淺談鋼鐵冶金企業(yè)能源管理系統的設計與應用

摘要：介紹了中國鋼鐵企業(yè)能源管理系統(EMS)的應用現狀，在對現有的鋼鐵企業(yè)EMS進(jìn)行實(shí)地調研和總結的基礎上，針對鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程能耗的特點(diǎn)完成了鋼鐵企業(yè)EMS的需分析、架構設計和系統各個(gè)模塊功能的開(kāi)發(fā)工作。通過(guò)管理和化能源使用，實(shí)現了鋼鐵生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)競爭力。

。 關(guān)鍵詞：鋼鐵企業(yè)；能源管理系統；能耗；管控一體化

引言

       隨著(zhù)世界范圍內工業(yè)革命的爆發(fā)，各種能源的消耗越來(lái)越大。從現今范圍看來(lái)，能源問(wèn)題已是重中之重，世界都在提倡節能環(huán)保。而從耗能方面來(lái)看，企業(yè)耗能大、浪費多等給社會(huì )造成很大負擔，同時(shí)對企業(yè)自身的發(fā)展也帶來(lái)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(lái)節約資源，而應該對這些設備進(jìn)行監控與管理，將能源的計劃和消耗信息進(jìn)行管理，從而達到節能減排的效果。

能源管理系統(EMS)能夠對能耗數據進(jìn)行分析和整理，對能源用量、能耗成本進(jìn)行分攤，同時(shí)生成各種關(guān)鍵能耗指標并根據系統的分析數據進(jìn)行需求側管理，從而發(fā)現生產(chǎn)過(guò)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(jīng)不能夠適應當鋼鐵生產(chǎn)的大型化、高速化和激烈市場(chǎng)競爭的需要。

1 鋼鐵企業(yè)能源管理系統的需求分析

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、氣等各種能源計量設備 ，實(shí)現能源信息的統一匯總，并進(jìn)行計算和分析，通過(guò)數據庫讀取數據，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)地得出節能操作指導報告，從中挖掘節能潛力，為能源管理提出科學(xué)依據。EMS根據分析節能效果的數據，實(shí)現

主觀(guān)和客觀(guān)控制額外節能，幫助企業(yè)實(shí)現能源管理、節能降耗、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相結合的系統架構，整個(gè)系統框架以及應用均采用 C/S模式，其后臺數據流采用 B/S架構。系統的關(guān)鍵設備包括歷史數據庫服務(wù)器、實(shí)時(shí)數據庫服務(wù)器、含Web Service的應用服務(wù)器、I/O服務(wù)器、環(huán)保服務(wù)器。各類(lèi)操作HMI，PLC，網(wǎng)絡(luò )交換機等。其中，歷史數據庫服務(wù)器、實(shí)時(shí)數據庫服務(wù)器和應用服務(wù)器全部為冗余置，為集群系統。

EMS網(wǎng)絡(luò )架構按標準的三層結構設置。即核心層、匯聚層和接入層。其中核心層為冗余配置，核心層交換機為異地設置。同時(shí)，EMS設置現場(chǎng)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，用于連接區域置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(gè)層次，其硬件架構設計，從下至上依次為數據感知層、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。感知層主要利用現場(chǎng)各類(lèi)傳感設備。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(lèi)能源數據。以鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程 中高爐煉鐵供料系統為例，采集的參數包括：礦石(O)庫存量、焦炭(C)庫存量、供料開(kāi)始時(shí)間、持續時(shí)間、礦批料長(cháng)、焦批料長(cháng)、供料速度等。

2)傳輸層。鋼鐵企業(yè)EMS的傳輸層設計是根據生產(chǎn)管理、生產(chǎn)過(guò)程和僻生產(chǎn)系統的功能需求，傳輸使用串行總線(xiàn)技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)架構建設。目，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)管理中 比較常用的工業(yè)串行總線(xiàn)技術(shù)是采用RS4-85電氣標準和Modbus通信協(xié)議。其特點(diǎn)就是實(shí)施起來(lái)比較簡(jiǎn)單實(shí)用，并且目大多數重工業(yè)企業(yè)的現場(chǎng)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(chǎn)過(guò)程中能源消耗數據的采集、能源消耗數據的多維分析、匯總報表、生產(chǎn)化、生產(chǎn)配料管理與系統后臺管理等多項功能。通過(guò)能源數據采集匯總，可以幫助企業(yè)生產(chǎn)管理者了解鋼鐵業(yè)各計量點(diǎn)能源的使用情況，并幫助企業(yè)管理實(shí)現鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程能源化調度，從而配置的入料參數使系統取得好的管理和節能效果。有利于實(shí)現鋼鐵生產(chǎn)過(guò)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(gè)部分：數據采集、數據倉庫、數據中間件、功能 應用和數據展示。

1)數據采集。系統的數據采集主要通過(guò)兩種方式：儀表計量，通過(guò)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據；人工錄入，通過(guò)手動(dòng)錄入的方式獲取設備信息、產(chǎn)量等數據。

2)數據倉庫。系統建立對應不同視角的數據模型，并生成相應的數據倉庫，供EMS進(jìn)行 數據分析及評估。

3)數據中間件。提供數據抽取及校驗、數據報表定時(shí)生成、數據權限分配管理、系統配配、計量?jì)x表等各種基礎服務(wù)。

4)功能應用。主要給用戶(hù)提供不同的業(yè)務(wù)功能模塊。呈現鋼鐵廠(chǎng)的能耗分析情況，并對能耗數據進(jìn)行統計、分析處理，幫助企業(yè)管理者尋找能耗漏洞，制訂生產(chǎn)計劃和節能方案。

5)數據展示。系統提供多種靈活的數據呈現方式，支持包括工作站電腦、手機、平板等 訪(fǎng)問(wèn)方式，并針對操作人員、管理人員、領(lǐng)導等不同類(lèi)型用戶(hù)的需求及權限顯示相心功能界面，便于用戶(hù)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：監視與遠程控制功能；能源管理功能。 監視與遠程控制功能主要包括：能源介質(zhì)過(guò)程數據監視、能源設備及主要工序運轉狀態(tài)監視、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(shí)績(jì)管理及 質(zhì)量管理、能源運行支持與調度、能源沒(méi)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(shí)際運行后帶來(lái)諸多盜處。主要有以下幾點(diǎn)：

1)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。由于部分車(chē)間實(shí)現無(wú)人值守并成立集中調度中心，這樣減少了動(dòng)力系統定員。

2)節能效益。利用水、蒸汽、風(fēng)、電、煤、氣等各種能源計量設備，實(shí)現能源信息的統一 匯總、計算、分析，提高能源介質(zhì)的利用效率，使用該系統綜合節能可達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，為節能減排、創(chuàng )建綠色工廠(chǎng)做出貢獻。

4)提高了能源管理水平。公司及各生產(chǎn)廠(chǎng)領(lǐng)導能根據網(wǎng)上的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行生產(chǎn)決策，為領(lǐng)導決策提供了實(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(chǎng)能及時(shí)向公司匯報實(shí)時(shí)情況，避免了錯報、漏報等情況的發(fā)生。

5)為建立績(jì)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，靈活設置每個(gè)班組 的生產(chǎn)時(shí)間段，自動(dòng)導入或手工輸入班組產(chǎn)量，能耗系統統計每個(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(jì)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采用分層分布式網(wǎng)絡(luò )結構，具有良好的可靠性與實(shí)時(shí)性，主要由現場(chǎng)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)系統的全部結構。能源管理系統總體設計結構按照能源管理的基本結構設計，滿(mǎn)足以上三部分的同時(shí)，增加了部分分析、監控、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(lèi)能耗總量、折標值、能源成本、能源消耗趨勢、分項能耗占比、區域能源消耗對比,以及當天氣情況、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(dòng)態(tài)。

5.2.2實(shí)時(shí)監控

對企業(yè)各點(diǎn)位的能源使用、報警等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控。以便企業(yè)用戶(hù)能夠實(shí)時(shí)的監測各個(gè)點(diǎn)位的運作情況，同時(shí)能快速的掌握點(diǎn)位的報警。

5.2.3用能統計

從能源使用種類(lèi)、監測區域、生產(chǎn)工藝/工段時(shí)間、分項等維度，采用曲線(xiàn)、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業(yè)用能統計、同比、環(huán)比分析、折標對比，找出能源使用過(guò)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(guò)程中的浪費。

5.2.4單耗統計

與企業(yè)MES系統對接，通過(guò)產(chǎn)品產(chǎn)量以及系統采集的能耗數據，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)能夠根據產(chǎn)品單耗情況來(lái)調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

5.2.5績(jì)效分析

對各類(lèi)能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、產(chǎn)線(xiàn)、工段等進(jìn)行日、周、月、年、時(shí)段，結合能源計劃或定額制定的績(jì)效指標進(jìn)行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內部能效水平和節能潛力。

5.2.6能耗預測

通過(guò)對企業(yè)生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設備等的能耗使用情況進(jìn)行分析，建立能耗計算模型，根據人工智能算法對數據和模型進(jìn)行修正，對未來(lái)企業(yè)能耗趨勢進(jìn)行分析，為節能提供有效的決策依據。

5.2.7運行監測

系統對區域、工段、設備能源消耗進(jìn)行數據采集，監測設備及工藝運行狀態(tài)，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視?？芍苯訌膭?dòng)態(tài)監測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據，支持按能源種類(lèi)、車(chē)間、工段、時(shí)間等維度查詢(xún)相關(guān)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(xiàn)路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進(jìn)行統計分析，讓用戶(hù)了解系統的運行情況，并為用戶(hù)提供數據基礎，方便用戶(hù)發(fā)現設備異常，從而找出改善點(diǎn)，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

5.2.9移動(dòng)端支持

APP支持Android、IOS操作系統，方便用戶(hù)按能源分類(lèi)、區域、車(chē)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、運行監視、異常報警等

5.3工業(yè)能耗平臺設備選型

表1 工業(yè)能耗管理設備選型示意圖

6 結束語(yǔ)

鋼鐵企業(yè)EMS用Web Service技術(shù)實(shí)現多系統集成，通過(guò)C/S與B/S相結合的架構實(shí)現了部署與訪(fǎng)問(wèn)的靈活性。該系統很好地實(shí)現了能源數據的分布式和共享性，能源數據的智能化和集成化，能源接入的自由化和標準化，能源消費的互動(dòng)式和個(gè)性化，可以營(yíng)造安全、舒適、節能的辦公環(huán)境。建設企業(yè)級的EMS，是現代大中型鋼鐵企業(yè)實(shí)施信息化工程的需要。它可以改進(jìn)能源系統的運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(dòng)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(chǎng)競爭力具有重要意義。

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