“雙碳”目標(biāo)背景下綠色工業(yè)建筑項(xiàng)目的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 波，王 玥，楊 程

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074）

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，綠色低碳轉(zhuǎn)型成為各行各業(yè)發(fā)展的重要方向。建筑領(lǐng)域是中國(guó)能源消費(fèi)和碳排放的三大領(lǐng)域之一，具有巨大的碳減排潛力和市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?。推?dòng)建筑業(yè)綠色發(fā)展，既是統(tǒng)籌發(fā)展和安全提升人民幸福感、滿足感的重要途徑，也是順應(yīng)數(shù)字化、智能化發(fā)展趨勢(shì)，培育壯大經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)能的關(guān)鍵舉措，而綠色建筑的推廣應(yīng)用是推動(dòng)國(guó)內(nèi)建筑業(yè)綠色低碳循環(huán)發(fā)展的重要抓手，也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵路徑[1]。在“碳達(dá)峰、碳中和”的政策推動(dòng)下，綠色建筑發(fā)展即將駛?cè)肟燔?chē)道，其覆蓋的范圍也由傳統(tǒng)民用公共建筑迅速延伸至市政、冶金、電力及化工等行業(yè)的工業(yè)建筑。

工業(yè)建筑具有其獨(dú)有的生產(chǎn)適應(yīng)性，其設(shè)計(jì)體系與民用建筑存在較大不同，其中最明顯的差別體現(xiàn)在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，控制系統(tǒng)不僅是工業(yè)項(xiàng)目的神經(jīng)中樞，而且是實(shí)現(xiàn)工業(yè)建筑綠色轉(zhuǎn)型的核心動(dòng)能。首先，因工業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜，連續(xù)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，其控制系統(tǒng)相較于民用項(xiàng)目中的設(shè)備信息管理系統(tǒng)更為龐大與繁雜，所配置的硬件資源與數(shù)據(jù)鏈路更為完備，對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性與控制的可靠性要求更高；其次，工業(yè)項(xiàng)目中綠色建筑的相關(guān)設(shè)計(jì)往往與生產(chǎn)過(guò)程獨(dú)立設(shè)計(jì)，為了滿足綠色建筑的設(shè)計(jì)要求需獨(dú)立設(shè)計(jì)一套能源管理系統(tǒng)，造成了重復(fù)投資，且未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)項(xiàng)目全要素和全生命周期綠色化與數(shù)字化。

本文以東部沿海某市廚余垃圾處理廠項(xiàng)目為例，提出了綠色工業(yè)建筑設(shè)計(jì)體系下的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，介紹了過(guò)程控制系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)的主要功能及融合思路，構(gòu)建了基于過(guò)程控制系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)相融合的智慧化生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)。項(xiàng)目是中國(guó)首個(gè)采用世行貸款的PPP廚余垃圾綜合處理項(xiàng)目，獲得了行業(yè)內(nèi)首個(gè)“工業(yè)建筑三星級(jí)綠色建筑”設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)[2]。

1 總體架構(gòu)

在確保生產(chǎn)過(guò)程安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行的前提下，為達(dá)到綠色工業(yè)三星的設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)建筑項(xiàng)目的數(shù)字化賦能，本文設(shè)計(jì)了一套基于過(guò)程控制系統(tǒng)（Process Control System，PCS）與能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）相融合的智慧化生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)。

1.1 總體思路

由于本項(xiàng)目過(guò)程控制系統(tǒng)具備高速穩(wěn)定的通訊網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集及處理能力，能源管理系統(tǒng)可依托PCS的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)及硬件資源，與過(guò)程控制系統(tǒng)充分融合，構(gòu)建智慧化生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以有效降低能源管理系統(tǒng)的重復(fù)投資成本，還可以通過(guò)數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)更高層次的運(yùn)營(yíng)支撐。智慧化生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 智慧化生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network structure diagram of intelligent production operation management system

1.2 過(guò)程控制系統(tǒng)

廚余垃圾處理項(xiàng)目為典型工業(yè)項(xiàng)目，根據(jù)工藝的自身特點(diǎn)及控制要求，設(shè)計(jì)了一套完整的過(guò)程控制系統(tǒng)，完成生產(chǎn)過(guò)程各類設(shè)備及介質(zhì)運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)、控制及管理。過(guò)程控制系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，該系統(tǒng)自上而下分別由管理級(jí)、通訊網(wǎng)絡(luò)及控制級(jí)構(gòu)成。管理級(jí)配置多套互為冗余的高性能工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為操作員站，并配置歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器和性能計(jì)算服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的采集及深度處理。

通訊網(wǎng)絡(luò)采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為環(huán)形的高速工業(yè)以太網(wǎng)，兩路通訊光纜在物理路由進(jìn)行分離敷設(shè)，一路通過(guò)橋架延全場(chǎng)管廊敷設(shè)，另一路采用鎧裝直埋方式沿地面路由敷設(shè)。

在控制級(jí)層面，采用高性能PLC控制器作為采集控制站。采集控制站由CPU模塊、I/O模塊等組成，其采集現(xiàn)場(chǎng)各工藝參數(shù)及電氣參數(shù)并控制現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)快速、大量、安全的數(shù)據(jù)采集及過(guò)程控制[3]。PCS即可滿足GB/T 50878-2013《綠色工業(yè)建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》第10.4.2條的要求：“對(duì)建筑物和廠區(qū)各類站房?jī)?nèi)設(shè)備、設(shè)施的運(yùn)行狀況已設(shè)置自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，且運(yùn)行正常?！?/p>

1.3 能源管理系統(tǒng)

根據(jù)GB/T 50878-2013《綠色工業(yè)建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.9條的要求：“按區(qū)域、建筑和用途分別設(shè)置各種用能的計(jì)量設(shè)備或裝置，進(jìn)行用能的分區(qū)、分類和分項(xiàng)計(jì)量?！睘闈M足能源分區(qū)、分類、分項(xiàng)的計(jì)量要求，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了涵蓋全廠三級(jí)用能單位的能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)在線監(jiān)測(cè)整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)耗能動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過(guò)程用電、用水、用氣等能耗數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)的角度實(shí)施能源介質(zhì)的平衡調(diào)度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析、對(duì)比，發(fā)現(xiàn)能源消耗過(guò)程和能源結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題，及時(shí)掌握項(xiàng)目的能源管理水平和用能狀況，輸出基于能源介質(zhì)平衡的能源管理方案，解決能源介質(zhì)的生產(chǎn)、回收、消耗的平衡問(wèn)題，提高能源的綜合利用效率。同時(shí)，該系統(tǒng)同步對(duì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)等可再生能源系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏、光熱系統(tǒng)的無(wú)人值守，并依據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，輸出相應(yīng)的系統(tǒng)維護(hù)方案。最終，通過(guò)能源信息的綜合管理，充分發(fā)掘節(jié)能降耗潛力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和綠色升級(jí)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在管理級(jí)層面，在PCS系統(tǒng)增設(shè)一臺(tái)操作員站作為能源管理操作站，并在歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器和性能計(jì)算服務(wù)器中配置相應(yīng)的算力資源，實(shí)現(xiàn)功能如下：

1）能源消耗過(guò)程的信息化與可視化

系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)能耗動(dòng)態(tài)信息，并將這些能耗數(shù)據(jù)與相對(duì)應(yīng)的設(shè)備、車(chē)間、班組生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理人員可了解和掌握生產(chǎn)環(huán)節(jié)和重點(diǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)能耗狀況、單位能耗數(shù)據(jù)、能耗變化趨勢(shì)和實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)等信息能效信息的統(tǒng)計(jì)與管理。

2）歷史能耗數(shù)據(jù)對(duì)比及分析

系統(tǒng)自動(dòng)生成的多種能耗信息統(tǒng)計(jì)圖形、曲線和報(bào)表，如以日、周、月、年為周期的電、水等能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表，報(bào)表類型可分為全廠、車(chē)間、重要耗能設(shè)備等層次，為用戶提供能源消耗結(jié)構(gòu)和能源消耗成本分析依據(jù)，評(píng)估節(jié)能措施的效果和關(guān)聯(lián)影響。

3）太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)及光熱系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)輻射量，光伏發(fā)電系統(tǒng)所有設(shè)備當(dāng)前時(shí)間的各通道直流輸入和交流輸出的電壓、電流、功率、頻率等參數(shù)和當(dāng)日發(fā)電量等。繪制每日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度曲線、風(fēng)速變化曲線、逆變器的電壓電流-時(shí)間曲線、功率-時(shí)間曲線，對(duì)光伏發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)的各種通訊采集異常進(jìn)行記錄并報(bào)警。

在控制級(jí)層面，將全場(chǎng)劃分成7個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站即：預(yù)處理系統(tǒng)、厭氧系統(tǒng)、沼渣堆肥系統(tǒng)、沼氣凈化系統(tǒng)、鍋爐房、污水處理系統(tǒng)及除臭系統(tǒng)；3個(gè)數(shù)據(jù)采集站即：計(jì)量間、變電室及綜合樓。各類能源計(jì)量?jī)x表采用硬接線或現(xiàn)場(chǎng)總線方式接入控制站，利用現(xiàn)場(chǎng)控制站完成能耗數(shù)據(jù)的實(shí)施采集，各站主要功能劃分如下：

1#控制站：測(cè)控預(yù)處理系統(tǒng)的工藝參數(shù)及電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，采集匯聚預(yù)處理車(chē)間區(qū)域各級(jí)能源消耗數(shù)據(jù)。

2#控制站：測(cè)控厭氧系統(tǒng)的工藝參數(shù)及電氣設(shè)備運(yùn)行情況，采集厭氧發(fā)酵界區(qū)各級(jí)能源消耗數(shù)據(jù)。

3#控制站：測(cè)控沼渣堆肥系統(tǒng)的工藝參數(shù)及電氣設(shè)備運(yùn)行情況，采集沼渣堆肥車(chē)間各級(jí)能源消耗數(shù)據(jù)。

4#控制站：測(cè)控沼氣凈化的工藝參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行情況，其中包括火炬相關(guān)工藝參數(shù)檢測(cè)及設(shè)備控制，采集沼氣凈化界區(qū)各級(jí)能源消耗數(shù)據(jù)。

5#控制站：測(cè)控鍋爐房的工藝參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行情況，其中包括可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，采集鍋爐房各級(jí)能源消耗數(shù)據(jù)。

6#控制站：測(cè)控污水處理系統(tǒng)的工藝參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行情況，其中包括消防泵房、雨水泵站，初期雨水池及事故水池參數(shù)檢測(cè)及設(shè)備控制，采集全場(chǎng)進(jìn)水母管運(yùn)行參數(shù)及污水處理車(chē)間能耗數(shù)據(jù)。

7#控制站：測(cè)控除臭系統(tǒng)的工藝參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行情況。

1#采集站：計(jì)量間設(shè)置稱重及信息錄入站，負(fù)責(zé)采集垃圾重量和車(chē)輛信息數(shù)據(jù)，并上傳至中央控制室的全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

2#采集站：采集變電室電氣參數(shù)，如全廠及各車(chē)間用電量、電壓、電量等。

3#采集站：采集綜合樓內(nèi)通風(fēng)空調(diào)、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)及太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)等成套設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，采集綜合樓內(nèi)界區(qū)各類能耗數(shù)據(jù)。

3 能源計(jì)量?jī)x表設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本文針對(duì)工業(yè)綠色建筑對(duì)能源計(jì)量的具體要求，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中的反饋，重點(diǎn)歸納了水量、電量計(jì)量?jī)x表的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

3.1 水量計(jì)量

工業(yè)項(xiàng)目中生產(chǎn)用水與生活用水需區(qū)分計(jì)量，且生產(chǎn)用水涉及工藝過(guò)程的過(guò)程監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)核算，故原則上需選用電磁流量計(jì)；生活用水僅涉及耗量計(jì)量，選用智能水表即可。

1）一級(jí)水表計(jì)量范圍為整個(gè)生產(chǎn)區(qū)的各種水量，測(cè)量點(diǎn)在給水泵房給水泵出水母管；儀表形式：電磁流量計(jì)；通訊方式：以硬接線方式接入污水處理車(chē)間控制站。

2）二級(jí)水表計(jì)量范圍為各車(chē)間和廠區(qū)生產(chǎn)、生活用水量（以預(yù)處理車(chē)間為例）。由于預(yù)處理車(chē)間內(nèi)工藝設(shè)備眾多，生產(chǎn)用給水管道成環(huán)形布置存在多個(gè)用水點(diǎn)，故生產(chǎn)水量測(cè)點(diǎn)為各用水點(diǎn)支管；測(cè)量?jī)x表為電磁流量計(jì)；通訊方式：以硬接線方式接入預(yù)處理控制站。生活用水為母管供水，測(cè)點(diǎn)在生活給水母管；測(cè)量?jī)x表為遠(yuǎn)傳式水表；通訊方式：以總線方式接入預(yù)處理控制站。

3）三級(jí)水表計(jì)量范圍為重點(diǎn)工藝或重點(diǎn)設(shè)備用水量，以厭氧系統(tǒng)冷卻塔為例，測(cè)量點(diǎn)為循環(huán)冷卻塔補(bǔ)水管道；測(cè)量?jī)x表為電磁流量計(jì)；通訊方式：以硬接線方式接入?yún)捬醢l(fā)酵系統(tǒng)控制站。

3.2 電量計(jì)量

1）一級(jí)電量計(jì)量范圍為全廠總用電量，測(cè)量點(diǎn)位于廠級(jí)變配電室10kV進(jìn)線柜；測(cè)量?jī)x表：智能電力儀表；通訊方式：經(jīng)電氣綜保后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)利用PCS通訊網(wǎng)絡(luò)直接接入管理層。

2）二級(jí)電量計(jì)量范圍為主要車(chē)間或工藝系統(tǒng)用電量，測(cè)量點(diǎn)位于廠級(jí)配電室內(nèi)的0.4kV低壓出線柜；測(cè)量?jī)x表：智能電力儀表；通訊方式：經(jīng)電氣綜保后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)利用PCS通訊網(wǎng)絡(luò)直接接入管理層。

3）三級(jí)電量計(jì)量范圍為關(guān)鍵設(shè)備用電量，測(cè)量點(diǎn)位于車(chē)間級(jí)配電室MCC柜；測(cè)量?jī)x表：智能馬達(dá)保護(hù)器；通訊方式：各馬達(dá)保護(hù)器在MCC柜內(nèi)采用485通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行串接，后接入現(xiàn)場(chǎng)控制站。

4 結(jié)論

1）本文以實(shí)際工程為例，介紹了綠色工業(yè)建筑體系下的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，提出了一種基于過(guò)程控制系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)相融合的智慧化生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)項(xiàng)目綠色化、數(shù)字化的前提下兼顧經(jīng)濟(jì)性。并結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際反饋，歸納了能源管理系統(tǒng)典型測(cè)量?jī)x表的選型要點(diǎn)及在執(zhí)行級(jí)與過(guò)程控制系統(tǒng)的具體接入方案。該項(xiàng)目投產(chǎn)后項(xiàng)目運(yùn)行良好，并助力項(xiàng)目取得行業(yè)內(nèi)首個(gè)綠色工業(yè)建筑三星級(jí)運(yùn)行標(biāo)識(shí)。

2）該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)依賴于方案設(shè)計(jì)階段控制系統(tǒng)的整體規(guī)劃，需全面統(tǒng)籌廠內(nèi)各類工藝設(shè)備的控制系統(tǒng)與能源計(jì)量設(shè)備，將該設(shè)計(jì)理念和方案貫徹至成套工藝設(shè)備與全廠自控系統(tǒng)采購(gòu)階段，從而確保設(shè)計(jì)意圖的實(shí)現(xiàn)。