鋼鐵企業(yè)能源管控系統(tǒng)的建設(shè)

劉夢(mèng)亭 王 濤 孟祥梁

（西王金屬科技有限公司）

0 前言

我國(guó)是世界鋼鐵生產(chǎn)第一大國(guó)，2019年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量為9.96億噸，同比增長(zhǎng)8.3%。鋼鐵行業(yè)是典型的高物耗和高能耗行業(yè)[1]，對(duì)于鋼鐵聯(lián)合企業(yè)來(lái)講，能源成本約占其總成本的30%以上[2]。近年來(lái)，隨著高爐煤氣余熱余壓利用技術(shù)、轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵技術(shù)、干熄焦技術(shù)等單體設(shè)備節(jié)能技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，大幅度降低了鋼鐵企業(yè)的能源消耗，并減少了對(duì)環(huán)境的污染。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，分散化、單點(diǎn)化節(jié)能技術(shù)裝備并不能完全滿(mǎn)足企業(yè)能源管理需求，因此，基于系統(tǒng)化、信息化、智能化的能源管控系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，并日趨成熟、完善。

1 能源管控系統(tǒng)基本架構(gòu)

1.1 能源管控系統(tǒng)介紹

大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，能源介質(zhì)處于一種無(wú)庫(kù)存的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，且多種能源介質(zhì)在生產(chǎn)使用過(guò)程中會(huì)相互影響，甚至制約[3]。因此，合理供能、精準(zhǔn)管控、平穩(wěn)供應(yīng)、動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)組織、降本增效具有重要意義，能源管控系統(tǒng)的成功應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)能源介質(zhì)可視化精準(zhǔn)調(diào)配提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持和保障。

能源管控系統(tǒng)是在現(xiàn)代信息技術(shù)的支撐下，對(duì)冶金企業(yè)電力系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)（燃?xì)?、熱力、氧氮?dú)宓龋?、水系統(tǒng)、工藝單元等進(jìn)行的全過(guò)程能源數(shù)據(jù)采集、共享，通過(guò)實(shí)施集中扁平化、一體化的動(dòng)態(tài)監(jiān)控及數(shù)字化管理，及時(shí)了解和掌握各種能源介質(zhì)的生產(chǎn)、使用以及關(guān)鍵耗能設(shè)備的運(yùn)行工況，完成能源的調(diào)度和優(yōu)化管理，提高勞動(dòng)效率[4-5]。

1.2 能源管控系統(tǒng)基本架構(gòu)

西王特鋼能源管控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)控制層、數(shù)據(jù)采集處理層和應(yīng)用服務(wù)層組成。底層數(shù)據(jù)和上層指令分別通過(guò)上行和下行通信實(shí)現(xiàn)信息傳遞、遠(yuǎn)程控制。鋼鐵企業(yè)能源管控系統(tǒng)的整體功能架構(gòu)如圖1所示。

（1）現(xiàn)場(chǎng)控制層主要由PLC、RTU、DCS、綜合保護(hù)、智能儀表等信息采集設(shè)備組成。能源數(shù)據(jù)參數(shù)由監(jiān)控點(diǎn)采集后，經(jīng)PLC通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳入能源管控系統(tǒng)（EMS）或由現(xiàn)場(chǎng)子站采集再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳入EMS。遠(yuǎn)程終端設(shè)備（RTU）將測(cè)得的各類(lèi)狀態(tài)或信號(hào)轉(zhuǎn)換成可發(fā)送的數(shù)據(jù)格式，通過(guò)以太網(wǎng)傳至能源中心，同時(shí)將中央計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

圖1 鋼鐵企業(yè)能源管控系統(tǒng)整體功能架構(gòu)

（2）數(shù)據(jù)采集處理層以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，利用相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)工具完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理和歸檔。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、人工錄入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其中人工錄入作為自動(dòng)采集的補(bǔ)充手段。數(shù)據(jù)采集處理層是現(xiàn)場(chǎng)控制層和應(yīng)用服務(wù)層的連接橋梁，應(yīng)用層展示的歷史趨勢(shì)、報(bào)警、日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)等均來(lái)源于此服務(wù)器。同時(shí)，工程師站下達(dá)的操作命令也經(jīng)由數(shù)據(jù)處理層發(fā)送至下位機(jī)（RTU、綜合保護(hù)I/O服務(wù)器、PLC、DCS等）。

（3）應(yīng)用服務(wù)層主要包括綜合監(jiān)控系統(tǒng)和基礎(chǔ)能源管理系統(tǒng)兩大部分。綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置有工藝單元、電力需求側(cè)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、水道系統(tǒng)四個(gè)模塊，對(duì)能介管網(wǎng)、配變電、產(chǎn)用能設(shè)備、煤氣柜、循環(huán)水系統(tǒng)等能源單元進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、平衡調(diào)度、報(bào)警分析、故障處理。系統(tǒng)通過(guò)在線管理和調(diào)整，快速響應(yīng)變化的需求，提高故障監(jiān)測(cè)和分析處理效率?；A(chǔ)能源管理系統(tǒng)涵蓋生產(chǎn)管理、計(jì)劃管理、實(shí)績(jī)管理、報(bào)表管理、接口管理、設(shè)備管理、綜合分析、運(yùn)行支持、成本維護(hù)、考核管理、質(zhì)量管理11個(gè)模塊，對(duì)動(dòng)力能源生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)信息和靜態(tài)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理。依托強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力和規(guī)范化管理流程，提供準(zhǔn)確有效的分析數(shù)據(jù)和能源決策支持。系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)界面，將指定的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)畫(huà)面和動(dòng)態(tài)曲線以Web或客戶(hù)端形式實(shí)現(xiàn)可視化。

2 能源管控系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

通過(guò)數(shù)據(jù)采集所獲得的參數(shù)信息是綜合監(jiān)控系統(tǒng)和基礎(chǔ)能源管理系統(tǒng)重要的數(shù)據(jù)支撐，是實(shí)現(xiàn)能源監(jiān)視、報(bào)警、數(shù)據(jù)分析、質(zhì)量管理的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集的廣度和深度按照滿(mǎn)足遠(yuǎn)程監(jiān)控的原則進(jìn)行考慮。數(shù)據(jù)獲取可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀表、PLC、通信接口或第三方應(yīng)用獲得，具體包括能源系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、計(jì)量數(shù)據(jù)、動(dòng)力公輔系統(tǒng)狀態(tài)和故障信息、與能源調(diào)度相關(guān)的主體生產(chǎn)單元信息等，以達(dá)到能源管控系統(tǒng)的集中監(jiān)視和管理要求。數(shù)據(jù)處理應(yīng)遵循就地處理原則，充分利用PLC等專(zhuān)業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力，盡量避免利用能源管控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以免占用過(guò)多數(shù)據(jù)庫(kù)資源。

2.2 軟硬件設(shè)備改造要求

為適應(yīng)能源管控中心建設(shè)要求，需對(duì)部分設(shè)備、儀表進(jìn)行升級(jí)改造，增加關(guān)鍵監(jiān)視測(cè)量點(diǎn)，新增光纖通訊網(wǎng)絡(luò)等，以滿(mǎn)足監(jiān)控、通信和控制要求。系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接口采集PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過(guò)RS485串口采集計(jì)量?jī)x表信號(hào)，并通過(guò)RTU接入能源管理中心。

在硬件方面，需完成現(xiàn)場(chǎng)原有交換機(jī)、需采集儀表、第三方應(yīng)用等至能源管控系統(tǒng)通訊柜內(nèi)RTU之間的網(wǎng)絡(luò)連接工作；在軟件方面，需提供現(xiàn)場(chǎng)各站PLC的IP地址、需采集儀表的連接參數(shù)、信號(hào)表地址，對(duì)PLC做適應(yīng)性配置、程序修改并配合完成現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試工作。對(duì)第三方上位機(jī)系統(tǒng)，需開(kāi)放通訊接口，配合過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息。典型的數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)和數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)分別如圖2、圖3所示。西王特鋼在能源管控系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，新增或改造計(jì)量?jī)x表207塊，采集數(shù)據(jù)2萬(wàn)多條，極大的提高了能源儀表配備率和精細(xì)化管理水平。

圖2 典型的數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)

圖3 典型的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)

2.3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

依托實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)建立的能源綜合監(jiān)控系統(tǒng)，覆蓋煤氣、電力、蒸汽、氧氮?dú)宓饶茉唇橘|(zhì)運(yùn)行潮流圖、重點(diǎn)耗能設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、能源質(zhì)量監(jiān)控、關(guān)鍵生產(chǎn)信息等，可實(shí)現(xiàn)歷史趨勢(shì)查看、限額報(bào)警提示、關(guān)鍵生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)語(yǔ)音提示等功能。能源管控系統(tǒng)的成功應(yīng)用解決了數(shù)據(jù)信息滯后無(wú)法在線合理調(diào)配能源、調(diào)整后反饋緩慢、人工無(wú)法實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題；同時(shí)，能源管控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)外購(gòu)、外銷(xiāo)能源信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，對(duì)于加強(qiáng)能源貿(mào)易計(jì)量，防止能源流失及不合理利用具有重要作用。西王特鋼高爐煤氣潮流如圖4所示。

圖4 高爐煤氣系統(tǒng)潮流

2.4 基礎(chǔ)能源管理系統(tǒng)的主要功能

基礎(chǔ)能源管理系統(tǒng)主要對(duì)各種能源介質(zhì)的實(shí)際發(fā)生量、主要用戶(hù)的使用量、能源質(zhì)量監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、抽取和整理，取得能源生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)，反映各種能源介質(zhì)生產(chǎn)、分配和使用情況；通過(guò)數(shù)據(jù)接口提取公司信息化系統(tǒng)（MES）的生產(chǎn)實(shí)績(jī)、各種燃料、原料消耗等信息，對(duì)各個(gè)生產(chǎn)單元的能耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析及考核指標(biāo)計(jì)算?；A(chǔ)能源管理系統(tǒng)同時(shí)具備生成電子值班日志、調(diào)度日?qǐng)?bào)、停復(fù)役審批、能源計(jì)劃下達(dá)等多種功能。

能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面友好，可直觀展示企業(yè)關(guān)注的能源指標(biāo)，如噸鋼綜合能耗、噸鋼綜合電耗、工序能耗、鐵鋼比等，對(duì)發(fā)揮能源管控系統(tǒng)的計(jì)劃、管理、調(diào)控、考核起到了十分重要的作用，系統(tǒng)展示的噸鋼綜合電耗如圖5所示。

圖5 噸鋼綜合電耗

3 對(duì)于能源管控中心建設(shè)的思考

（1）能源管控中心的建設(shè)是涉及到企業(yè)生產(chǎn)模式、管理模式、銷(xiāo)售模式的一項(xiàng)綜合性工程，必須由企業(yè)高層領(lǐng)導(dǎo)全程協(xié)調(diào)，各方深度參與，不能僅將能源管控中心的建設(shè)作為一項(xiàng)技術(shù)工程和控制系統(tǒng)，否則管控中心非常容易“水土不服”，較難發(fā)揮其應(yīng)有作用。在前期需求調(diào)研時(shí)，應(yīng)形成明確的建設(shè)目標(biāo)和清晰的職能定位，這是保證能源中心建成后能正常運(yùn)轉(zhuǎn)、發(fā)揮效能的關(guān)鍵。

（2）在建設(shè)能源管控中心的過(guò)程中，應(yīng)注重技術(shù)能力與管理方式的匹配，不能盲目改變操作習(xí)慣，隨著人員技能、設(shè)備狀況的提高，應(yīng)及時(shí)改善自動(dòng)化程度。在首次建設(shè)能源管控中心時(shí)，水泵房、加壓站和變電站一般定位為直接遠(yuǎn)控，這也是目前自動(dòng)化水平和生產(chǎn)設(shè)備、人員能夠達(dá)到的程度，后續(xù)增加遠(yuǎn)控設(shè)備、工序時(shí)應(yīng)對(duì)技術(shù)和人員能力進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。選擇遠(yuǎn)控方式時(shí)，需要獨(dú)立的PLC通信模塊，以確保通信速度和可靠性，確保設(shè)備運(yùn)行安全。

（3）能源管控中心的優(yōu)化調(diào)度精準(zhǔn)與否很大程度上取決于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、系統(tǒng)的自動(dòng)化程度以及信息溝通。一般來(lái)講，能源設(shè)備、管線等設(shè)施在鋼鐵企業(yè)作為一般性公輔項(xiàng)目，得不到應(yīng)有的重視，可以利用能源管控中心建設(shè)契機(jī)，對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行整體性、系統(tǒng)性規(guī)劃，改造提升其自動(dòng)化水平，提高能源系統(tǒng)的整體反應(yīng)速度，優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線調(diào)度管控。

（4）能源管控中心的建成投用并不是結(jié)束，而是真正管控的開(kāi)始。要切實(shí)提高對(duì)后期使用與維護(hù)升級(jí)的關(guān)注度，避免將能源管控中心作為形象工程打造，建成徒有其表的數(shù)據(jù)收集中心，或者徒有分析控制硬件而沒(méi)有實(shí)際能源分析與管理、調(diào)度與控制功能的空殼系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

西王特鋼能源管控系統(tǒng)自2017年5月正式上線，已運(yùn)行3年多，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，應(yīng)用效果良好，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能3%的目標(biāo)。能源管控系統(tǒng)的落地實(shí)施實(shí)現(xiàn)了由粗放型管理向精細(xì)化管理的轉(zhuǎn)變，由事后管理向事前管理的轉(zhuǎn)變，由經(jīng)驗(yàn)化管理向科學(xué)化定量管理的轉(zhuǎn)變，為生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、成本分析、領(lǐng)導(dǎo)決策提供了可靠依據(jù)，同時(shí)為公司能源系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展預(yù)留了空間，真正做到能源全流程管控一體化。