基于Web的煉鐵能源管理系統(tǒng)

孫陸楠，李愛英，付瑤，張翠平

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300301）

基于Web的煉鐵能源管理系統(tǒng)

孫陸楠，李愛英，付瑤，張翠平

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300301）

針對(duì)某煉鐵廠的實(shí)際需求，結(jié)合煉鐵廠現(xiàn)有的能源管理模式和生產(chǎn)工藝，依據(jù)管理信息系統(tǒng)的概念，采用目前流行的B/S模式，設(shè)計(jì)了一種廠級(jí)的能源管理系統(tǒng)并投入運(yùn)行。該系統(tǒng)主要功能包括：數(shù)據(jù)采集、能源消耗實(shí)時(shí)監(jiān)控、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、能源報(bào)表管理、成本管理等。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，方案設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了對(duì)企業(yè)能源消耗的有效管理，提高了生產(chǎn)效率。

互聯(lián)網(wǎng)；煉鐵；能源管理；能源效率

改革開放加速了中國工業(yè)化進(jìn)程，能源需求激增，鋼鐵行業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，其能源消耗量占據(jù)全國工業(yè)總消耗的15%～20%［1］。傳統(tǒng)的能源管理模式已然不能適應(yīng)鋼鐵生產(chǎn)的大型化、高速化和激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的要求，所以如何科學(xué)合理地管理能源，通過節(jié)能降耗來降低成本、增加效益，保證生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，成為煉鐵企業(yè)著重關(guān)心的問題，也是當(dāng)前能源管理主要研究的問題。

目前，雖然煉鐵廠建立了比較完善的自動(dòng)化系統(tǒng)來控制生產(chǎn)，但是沒有一個(gè)合理的信息存儲(chǔ)、加工、整理、分析和上報(bào)的工具，直接影響了信息的時(shí)效性，從而導(dǎo)致生產(chǎn)和管理出現(xiàn)脫節(jié)的現(xiàn)象。文章提出了一個(gè)將自動(dòng)化控制與計(jì)算機(jī)信息化相結(jié)合的能源管理系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體目標(biāo)和設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)建設(shè)總體目標(biāo)

本系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)代管理信息系統(tǒng)的思想，結(jié)合煉鐵廠現(xiàn)有的管理模式和功能需求，按照實(shí)用性、可靠性、安全性、規(guī)范性、經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合的原則，設(shè)計(jì)新型能源管理模式。建立集能源數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析、成本管理、計(jì)劃編排于一體的精細(xì)化管控體系。使用戶實(shí)時(shí)掌握能源消耗情況和相關(guān)工藝參數(shù)，最終達(dá)到節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率的目的。

1.2設(shè)計(jì)方案

某煉鐵廠現(xiàn)有3座容積為1 080 m3的高爐，相配套的有鑄鐵機(jī)車間、噴煤車間、運(yùn)行車間、原料車間等，3座高爐具有年產(chǎn)400萬t生鐵的產(chǎn)能，所以其能耗是相當(dāng)大的。目前各個(gè)能源介質(zhì)的輸送管道上都安裝了相應(yīng)的檢測(cè)儀表，但是需要有人到儀表所在的現(xiàn)場(chǎng)去抄錄表數(shù)。煉鐵廠用來測(cè)量水、電、氣能源數(shù)據(jù)的智能儀表共136個(gè)，它們分布在廠內(nèi)不同的地理位置，每天需要人工定時(shí)將表數(shù)抄錄到紙上，然后匯總成表，其工作量非常大。

能源管理系統(tǒng)可以將這些靠人工抄錄的工作，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到數(shù)據(jù)庫中，用戶可以根據(jù)需要查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分3層，分別為數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　System structure

智能儀表的表數(shù)由數(shù)據(jù)采集層采集，并保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)庫中。應(yīng)用層負(fù)責(zé)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。并通過Web服務(wù)器對(duì)外發(fā)布，客戶端通過Web瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，并接收服務(wù)器返回的信息，再通過瀏覽器在客戶端上顯示。

1）數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集分為2種方式：一種為監(jiān)聽采集，另一種為定時(shí)采集。

如圖2所示，箭頭代表數(shù)據(jù)流向。能源數(shù)據(jù)經(jīng)儀表檢測(cè)由PLC（programmable logic controller）采集，再通過OPC Server經(jīng)過單向安全隔離，進(jìn)入采集站。當(dāng)數(shù)據(jù)采集程序啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)采用監(jiān)聽和定時(shí)2種機(jī)制自動(dòng)獲取PLC數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)整理保存到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)采集能將分散的數(shù)據(jù)集中起來，數(shù)據(jù)采集速率可達(dá)到ms級(jí)。

圖2　數(shù)據(jù)采集Fig.2　Data collection

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的主要對(duì)象就是數(shù)據(jù)庫，它一方面接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的能源數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整理后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中；另一方面為應(yīng)用層提供能源數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)數(shù)據(jù)的添、刪、改、查等功能。

3）應(yīng)用層。本能源管理系統(tǒng)采用Web技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)模式［2］，客戶端主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互，包括數(shù)據(jù)的查詢、錄入、修改、刪除和圖形分析界面的查看。Web服務(wù)器主要負(fù)責(zé)對(duì)客戶端應(yīng)用程序進(jìn)行集中管理。圖3為應(yīng)用層執(zhí)行架構(gòu)，分為客戶層、Web層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)持久層、存儲(chǔ)層［3］。除存儲(chǔ)層以外，其他都集中于應(yīng)用服務(wù)器中，主要提供客戶端應(yīng)用程序可以調(diào)用的方法，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的事務(wù)處理。

圖3　應(yīng)用層執(zhí)行架構(gòu)Fig.3　Application layer execute architecture

應(yīng)用層體現(xiàn)了用戶的需求，它將現(xiàn)有的管理模式轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)單、易用、友好的人機(jī)界面，用戶只需通過瀏覽器，即可查詢需要的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2　能源管理系統(tǒng)的開發(fā)

能源管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、報(bào)表管理、能源平衡分析、能源成本管理、能源需求計(jì)劃5個(gè)模塊。如圖4所示為系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖。

圖4　系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖Fig.4　System data flow chart

首先由數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)讀取儀表表數(shù)，并將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。這些能源數(shù)據(jù)一方面用來生成能源消耗的實(shí)時(shí)報(bào)表。另一方面用于生產(chǎn)過程監(jiān)控和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理將能源數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，處理后的數(shù)據(jù)將用于能耗和成本分析。最后系統(tǒng)結(jié)合產(chǎn)鐵量、噸鐵能耗和能源消耗量，制定能源需求計(jì)劃，依據(jù)制定好的能源需求計(jì)劃反過來指導(dǎo)生產(chǎn)。

2.1數(shù)據(jù)采集

煉鐵生產(chǎn)所需的能源介質(zhì)主要有：高爐煤氣、氮?dú)狻嚎s空氣、氧氣、水、電（峰電、谷電、平電、尖電）、噴煤煤粉等，涉及到的采集點(diǎn)共200多個(gè)，其中包括累計(jì)流量和瞬時(shí)流量以及其他相關(guān)參數(shù)。除此之外系統(tǒng)還提供采集點(diǎn)配置維護(hù)功能，用戶可根據(jù)實(shí)際需要添加儀表，手動(dòng)錄入表數(shù)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地保存到數(shù)據(jù)庫中，并與自動(dòng)讀取的數(shù)據(jù)一起參與之后的數(shù)據(jù)分析處理。數(shù)據(jù)采集的過程如圖2所示。

2.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理的主要功能是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需求把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地展示給用戶，達(dá)到能源消耗監(jiān)控自動(dòng)化和智能化的要求。

數(shù)據(jù)修正：參考采集點(diǎn)的歷史能耗識(shí)別出問題數(shù)據(jù)，對(duì)有問題的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，為后期分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分?jǐn)偅河捎谀茉聪氖菫闊掕F生產(chǎn)服務(wù)，所以系統(tǒng)依據(jù)煉鐵生產(chǎn)實(shí)績(jī)?yōu)槊孔郀t核算出一個(gè)分?jǐn)傁禂?shù)，它將各個(gè)能源介質(zhì)的消耗量自動(dòng)分?jǐn)偟矫孔郀t，最后以高爐為單位列出各種介質(zhì)的消耗量，以便進(jìn)行高爐產(chǎn)量與能耗的對(duì)比分析。

2.3報(bào)表管理

傳統(tǒng)的報(bào)表通常經(jīng)Excel手動(dòng)錄入，再通過分類匯總整理數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)提供專門的報(bào)表結(jié)構(gòu)來動(dòng)態(tài)地加載數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，可分介質(zhì)、分時(shí)間段、分車間，甚至細(xì)化到各個(gè)采集點(diǎn)的能耗，并生成可視化圖表，將一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的能源消耗情況直觀地展示給用戶。

報(bào)表主要分為日?qǐng)?bào)表和月報(bào)表，日?qǐng)?bào)表又分為廠級(jí)報(bào)表和車間報(bào)表。能源日?qǐng)?bào)按全廠、部門統(tǒng)計(jì)各個(gè)總管和支管的能源流量。

車間能源日?qǐng)?bào)：主要統(tǒng)計(jì)部門介質(zhì)的日消耗量。根據(jù)介質(zhì)能夠追蹤該部門所有采集點(diǎn)的起始表數(shù)、終止表數(shù)、計(jì)算表數(shù)、分?jǐn)偭康?，如圖5所示。

圖5　車間能源消耗日?qǐng)?bào)Fig.5　Energy consumption daily report of the workshop

全廠能源日?qǐng)?bào)：按日統(tǒng)計(jì)煉鐵廠各個(gè)部門的能源消耗量、分?jǐn)偭?、噸鐵單耗。

能源月報(bào)：以月和介質(zhì)為篩選條件，分類匯總各個(gè)采集點(diǎn)的月度消耗量，并給出當(dāng)月的能源介質(zhì)消耗趨勢(shì)。

2.4能源平衡分析

能源平衡分析以能源平衡表［4］的形式展示給用戶。

能源平衡表是一種分析介質(zhì)發(fā)生量與使用量平衡關(guān)系的工具，它記錄某一介質(zhì)使用的平衡情況，表明了能源由生產(chǎn)到消費(fèi)過程中的各個(gè)階段，并記錄差損。如差損量超過正常范圍，說明某些生產(chǎn)過程存在問題，必須對(duì)造成平衡差額過大的原因進(jìn)行分析，查找原因，校正有關(guān)數(shù)據(jù)，調(diào)整平衡差額。它由時(shí)間、采集點(diǎn)、產(chǎn)量、使用量、單耗、瞬時(shí)流量、差損率等組成。

能源平衡分析：實(shí)現(xiàn)能源介質(zhì)產(chǎn)出和消耗的對(duì)比分析，實(shí)時(shí)對(duì)各種介質(zhì)的產(chǎn)出與消耗做準(zhǔn)確計(jì)算，并在能源消耗預(yù)測(cè)和歷史經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以低成本，少差損，高節(jié)能為目標(biāo)，建立能源投入與產(chǎn)出模型。

2.5能源成本管理

能源成本管理是從全廠的角度考慮煉鐵生產(chǎn)過程中階段性能源成本消耗，實(shí)現(xiàn)全廠的成本核算、生產(chǎn)成本對(duì)比分析、成本核查、效益評(píng)估和考核。成本管理直觀反映企業(yè)在產(chǎn)能、耗能上的水平。

介質(zhì)成本設(shè)置：設(shè)置能源介質(zhì)在某個(gè)時(shí)間段的價(jià)格，以保證價(jià)格的時(shí)效性。

能源成本明細(xì)：根據(jù)時(shí)間段、部門、介質(zhì)、采集點(diǎn)，快速核算能耗和成本。車間成本報(bào)表如圖6所示。

圖6　車間成本報(bào)表Fig.6　Cost report of the workshop

2.6能源需求計(jì)劃

能源需求計(jì)劃是生產(chǎn)計(jì)劃的一部分，其來源于歷史能耗情況和煉鐵生產(chǎn)情況。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前產(chǎn)鐵量和歷史能耗，提煉出最優(yōu)的能源需求組合，制定能源需求計(jì)劃，審核通過后下達(dá)給相應(yīng)的崗位，從而協(xié)調(diào)企業(yè)的能源供給和消耗，實(shí)現(xiàn)能源資源的優(yōu)化調(diào)度和配置等功能。

3　應(yīng)用效果

目前能源管理系統(tǒng)已投入實(shí)際運(yùn)行，與煉鐵廠傳統(tǒng)的能源管理模式相比，該系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)。

1）實(shí)現(xiàn)智能儀表表數(shù)的自動(dòng)讀取入庫，方便用戶查詢、監(jiān)控和集中管理，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠。

2）自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)無紙化辦公。

3）規(guī)范能源管理模式，實(shí)現(xiàn)能源管理從粗放型到精細(xì)化的轉(zhuǎn)變，以及能源介質(zhì)消耗的可追溯性。從煉鐵廠的能源消耗，到每座高爐的能源消耗，到每個(gè)采集點(diǎn)的能源消耗，再到每個(gè)采集點(diǎn)在各個(gè)時(shí)間段的能源消耗都能快速查看，實(shí)現(xiàn)了煉鐵過程中事故的快速定位與處理，提高了能源事故的反應(yīng)效率。

4）結(jié)合煉鐵生產(chǎn)實(shí)績(jī)分析能源消耗情況，統(tǒng)計(jì)成本，做到工序能耗考核的實(shí)時(shí)、快捷、有理、有力。

5）能源消耗趨勢(shì)和能源使用計(jì)劃相結(jié)合，為公司管理高層提供真實(shí)的能源發(fā)生、使用等決策信息。

4　結(jié)論

能源管理系統(tǒng)正在大型鋼鐵企業(yè)中推廣應(yīng)用，這是鋼鐵企業(yè)將生產(chǎn)過程與信息化深度融合的具體體現(xiàn)［5-7］。針對(duì)煉鐵廠現(xiàn)有的管理模式和能耗情況，通過將自動(dòng)化控制與計(jì)算機(jī)信息化相結(jié)合，開發(fā)了能源管理系統(tǒng)，它不僅能對(duì)大量能源數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)煉鐵廠能源消耗的監(jiān)控，并對(duì)采集的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和處理，最后形成一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、分析、預(yù)測(cè)為一體的能源管理模式。目前該系統(tǒng)已經(jīng)上線運(yùn)行，并取得了明顯的效果。下一步任務(wù)是跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行情況，征集用戶意見，不斷完善和改進(jìn)系統(tǒng)，使其為企業(yè)帶來更多的效益。

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Ironworks Energy Management System Based on Web

SUN Lunan，LI Aiying，F(xiàn)U Yao，ZHANG Cuiping
（Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

Aiming at the demands and energy management model and production process of ironworks，a plant level energy management system had been set up and put into operation，which combined with the concept of management information system and used the current popular B/S mode.The main function of the system included data collection，real-time monitoring，basic data management，energy reports management and cost management etc. The actual application shows that the system is stable and reliable and designed reasonable.It improves the management of energy consumption and the production efficiency.

internet；iron-making；energy management；energy efficiency

TP29

B

2015-07-17

修改稿日期：2016-01-12

孫陸楠（1987-），女，碩士研究生，助理工程師，Email：sunshine4829@163.com