水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)研究與應用

　　安科瑞 師晴晴

　　江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

　　0項目概況

　　山東某水泥廠建有2 條日產(chǎn)5000 噸熟料生產(chǎn)線和一座年產(chǎn)100 萬噸水泥粉磨站。為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，該廠為2 條熟料線分別配套建設(shè)了6MW、9MW 純低溫余熱發(fā)電站。水泥企業(yè)是典型的高耗能行業(yè)，該廠煤、電、水費用合計占總生產(chǎn)成本的70%以上。因此，建立的能源綜合管理系統(tǒng)、節(jié)能降耗是公司健康發(fā)展的迫切要求。安科瑞電氣股份有限公司于2010年4月承接了該項目，整個系統(tǒng)采用Acrel-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對企業(yè)用電量和用水量的在線監(jiān)測和能耗管理。

　　1 目標任務(wù)

　　監(jiān)視、分析以及控制能源使用，記錄水泥熟料生產(chǎn)線各個環(huán)節(jié)和設(shè)備的能耗狀況，記錄分析和評價整體能耗費用水平，從而降低每個環(huán)節(jié)和線路能源的整體使用成本，同時將能源數(shù)據(jù)升華為有價值的信息，用于掌握和分析各個部分的能源使用情況。將能源成本分攤到每個車間、班組、設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)節(jié)或線路，并與績效考核掛鉤。自動生成A、B、C、D 各班能源消耗統(tǒng)計及主要設(shè)備停機次數(shù)、運轉(zhuǎn)時間，并對用能情況通過曲線、棒圖等形式表示出來，便于通過能源數(shù)據(jù)的收集和設(shè)備狀態(tài)的分析，進一步發(fā)現(xiàn)能源使用漏點和節(jié)能空間比較大的環(huán)節(jié)，評估各項節(jié)能措施和設(shè)備的實際效果。

　　2 總體設(shè)計

　　能源管理系統(tǒng)借助現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)實時監(jiān)視各種運行能源參數(shù)，不斷地傳送至系統(tǒng)服務(wù)器中，使運行管理人員可以通過監(jiān)控中心**了解系統(tǒng)的運行工況，簡便地實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)分析。通過該系統(tǒng)，能夠記錄各個車間和主要設(shè)備的能耗狀況，記錄分析和評價整體能源費用水平和能耗費用的分解，發(fā)現(xiàn)能耗的過度消耗點，實時監(jiān)測能耗信息，調(diào)動生產(chǎn)者的積極性，幫助提高節(jié)能減排的效率。

　　2.1 系統(tǒng)組成

　　該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備(主要包括各種智能儀表)、通訊設(shè)備(工業(yè)計算機數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng))、能源管理系統(tǒng)軟件3 部分組成。一次傳感儀表主要采用施耐德公司產(chǎn)品，數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施、主機及終端顯示屏等全部采用國內(nèi)產(chǎn)品。

　　2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集全部來自于現(xiàn)場智能儀表，與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)完全隔離，確保了工業(yè)控制網(wǎng)**可靠穩(wěn)定運行。系統(tǒng)與地面管理數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實現(xiàn)了WEB 信息傳輸與發(fā)布。系統(tǒng)基于TCP/IP 架構(gòu)，具備與其他子系統(tǒng)互聯(lián)互通接口。系統(tǒng)內(nèi)部能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，方便用戶的管理和維護工作。系統(tǒng)采用專用的能源監(jiān)控和管理軟件。

　　2.3 系統(tǒng)原理

　　通過該系統(tǒng)實時獲取能源消耗監(jiān)控點能耗數(shù)據(jù)，對能源供應、分配和消耗進行監(jiān)測，實時掌握能源消耗狀況，了解能耗結(jié)構(gòu)，計算和分析各種設(shè)備能耗標準，監(jiān)控各個運營環(huán)節(jié)的能耗異常情況，評估各項節(jié)能設(shè)備和措施的相關(guān)影響，并通過WEB 把各種能耗日報報表、各種能耗數(shù)據(jù)曲線等發(fā)布給相關(guān)管理和運營人員，分享能源信息化帶來的成果，完成對企業(yè)能源系統(tǒng)的監(jiān)控及電力負荷耗能狀態(tài)的監(jiān)測和管理。為節(jié)能工程提供數(shù)據(jù)支撐。

　　2.4 系統(tǒng)功能

　　1)實時監(jiān)測能源數(shù)據(jù)。準確的能耗數(shù)據(jù)是節(jié)能工作的基礎(chǔ)。能源管理系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要，對水泥熟料生產(chǎn)各工藝，包括石灰石破碎、原料粉磨、煤粉制備、熟料燒成、余熱發(fā)電等能耗信息進行實時監(jiān)控。所監(jiān)控的數(shù)據(jù)包括電能數(shù)據(jù)、蒸汽數(shù)據(jù)、煤耗數(shù)據(jù)、壓縮空氣數(shù)據(jù)、用水流量及原料消耗量等。

　　2)形成重要能耗報表。定期提供單位熟料電耗、煤耗、水耗、氣耗等綜合能耗信息，并對各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)進行單耗、總耗統(tǒng)計;報表分為日報、月報、季報、年報等幾種，分析電、煤、水、壓縮空氣、蒸汽消耗情況，以及主機設(shè)備運行時間、停機次數(shù)等信息。系統(tǒng)還可以分析對比不同時期，同類、不同類設(shè)備之間的耗能狀況，為發(fā)現(xiàn)節(jié)能漏點，提供數(shù)據(jù)參考。

　　3)分析能耗負荷特性。以圖表、棒圖、曲線等方式，進行一系列負荷對比分析，包括單位能耗對比，重要負荷對比，一、二線同類負荷用能對比等;系統(tǒng)將分析結(jié)果長期存貯在數(shù)據(jù)庫中，同時考慮能源消耗、生產(chǎn)計劃、產(chǎn)出多方面信息，總結(jié)經(jīng)驗，使設(shè)備以經(jīng)濟合理的方式運行，實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

　　4)細化成本管理?？茖W準確的界定和分析各部門、班組用能成本，可實現(xiàn)對各車間及熟料線A、B、C、D“四班三運行”模式下各班能源消耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并能做到班、日分析，使能耗分析更加準確、及時、細化，提升了對能耗成本的控制能力。通過對比各部門和班組能耗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)**的操作習慣，形成科學的管理和考核辦法。

　　5)預警并診斷能耗異常情況。對不符合工藝操作流程的用能設(shè)備、各測量點能源消耗的異常情況進行自動診斷和報警提示。對超出功率范圍的能耗設(shè)備進行報警、對重要設(shè)備運行匹配狀況提出診斷信息。中央控制室管理人員可根據(jù)系統(tǒng)提示，及時作出科學處理，防止跑冒滴漏現(xiàn)象，為生產(chǎn)線**穩(wěn)定運行提供可靠保障。

　　2.5 軟件特點

　　上位機軟件為Acrel-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)組態(tài)軟件，該軟件是對現(xiàn)場能耗數(shù)據(jù)進行采集與監(jiān)測的專用軟件，大的特點是能以靈活多樣的“組態(tài)形式”而不是編程方式來進行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法，只要將其預設(shè)置的各種軟件模塊進行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實現(xiàn)和完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測功能。Acrel-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)具有友好的人機交互界面，可實時和定時采集現(xiàn)場設(shè)備各參量及開關(guān)量狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)中心存儲。系統(tǒng)還提供了實時曲線和歷史趨勢曲線分析，符合用戶設(shè)計需要的報表、事件記錄和故障報警等功能。整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)所有回路能耗的采集和統(tǒng)計，實現(xiàn)了遠程自動抄表、能耗監(jiān)測功能。

　　1)運行狀態(tài)監(jiān)測：通訊異常報警提示。

　　2)用戶管理：不同用戶權(quán)限具備不同操作功能，各級權(quán)限的口令修改操作功能，具有權(quán)限防誤功能。

　　3)能耗報表、棒圖：實現(xiàn)了所有能耗報表的按時間查詢，分為日、月、年報表等，任意分類、分項實時能耗棒圖顯示。

　　4)打印及導出：所有報表及界面可打印，或以EXCEL、WORD 格式進行導出。

　　3 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方案

　　系統(tǒng)監(jiān)控中心設(shè)在中央控制室，作為能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和管理中心，承擔整個能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計、分析功能，同時管理整個系統(tǒng)的用戶權(quán)限和Web 發(fā)布功能。整個系統(tǒng)采用光纖、以太網(wǎng)總線、RS485 等傳輸介質(zhì)，組建獨立的、專用的通訊網(wǎng)絡(luò)。主干線采用工業(yè)級光纖環(huán)型以太網(wǎng)絡(luò)，環(huán)型主干網(wǎng)共設(shè)立11 個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括監(jiān)控中心、總降壓站、余熱電廠電氣室、一線窯頭電氣室、一線原料粉磨電氣室、一線原料處理電氣室、二線窯頭電氣室、二線原料粉磨電氣室、二線原料處理電氣室、石灰石破碎電氣室、煤粉制備電氣室，其它電氣室、工作間等，信號采用光纖、RS485 或信號電纜就近連接到這10 個節(jié)點之一，實現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸。能源管理系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖1)，系統(tǒng)自下而上分3 層：現(xiàn)場監(jiān)測層、通訊層和系統(tǒng)管理層。

　　圖1 某水泥廠能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　3.1 現(xiàn)場監(jiān)測層

　　現(xiàn)場監(jiān)測層是指直接采集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)并具備上傳功能的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備，包括流量計、電力參數(shù)測量儀、壓力傳感器、電子秤以及可編程控制器PLC 等。這些監(jiān)控設(shè)備完成信號采集、處理，并轉(zhuǎn)換為通訊信號，接入到網(wǎng)絡(luò)通訊層。東華水泥公司能源管理系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測層將監(jiān)測8 個子系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)：電能子系統(tǒng)、用水子系統(tǒng)、供煤子系統(tǒng)、柴油子系統(tǒng)、壓縮空氣子系統(tǒng)、蒸汽子系統(tǒng)、原料子系統(tǒng)、煙氣子系統(tǒng)。

　　3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊層

　　網(wǎng)絡(luò)通訊層是指完成能源管理系統(tǒng)通訊所涉及的底層通訊鏈路(如RS485)、通訊轉(zhuǎn)換設(shè)備(以太網(wǎng)關(guān))以及頂層通訊鏈路(如光纖以太網(wǎng)、TCP/IP 網(wǎng)絡(luò))等的總稱。這一部分是連接現(xiàn)場監(jiān)測層和系統(tǒng)管理層的紐帶環(huán)節(jié)。本項目現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)采用RS485 總線方式，支持Modbus 通訊規(guī)約。通過以太網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)關(guān)擴展的RS485 的串行接口，支持Modbus 現(xiàn)場總線協(xié)議，每個 RS-422/485 通道多能連接32 個智能設(shè)備。通過以太網(wǎng)關(guān)把低速串行信號轉(zhuǎn)換為高速以太網(wǎng)，將現(xiàn)場層的電力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送入局域網(wǎng)內(nèi)，方便上位系統(tǒng)的管理。工業(yè)級光交換機將以太網(wǎng)的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，多個以太網(wǎng)交換機組成光纖環(huán)網(wǎng)。依靠光纖網(wǎng)絡(luò)良好的抗干擾性和傳輸性能可以更好適應惡劣的電氣環(huán)境和遠程的數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控中心與各站點(光纖通訊節(jié)點)之間采用全雙工交換式光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。光纖自愈環(huán)技術(shù)具有穩(wěn)定性好、可靠性高和自愈能力強的特點。光纖環(huán)網(wǎng)中任何一處的線路故障不會導致通訊故障。

　　3.3 系統(tǒng)管理層

　　系統(tǒng)管理層是能源管理系統(tǒng)的高管理層。系統(tǒng)管理層的全部設(shè)備安放在中央控制室內(nèi)。配置一臺監(jiān)控服務(wù)器、一臺操作工作站、一臺WEB 服務(wù)器、通訊設(shè)備、激光打印機、UPS 等。數(shù)據(jù)服務(wù)器采用高性能計算機，能源管理軟件采用專業(yè)的監(jiān)控組態(tài)軟件。該層完成接受現(xiàn)場監(jiān)測層和DCS 系統(tǒng)上傳的實時數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析、轉(zhuǎn)換、存儲，并以數(shù)字、曲線、報表等形式顯示在屏幕上。能源管理系統(tǒng)須采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應具有良好的可靠性與實時性。監(jiān)控軟件應基于Windows 2000/2003/XP 中文操作系統(tǒng)，采用客戶機/服務(wù)器模式的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，標準化、網(wǎng)絡(luò)化、功能分布的體系結(jié)構(gòu);具備軟、硬件的擴充能力;支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擴展和功能的升級。同時，該層可以提供標準的網(wǎng)絡(luò)接口和通信協(xié)議，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的聯(lián)接;系統(tǒng)管理層通過OPC Server 與其它集成系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。具備與山東淄礦集團內(nèi)部計算機網(wǎng)絡(luò)、信息管理系統(tǒng)(MIS)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)(如：DCS)、建筑物集成管理系統(tǒng)(BMS)等系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，與其它接口可采用OPC Server/Client 模式。

　　4　主要監(jiān)控及計量表計

　　5　應用效果

　　Acrel-5000能源管理系統(tǒng)自 2010 年4 月份試運行以來，通過邊完善、邊應用、邊改進，在能耗管理控制方面取得了初步效果。

　　1)強化了對標管理。大力開展了班與班之間、條熟料線與**條熟料線之間對標活動，且能實現(xiàn)當日對標。通過查找能源使用漏洞，減少重要耗能設(shè)備故障，提高了設(shè)備運轉(zhuǎn)率，降低系統(tǒng)停機率，降低了能耗。

　　2)降低了用電消耗。通過能源系統(tǒng)報警提示，當供電系統(tǒng)總負荷超出申請需量時，系統(tǒng)可自動提示DCS 操作員調(diào)整負荷，關(guān)停有關(guān)設(shè)備。當原料磨主電機、煤磨主電機等大型用電設(shè)備停機后，系統(tǒng)將會自動提示操作人員，將其關(guān)聯(lián)的原料磨風機、煤磨排風機進行及時關(guān)停，節(jié)約了電力消耗。試運行期間，先后避免了3 次風機停機不及時現(xiàn)象，降低電力消耗超過5000kWh。2 次調(diào)整了設(shè)備峰谷平用電不合理情況。

　　3)加強了用水管理。一旦發(fā)現(xiàn)總管路水流量大于其各支路流量之和，或支管路流量突然增大，超出正常范圍時，系統(tǒng)將自動報警，監(jiān)控人員即可斷定管路有漏水點，組織人員查找處理，堵塞漏洞。試運行期間，避免了2 次漏水事故。通過開展對標活動和加強考核，取得了顯著效果。

　　參考文獻：

　　[1]安科瑞電氣股份有限公司系統(tǒng)解決方案.2012.12版.

作者簡介：

師晴晴（1985－），女，漢族，本科，工程師，主要研究方向為智能建筑供配電監(jiān)控系統(tǒng)

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