能耗折標、用能預測、運行監(jiān)視、異常報警等

5.3工業(yè)能耗平臺設備選型

應用場合型號功能

照明箱DTSD1352三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，分相正向有功電能統(tǒng)計，總正反向有功電能統(tǒng)計，總正反向無功電能統(tǒng)計;紅外通訊;電流規(guī)格：經互感器接入3*1(6)A，直接接入3*10(80)A,有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級

AEW100三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功、無功電能計量，2-31次分諧波及總諧波含量分析，分相諧波及基波電參量(電壓、電流、功率)測量;支持復費率、歷史電能記錄;支持RS485通訊、470MHz無線通訊、紅外通訊;有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級

動力柜ACR220ELLCD顯示、全電參量測量(U、I、P、Q、S、PF、F);四象限電能計量RS485/Modbus可選復費率電能統(tǒng)計;4DI+2DO。

配電箱ARCM300T-Z三相(I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz)單回路剩余電流監(jiān)測，4路溫度監(jiān)測，1路繼電器輸出，4路開關量輸入，時間記錄，內置時鐘，點陣式LCD顯示，1路RS485/Modbus通訊，可選用2G/4G/NB通訊方式

表1 工業(yè)能耗管理設備選型示意圖

6 結束語

鋼鐵企業(yè)EMS用Web Service技術實現(xiàn)多系統(tǒng)集成，通過C/S與B/S相結合的架構實現(xiàn)了部署與訪問的靈活性。該系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了能源數(shù)據(jù)的分布式和共享性，能源數(shù)據(jù)的智能化和集成化，能源接入的自由化和標準化，能源消費的互動式和個性化，可以營造安全、舒適、節(jié)能的辦公環(huán)境。建設企業(yè)級的EMS，是現(xiàn)代大中型鋼鐵企業(yè)實施信息化工程的需要。它可以改進能源系統(tǒng)的運行管理和安全管理水平，完善能源生產和使用的評價體制，提高了勞動生產率，減少了能源消耗，增加了能源回收，改善了環(huán)境質量，對提高企業(yè)的市場競爭力具有重要意義。

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