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淺談能源管理系統(tǒng)在鋼鐵企業(yè)上的應用
更新時間：2024-04-22點擊次數(shù)：1096次
淺談能源管理系統(tǒng)在鋼鐵企業(yè)上的應用
任運業(yè)
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：能源是冶金企業(yè)的命脈,是企業(yè)發(fā)展的動力。建設一個能實時監(jiān)控產(chǎn)、消、運行狀況的能源管理系統(tǒng)來指導企業(yè)生產(chǎn)是十分必要的。能源管理系統(tǒng)以提高企業(yè)的綜合效益為根本目標,通過對所接入的儀表進行綜合管理,避免人為錯誤的影響,提高能源的利用效率。是以計算機網(wǎng)絡為基礎,軟件為核心,以智能化串聯(lián)整個系統(tǒng),實現(xiàn)信息共享與交換,結合計量管理自動化和信息化工程建設的實踐經(jīng)驗,組建的多方面、多應用的智能化管理平臺。
關鍵詞：鋼鐵企業(yè)；能源管理系統(tǒng)
0引言
在未來20年左右的時間里,中國將進入工業(yè)化中期發(fā)展階段,作為制造業(yè)與建筑行業(yè)重要的工程結構材料,鋼材的需求總量還將進一步增長。鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè),在中國的經(jīng)濟生活中占有重要地位。鋼鐵工業(yè)又是典型的資源消耗型產(chǎn)業(yè),對原料、燃料以及能源動力的消耗十分巨大。以前的節(jié)能管理方法主要是核算動力成本、滴漏跑冒管理、指標考核等,這些方法達到了一定的成效,但是要提高管理方法的潛力,滿足市場經(jīng)濟的需求,應該建立新的管理平臺,對能源使用進行監(jiān)管,節(jié)能降耗,降低經(jīng)濟成本。本著這一目標,經(jīng)過反復的討論和調查,結合現(xiàn)代化的科學管理手段,以先進的軟件運算為依托,設計了一套擁有能源計劃、能源實績、能源成本、能源預測、能源平衡、能源調度、能源設備和能源質量等監(jiān)控和管理功能的能源管理系統(tǒng)。
1能源管理系統(tǒng)建設的意義
能源是企業(yè)的血脈,如何有效利用能源,已被提升到一個至關重要的戰(zhàn)略地位。尤其對于大中型冶金企業(yè),信息化的建設,建立能源供需雙方的信息溝通機制,通過“綜合資源規(guī)劃",實現(xiàn)“科學配置能源"成為可能。大型鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)中共有4000多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點,涵蓋了煤氣、氧氣、氮氣、工業(yè)水、蒸汽、壓縮空氣等介質。能源管理的自動化、信息化、智能化,能源介質的數(shù)據(jù)在線測量、自動采集、故障診斷分析、能源平衡預測能夠有效減少和消除能源的浪費。所以說,構建能源管理系統(tǒng),實現(xiàn)合理有效的能源利用至關重要。
大型冶金企業(yè)的信息化系統(tǒng)建設的基本架構已經(jīng)形成,根據(jù)管理模式,系統(tǒng)層次清晰明確,功能分擔較合理。如圖1所示,系統(tǒng)開發(fā)建設不能單純局限在IT部門編程、開發(fā)功能,所以信息化系統(tǒng)開發(fā)前,明確管理的組織結構和業(yè)務流程。
圖1 信息化計量數(shù)據(jù)處理工作模式
2能源管理系統(tǒng)的基本架構
能源管理系統(tǒng)是鋼鐵企業(yè)信息化發(fā)展規(guī)劃中的一個重要組成部分,其目的是要實現(xiàn)風水電氣(汽)與冶金產(chǎn)品的一體化管控,具備完quan的能源介質管網(wǎng)、動力生產(chǎn)單元、以及生產(chǎn)單元的管控功能。如圖2所示,對企業(yè)生產(chǎn)和能源數(shù)據(jù)進行采集、分析、處理,以實現(xiàn)能源計劃、能源實績、能源成本、能源預測、能源平衡、能源調度、能源設備和能源質量等監(jiān)控和管理功能。既要保證系統(tǒng)對單個能源介質的運行過程的管理與控制,又要保證不同介質調度的獨立性和相互之間關聯(lián)的調度安全,還要確保主線生產(chǎn)與動力介質之間的無縫對接,在保證生產(chǎn)安全的前提下實現(xiàn)生產(chǎn)和能源優(yōu)化調度,集中一貫制的管控,達到節(jié)能增效的目的。通過數(shù)據(jù)接口與ERP等第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享,實現(xiàn)公司生產(chǎn)與能源供應的整體負荷預測與平衡。
圖2 能源管理系統(tǒng)的基本架構示意圖
能源管控系統(tǒng)依據(jù)數(shù)據(jù)刷新頻度及功能不同分為SCADA監(jiān)控平臺和能源精細化管理平臺兩個子系統(tǒng)。
2.1SCADA監(jiān)控平臺
采用國際主流的SCADA一體化監(jiān)控平臺軟件(iFix、Wonderware、Citect),建立I/OServer實時數(shù)據(jù)服務器功能。能滿足全天24小時、全年365天連續(xù)運轉要求,SCADA軟件平臺能有效完成數(shù)據(jù)采集、處理、報警、趨勢、事件、畫面監(jiān)視以及遠程控制等功能。
2.2能源精細化管理平臺
軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺使用Java等主流編程語言,采用先進的技術框架滿足用戶的二次開發(fā)和快速開發(fā)部署要求。能實現(xiàn)C/S、B/S兩種應用方式,方便系統(tǒng)管理人員進行多種類數(shù)據(jù)的查詢以及管理。
3能源管理系統(tǒng)的特點
3.1能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個樂鋼能源管理系統(tǒng)的基石,只有將現(xiàn)場的能源計量數(shù)據(jù)實時、準確地采集下來,才能進一步利用這些數(shù)據(jù)來指揮、調度生產(chǎn),進而調配能源生產(chǎn),提高能源使用水平。
圖3 能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡架構圖
如圖3所示,目前計量儀表接口多種多樣:模擬量、專用通訊協(xié)議,通用通訊協(xié)議,有些儀表信號已接入到生產(chǎn)設備系統(tǒng)中。所以,針對不同的儀表,采集數(shù)據(jù)的方法也不同,歸納起來可用以下兩種方式:
(1)現(xiàn)場總線通訊。儀表具備通訊能力(專用通訊議、通用通訊協(xié)議)的,數(shù)據(jù)采集器通過現(xiàn)場總線采集儀表中的各類數(shù)據(jù),包括瞬時值、累計值、采集時間、事件與報警、配置值等,形成通訊數(shù)據(jù)包更新到實時數(shù)據(jù)庫中。
(2)HMI數(shù)據(jù)通訊。由于部分能源數(shù)據(jù)已經(jīng)被采集到生產(chǎn)系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)采集器可以通過組態(tài)軟件將這部分能源計量數(shù)據(jù)從對應的生產(chǎn)監(jiān)控PLC中取出并更新到實時數(shù)據(jù)庫中。需要注意的是,數(shù)據(jù)的累計和轉換原則上在監(jiān)控計算機上完成,采集的數(shù)據(jù)包括瞬時值、累計值、采集時間、事件與報警、配置值等。
為實現(xiàn)底層儀表數(shù)據(jù)的穩(wěn)定以及快速傳輸,現(xiàn)場設置的是MOXA數(shù)據(jù)采集器,將現(xiàn)場的儀表信號統(tǒng)一以OPCUA協(xié)議傳輸至能源計量信號專網(wǎng)。
3.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
數(shù)據(jù)庫主要用于設備運行信息的記錄、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的管理,將現(xiàn)場設備實時運行狀況展現(xiàn)給用戶,還要實時保存和處理所有設備傳送過來的數(shù)據(jù),同時要滿足客戶端用戶對歷史數(shù)據(jù)的查詢要求,由于所需要處理的數(shù)據(jù)是連續(xù)性的,因此數(shù)據(jù)的存取量巨大,實時性很高。
3.2.1實時數(shù)據(jù)庫
采用GE公司的Ihistory實時數(shù)據(jù)庫,收集各個數(shù)據(jù)采集器上傳的信息,按照設定的精度和周期存儲于實時數(shù)據(jù)庫,并且滿足不同的應用程序和授權用戶的為實現(xiàn)不同目的而進行的讀寫調用。
3.2.2關系數(shù)據(jù)庫
采用美國甲骨文公司的Oracle數(shù)據(jù)庫,是目前世界行的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),擁有可移植性好、使用方便、功能強等優(yōu)點,在各類大、中、小、微機環(huán)境中都適用。是一種高效率、可靠性好的、適應高吞吐量的數(shù)據(jù)庫解決方案。
3.3能源預測
系統(tǒng)具備能源預測模型,可根據(jù)制造部下達的生產(chǎn)計劃及外圍單位的能源需求,綜合能源消耗的歷史曲線,自動生成年、月、日能源計劃?？蓭椭髽I(yè)實現(xiàn)以下管理功能:
(1)以生產(chǎn)成果為要求,以能源計劃為指標,對各級用戶進行考核;(2)根據(jù)能源實績和能源計劃的偏差值大小,能夠及時發(fā)現(xiàn)問題,分析問題,解決問題,以免因設備故障或生產(chǎn)管理上的失誤造成能源浪費;(3)根據(jù)能源消耗計劃,設定能源生產(chǎn)計劃,及時制定和修改設備檢修計劃,以免因能源不足耽誤企業(yè)生產(chǎn)。
4安科瑞企業(yè)能源管理平臺
4.1 平臺概述
安科瑞企業(yè)能源管理平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，監(jiān)測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產(chǎn)品能源單耗、各工序能耗、重大能耗設備的能源利用情況等進行能耗統(tǒng)計、同環(huán)比分析、能源成本分析、用能預測、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎數(shù)據(jù)和支持。
4.2應用場所
鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫(yī)藥、水泥、煤炭、物流、鐵路、航空工業(yè)、木材、化學原料以及機電設備、電器產(chǎn)品、工器具制造等。
4.3平臺結構
圖4 平臺結構
4.4平臺主要功能
4.4.1首頁
首頁通過展示企業(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,并三維展示企業(yè)重要工藝或設備的能源消耗動態(tài)，可直觀了解企業(yè)當前用能。
4.4.2運行監(jiān)控
能源管理系統(tǒng)的動態(tài)顯示對企業(yè)使用的各種能源（電、水、蒸汽）進行實時監(jiān)控，并提供從概貌到具體的動態(tài)圖形顯示，并提供區(qū)域數(shù)據(jù)監(jiān)控，在工廠平面圖或者某個車間的平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供對能源管理系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)視功能，實現(xiàn)對能源系統(tǒng)運行過程中關鍵的用能狀態(tài)參數(shù)的變化趨勢、耗能設備的運行狀態(tài)以及系統(tǒng)運行報警事件進行實時監(jiān)視，確保整個能源供給、轉換和消耗過程的安全、可靠和穩(wěn)定。系統(tǒng)提供圖形化工具，不僅可以組態(tài)出數(shù)字化的監(jiān)控界面，還具有實時趨勢顯示。
（1）變配電系統(tǒng)的電氣主接線圖展示，實現(xiàn)對全電量參數(shù)以及開關斷路器狀態(tài)的實時監(jiān)視，如電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)、三相不平衡度、諧波等參數(shù)。
（2） 水、燃氣、壓縮空氣等系統(tǒng)各分支管道分布示意圖以及流量、壓力、溫度等參數(shù)狀態(tài)的實時監(jiān)視；
（3）重點用能設備系統(tǒng)（如壓機等)的運行狀態(tài)以及用能參數(shù)的實時監(jiān)視；
（4）過壓、過流、欠壓等保護信號報警、系統(tǒng)通信中斷、電量、非電量參數(shù)越限、能耗超標預警等實時事件報警監(jiān)視。
（5）工藝流程圖展示重點關注工藝各設備運行參量以及能耗情況
4.4.3變壓器監(jiān)控
展示各變壓器負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規(guī)劃。通過各種運行參數(shù)狀態(tài)下用電效能的對比，測算變壓器損耗，找出變壓器經(jīng)濟運行區(qū)間。根據(jù)變壓器經(jīng)濟運行區(qū)間，調整負載，從而降低變壓器損耗，節(jié)約電量。
4.4.4用能統(tǒng)計
系統(tǒng)支持為企業(yè)不同的計量監(jiān)測對象，提供快速查詢顯示日、周、月、季、年的企業(yè)用能情況同比環(huán)比、產(chǎn)品單耗、產(chǎn)品折標對比、能耗排名等。數(shù)據(jù)通過棒圖，餅圖，直方圖等形式，實現(xiàn)對系統(tǒng)中耗電量、耗水量、耗氣量等能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。大到整個企業(yè)，小到單個設備或車間，通過對這些區(qū)域的計量節(jié)點能耗數(shù)據(jù)查詢分析，實現(xiàn)整個企業(yè)能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，滿足用戶實現(xiàn)對任意時段內區(qū)域、車間、工藝和設備類型等的能耗數(shù)據(jù)查詢要求。通過對比不同區(qū)域等的能耗數(shù)據(jù)情況，了解不同對象區(qū)域等的能耗規(guī)律，自動對這些對象進行能耗排名，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。
4.4.5分項用能
系統(tǒng)提供對企業(yè)分項用能的分項統(tǒng)計。根據(jù)分項，用柱狀圖以及餅圖，展示各分項用能情況，直觀，清晰。通過用能趨勢，及時掌握企業(yè)分項用能趨勢情況。對于分項用能異常，能即時發(fā)現(xiàn)，調整策略，改善用能，節(jié)約能源。
4.4.6產(chǎn)品/產(chǎn)值單耗
系統(tǒng)可以與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，導入產(chǎn)品產(chǎn)量。對不能導入的數(shù)據(jù)提供人工錄入功能。通過系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，結合產(chǎn)品產(chǎn)量，計算產(chǎn)品單耗，生成產(chǎn)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(chǎn)品單耗情況來調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。
4.4.7用能成本分析
系統(tǒng)支持為企業(yè)整體以及車間等各個需要單獨進行能耗考核的對象提供各種能源消耗的總費用成本的統(tǒng)計對比功能?？商峁╇姟⑺?、氣等各種能源類型在統(tǒng)計周期中的消耗量以及對應的費用數(shù)據(jù)，并且可以將各種能源的費用進行百分比占比統(tǒng)計和對比，以了解整個企業(yè)能源費用成本的詳細分布情況。同時支持對單位成本費用進行分析。用戶可選擇多個考核區(qū)域進行耗能成本的對比分析，為用戶建立有效的績效獎懲機制和日常管理提供真實、可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。
4.4.8用能成本預測分析
系統(tǒng)支持為企業(yè)以及需要單獨考核計量的區(qū)域提供能源成本預算管理功能，允許用戶錄入能源成本的詳細預算計劃，通過對比能源實際費用和預算費用進行預算執(zhí)行管理，可以直觀的了解到每月或者每年能源成本是否超出預算，方便用戶及時的進行預算的調整和干預。此外，系統(tǒng)還支持按照指ding的預測算法進行能源成本的成本預測，根據(jù)歷史的預算執(zhí)行情況和實際耗能的數(shù)據(jù)預測后續(xù)的幾個月的能源成本費用，幫助用戶進行有效的成本計劃管理。
4.4.9績效分析
對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區(qū)域、車間，產(chǎn)線、工段、設備等進行日、周、月、年、指ding時段績效統(tǒng)計按照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。
4.4.10能耗預測
通過對企業(yè)車間、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)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)。
4.4.11運行監(jiān)測
系統(tǒng)的設備運行監(jiān)測功能專門針對重點耗能設備提供管理，主要包括設備運行狀態(tài)及關鍵參數(shù)監(jiān)視、設備臺賬管理、設備能耗統(tǒng)計分析以及設備維護管理。通過對設備工作狀態(tài)參數(shù)以及工況參數(shù)的實時采集和監(jiān)視可及時判斷設備的運行工況是否正常；設備能耗統(tǒng)計分析可提供針對設備對象的實時耗能量以及歷史耗能趨勢的分析和對比；設備臺賬管理以及維護管理可建立設備基本信息檔案，可快速實現(xiàn)對于設備各種特性參數(shù)的查詢和統(tǒng)計分類，對設備及其主要零配件的檢修、更換歷史記錄進行信息化管理，并可提供設備計劃檢修到期提醒以及逾期檢修告警等功能，便于為每一個重要設備建立經(jīng)濟運行檔案，確保設備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。
4.4.12能源平衡及損耗分析
能源平衡及損耗統(tǒng)計分析主要為企業(yè)的電、水、氣等能源在轉換、運輸、使用過程中的各個環(huán)節(jié)提供能量平衡分析，及時的發(fā)現(xiàn)能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。通過分別統(tǒng)計重要用能環(huán)節(jié)的能源供給量和能源消耗量并計算兩者之間的差值損耗量，來評估個各環(huán)節(jié)的用能損耗程度。比如對用水系統(tǒng)的干管計量和各個車間支管的計量消耗量之和進行損耗分析，有利于及時發(fā)現(xiàn)是否存在水管漏水或者違規(guī)用水的情況；對用電系統(tǒng)的低壓進線計量和各饋線回路的計量消耗量之和進行損耗分析，來評估判斷是否存在違規(guī)用電、竊電等異常用電現(xiàn)場，幫助用戶發(fā)現(xiàn)并糾正能源使用過程中的能源浪費問題，降低能源綜合運行成本。
4.4.13節(jié)能分析
節(jié)能分析主要是為企業(yè)在實施節(jié)能措施后，具體節(jié)能效果的分析，通過錄入節(jié)能措施，對比分析實施節(jié)能措施前與實施節(jié)能措施后的用能情況，以此來評判節(jié)能措施的實施效果，為企業(yè)節(jié)能提供幫助，提高經(jīng)濟效益。
4.4.14分析報告
系統(tǒng)提供的用戶分析報告主要是為企業(yè)的中、高層管理人員提供有關企業(yè)的能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果匯總和分析結論展示，注重整體能耗狀況和變化趨勢的說明。一般包括企業(yè)的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況，用能趨勢排名，重點能耗排名，綜合能耗排名等。通過豐富多樣的圖形化組件組態(tài)成為一份用戶分析報告，讓用戶了解系統(tǒng)的運行情況，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。
4.4.15事件記錄
事件報警分析主要是為系統(tǒng)的異常運行狀態(tài)或故障原因診斷分析提供依據(jù)和分析手段。系統(tǒng)運行過程中所產(chǎn)生的各種報警時間均會被自動記錄和存儲，通過對事件的發(fā)生時間、范圍對象、事件的類型、事件的等級以及事件描述關鍵字搜索查詢，即可快速的實現(xiàn)對目標事件的查詢和分類。
4.4.16自定義報表
用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生成各種報表，從各種能耗數(shù)據(jù)及費用比較，到電力峰谷平報表；從碳排放報告到系統(tǒng)能耗評估，從能耗指標到能耗預算等等，使用者無需繁瑣的編輯，只需要簡單操作就能生成精美的報表。
4.4.17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。
4.4.18運行環(huán)境
(1)瀏覽器運行設備
(2)臺式電腦，手機、平板等移動端設備
(3)瀏覽器運行環(huán)境
(4)支持谷歌、火狐、搜狗、360等主流瀏覽器訪問
(5)客戶端運行設備
(6)安卓系統(tǒng)移動設備（android 5.0以上），蘋果ios系統(tǒng)
4.5推薦現(xiàn)場設備選型（根據(jù)實際需求選配）
5結語
積極推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術與鋼鐵制造的深度融合是鋼鐵企業(yè)下一步研發(fā)重點[9]。能源管理系統(tǒng)基于自動化技術、網(wǎng)絡通信技術、實時數(shù)據(jù)庫技術、數(shù)據(jù)分析及預測技術,對鋼鐵企業(yè)提供數(shù)據(jù)定制化管理服務,優(yōu)化能源管理。該系統(tǒng)建成后,將為鋼鐵企業(yè)的管理、生產(chǎn)計劃、調度決策及OA提供準確、實時的生產(chǎn)工藝計量數(shù)據(jù),對于構筑信息化工程、實施精細化生產(chǎn)和精細化管理是十分重要的。可以根據(jù)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進行公司級、廠際級能源核算,實現(xiàn)計量系統(tǒng)分級化管理,提高計量信息化管理水平,使計量管理更精細、更準確、更高效。是鋼鐵企業(yè)通往節(jié)能降耗,減員增效路徑上的重要“橋梁"。
【參考文獻】
[1]孟維潮.淺析鋼鐵企業(yè)成本管理問題[J].現(xiàn)代經(jīng)濟,2010(9):48.
[2]孫濤.能源管理系統(tǒng)在鋼鐵企業(yè)上的應用[J].數(shù)字技術與應用,2021,39(10):160-162.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介：任運業(yè)，男，現(xiàn)就職于安科瑞電氣股份有限公司。
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