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技術文章

淺談能源管理系統在鋼鐵企業上的應用

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淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
    摘要:能源是冶金企業的命脈,是企業發展的動力。建設一個能實時監控產、消、運行狀況的能源管理系統來指導企業生產是十分必要的。能源管理系統以提高企業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。是以計算機網絡為基礎,軟件為核心,以智能化串聯整個系統,實現信息共享與交換,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;能源管理系統
0引言
     在未來20年左右的時間里,中國將進入工業化中期發展階段,作為制造業與建筑行業重要的工程結構材料,鋼材的需求總量還將進一步增長。鋼鐵工業是國民經濟的基礎產業,在中國的經濟生活中占有重要地位。鋼鐵工業又是典型的資源消耗型產業,對原料、燃料以及能源動力的消耗十分巨大。以前的節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,滿足市場經濟的需求,應該建立新的管理平臺,對能源使用進行監管,節能降耗,降低經濟成本。本著這一目標,經過反復的討論和調查,結合現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控和管理功能的能源管理系統。
1能源管理系統建設的意義
     能源是企業的血脈,如何有效利用能源,已被提升到一個至關重要的戰略地位。尤其對于大中型冶金企業,信息化的建設,建立能源供需雙方的信息溝通機制,通過“綜合資源規劃",實現“科學配置能源"成為可能。大型鋼鐵企業能源管理系統中共有4000多個數據采集節點,涵蓋了煤氣、氧氣、氮氣、工業水、蒸汽、壓縮空氣等介質。能源管理的自動化、信息化、智能化,能源介質的數據在線測量、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,實現合理有效的能源利用至關重要。
     大型冶金企業的信息化系統建設的基本架構已經形成,根據管理模式,系統層次清晰明確,功能分擔較合理。如圖1所示,系統開發建設不能單純局限在IT部門編程、開發功能,所以信息化系統開發前,明確管理的組織結構和業務流程。
圖1 信息化計量數據處理工作模式
2能源管理系統的基本架構
     能源管理系統是鋼鐵企業信息化發展規劃中的一個重要組成部分,其目的是要實現風水電氣(汽)與冶金產品的一體化管控,具備完全的能源介質管網、動力生產單元、以及生產單元的管控功能。如圖2所示,對企業生產和能源數據進行采集、分析、處理,以實現能源計劃、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控和管理功能。既要保證系統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的調度安全,還要確保主線生產與動力介質之間的無縫對接,在保證生產安全的前提下實現生產和能源優化調度,集中一貫制的管控,達到節能增效的目的。通過數據接口與ERP等第三方系統數據共享,實現公司生產與能源供應的整體負荷預測與平衡。
圖2 能源管理系統的基本架構示意圖
     能源管控系統依據數據刷新頻度及功能不同分為SCADA監控平臺和能源精細化管理平臺兩個子系統。
2.1SCADA監控平臺
     采用國際主流的SCADA一體化監控平臺軟件(iFix、Wonderware、Citect),建立I/OServer實時數據服務器功能。能滿足全天24小時、全年365天連續運轉要求,SCADA軟件平臺能有效完成數據采集、處理、報警、趨勢、事件、畫面監視以及遠程控制等功能。
2.2能源精細化管理平臺
     軟件系統開發平臺使用.Net或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和快速開發部署要求。能實現C/S、B/S兩種應用方式,方便系統管理人員進行多種類數據的查詢以及管理。
3能源管理系統的特點
3.1能源數據采集系統
     能源數據采集系統是整個樂鋼能源管理系統的基石,只有將現場的能源計量數據實時、準確地采集下來,才能進一步利用這些數據來指揮、調度生產,進而調配能源生產,提高能源使用水平。
圖3 能源管理系統的數據網絡架構圖
     如圖3所示,目前計量儀表接口多種多樣:模擬量、通訊協議,通用通訊協議,有些儀表信號已接入到生產設備系統中。所以,針對不同的儀表,采集數據的方法也不同,歸納起來可用以下兩種方式:
     (1)現場總線通訊。儀表具備通訊能力(通訊議、通用通訊協議)的,數據采集器通過現場總線采集儀表中的各類數據,包括瞬時值、累計值、采集時間、事件與報警、配置值等,形成通訊數據包更新到實時數據庫中。
     (2)HMI數據通訊。由于部分能源數據已經被采集到生產系統中,數據采集器可以通過組態軟件將這部分能源計量數據從對應的生產監控PLC中取出并更新到實時數據庫中。需要注意的是,數據的累計和轉換原則上在監控計算機上完成,采集的數據包括瞬時值、累計值、采集時間、事件與報警、配置值等。
     為實現底層儀表數據的穩定以及快速傳輸,現場設置的是MOXA數據采集器,將現場的儀表信號統一以OPCUA協議傳輸至能源計量信號專網。
3.2數據庫系統
     數據庫主要用于設備運行信息的記錄、生產過程數據的管理,將現場設備實時運行狀況展現給用戶,還要實時保存和處理所有設備傳送過來的數據,同時要滿足客戶端用戶對歷史數據的查詢要求,由于所需要處理的數據是連續性的,因此數據的存取量巨大,實時性很高。
3.2.1實時數據庫
     采用GE公司的Ihistory實時數據庫,收集各個數據采集器上傳的信息,按照設定的精度和周期存儲于實時數據庫,并且滿足不同的應用程序和授權用戶的為實現不同目的而進行的讀寫調用。
3.2.2關系數據庫
     采用美國甲骨文公司的Oracle數據庫,是目前世界行的關系數據庫管理系統,擁有可移植性好、使用方便、功能強等優點,在各類大、中、小、微機環境中都適用。是一種高效率、可靠性好的、適應高吞吐量的數據庫解決方案。
3.3能源預測
     系統具備能源預測模型,可根據制造部下達的生產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實現以下管理功能:
     (1)以生產成果為要求,以能源計劃為指標,對各級用戶進行考核;(2)根據能源實績和能源計劃的偏差值大小,能夠及時發現問題,分析問題,解決問題,以免因設備故障或生產管理上的失誤造成能源浪費;(3)根據能源消耗計劃,設定能源生產計劃,及時制定和修改設備檢修計劃,以免因能源不足耽誤企業生產。
4安科瑞企業能源管理平臺
4.1 平臺概述
     安科瑞企業能源管理平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式,對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理,監測企業電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況,通過數據分析、挖掘和趨勢分析,幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、重大能耗設備的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、用能預測、碳排分析,為企業加強能源管理,提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。
4.2應用場所
     鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、物流、鐵路、航空工業、木材、化學原料以及機電設備、電器產品、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、區域能源消耗對比,并三維展示企業重要工藝或設備的能源消耗動態,可直觀了解企業當前用能。
4.4.2運行監控
     能源管理系統的動態顯示對企業使用的各種能源(電、水、蒸汽)進行實時監控,并提供從概貌到具體的動態圖形顯示,并提供區域數據監控,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據。系統提供對能源管理系統運行狀態的實時監視功能,實現對能源系統運行過程中關鍵的用能狀態參數的變化趨勢、耗能設備的運行狀態以及系統運行報警事件進行實時監視,確保整個能源供給、轉換和消耗過程的安全、可靠和穩定。系統提供圖形化工具,不僅可以組態出數字化的監控界面,還具有實時趨勢顯示。
     (1)變配電系統的電氣主接線圖展示,實現對全電量參數以及開關斷路器狀態的實時監視,如電壓、電流、頻率、功率、功率因數、三相不平衡度、諧波等參數。
     (2) 水、燃氣、壓縮空氣等系統各分支管道分布示意圖以及流量、壓力、溫度等參數狀態的實時監視;
     (3)重點用能設備系統(如壓機等)的運行狀態以及用能參數的實時監視;
     (4)過壓、過流、欠壓等保護信號報警、系統通信中斷、電量、非電量參數越限、能耗超標預警等實時事件報警監視。
     (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劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比,測算變壓器損耗,找出變壓器經濟運行區間。根據變壓器經濟運行區間,調整負載,從而降低變壓器損耗,節約電量。
4.4.4用能統計
     系統支持為企業不同的計量監測對象,提供快速查詢顯示日、周、月、季、年的企業用能情況同比環比、產品單耗、產品折標對比、能耗等。數據通過棒圖,餅圖,直方圖等形式,實現對系統中耗電量、耗水量、耗氣量等能耗數據的統計分析。大到整個企業,小到單個設備或車間,通過對這些區域的計量節點能耗數據查詢分析,實現整個企業能耗數據的統計分析,滿足用戶實現對任意時段內區域、車間、工藝和設備類型等的能耗數據查詢要求。通過對比不同區域等的能耗數據情況,了解不同對象區域等的能耗規律,自動對這些對象進行能耗,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
     系統提供對企業分項用能的分項統計。根據分項,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,及時掌握企業分項用能趨勢情況。對于分項用能異常,能即時發現,調整策略,改善用能,節約能源。
4.4.6產品/產值單耗
     系統可以與企業MES系統對接,導入產品產量。對不能導入的數據提供人工錄入功能。通過系統采集的能耗數據,結合產品產量,計算產品單耗,生成產品單耗趨勢圖,并進行同比和環比分析。以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝,從而降低能耗。
4.4.7用能成本分析
     系統支持為企業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計對比功能??商峁╇?、水、氣等各種能源類型在統計周期中的消耗量以及對應的費用數據,并且可以將各種能源的費用進行百分比占比統計和對比,以了解整個企業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、可靠的數據依據。
4.4.8用能成本分析
     系統支持為企業以及需要單獨考核計量的區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,系統還支持按照預測算法進行能源成本的成本預測,根據歷史的預算執行情況和實際耗能的數據預測后續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、區域、車間,產線、工段、設備等進行日、周、月、年時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核,幫助企業了解內部能效水平和節能潛力。
4.4.10能耗預測
     通過對企業車間、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,根據人工智能算法對數據和模型進行修正,對未來企業能耗趨勢進行分析,為節能提供有效的決策依據。
4.4.11運行監測
     系統的設備運行監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及關鍵參數監視、設備臺賬管理、設備能耗統計分析以及設備維護管理。通過對設備工作狀態參數以及工況參數的實時采集和監視可及時判斷設備的運行工況是否正常;設備能耗統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,可快速實現對于設備各種特性參數的查詢和統計分類,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濟運行檔案,確保設備的安全、穩定、經濟運行。
4.4.12能源平衡及損耗分析
     能源平衡及損耗統計分析主要為企業的電、水、氣等能源在轉換、運輸、使用過程中的各個環節提供能量平衡分析,及時的發現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。通過分別統計重要用能環節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,來評估個各環節的用能損耗程度。比如對用水系統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,有利于及時發現是否存在水管漏水或者違規用水的情況;對用電系統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用電、竊電等異常用電現場,幫助用戶發現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節能分析
     節能分析主要是為企業在實施節能措施后,具體節能效果的分析,通過錄入節能措施,對比分析實施節能措施前與實施節能措施后的用能情況,以此來評判節能措施的實施效果,為企業節能提供幫助,提高經濟效益。
4.4.14分析報告
     系統提供的用戶分析報告主要是為企業的中、高層管理人員提供有關企業的能耗數據統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,重點能耗,綜合能耗等。通過豐富多樣的圖形化組件組態成為一份用戶分析報告,讓用戶了解系統的運行情況,方便用戶發現設備異常,從而找出改善點,以及針對用能情況挖掘節能潛力。
4.4.15事件記錄
     事件報警分析主要是為系統的異常運行狀態或故障原因診斷分析提供依據和分析手段。系統運行過程中所產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,從各種能耗數據及費用比較,到電力峰谷平報表;從碳排放報告到系統能耗評估,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,方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、效率分析、同環比分析、能耗折標、用能預測、運行監視、異常報警等。
4.4.18運行環境
     (1)瀏覽器運行設備
     (2)臺式電腦,手機、平板等移動端設備
     (3)瀏覽器運行環境
     (4)支持火狐、搜狗、360等主流瀏覽器訪問
     (5)客戶端運行設備
     (6)安卓系統移動設備(android 5.0以上),蘋果ios系統
4.5現場設備選型(根據實際需求選配)
5結語
     積極推動互聯網、大數據、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下一步研發重點[9]。能源管理系統基于自動化技術、網絡通信技術、實時數據庫技術、數據分析及預測技術,對鋼鐵企業提供數據定制化管理服務,優化能源管理。該系統建成后,將為鋼鐵企業的管理、生產計劃、調度決策及OA提供準確、實時的生產工藝計量數據,對于構筑信息化工程、實施精細化生產和精細化管理是十分重要的??梢愿鶕到y所采集的數據進行公司級、廠際級能源核算,實現計量系統分級化管理,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。是鋼鐵企業通往節能降耗,減員增效路徑上的重要“橋梁"。
【參考文獻】
     [1]孟維潮.淺析鋼鐵企業成本管理問題[J].現代經濟,2010(9):48.
     [2]孫濤.能源管理系統在鋼鐵企業上的應用[J].數字技術與應用,2021,39(10):160-162.
     [3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介:淮亞利,本科,現就職于安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為建筑能耗監測系統。



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