曹少岳 馮明義

本文介紹能源管控系統(tǒng)在解決鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)存在的設(shè)備分布離散、數(shù)據(jù)可靠性與共享性差、能源調(diào)度與平衡等問(wèn)題的解決方案。利用能源管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺(tái)，我們可以確保能源生產(chǎn)監(jiān)控的準(zhǔn)確性、可靠性，能源調(diào)度的科學(xué)性、及時(shí)性和合理性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工序用能的優(yōu)化分配及供應(yīng)，保證生產(chǎn)及動(dòng)力工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，并最終實(shí)現(xiàn)提高整體能源利用效率的目的。

一、應(yīng)用背景

鋼鐵企業(yè)的能源系統(tǒng)主要分為水、電、氣（汽）三大系統(tǒng)，主要由高壓變配電系統(tǒng)各級(jí)站所、PLC系統(tǒng)及其配套電氣設(shè)備以及部分大型單機(jī)設(shè)備進(jìn)行能源計(jì)量和調(diào)配。由于各系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成、計(jì)量方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議等均存在較大的差異，原有的系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)可靠性差，計(jì)量設(shè)備故障處置響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法做到動(dòng)力能源調(diào)配的高效性、準(zhǔn)確性、合理性。通過(guò)建立全域的能源管控系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足對(duì)能源介質(zhì)進(jìn)行精細(xì)化管理調(diào)度控制的需求，成為解決能源利用與平衡問(wèn)題最有效的方法。

二、能源管控系統(tǒng)

能源管控系統(tǒng)是在自動(dòng)化和綜合過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)分析和管理平臺(tái)，通過(guò)高度集成的智能化能源管控系統(tǒng)，通過(guò) I/O、通信接口、專(zhuān)用儀表或第三方系統(tǒng)收集滿(mǎn)足能源管理中心系統(tǒng)應(yīng)用功能要求的數(shù)據(jù)，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)的公司主體生產(chǎn)單元信息等，根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求配置能源質(zhì)量和量值管理，實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的精細(xì)化控制，支撐公司整體能源的平衡，揭示能源消耗過(guò)程，實(shí)現(xiàn)能源的全空域、全時(shí)域管理，達(dá)到節(jié)能降耗、提質(zhì)增效的目的，是企業(yè)以過(guò)程數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行能源管理的重要系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)技術(shù)方案

（一）總體要求

在數(shù)據(jù)層面，系統(tǒng)通過(guò)完善現(xiàn)場(chǎng)能源計(jì)量設(shè)備、底層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、完善數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等方式，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、分析和處理，結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃和檢修計(jì)劃的數(shù)據(jù)，解決企業(yè)在能源管理過(guò)程中存在的數(shù)據(jù)缺失、零散和缺乏宏觀分析的問(wèn)題，支撐企業(yè)整體能源的平衡。在應(yīng)用層面，系統(tǒng)可根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求配置能源質(zhì)量和量值管理、專(zhuān)業(yè)管理報(bào)表子系統(tǒng)、運(yùn)行和決策支持、數(shù)據(jù)分析及考核等管理模塊，實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的精細(xì)化管理。

系統(tǒng)改造的主要目標(biāo)為：

（1）各系統(tǒng)主要能源參數(shù)實(shí)現(xiàn)集中、統(tǒng)一的畫(huà)面監(jiān)視。

（2）實(shí)現(xiàn)公司及工序各類(lèi)能源進(jìn)出口點(diǎn)和計(jì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)視，包括系統(tǒng)介質(zhì)的潮流圖、流程圖等。

（3） 重要生產(chǎn)工序數(shù)據(jù)監(jiān)視，內(nèi)部主要生產(chǎn)單元和用能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)監(jiān)視。

（4）環(huán)保監(jiān)視，顯示從環(huán)保系統(tǒng)獲取的各種環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括固定污染源監(jiān)測(cè)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)的等，對(duì)超標(biāo)項(xiàng)進(jìn)行報(bào)警。

（二）實(shí)施方案

1.能源管控系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)整合與數(shù)據(jù)采集

（1）自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整合與數(shù)據(jù)采集

結(jié)合企業(yè)各能源系統(tǒng)儀表自動(dòng)化系統(tǒng)的情況及實(shí)際生產(chǎn)狀況，以區(qū)域統(tǒng)一或系統(tǒng)功能統(tǒng)一為原則，在原有的串行結(jié)構(gòu)DP通信總線(xiàn)的基礎(chǔ)上利用光纖、TCP/IP通信技術(shù)對(duì)原有各獨(dú)立自控系統(tǒng)進(jìn)行整合，將信號(hào)接入統(tǒng)一的HMI平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)同一區(qū)域或同一系統(tǒng)的局部遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)集中采集和無(wú)人值守。

在全廠區(qū)各用能點(diǎn)新增流量計(jì)、液位計(jì)，儀表信號(hào)能接入原有自控系統(tǒng)的接入就近的自控系統(tǒng)，不能接入自控系統(tǒng)的，采用無(wú)線(xiàn)通信的方式將信號(hào)接入能源管控系統(tǒng)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)用能點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)全覆蓋與集中監(jiān)測(cè)。

（2）電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整合與數(shù)據(jù)采集

1）繼電保護(hù)裝置集成：通過(guò)統(tǒng)一規(guī)劃，將繼電保護(hù)裝置進(jìn)行改造升級(jí)、規(guī)約轉(zhuǎn)化、后臺(tái)整合等操作，從而實(shí)現(xiàn)不同繼電保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)集成，達(dá)到信息集成和共享。

2）電能數(shù)據(jù)集中采集：把原有的不具備通信功能的電度表升級(jí)改造為支持相應(yīng)繼電保護(hù)通信管理機(jī)規(guī)約的智能電度表，將電度表數(shù)據(jù)接入變電站的通信管理機(jī)，使電能計(jì)量數(shù)據(jù)具備信號(hào)上傳的功能。

（3）用能工序自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)梳理與數(shù)據(jù)采集

在盡可能保證原生產(chǎn)系統(tǒng)自控網(wǎng)絡(luò)不做修改的前提下，通過(guò)加裝隔離網(wǎng)關(guān)將原自控系統(tǒng)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，方便與能源管控主干網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)對(duì)接，為生產(chǎn)工序能源數(shù)據(jù)及用能設(shè)備的流量、壓力、溫度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)上傳創(chuàng)造條件。

2.能源管控系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

（1）能源管控系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)各用能點(diǎn)和信號(hào)基站及水、電、氣（汽）能源系統(tǒng)的調(diào)研，設(shè)計(jì)人員在完善了底層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上根據(jù)各系統(tǒng)分布及數(shù)據(jù)量情況設(shè)計(jì)能源管控主干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷應(yīng)能夠滿(mǎn)足企業(yè)全負(fù)荷生產(chǎn)的產(chǎn)能所覆蓋的所有產(chǎn)線(xiàn)和公輔設(shè)施，并預(yù)留未來(lái)產(chǎn)線(xiàn)升級(jí)的接入能力。

（2）能源管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

以設(shè)置在集控中心機(jī)房中的兩臺(tái)核心交換機(jī)為起點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路向各匯聚交換機(jī)星型發(fā)散，各接入交換機(jī)與相應(yīng)匯聚交換機(jī)串型連接并與核心交換三者之間形成閉合回路，搭建成一個(gè)“局域環(huán)網(wǎng)+星型冗余”的復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建完成后，網(wǎng)絡(luò)分布按功能分為基礎(chǔ)層、匯聚層和核心層三層。其具體功能與構(gòu)成如下：

接入層：由接入交換機(jī)與隔離網(wǎng)關(guān)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)水、電、氣（汽）能源系統(tǒng)及各生產(chǎn)工序的數(shù)據(jù)采集。

匯聚層：由具有數(shù)據(jù)接入與匯聚功能的交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)層與核心層之間的數(shù)據(jù)交換。

核心層：由兩臺(tái)中心冗余交換機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)所采集的各局域數(shù)據(jù)的最終集成，與服務(wù)器及其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

為保障系統(tǒng)在改造時(shí)不影響原有設(shè)備的運(yùn)行，在匯聚層網(wǎng)絡(luò)與各底層原生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)之間配套增加隔離網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層設(shè)備和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)，網(wǎng)絡(luò)接口均支持多種通信協(xié)議，完全克服了底層生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)條件限制，分別將各 PLC系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)及電力繼電保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集至各隔離網(wǎng)關(guān)，隔離網(wǎng)關(guān)將各類(lèi)不同的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)MOD-BUS/TCP協(xié)議的信號(hào)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至上行管理網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)水、電、氣（汽）三系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)及各用能工序關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中采集。

3.服務(wù)器與工作站配置

（1）服務(wù)器功能分配

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、冗余等不同的功能，在兼具安全和穩(wěn)定的前提下對(duì)服務(wù)器功能進(jìn)行分配，確保各節(jié)點(diǎn)各有側(cè)重、相互支持。

數(shù)據(jù)采集（I/O）服務(wù)器

設(shè)置兩組服務(wù)器，每組一臺(tái)為主，一臺(tái)備用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器冗余配置，實(shí)現(xiàn)故障轉(zhuǎn)移和自動(dòng)切換。其中一組用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，完成數(shù)據(jù)采集和部分站所的遠(yuǎn)程控制功能。另外一組完成與變配電所繼電保護(hù)系統(tǒng)的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)各變配電所綜保裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控、電度表數(shù)據(jù)的采集功能。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器

能源管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大，因此應(yīng)配置專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，用于能源數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。要求歷史數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)，服務(wù)器穩(wěn)定運(yùn)行系統(tǒng)平均負(fù)荷率<30%。在此基礎(chǔ)上集成部分 Web 服務(wù)器、測(cè)試服務(wù)器的功能。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)磁盤(pán)陣列用于能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，滿(mǎn)足三年EMS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，先進(jìn)完整的冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份以及恢復(fù)。

4.工作站配備

能源管理系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺(tái)采用成熟的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)。SCADA 監(jiān)控軟件選用SIEMENS WINCC OA，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件為ORACLE 19c。它作為能量管理系統(tǒng)（EMS系統(tǒng)）的一個(gè)最主要的子系統(tǒng)，有著信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢(shì)。

工作站分為三種類(lèi)型：操作工作站、工程師站和三維圖形站。在所有的操作和管理終端上，具有不同級(jí)別的操作授權(quán)機(jī)制。

（1）操作員工作站

操作員工作站分別用于電力系統(tǒng)、水系統(tǒng)、動(dòng)力煤氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、安全環(huán)保、值班調(diào)度等整個(gè)系統(tǒng)的操作界面，對(duì)有關(guān)的能源數(shù)據(jù)和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

（2）工程師站

工程師站用于系統(tǒng)維護(hù)人員對(duì) EMS 計(jì)算機(jī)軟硬件進(jìn)行配置和異常處理，可對(duì)應(yīng)用軟件、接口程序、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、操作日志、數(shù)據(jù)備份等進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)別的維護(hù)管理。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由管理和安全機(jī)制配置，工程師站可完成遠(yuǎn)程系統(tǒng)維護(hù)。

（3）三維圖形工作站

三維圖形工作站主要負(fù)責(zé)三維可視工廠模型系統(tǒng)的運(yùn)行和管理，利用三維圖形軟件提供直觀的3D模型，可直觀反映現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境全貌及各工序及公輔站點(diǎn)分布情況。

四、 系統(tǒng)的效果與優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)完成后，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量設(shè)備管理和數(shù)據(jù)采集方式、控制模式的創(chuàng)新，主要存在以下優(yōu)勢(shì)：

（一）能源計(jì)量?jī)x表管理

對(duì)企業(yè)的一二級(jí)計(jì)量?jī)x表（廠際間的結(jié)算儀表）的基礎(chǔ)臺(tái)賬信息、檢定提醒信息進(jìn)行整體統(tǒng)籌管理，方便對(duì)能源計(jì)量?jī)x表的日常維護(hù)和檢修工作。

（二）基礎(chǔ)能源數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)可采集所有能源平衡所需要的計(jì)量數(shù)據(jù)和運(yùn)行控制數(shù)據(jù)，包括能源計(jì)量測(cè)量、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、在線(xiàn)質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)的以及其他數(shù)據(jù)源的采集等。

（三）能源綜合監(jiān)控與平衡

將全廠的能源設(shè)施作為一個(gè)平衡系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)，直觀反映能源生產(chǎn)和供應(yīng)過(guò)程中的平衡情況，根據(jù)能源發(fā)生和各工序的消耗情況提供能源供應(yīng)在線(xiàn)調(diào)度工具并實(shí)時(shí)顯示能源介質(zhì)信息，對(duì)動(dòng)力成本進(jìn)行測(cè)算，采取最優(yōu)調(diào)度措施，實(shí)現(xiàn)能源最佳運(yùn)行模式，滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

（四）遠(yuǎn)程控制與應(yīng)用

系統(tǒng)通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)各主要設(shè)備、遠(yuǎn)程電控設(shè)備、工藝介質(zhì)參數(shù)、報(bào)警信息等多類(lèi)數(shù)據(jù)，在盡可能保證原有控制系統(tǒng)操作界面和操作風(fēng)格的基礎(chǔ)上，增加“控制權(quán)限選擇”功能，可根據(jù)操作需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程站控制與就地站控制之間的切換。

五、結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)改造后，實(shí)現(xiàn)水、電、氣（汽）能源系統(tǒng)各儲(chǔ)配設(shè)備的集中控制，提高公司動(dòng)力能源調(diào)配的高效性、準(zhǔn)確性、合理性，集中控制代替分散控制提高作業(yè)人員勞動(dòng)效率、優(yōu)化作業(yè)環(huán)境，數(shù)據(jù)分析板塊可對(duì)各工序產(chǎn)品產(chǎn)量及用能量進(jìn)行綜合分析、建模，提高能源利用監(jiān)管力度。

本文方案可作為鋼鐵企業(yè)能源管控系統(tǒng)構(gòu)建與改造的樣本，在不影響原有系統(tǒng)正常功能的情況下實(shí)施，具有安全隔離、易于實(shí)施、開(kāi)放兼容的特點(diǎn)，具備極強(qiáng)的可推廣性。

作者單位：陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司