能介管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

寶山鋼鐵股份有限公司不銹鋼事業(yè)部 馮文卓

0 能源介質(zhì)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)和設(shè)計(jì)范圍

能源介質(zhì)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)是根據(jù)BSEE編制的“不銹鋼事業(yè)部冷軋廠能介計(jì)量站工程設(shè)計(jì)方案”和不銹鋼事業(yè)部冷軋廠編制的“冷軋不銹帶鋼工程能源介質(zhì)計(jì)量系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱冷軋廠能介計(jì)量站)需求規(guī)格說明書”作為設(shè)計(jì)依據(jù)的，它能正確地分析和把握不銹鋼公司冷軋廠對(duì)能介管理的真實(shí)需求。

能源介質(zhì)計(jì)量管理系統(tǒng)主要涉及對(duì)冷軋廠范圍內(nèi)的各生產(chǎn)機(jī)組的燃?xì)?、熱力、供配電、以及給排水部分各種介質(zhì)用量的測(cè)量，測(cè)量介質(zhì)包括：電、天然氣、氮?dú)?、氫氣、蒸汽、壓縮空氣、工業(yè)水、預(yù)脫鹽水、純水等。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

冷軋廠能介計(jì)量系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（L1）和能耗分析子系統(tǒng)（L2）。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：對(duì)冷軋廠工程各機(jī)組的能介分類消耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)儀表運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)的短期存檔；

能耗分析子系統(tǒng)主要功能：完成能源計(jì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析，自動(dòng)生成能源報(bào)表，使管理者能掌控和了解能源生產(chǎn)和消耗的實(shí)時(shí)狀況。本文著重介紹能耗分析子系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形式，L1主要采用Control Net總線結(jié)構(gòu)。L2系統(tǒng)和L1系統(tǒng)采用的是OPC接口方式。L2和L3的接口為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通訊接口。

能耗分析子系統(tǒng)主要包括I/O服務(wù)器，應(yīng)用/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，工程師站，若干管理用計(jì)算機(jī)，打印機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

I/O服務(wù)器上裝有Windows 2003 Server中文版操作系統(tǒng),通過OPC方式獲取L1的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后送到相關(guān)數(shù)據(jù)庫。L1系統(tǒng)的通信服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步運(yùn)算和整理，如對(duì)流量的積算、電量的累積等。

應(yīng)用/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器安裝有Windows 2003 Server SP2操作系統(tǒng)、Oracle 10G 標(biāo)準(zhǔn)版數(shù)據(jù)庫和Microsoft Visual.Net中文版等軟件。應(yīng)用服務(wù)器上安裝有管理類的應(yīng)用軟件，負(fù)責(zé)各類工程文件的配置和發(fā)布；還負(fù)責(zé)與產(chǎn)銷L3系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，采用XCOM中間件產(chǎn)品，電文方式傳送，通訊協(xié)議為TCP/IP。數(shù)據(jù)庫采用ORACLE 10G數(shù)據(jù)庫用以存儲(chǔ)長(zhǎng)時(shí)歸檔數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)備份等功能。

管理機(jī)上裝有Windows XP Professional中文版和Microsoft Visual.Net中文版，并配備一臺(tái)打印機(jī)。冷軋能介管理人員可進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表查詢、報(bào)表打印等工作。

2 功能及數(shù)據(jù)流圖示說明

2.1 業(yè)務(wù)/數(shù)據(jù)流程圖（見圖1）

圖1 業(yè)務(wù)/數(shù)據(jù)流程圖

2.2 功能框架圖（見圖2）

圖2 功能框架圖

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了接口數(shù)據(jù)管理、能源實(shí)績(jī)管理、能耗分析計(jì)算、報(bào)表管理以及系統(tǒng)維護(hù)等功能，對(duì)冷軋廠的能源介質(zhì)進(jìn)行管理。系統(tǒng)各子功能均提供數(shù)據(jù)查詢功能，可以對(duì)任何時(shí)間段內(nèi)的機(jī)組能介信息進(jìn)行查詢。設(shè)置機(jī)組名、時(shí)間段，點(diǎn)擊“查詢”按鈕可以查詢?cè)摃r(shí)間段內(nèi)的機(jī)組能介信息；部分還提供項(xiàng)目的維護(hù)功能，包含新增、刪除功能等；同時(shí)畫面提供存為excel文件功能，方便數(shù)據(jù)的下載使用。

3.1 接口數(shù)據(jù)管理

1）各機(jī)組能介信號(hào)采集

系統(tǒng)自動(dòng)通過OPC方式從能介L(zhǎng)1系統(tǒng)提取各機(jī)組的能介信號(hào)，該信號(hào)包含流量、壓力、溫度，以及電的有功功率、無功功率、電度量等，能介L(zhǎng)2系統(tǒng)只接受各介質(zhì)的流量和電度量。所有信號(hào)提取后，根據(jù)機(jī)組、介質(zhì)種類、鋼卷生產(chǎn)信息等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保存到數(shù)據(jù)庫中。通過OPC方式提取數(shù)據(jù)的時(shí)間頻度為分鐘。

從能介L(zhǎng)1系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)每一個(gè)能介信號(hào)編制一個(gè)TAG號(hào)，以示區(qū)別。

2）冷軋廠管網(wǎng)信號(hào)采集

對(duì)于冷軋廠管網(wǎng)信號(hào)，在工程中如有增加的信號(hào)，系統(tǒng)需要完善該部分內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)方式延續(xù)一期，即自動(dòng)通過OPC方式從能介L(zhǎng)1系統(tǒng)提取冷軋廠管網(wǎng)信號(hào)，該信號(hào)包含流量、壓力等，能介L(zhǎng)2系統(tǒng)只接受各介質(zhì)的流量信息。所有信號(hào)提取后，生成歸檔數(shù)據(jù)，保存到數(shù)據(jù)庫中。

3）各鋼卷生產(chǎn)信息采集

系統(tǒng)自動(dòng)通過電文方式從生產(chǎn)L3系統(tǒng)接受機(jī)組各鋼卷的生產(chǎn)信息，包括：鋼卷號(hào)、鋼種代號(hào)、規(guī)格、生產(chǎn)開始時(shí)間、生產(chǎn)結(jié)束時(shí)間、卷重量、卷厚度、卷寬度等。系統(tǒng)接受到所需要的信息后，保存到數(shù)據(jù)庫中。電文接受的時(shí)間頻度為實(shí)時(shí)監(jiān)聽、實(shí)時(shí)接受。

生產(chǎn)L3系統(tǒng)發(fā)送的電文中包含該鋼卷所有的生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息（鋼卷號(hào)、卷重量、卷內(nèi)外徑、實(shí)際加熱時(shí)間、加熱溫度、冷卻時(shí)間、出爐溫度、生產(chǎn)班次等），因此，在接受電文數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)有選擇地提取需要的信息，最終將有用的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

3.2 能源實(shí)績(jī)管理

1）實(shí)績(jī)項(xiàng)目制定

制定每個(gè)機(jī)組所消耗的能源介質(zhì)種類。對(duì)冷軋廠能介信息進(jìn)行管理時(shí)，首先需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況確定各個(gè)機(jī)組所消耗的能源介質(zhì)種類，這是進(jìn)行能源管理的基礎(chǔ)；只有確定機(jī)組與能介的對(duì)應(yīng)關(guān)系之后，才能據(jù)此提取各機(jī)組所消耗的能介數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

2）能源實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算

從能介L(zhǎng)1系統(tǒng)提取各個(gè)機(jī)組每分鐘的能介信息后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計(jì)算，得出每小時(shí)、日、月的數(shù)據(jù)，同時(shí)保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中，為編制各類報(bào)表提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和依據(jù)。

系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計(jì)算時(shí)，需要界定小時(shí)、日、月的結(jié)算時(shí)間，應(yīng)嚴(yán)格按照分公司對(duì)各結(jié)算時(shí)間的規(guī)定執(zhí)行。本系統(tǒng)可以靈活設(shè)定各結(jié)算時(shí)間，以方便系統(tǒng)的維護(hù)和使用。

3）機(jī)組能耗匯總計(jì)算

每月各機(jī)組能耗實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)生成后，根據(jù)月和旬的起始時(shí)間，匯總計(jì)算出各機(jī)組上旬、中旬和下旬的能耗匯總數(shù)據(jù)。

3.3 能耗分析計(jì)算

1）鋼卷能耗計(jì)算

此功能主要用來計(jì)算各鋼卷的卷耗和噸耗，前提條件是系統(tǒng)已經(jīng)成功提取各鋼卷的能介信號(hào)和相關(guān)生產(chǎn)信息。

進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先需要計(jì)算卷耗，即單卷消耗量。計(jì)算卷耗的關(guān)鍵是確定鋼卷的生產(chǎn)時(shí)間，根據(jù)從生產(chǎn)L3系統(tǒng)所接受到的鋼卷生產(chǎn)信息，以該卷號(hào)的生產(chǎn)開始時(shí)間為起始點(diǎn)，生產(chǎn)結(jié)束時(shí)間為結(jié)束點(diǎn)，根據(jù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)該鋼卷下各種能源介質(zhì)在該段時(shí)間內(nèi)的消耗量；然后按照每種能介的折算系數(shù)，將各種能介的消耗量分別折算成標(biāo)煤量；最后進(jìn)行求和，得到該鋼卷號(hào)的卷耗。

計(jì)算卷耗后，可以計(jì)算該鋼卷的噸耗。同樣根據(jù)生產(chǎn)L3下發(fā)的鋼卷生產(chǎn)信息，獲取該卷號(hào)的鋼卷重量，用卷耗/卷重，即得到該鋼卷的噸耗。

2）機(jī)組能耗計(jì)算

此功能主要將冷軋廠總量消耗和各機(jī)組能耗量之和所產(chǎn)生的差異量進(jìn)行分?jǐn)?，得出各機(jī)組平衡后的能耗信息。

分?jǐn)傇瓌t按照“機(jī)組能耗比例分?jǐn)傇瓌t”，即按照每個(gè)機(jī)組能耗占機(jī)組總能耗的比例分?jǐn)傁鄳?yīng)的差異量.

提取冷軋廠總管信號(hào)和各機(jī)組的能介信號(hào)，根據(jù)折算系數(shù)，計(jì)算出機(jī)組總能耗，此時(shí)，可以得到冷軋廠總量和各機(jī)組消耗匯總量之間的差異量，根據(jù)上述分?jǐn)偡椒?，?duì)差異量進(jìn)行分?jǐn)?，即可得出最終平衡后的機(jī)組能耗。

其中：差異量=冷軋廠能耗總量-各機(jī)組能耗量之和

各機(jī)組能耗=各機(jī)組實(shí)時(shí)能耗量+各機(jī)組分?jǐn)偭?/p>

3）冷軋工序能耗分析

此功能主要用于計(jì)算冷軋廠每月平均生產(chǎn)1噸產(chǎn)品所消耗的能源量，以便于了解冷軋廠的能源消耗情況。

按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

冷軋工序能耗（千克標(biāo)煤/噸產(chǎn)品）=冷軋當(dāng)月總能耗折標(biāo)煤量（千克）/冷軋當(dāng)月產(chǎn)量（噸）

其中，冷軋當(dāng)月總能耗是指各種能源介質(zhì)根據(jù)折算系數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)煤后的總量和，能源介質(zhì)具體指：天然氣、電力、蒸汽、工業(yè)水、過濾水、純水、軟水、預(yù)脫鹽水、脫鹽水、氧氣、氮?dú)狻鍤猓ㄒ簹澹?、氫氣、壓縮空氣等，包括分?jǐn)偛糠值膬?nèi)容（由于酸堿等化學(xué)介質(zhì)暫無換算系數(shù)，故工序能耗中不含此類化學(xué)介質(zhì)）。

首先，需要計(jì)算冷軋廠當(dāng)月總能耗折標(biāo)煤量。在“能源實(shí)績(jī)計(jì)算”畫面，已經(jīng)計(jì)算出各機(jī)組每種能源介質(zhì)的月消耗信息，根據(jù)每種能源介質(zhì)的折算系數(shù)得到相應(yīng)的折標(biāo)煤量；將各個(gè)機(jī)組的所有能源介質(zhì)的折標(biāo)煤量累加，得到機(jī)組月能耗量；再將所有機(jī)組能耗量累加，得到冷軋廠當(dāng)月總能耗折標(biāo)煤量。

其次，計(jì)算出冷軋廠該月產(chǎn)量，該產(chǎn)量需要和產(chǎn)銷L3系統(tǒng)統(tǒng)一。

最后根據(jù)公式計(jì)算出冷軋廠的工序能耗。

4）歷史趨勢(shì)分析

此功能主要對(duì)各機(jī)組的能介信號(hào)進(jìn)行一定時(shí)期內(nèi)的實(shí)績(jī)跟蹤，同時(shí)以曲線形式顯示跟蹤結(jié)果，以便于了解冷軋廠各種能介的消耗使用情況。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析時(shí)，需要設(shè)置時(shí)間段（開始日期、結(jié)束日期）、機(jī)組名稱、能介名稱，系統(tǒng)自動(dòng)從相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中提取能介數(shù)據(jù)，并以曲線形式顯示，同時(shí)繪制最大值線、最小值線、平均值線等，方便對(duì)比分析。

3.4 報(bào)表管理

1）班報(bào)表管理

主要是用來生成各機(jī)組的班報(bào)表，同時(shí)提供查詢、打印等功能。

在能源實(shí)績(jī)計(jì)算中，已經(jīng)得到各機(jī)組每種能源介質(zhì)小時(shí)的消耗量信息，這是班報(bào)表生成的基礎(chǔ)。根據(jù)分公司對(duì)冷軋廠各班工作時(shí)間的規(guī)定，系統(tǒng)自動(dòng)匯總計(jì)算出各班在工作時(shí)間段之內(nèi)的各種能源介質(zhì)的消耗量，同時(shí)按照規(guī)定格式生成報(bào)表。

2）統(tǒng)計(jì)報(bào)表管理

主要是用來生成各機(jī)組的日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)和年報(bào)表，同時(shí)提供查詢、打印等功能。

在能源實(shí)績(jī)計(jì)算中，已經(jīng)得到各機(jī)組每種能源介質(zhì)每日、每月的消耗量信息。根據(jù)日數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出各種能源介質(zhì)的周消耗數(shù)據(jù)；根據(jù)月數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出各種能源介質(zhì)的年消耗數(shù)據(jù)。然后按照規(guī)定格式生成各類日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)和年報(bào)。

3.5 系統(tǒng)維護(hù)

1）機(jī)組信息維護(hù)

此功能主要是對(duì)機(jī)組名稱、機(jī)組代碼、縮寫、屬性等各條機(jī)組的相關(guān)信息進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)具備新增、修改、刪除等功能，僅供有權(quán)限的人員操作使用。

2）能源介質(zhì)信息維護(hù)

此功能主要是對(duì)能源介質(zhì)名稱、能源介質(zhì)代碼、屬性等能源介質(zhì)的相關(guān)信息進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)具備新增、修改、刪除等功能，僅供有權(quán)限的人員操作使用。

3）數(shù)據(jù)歸檔管理

為了提高系統(tǒng)的在線運(yùn)行效率、節(jié)省磁盤空間，必須將過期的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔處理。對(duì)于從L1系統(tǒng)獲取的每分鐘能介計(jì)量累計(jì)信號(hào)，系統(tǒng)保存六個(gè)月時(shí)間；對(duì)于匯總數(shù)據(jù)和報(bào)表所需要的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)保存2年時(shí)間。

對(duì)于已經(jīng)歸檔的數(shù)據(jù)，如果需要重新查看或者使用，可以由系統(tǒng)維護(hù)人員重新將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中。

4）系統(tǒng)通訊管理

系統(tǒng)提供通訊方面的管理功能，包括通訊出錯(cuò)管理、系統(tǒng)異常管理等。

對(duì)于出錯(cuò)信息，系統(tǒng)提供通信電文的內(nèi)容記錄，同時(shí)提供手動(dòng)發(fā)送功能，以方便對(duì)錯(cuò)誤電文的管理。

當(dāng)與L3系統(tǒng)通訊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)保存未發(fā)送的數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)正常運(yùn)行后將未發(fā)送的電文發(fā)送出去，當(dāng)與L1系統(tǒng)發(fā)生通訊故障或無信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)的補(bǔ)全功能。

4 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)接口類型

本系統(tǒng)接口分為內(nèi)部接口和外部接口。這里的內(nèi)部接口是指與L1數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的接口，它通過OPC方式實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的通訊，接收各機(jī)組的能源消耗數(shù)據(jù)；然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)按需求進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)和相關(guān)分析，自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫。

外部接口是指與L3生產(chǎn)、能源子系統(tǒng)之間的接口，它通過XCOM通信中間件以電文方式與L3系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，從生產(chǎn)L3子系統(tǒng)獲取機(jī)組各鋼卷的生產(chǎn)信息，同時(shí)向能源L3子系統(tǒng)發(fā)送各機(jī)組的能耗信息、單卷消耗信息等，達(dá)到了數(shù)據(jù)共享的作用。

1）內(nèi)部接口

L2能耗分析子系統(tǒng)與L1數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)之間的接口，以L1作為server，L2作為client,L2通過OPC方式與L1進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，傳送的數(shù)據(jù)為后續(xù)機(jī)組各能介計(jì)量點(diǎn)的累積值。接收L1傳送的數(shù)據(jù)主要為：（1）水介質(zhì)數(shù)據(jù)：流量、壓力、PH值、電導(dǎo)率、其它水質(zhì)；（2）蒸汽介質(zhì)數(shù)據(jù)：流量、壓力、溫度；（3）電耗數(shù)據(jù)：電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電度量；（4）天然氣、氮?dú)饨橘|(zhì)數(shù)據(jù)：流量、壓力溫度等。

2）外部接口

1）L2能耗分析子系統(tǒng)與外部接口系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換采用電文方式，通訊協(xié)議為TCP/IP。外部接口包括與L3生產(chǎn)子系統(tǒng)之間的接口以及與L3能源子系統(tǒng)之間的接口。

2）L2能耗分析子系統(tǒng)與L3生產(chǎn)子系統(tǒng)之間的接口：主要是從生產(chǎn)L3系統(tǒng)接受各機(jī)組生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)。接收L3下達(dá)的數(shù)據(jù)主要有：鋼卷號(hào)、計(jì)劃號(hào)、生產(chǎn)合同號(hào)、鋼卷長(zhǎng)度、寬度、厚度、重量、生產(chǎn)起始時(shí)間、生產(chǎn)結(jié)束時(shí)間等生產(chǎn)數(shù)據(jù)等。

L2能耗分析子系統(tǒng)與L3能源子系統(tǒng)之間的接口：數(shù)據(jù)交換采用電文方式，通訊協(xié)議為TCP/IP。主要是將冷軋各機(jī)組的能源消耗數(shù)據(jù)傳送給能源L3系統(tǒng)，然后由能源L3系統(tǒng)根據(jù)一定分?jǐn)傇瓌t對(duì)冷軋總管能介信息與各機(jī)組能源月消耗信息的差異進(jìn)行分?jǐn)偤推胶狻０l(fā)送給L3能源子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要有：水、蒸汽、壓縮空氣、天然氣、氮?dú)?、電耗等機(jī)組能耗數(shù)據(jù)等。

5 結(jié)束語

CEMS系統(tǒng)在2007年5月正式在不銹鋼事業(yè)部冷軋廠投用，經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的磨合，不斷的改進(jìn)與測(cè)試，逐步趨于穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)的投入運(yùn)行極大地提高了能介管理工作的效率，使能介的使用成本進(jìn)一步降低，為冷軋的生產(chǎn)提供有力的支持與服務(wù)。

CEMS系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)歷了需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編程調(diào)試、測(cè)試運(yùn)行等幾個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了冷軋單元能介的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理等模塊的有效集成，滿足能源介質(zhì)管理業(yè)務(wù)的需要，達(dá)到了系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)。