淺談鋼鐵冶金企業(yè)能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

時(shí)間：2022-05-19作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：140

摘要：介紹了中國鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)(EMS)的應(yīng)用現(xiàn)狀，在對現(xiàn)有的鋼鐵企業(yè)EMS進(jìn)行實(shí)地調(diào)研和總結(jié)的基礎(chǔ)上，針對鋼鐵生產(chǎn)過程能耗的特點(diǎn)完成了鋼鐵企業(yè)EMS的需分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)各個(gè)模塊功能的開發(fā)工作。通過管理和優(yōu)化能源使用，實(shí)現(xiàn)了鋼鐵生產(chǎn)過程的管控一體化，從而降低了鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)能耗，提高了企業(yè)的市場競爭力。
。 關(guān)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(nèi)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(fèi)多等給社會造成很大負(fù)擔(dān)，同時(shí)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(shè)備利用率或降低能耗來節(jié)約資源，而應(yīng)該對這些設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與管理，將能源的計(jì)劃和消耗信息進(jìn)行管理，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。
能源管理系統(tǒng)(EMS)能夠?qū)δ芎臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，對能源用量、能耗成本進(jìn)行分?jǐn)偅瑫r(shí)生成各種關(guān)鍵能耗指標(biāo)并根據(jù)系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行需求側(cè)管理，從而發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中能源的浪費(fèi)。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(jīng)不能夠適應(yīng)當(dāng)前鋼鐵生產(chǎn)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(fēng)、電、煤、氣等各種能源計(jì)量設(shè)備 ，實(shí)現(xiàn)能源信息的統(tǒng)一匯總，并進(jìn)行計(jì)算和分析，通過數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，科學(xué)地得出每天、每周、每月、每季、每年各個(gè)生產(chǎn)工序的能源消耗，從而科學(xué)地得出節(jié)能操作指導(dǎo)報(bào)告，從中挖掘節(jié)能潛力，為能源管理提出科學(xué)依據(jù)。EMS根據(jù)分析節(jié)能效果的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)
主觀和客觀控制額外節(jié)能，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)能源管理、節(jié)能降耗、降低成本、提高生產(chǎn)效益的目的。
2 鋼鐵企業(yè)EMS的架構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)
鋼鐵企業(yè)的EMS采用EMS采用C/S與 B/S相結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)框架以及應(yīng)用均采用 C/S模式，其后臺數(shù)據(jù)流采用 B/S架構(gòu)。系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備包括歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、含Web Service的應(yīng)用服務(wù)器、I/O服務(wù)器、環(huán)保服務(wù)器。各類操作HMI，PLC，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。其中，歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器全部為冗余置，為集群系統(tǒng)。
EMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按標(biāo)準(zhǔn)的三層結(jié)構(gòu)設(shè)置。即**層、匯聚層和接入層。其中**層為冗余配置，**層交換機(jī)為異地設(shè)置。同時(shí)，EMS設(shè)置現(xiàn)場工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，用于連接區(qū)域前置PLC、環(huán)保采集子站等設(shè)備。
 
圖1 EMS總體架構(gòu)設(shè)計(jì)示意
2.2 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)
鋼鐵企業(yè)EMS的設(shè)計(jì)運(yùn)用了軟件設(shè)計(jì)中常用的分層設(shè)計(jì)思想。將EMS劃分為3個(gè)層次，其硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，從下至上依次為數(shù)據(jù)感知層、傳輸層、應(yīng)用層。
1)感知層。感知層主要利用現(xiàn)場各類傳感設(shè)備。例如液位傳感器、智能電表、風(fēng)口溫度傳感器、濕度傳感器、鼓風(fēng)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(chǎn)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(shí)間、持續(xù)時(shí)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(shè)計(jì)是根據(jù)生產(chǎn)管理、生產(chǎn)過程和僻生產(chǎn)系統(tǒng)的功能需求，傳輸使用串行總線技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)建設(shè)。目前，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)管理中 比較常用的工業(yè)串行總線技術(shù)是采用RS4-85電氣標(biāo)準(zhǔn)和Modbus通信協(xié)議。其特點(diǎn)就是實(shí)施起來比較簡單實(shí)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(yīng)知層。應(yīng)用層提供了鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)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(bào)表、生產(chǎn)優(yōu)化、生產(chǎn)配料管理與系統(tǒng)后臺管理等多項(xiàng)功能。通過能源數(shù)據(jù)采集匯總，可以幫助企業(yè)生產(chǎn)管理者了解鋼鐵業(yè)各計(jì)量點(diǎn)能源的使用情況，并幫助企業(yè)管理實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)過程能源優(yōu)化調(diào)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(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)過程的管控一體化。
2.3 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)
鋼鐵企業(yè)的EMS的軟件架構(gòu)主要分5個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)中間件、功能 應(yīng)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(jì)量，通過智能電力儀表、智能水表、燃?xì)獗淼任炊瞬杉b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(shè)備信息、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。
2)數(shù)據(jù)倉庫。系統(tǒng)建立對應(yīng)不同視角的數(shù)據(jù)模型，并生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)倉庫，供EMS進(jìn)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(yàn)、數(shù)據(jù)報(bào)表定時(shí)生成、數(shù)據(jù)權(quán)限分配管理、系統(tǒng)配配、計(jì)量儀表等各種基礎(chǔ)服務(wù)。
4)功能應(yīng)用。主要給用戶提供不同的業(yè)務(wù)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析處理，幫助企業(yè)管理者尋找能耗漏洞，制訂生產(chǎn)計(jì)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(jī)、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(quán)限顯示相心功能界面，便于用戶隨時(shí)隨地地了解相關(guān)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(yuǎn)程控制功能；能源管理功能。 監(jiān)視與遠(yuǎn)程控制功能主要包括：能源介質(zhì)過程數(shù)據(jù)監(jiān)視、能源設(shè)備及主要工序運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)視、能源設(shè)備遠(yuǎn)程控制、大屏幕顯示。能源管理功能主要包括：能源計(jì)劃編制、能源實(shí)績管理及 質(zhì)量管理、能源運(yùn)行支持與調(diào)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(gòu)示意
4 應(yīng)用效果 
鋼鐵企業(yè)EMS投入實(shí)際運(yùn)行后帶來諸多盜處。主要有以下幾點(diǎn)：
1)提高勞動生產(chǎn)率。由于部分車間實(shí)現(xiàn)**并成立集中調(diào)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(fēng)、電、煤、氣等各種能源計(jì)量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)能源信息的統(tǒng)一 匯總、計(jì)算、分析，提高能源介質(zhì)的利用效率，使用該系統(tǒng)綜合節(jié)能可達(dá)20%左右。
3)環(huán)保效益。能源消耗量減少，工業(yè)生產(chǎn)廢氣排放量降低，為節(jié)能減排、創(chuàng)建綠色工廠做出貢獻(xiàn)。
4)提高了能源管理水平。公司及各生產(chǎn)廠**能根據(jù)網(wǎng)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)決策，為**決策提供了實(shí)時(shí)性和科學(xué)性參考。能源管理中心的建立使各生產(chǎn)廠能及時(shí)向公司匯報(bào)實(shí)時(shí)情況，避免了錯報(bào)、漏報(bào)、瞞報(bào)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(chǎn)型企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)排班，靈活設(shè)置每個(gè)班組 的生產(chǎn)時(shí)間段，自動導(dǎo)入或手工輸入班組產(chǎn)量，能耗系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)每個(gè)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(gòu)介紹
安科瑞能源管控系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有良好的可靠性與實(shí)時(shí)性，主要由現(xiàn)場設(shè)備層（能源計(jì)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(gè)部分組成。
以上三個(gè)部分分別貫穿整個(gè)系統(tǒng)的全部結(jié)構(gòu)。能源管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)按照能源管理的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足以上三部分的同時(shí)，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(gòu)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(biāo)值、能源成本、能源消耗趨勢、分項(xiàng)能耗占比、區(qū)域能源消耗對比,以及當(dāng)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(shí)時(shí)監(jiān)控
對企業(yè)各點(diǎn)位的能源使用、報(bào)警等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)測各個(gè)點(diǎn)位的運(yùn)作情況，同時(shí)能較快速的掌握點(diǎn)位的報(bào)警。
5.2.3用能統(tǒng)計(jì)
從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、生產(chǎn)工藝/工段時(shí)間、分項(xiàng)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(jì)、同比、環(huán)比分析、折標(biāo)對比，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調(diào)整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費(fèi)。
5.2.4單耗統(tǒng)計(jì)
與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，通過產(chǎn)品產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品單耗中生成產(chǎn)品單耗趨勢圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析。以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)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(zhuǎn)換，按班組、區(qū)域、產(chǎn)線、工段等進(jìn)行日、周、月、年、*時(shí)段，結(jié)合能源計(jì)劃或定額制定的績效指標(biāo)進(jìn)行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內(nèi)部能效水平和節(jié)能潛力。
5.2.6能耗預(yù)測
通過對企業(yè)生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備等的能耗使用情況進(jìn)行分析，建立能耗計(jì)算模型，根據(jù)人工智能算法對數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行修正，對未來企業(yè)能耗趨勢進(jìn)行預(yù)測分析，為節(jié)能提供有效的決策依據(jù)。
5.2.7運(yùn)行監(jiān)測
系統(tǒng)對區(qū)域、工段、設(shè)備能源消耗進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測設(shè)備及工藝運(yùn)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(yùn)行監(jiān)視。可直接從動態(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(shí)間等維度查詢相關(guān)能源用量。
5.2.8分析報(bào)告
以年、月、日對企業(yè)的能源利用情況、線路損耗情況、設(shè)備運(yùn)行情況、運(yùn)維情況等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，讓用戶了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并為用戶提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，方便用戶發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，從而找出改善點(diǎn)，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(shè)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(biāo)、用能預(yù)測、運(yùn)行監(jiān)視、異常報(bào)警等
5.3工業(yè)能耗平臺設(shè)備選型

應(yīng)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(jì)，總正反向有功電能統(tǒng)計(jì)，總正反向無功電能統(tǒng)計(jì)；紅外通訊；電流規(guī)格：經(jīng)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(jì)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(fù)費(fèi)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	ACR220EL	LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、S、PF、F）；四象限電能計(jì)量RS485/Modbus可選復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)；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(guān)量輸入，時(shí)間記錄，內(nèi)置時(shí)鐘，點(diǎn)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(shè)備選型示意圖
6 結(jié)束語
鋼鐵企業(yè)EMS用Web Service技術(shù)實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)集成，通過C/S與B/S相結(jié)合的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了部署與訪問的靈活性。該系統(tǒng)很好地實(shí)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(biāo)準(zhǔn)化，能源消費(fèi)的互動式和個(gè)性化，可以營造安全、舒適、節(jié)能的辦公環(huán)境。建設(shè)企業(yè)級的EMS，是現(xiàn)代大中型鋼鐵企業(yè)實(shí)施信息化工程的需要。它可以改進(jìn)能源系統(tǒng)的運(yùn)行管理和安全管理水平，完善能源生產(chǎn)和使用的評價(jià)體制，提高了勞動生產(chǎn)率，減少了能源消耗，增加了能源回收，改善了環(huán)境質(zhì)量，對提高企業(yè)的市場競爭力具有重要意義。
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