唐鋼能源管理系統(tǒng)解析

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（1.英納奔薩電氣及電子設備制造（天津）有限公司，天津300457；2.施耐德自動化工程（上海）有限公司天津分公司，天津 300171）

1 引言

在我國的能源消耗中，工業(yè)是我國能源消耗的大戶，能源消耗量占全國能源消耗總量的70%左右。冶金工業(yè)能耗居高不下和環(huán)境質量不如人意是長期困擾冶金企業(yè)的難題。國家大力提倡節(jié)能減排，在這個大環(huán)境下，一方面，能源資源市場形勢的日益嚴峻，有效控制能源成本在產(chǎn)品成本中的比例，高效、優(yōu)質、穩(wěn)定、可靠的能源供配平衡成為鋼鐵企業(yè)生存發(fā)展的命脈；另一方面，在生產(chǎn)中，能源介質管網(wǎng)遍布全廠，線路長達數(shù)百km，供應生產(chǎn)的能源介質晝夜不息、變化頻繁，能源系統(tǒng)的運行狀況直接影響到企業(yè)的現(xiàn)實發(fā)展。為此，采取集中高效的管理手段，提升能源管理水平和勞動生產(chǎn)率，確保能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，提升節(jié)能降耗水平，并最終持續(xù)降低能源成本，能源在鋼鐵企業(yè)全廠生產(chǎn)管理中的地位十分重要，因此企業(yè)的能源管控也成為企業(yè)的核心問題，尤其是鋼鐵企業(yè)一直在想方設法解決這個問題。唐鋼能源管理中心立足于現(xiàn)有的信息化系統(tǒng)，充分利用現(xiàn)有的資源，實現(xiàn)能源管控中心（EMS）、ERP系統(tǒng)、PI系統(tǒng)的無縫連接。以能源管理中心系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)為基礎，同時提取ERP，MES/DSS系統(tǒng)的生產(chǎn)實績、生產(chǎn)計劃、財務數(shù)據(jù)等信息，經(jīng)過系統(tǒng)的分析和處理，提供給能源管理專業(yè)人員全面、真實的數(shù)據(jù)，改善目前的能源管理方式，實現(xiàn)能源管理到班組（考核到崗，責任到人）、能源管理到工序（精細管理，整體優(yōu)化）、能源管理到產(chǎn)品批次（成本透明，科學決策），使唐鋼信息化水平和能源管理水平再邁上一個新臺階。

2 企業(yè)原狀

2.1 儀表部分

現(xiàn)在多數(shù)企業(yè)仍處于采用各種儀器、儀表對能源數(shù)據(jù)進行采集，并派專人對儀器、儀表、與采集的數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場維護、抄取，并逐級統(tǒng)計、上報。大部分數(shù)據(jù)還存儲在生產(chǎn)系統(tǒng)中，所以沒有什么數(shù)據(jù)共享。而且在這個過程中需要大量的人力，而且耗時比較長。所以企業(yè)急需解決這個效率低下的問題。

2.2 管理部分

唐鋼是國內(nèi)外頗具知名度和影響力的企業(yè)。唐鋼目前主要的高爐、轉爐和軋機全部實現(xiàn)了大型化、現(xiàn)代化，特別是超薄熱帶生產(chǎn)線、冷軋及產(chǎn)品深加工生產(chǎn)線均從國外引進，總體裝備達到國際先進水平。但是，唐鋼各廠區(qū)相對分散，各區(qū)域相對獨立，傳統(tǒng)調(diào)度模式信息交流不全、不及時，不能實現(xiàn)能源系統(tǒng)的集中管理、統(tǒng)一調(diào)度，制約了能源利用效率的提高。

3 能源管理系統(tǒng)構成

3.1 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的根源，首先要確認數(shù)據(jù)的采集方式，根據(jù)現(xiàn)場的實地考察，最終采取的是多種通訊方式，數(shù)據(jù)匯集統(tǒng)一管理的方式。第一，對原生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采取OPC的通訊方式從以前的生產(chǎn)系統(tǒng)讀??；第二，新增加了部分現(xiàn)場儀表及PLC，PLC直接與儀表通訊，采集數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)視部分

數(shù)據(jù)監(jiān)視是了解掌握現(xiàn)場的實際情況，管理人員通過觀看計算機上設備狀態(tài)及現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)，從而完成對現(xiàn)場設備及物料的調(diào)度工作，在這里有著不可替代的作用。

3.3 管理部分

所有能源通過管理系統(tǒng)可以在線看到庫存及消耗等信息，實現(xiàn)能源的集中管理、統(tǒng)一調(diào)度，提高了能源的利用效率，同時也和其他管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。

3.4 數(shù)據(jù)發(fā)布部分

所有有權限的用戶都可以通過IE瀏覽器瀏覽現(xiàn)場設備狀態(tài)及現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，也可以瀏覽數(shù)據(jù)報表、歷史記錄等。

3.5 網(wǎng)絡技術架構

網(wǎng)絡要有兼容性及高開放性等特色，所以當今能夠滿足多種條件而且具有先進、成熟技術的那就是以太網(wǎng)技術了，整個網(wǎng)絡應該兼容TCP/IP協(xié)議，圖1為能源管理系統(tǒng)技術架構簡圖。

圖1 系統(tǒng)技術架構Fig.1 System technical architecture diagram

3.6 運行環(huán)境

系統(tǒng)環(huán)境也尤為重要，每個工業(yè)軟件都有它要求的軟件、硬件條件，這里也一樣，這套系統(tǒng)要求的軟硬件并不是很高，表1對軟件系統(tǒng)配置進行了描述。

表1 軟件配置Tab.1 Software configuration

軟件對計算機硬件配置也有要求，建議配置：雙核CPU，2G內(nèi)存以上，硬盤要500G以上。

4 設計過程

4.1 設計原則

唐鋼能源管理中心要求要采用先進、成熟、實用的技術手段，系統(tǒng)要具有開放性、可擴性、兼容性和靈活性。依據(jù)這些原則，管理中心將這個任務交于了施耐德電氣中國投資有限公司。

4.2 數(shù)據(jù)對象

系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)包括能源生產(chǎn)、輸配、消耗過程中主要的能源信號以及主要設備狀態(tài)信號。能源公輔控制系統(tǒng)包括全廠變配電所、煤氣現(xiàn)場控制系統(tǒng)、空壓站、供水泵等狀態(tài)，每個廠區(qū)、工序消耗的水、電、風、氣量等是主要系統(tǒng)需要的主要數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)遍布全廠，現(xiàn)場情況非常復雜。

4.3 數(shù)據(jù)采集方式

現(xiàn)場條件復雜，數(shù)據(jù)多數(shù)在以前的生產(chǎn)系統(tǒng)里，如果增加PLC再次對這些數(shù)據(jù)進行采集，成本過高，而且浪費了大部分資源，所以選擇了一個所有自動化軟件都支持的協(xié)議OPC，OPC（用于過程控制的OLE）是一個工業(yè)標準。OPC由一些世界上占領先地位的自動化系統(tǒng)和硬件、軟件公司與微軟（Microsoft）緊密合作而建立的。OPC定義了應用Microsoft操作系統(tǒng)在基于PC的客戶機之間交換自動化實時數(shù)據(jù)的方法。管理這個標準的國際組織是OPC基金會。其前身由一個Fisher-Rosemount， Rockwell Software， Siemens，Opto22，Intellution和 Intuitive Technology等著名大公司組成專門的工作組，僅用了短短的1 a時間便開發(fā)出一個基本可運行的OPC技術規(guī)范。在1996年8月發(fā)布了簡化的、一步到位的解決方案。應用這個協(xié)議的主要原因是它的通用性。

由于唐鋼建廠較早，當時的自動化程度遠不如現(xiàn)在，很多設備沒有計量監(jiān)控，所以要增加儀表，儀表直接和采集系統(tǒng)通訊比較復雜，所以增加了一些PLC來先從儀表內(nèi)把數(shù)據(jù)采集到PLC內(nèi)，采集服務器再從PLC取走采集系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)。

4.4 PLC選型

數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準確性是系統(tǒng)需要保證的，成本也不容忽視，所以選擇性價比比較高的產(chǎn)品作為系統(tǒng)采集用，施耐德的產(chǎn)品多數(shù)都能滿足系統(tǒng)要求，所以性價比就成為選擇M340的主要原因，M340是施耐德的中型CPU，它自帶USB口，同時集成 CANopen，Ethernet或 Modbus通訊接口，并且有著外形精巧、維護簡單、穩(wěn)定可靠、支持多語言編程等多種特點，而且在各行業(yè)都有廣泛的應用。

4.5 監(jiān)控軟件

SCADA（supervisory control and data acquisition)，一個收集和分析實時數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)，通常用于對設備或平臺的“監(jiān)視控制”，而并非“過程控制”，對數(shù)據(jù)的采集是實時的。Citect是施耐德旗下的一個公司 ，CitectSCADA是世界領先的工業(yè)自動化軟件之一，以它的可靠性和靈活性著名。在工業(yè)的廣泛范圍中使用CitectSCADA，可以依靠更高的擴展性，可靠的控制和監(jiān)測系統(tǒng)來降低操作成本，改進產(chǎn)量和產(chǎn)品質量。簡單操作的工具和強有力的特點可以快速地配置任何大小的方案。Citect作為一個在工業(yè)自動化領域，發(fā)展和應用SCADA和HMI軟件的領先者，已經(jīng)有很長的歷史。有能力發(fā)展強有力和可靠的工業(yè)軟件，可以承受大范圍操作的苛求，這已成為我們最有力的特點之一。

4.6 管理軟件

Ampla是在同一個實時平臺上運行的若干功能模塊組成的集成套件，通過一個組態(tài)工具進行配置，還具有一個唯一的網(wǎng)頁入口。所有模塊的組態(tài)以及瀏覽都是在一個統(tǒng)一的樹狀分級結構中，這樣對于組態(tài)多模塊既方便又節(jié)省時間和工作量。這樣配置方式對于使用者的學習使用也很方便，因此降低了用戶對這套解決方案的總體擁有成本。套件包括如下模塊：實時度量模塊、生產(chǎn)模塊、質量模塊、停機管理模塊、跟蹤模塊、維護模塊、成本模塊、生產(chǎn)計劃模塊、知識模塊。

4.7 硬件、軟件的網(wǎng)絡架構

管理系統(tǒng)是用CitectSCADA通過OPC通訊讀取原有數(shù)據(jù)，與新增PLC通訊讀取新增儀表設備的數(shù)據(jù)，再傳到PI系統(tǒng)中匯集，然后給監(jiān)視系統(tǒng)（CitectSCADA）和管理系統(tǒng)（Ampla），從而完成各種功能。圖2為唐鋼網(wǎng)絡系統(tǒng)的示意圖，實際要比這個復雜得多，服務器和客戶端都很多。

圖2 網(wǎng)絡架構簡圖Fig.2 Network architecture diagrams

5 實現(xiàn)的管理功能

5.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能

將能源數(shù)據(jù)采集進入系統(tǒng)，供數(shù)據(jù)監(jiān)視、報警、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等使用。將計算后的數(shù)據(jù)傳輸給ERP，MES的生產(chǎn)和管理系統(tǒng)。

5.2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能

動力系統(tǒng)監(jiān)控：對煤氣、蒸汽、電力、水等動力介質進行實時監(jiān)視，根據(jù)系統(tǒng)故障報警進行調(diào)整和分析，優(yōu)化能源配置。作為能源的生產(chǎn)指揮控制中心，能源管理系統(tǒng)滿足指導日常的能源生產(chǎn)調(diào)度，保證主體工序正常有序的生產(chǎn)，并在突發(fā)事件期間實施能源應急調(diào)度策略，確保能源供應的安全穩(wěn)定，達到節(jié)能減排增效的目標。

工序能源消耗監(jiān)控：對主體工序能源消耗實時監(jiān)視，便于各主體廠及時了解本單位真實的能耗情況，及時客觀地進行分析，及時調(diào)整工藝操作，提出節(jié)能降耗的技術和管理措施，提高能源管理的效率，向能源管理要效益。

5.3 基礎能源管理功能

將采集的數(shù)據(jù)進行歸納、分析和整理，結合生產(chǎn)計劃的數(shù)據(jù)，進行能源管理工作，包括能源實績分析管理、能源質量管理、能源平衡管理、能源預測分析等。

5.4 強化能源調(diào)度功能

能源調(diào)度可以通過系統(tǒng)迅速從全局的角度了解系統(tǒng)的運行狀況等，實時掌握系統(tǒng)運行情況、及時采取調(diào)度措施，使系統(tǒng)盡可能運行在最佳狀態(tài)，在出現(xiàn)故障時，及時采取相應措施，并調(diào)整能源介質平衡，限制故障范圍的進一步擴大，有效恢復系統(tǒng)的正常運行，將事故造成的損失降到最低。

5.5 能源預測功能

在掌握了一定量的能源歷史信息的基礎上，可以逐步建立有效能源預測功能，為調(diào)度人員提供預案。

6 結論

系統(tǒng)通過對4萬點的數(shù)據(jù)采集，可以管理唐鋼5個分廠（煉鐵廠，一鋼軋廠，二鋼軋廠，冷軋薄板廠，動力廠）范圍內(nèi)從原料到最終產(chǎn)品過程中產(chǎn)品的工序能耗、各批次能源消耗。監(jiān)視系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)均來源現(xiàn)場儀表計量的數(shù)據(jù)，應用信息技術將分散在全公司的動力單位統(tǒng)一到一體化的監(jiān)視平臺上，實現(xiàn)了對能源介質消耗的監(jiān)視，為能源調(diào)度、管理提供了強大的支持，提升了能源調(diào)度管理水平，實現(xiàn)公司從調(diào)度管理中要效率，從能源管理中要效益。據(jù)悉，隨著該中心投入使用，唐鋼可以根據(jù)實時動態(tài)數(shù)據(jù)，調(diào)配生產(chǎn)所需能源，實現(xiàn)能源全程集中可視化管理，節(jié)能減排管理再次升級。2011年噸鋼能源成本將在原來已降低100元的基礎上可再降50元，每年減少二氧化碳排放30多萬t，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的雙贏。在我國節(jié)能降耗大的趨勢下，企業(yè)能源管理系統(tǒng)必能為企業(yè)帶來可觀的效益。

［1］施耐德電氣有限公司.Unity Pro快速入門手冊（英文）［Z］.2009.

［2］施耐德電氣有限公司.M340 選型指南［Z］.2010.

［3］施耐德電氣有限公司.CitectSCADA培訓手冊［Z］.2011.