齊雙英

(重慶鋼鐵集團礦業(yè)有限公司，重慶 400050)

能源監(jiān)管平臺在企業(yè)的實踐應用

齊雙英

(重慶鋼鐵集團礦業(yè)有限公司，重慶400050)

隨著科學技術(shù)的發(fā)展與社會生產(chǎn)力的日益提高，能源、資源匱乏的形勢也日趨嚴峻。企業(yè)能源系統(tǒng)化管理的重要性和迫切性越來越受到重視。由于企業(yè)的生產(chǎn)特性，其能源消耗一直存在高電耗、高水耗等問題，進而也會產(chǎn)生高污染等問題。究其源頭，是在于能源的使用過程中，不僅資源、能源不能被有效利用，而且會造成大量可用資源流失。采用LonWorks網(wǎng)絡技術(shù)，構(gòu)建了能源監(jiān)管平臺。該平臺以計算機、通信設備、測控單元為基本工具，采用分布式監(jiān)控和集中管理的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。其通過對企業(yè)各類能耗參數(shù)的收集、分析，運用科學算法發(fā)出合理的操作指令，實現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)過程的科學用能、安全用能，達到了能源高效合理利用、降低消耗、提升效益的最終目的。

能源； 監(jiān)管平臺； 智能控制； 現(xiàn)場總線； 控制網(wǎng)絡； 節(jié)能增效； LonWorks

0 引言

能源監(jiān)管平臺采用先進的LonWorks分布式現(xiàn)場控制網(wǎng)絡系統(tǒng)技術(shù)，通過對企業(yè)各類能耗參數(shù)的收集、分析，運用科學算法發(fā)出合理的操作指令，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程的科學用能、安全用能，最終達到能源高效、合理利用以及節(jié)能增效的目的。

能源監(jiān)管平臺涉及現(xiàn)場采集、現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡傳輸?shù)燃夹g(shù)[1]。結(jié)合公司現(xiàn)狀，充分利用已有的主干通信網(wǎng)絡，對局部進行網(wǎng)絡擴展以實時上傳通信數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)中心控制命令的準確下達。此外，通過主干網(wǎng)與LonWorks分布式高速實時控制網(wǎng)絡的無縫連接，可構(gòu)建自動化的能源監(jiān)管現(xiàn)場控制網(wǎng)絡[2-6]。

由于新廠區(qū)目前還在建設中，本文重點對老廠區(qū)的能源管理系統(tǒng)建設進行詳細分析，后期新、老廠區(qū)可以共用一個管理平臺與監(jiān)管中心。

1 能源監(jiān)管平臺結(jié)構(gòu)

能源監(jiān)管平臺采用先進的、安全可靠的分布式高速實時控制網(wǎng)絡技術(shù)和關鍵產(chǎn)品構(gòu)建[2-8]。能源監(jiān)管平臺由監(jiān)管中心、主干通信網(wǎng)絡、現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡、各種智能計量裝置、智能網(wǎng)關(用于連接第三方裝置)等部分組成。平臺分為3個層次，自上而下分別為系統(tǒng)應用層、通信網(wǎng)絡層和現(xiàn)場設備層(感知層)。監(jiān)管平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示 。

圖1 監(jiān)管平臺結(jié)構(gòu)圖

1.1主干通信網(wǎng)絡

能源監(jiān)管平臺充分利用公司已有的主干通信網(wǎng)絡，進行局部網(wǎng)絡擴展，以實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的實時上傳，并確保系統(tǒng)中心控制命令的準確下達。此外，通過主干網(wǎng)與LonWorks分布式高速實時控制網(wǎng)絡的無縫連接，構(gòu)建自動化的能源監(jiān)管制現(xiàn)場控制網(wǎng)絡[9]。

1.2現(xiàn)場網(wǎng)絡

能源監(jiān)管平臺的現(xiàn)場網(wǎng)絡采用LonWorks雙絞線控制網(wǎng)絡，具有拓撲結(jié)構(gòu)靈活、傳輸介質(zhì)和方式多樣、傳輸速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點。LonWorks現(xiàn)場控制網(wǎng)絡采用了P-CSMA/CD技術(shù)，可實時通信；網(wǎng)絡采用的Lontalk通信協(xié)議，符合國際標準，可真正實現(xiàn)產(chǎn)品的互換性；網(wǎng)絡極易擴充、修改和維護。此外，LonWorks現(xiàn)場控制網(wǎng)絡與因特網(wǎng)無縫連接，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控與遠程操作[10]?，F(xiàn)場網(wǎng)絡由智能網(wǎng)絡控制器、各類智能表計、智能網(wǎng)關(用于連接第三方智能表計)等組成。其中，智能網(wǎng)絡控制器執(zhí)行由LonWorks現(xiàn)場控制網(wǎng)絡至以太網(wǎng)的路由功能，向上通過系統(tǒng)通信主干網(wǎng)與中心系統(tǒng)服務器進行通信，向下通過雙絞線與現(xiàn)場子網(wǎng)各終端設備進行通信，完成終端設備的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控等功能，并起到協(xié)議規(guī)約轉(zhuǎn)換作用。同時，智能網(wǎng)絡控制器能夠自動檢測10/100Mb/s以太網(wǎng)，支持各種串口/網(wǎng)絡通信規(guī)約。

按廠區(qū)分布及采集、控制點數(shù)量，全廠共設立16個子網(wǎng)。

2 基于LonWorks的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡技術(shù)

現(xiàn)場能源監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)用于實現(xiàn)各類能源計量與監(jiān)控裝置的連接，能源監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、上傳，以及節(jié)能控制命令下傳至每個能源監(jiān)控裝置等功能。該系統(tǒng)是整個能源管理系統(tǒng)可靠性及監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)年P鍵所在。

LonWorks現(xiàn)場控制網(wǎng)絡采用ISO/OSI模型的全部7層通信協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O計方式，其直線傳輸距離可達2700m，自由拓撲傳輸可達500m，電力載波傳輸可達300m，不帶電電力載波傳輸可達30km無中繼，并支持雙絞線、電力線載波、光纖、紅外、微波等多種介質(zhì)，雙絞線傳輸速率為78Kb/s，電力載波傳輸速率為5.4Kb/s。利用LonWorks技術(shù)的諸多優(yōu)點構(gòu)建的能源管理系統(tǒng)，在穩(wěn)定性、可靠性、系統(tǒng)可擴展性等方面具有明顯優(yōu)勢[11]。

3 能源監(jiān)測子系統(tǒng)

能源監(jiān)測子系統(tǒng)可實現(xiàn)對配電系統(tǒng)、水管網(wǎng)、氣體管網(wǎng)以及中央空調(diào)冷熱量的計量與監(jiān)測。通過平臺的統(tǒng)一監(jiān)測，提高用能的安全性、數(shù)據(jù)的準確性與及時性，以實現(xiàn)系統(tǒng)能效比的綜合評估，為后期進一步節(jié)能降耗提供分析、診斷的數(shù)據(jù)支撐。

3.1配電系統(tǒng)的計量與監(jiān)測

在配電系統(tǒng)中，將公司的用電計量結(jié)構(gòu)分為三級：一級計量為110kV總進線；二級計量包括公司110kV一次降壓10kV(6.3kV)的各直接設備用電和二級降壓0.4kV的低壓總進線；三級計量為二次降壓0.4kV后的各用電回路。終端設備配置如圖2所示。

圖2 終端設備配置圖

通過網(wǎng)關接入電氣綜合保護讀取的方式，將兩路110kV的總進線電能數(shù)據(jù)接入能源監(jiān)管系統(tǒng)，對公司總用能、變壓器狀況進行用能的安全監(jiān)控、診斷，將數(shù)據(jù)總和作為企業(yè)的總用電量。10kV(6.3kV)的直接用電設備也通過讀取電氣綜合保護的方式，接入能源監(jiān)管系統(tǒng)。在二級降壓0.4kV的低壓總進線處安裝三相多功能電力監(jiān)控終端，對各計量監(jiān)測點的電能參數(shù)進行計量與監(jiān)測。在二次降壓0.4kV后的各用電回路處安裝三相多功能電力監(jiān)控終端，對各計量監(jiān)測點的電能參數(shù)進行計量與監(jiān)測，即為三級計量。通過系統(tǒng)采集，對相應的計量回路進行分類、分項、分戶統(tǒng)計。

3.2水管網(wǎng)的計量與監(jiān)測

水管網(wǎng)的計量與監(jiān)測包括2部分：①自來水管網(wǎng)的計量與監(jiān)測；②軟水管網(wǎng)的計量與監(jiān)測。自來水管網(wǎng)的計量與監(jiān)測儀表由自來水公司安裝，污水處理表由環(huán)保局安裝，一級計量表無法更換上傳系統(tǒng)。將公司的二級與三級計量接入系統(tǒng)，安裝具備自動采集功能且能與M-BUS遠程通信的智能遠傳水表，并將其就近連接到現(xiàn)場網(wǎng)絡控制箱的智能網(wǎng)關上，通過智能網(wǎng)關接入LonWorks現(xiàn)場控制網(wǎng)絡，對水表的數(shù)據(jù)進行采集。智能水表安裝示意圖如圖3所示。

圖3 智能水表安裝示意圖

3.3氣(汽)管網(wǎng)的計量與監(jiān)測

氣(汽)系統(tǒng)包括蒸汽、天然氣、工業(yè)氣體等，通過可編程網(wǎng)關將具有RS-485接口的37臺智能表計接入系統(tǒng)，并按種類進行區(qū)分，以實時計量與監(jiān)測氣(汽)管網(wǎng)的運行狀況并及時預警。氣(汽)管網(wǎng)智能表安裝示意圖如圖4所示。

圖4 氣(汽)管網(wǎng)智能表安裝示意圖

3.4空調(diào)系統(tǒng)供冷量計量與監(jiān)測

為實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的自動化和節(jié)能控制，系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)、變頻技術(shù)及變流量節(jié)能控制技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)場已有的控制方式，通過分布式網(wǎng)絡控制技術(shù)，對冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵等進行自動化管理和控制，在滿足基本生產(chǎn)要求的前提下，實現(xiàn)了節(jié)能最大化。

在中央空調(diào)系統(tǒng)主供、回水管間加裝帶遠傳功能的冷熱量表，其數(shù)據(jù)通過智能網(wǎng)關采集并接入最近的子網(wǎng)。通過獲取的各冷熱量表數(shù)據(jù)獲得各中央空調(diào)的制冷量，可以對各中央空調(diào)系統(tǒng)的能效比進行分析，為公司的節(jié)能工作提供相應的依據(jù)。

4 能源監(jiān)管平臺的特點分析

能源監(jiān)管平臺應用先進的LonWorks現(xiàn)場控制網(wǎng)絡系統(tǒng)技術(shù)，采用LonWorks現(xiàn)場網(wǎng)絡控制器。其電力線和雙絞線載波通信可根據(jù)現(xiàn)場情況靈活選擇，通過數(shù)字/模擬量輸入/輸出模塊、網(wǎng)關橋接，兼容接入公司各種類型、各種規(guī)格的模擬或數(shù)字接口的計量設備與裝置。其高度開放和兼容的性能，滿足公司對能源能耗實時在線監(jiān)測、遠端數(shù)據(jù)采集、中間數(shù)據(jù)傳輸、前臺查詢統(tǒng)計和管理功能的要求。

該平臺采用的LonWorks現(xiàn)場網(wǎng)絡控制器具有數(shù)據(jù)存儲功能，能從根本上解決上線(監(jiān)測中心)因網(wǎng)絡中斷等通信故障或其他原因造成的中心數(shù)據(jù)丟失問題。只要上線通信故障消除，即可根據(jù)中斷數(shù)據(jù)丟失程度從數(shù)據(jù)集中器讀取全部或部分數(shù)據(jù)，以確保現(xiàn)場能耗采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性。另外，平臺通過選用成熟、可靠的軟件產(chǎn)品，如數(shù)據(jù)庫、應用軟件等，并在軟件設計中進行容錯設計，提高系統(tǒng)的可靠性及冗余性。

LonWorks現(xiàn)場控制網(wǎng)絡以其完整的構(gòu)架、無限可擴展性及豐富的應用功能，在系統(tǒng)中得到良好應用。其中，可擴展性包括硬件系統(tǒng)的擴展和軟件系統(tǒng)的擴展。硬件系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)控點的數(shù)量增加相應的通信前置機以及磁盤等設備，軟件系統(tǒng)通過分層、分模塊設計實現(xiàn)擴展功能。

該平臺在有線或無線互聯(lián)網(wǎng)絡環(huán)境下，經(jīng)授權(quán)可在任意地點移動進行遠程自動化遙測、遙信和遙控；可實現(xiàn)切換遠程運行桌面(底層網(wǎng)絡控制器網(wǎng)頁)，實時瀏覽能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信息。對具有Lon接口的現(xiàn)場計量或監(jiān)控終端，在滿足Lonmark標準、符合Lontalk協(xié)議時，即可提供遠程源代碼級的修改和調(diào)試、軟件遠程下載及遠程維護等功能。

5 結(jié)束語

能源監(jiān)管平臺的投入運行實現(xiàn)了對公司分廠、車間、重點用能設備的三級計量，以及能源質(zhì)量的在線監(jiān)測、能源自動化調(diào)節(jié)，使公司能夠更深入地了解自身用能狀況，確保公司用能更加合理，從而優(yōu)化公司能源利用，達到了節(jié)能降耗的目的。據(jù)能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，平臺投入后，公司每年減少電耗約為2%；同時，中央空調(diào)系統(tǒng)的改造實現(xiàn)了按需節(jié)能控制，可提升空調(diào)能效20%以上。水、氣(汽)能源監(jiān)測有效地監(jiān)控了管網(wǎng)的跑冒滴漏，不僅及時遏制了能源的浪費，也節(jié)省了人力、物力。

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PracticalApplicationofEnergySupervisionPlatforminEnterprises

QI Shuangying

(Chongqing Iron and Steel Group Mining Co.,Ltd.,Chongqing400050,China)

With the development of science and technology and the increasing of social productivity,the situation of the energy and resource scarcity becomes more and more seriously.The importance and urgency of the energy systematic management of enterprises will be paid more and more attention.Due to the production characteristics of enterprise,the energy consumption has always existing in huge power and water consumptions and other problems,which can also lead to high pollution.Studying its source,in the process of energy use,the resource and energy are not effectively to be utilized,and a large amount of available resources is lost and discharged.By using LonWorks network technology,an energy regulatory platform is established.The platform is composed of computer,communication equipment,and monitoring and control unit as the basic tool,and the distributed monitoring and centralized management network structure is adopted.Through collecting and analyzing various energy consumption data,and calculating by scientific algorithm,suitable instructions and commands are issued,to realize scientific and safety utilization in production process,thus the final goal of high efficient energy utilization,less energy consumption and large benefits is reached.

Energy; Regulatory supervision platform; Intelligent control; Field bus; Control network; Energy-saving and efficiency-enhancing; LonWorks

TH81;TP315

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710003

修改稿收到日期:2017-03-31

山西省自然科學基金資助項目(2014011020-2)、山西省研究生教育改革研究項目(20142058)

齊雙英(1982—)，男，學士，工程師，主要從事電氣技術(shù)、節(jié)能技術(shù)與碳排放方向的研究。E-mail303444138@qq.com。