水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

0項(xiàng)目概況

山東某水泥廠建有2 條日產(chǎn)5000 噸熟料生產(chǎn)線和一座年產(chǎn)100 萬(wàn)噸水泥粉磨站。為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，該廠為2 條熟料線分別配套建設(shè)了6MW、9MW 純低溫余熱發(fā)電站。水泥企業(yè)是典型的高耗能行業(yè)，該廠煤、電、水費(fèi)用合計(jì)占總生產(chǎn)成本的70%以上。因此，建立的能源綜合管理系統(tǒng)、節(jié)能降耗是公司健康發(fā)展的迫切要求。安科瑞電氣股份有限公司于2010年4月承接了該項(xiàng)目，整個(gè)系統(tǒng)采用Acrel-5000能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)用電量和用水量的在線監(jiān)測(cè)和能耗管理。

1 目標(biāo)任務(wù)

監(jiān)視、分析以及控制能源使用，記錄水泥熟料生產(chǎn)線各個(gè)環(huán)節(jié)和設(shè)備的能耗狀況，記錄分析和評(píng)價(jià)整體能耗費(fèi)用水平，從而降低每個(gè)環(huán)節(jié)和線路能源的整體使用成本，同時(shí)將能源數(shù)據(jù)升華為有價(jià)值的信息，用于掌握和分析各個(gè)部分的能源使用情況。將能源成本分?jǐn)偟矫總€(gè)車間、班組、設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)節(jié)或線路，并與績(jī)效考核掛鉤。自動(dòng)生成A、B、C、D 各班能源消耗統(tǒng)計(jì)及主要設(shè)備停機(jī)次數(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，并對(duì)用能情況通過(guò)曲線、棒圖等形式表示出來(lái)，便于通過(guò)能源數(shù)據(jù)的收集和設(shè)備狀態(tài)的分析，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)能源使用漏點(diǎn)和節(jié)能空間比較大的環(huán)節(jié)，評(píng)估各項(xiàng)節(jié)能措施和設(shè)備的實(shí)際效果。

2 總體設(shè)計(jì)

能源管理系統(tǒng)借助現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)視各種運(yùn)行能源參數(shù)，不斷地傳送至系統(tǒng)服務(wù)器中，使運(yùn)行管理人員可以通過(guò)監(jiān)控中心了解系統(tǒng)的運(yùn)行工況，簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)分析。通過(guò)該系統(tǒng)，能夠記錄各個(gè)車間和主要設(shè)備的能耗狀況，記錄分析和評(píng)價(jià)整體能源費(fèi)用水平和能耗費(fèi)用的分解，發(fā)現(xiàn)能耗的過(guò)度消耗點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能耗信息，調(diào)動(dòng)生產(chǎn)者的積性，幫助提高節(jié)能減排的效率。

2.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備（主要包括各種智能儀表）、通訊設(shè)備（工業(yè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)）、能源管理系統(tǒng)軟件3 部分組成。一次傳感儀表主要采用施耐德公司產(chǎn)品，數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施、主機(jī)及終端顯示屏等全部采用產(chǎn)品。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集全部來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表，與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)*隔離，確保了工業(yè)控制網(wǎng)安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)與地面管理數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了WEB 信息傳輸與發(fā)布。系統(tǒng)基于TCP/IP 架構(gòu)，具備與其他子系統(tǒng)互聯(lián)互通接口。系統(tǒng)內(nèi)部能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，方便用戶的管理和維護(hù)工作。系統(tǒng)采用的能源監(jiān)控和管理軟件。

2.3 系統(tǒng)原理

通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取能源消耗監(jiān)控點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)，對(duì)能源供應(yīng)、分配和消耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握能源消耗狀況，了解能耗結(jié)構(gòu)，計(jì)算和分析各種設(shè)備能耗標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控各個(gè)運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)的能耗異常情況，評(píng)估各項(xiàng)節(jié)能設(shè)備和措施的相關(guān)影響，并通過(guò)WEB 把各種能耗日?qǐng)?bào)報(bào)表、各種能耗數(shù)據(jù)曲線等發(fā)布給相關(guān)管理和運(yùn)營(yíng)人員，分享能源信息化帶來(lái)的成果，完成對(duì)企業(yè)能源系統(tǒng)的監(jiān)控及電力負(fù)荷耗能狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和管理。為節(jié)能工程提供數(shù)據(jù)支撐。

2.4 系統(tǒng)功能

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能源數(shù)據(jù)。準(zhǔn)確的能耗數(shù)據(jù)是節(jié)能工作的基礎(chǔ)。能源管理系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)水泥熟料生產(chǎn)各工藝，包括石灰石破碎、原料粉磨、煤粉制備、熟料燒成、余熱發(fā)電等能耗信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。所監(jiān)控的數(shù)據(jù)包括電能數(shù)據(jù)、蒸汽數(shù)據(jù)、煤耗數(shù)據(jù)、壓縮空氣數(shù)據(jù)、用水流量及原料消耗量等。

2）形成重要能耗報(bào)表。定期提供單位熟料電耗、煤耗、水耗、氣耗等綜合能耗信息，并對(duì)各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行單耗、總耗統(tǒng)計(jì)；報(bào)表分為日?qǐng)?bào)、月報(bào)、季報(bào)、年報(bào)等幾種，分析電、煤、水、壓縮空氣、蒸汽消耗情況，以及主機(jī)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、停機(jī)次數(shù)等信息。系統(tǒng)還可以分析對(duì)比不同時(shí)期，同類、不同類設(shè)備之間的耗能狀況，為發(fā)現(xiàn)節(jié)能漏點(diǎn)，提供數(shù)據(jù)參考。

3）分析能耗負(fù)荷特性。以圖表、棒圖、曲線等方式，進(jìn)行一系列負(fù)荷對(duì)比分析，包括單位能耗對(duì)比，重要負(fù)荷對(duì)比，一、二線同類負(fù)荷用能對(duì)比等；系統(tǒng)將分析結(jié)果長(zhǎng)期存貯在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)考慮能源消耗、生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)出多方面信息，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，使設(shè)備以經(jīng)濟(jì)合理的方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

4）細(xì)化成本管理。科學(xué)準(zhǔn)確的界定和分析各部門、班組用能成本，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各車間及熟料線A、B、C、D“四班三運(yùn)行”模式下各班能源消耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并能做到班、日分析，使能耗分析更加準(zhǔn)確、及時(shí)、細(xì)化，提升了對(duì)能耗成本的控制能力。

通過(guò)對(duì)比各部門和班組能耗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)不良的操作習(xí)慣，形成科學(xué)的管理和考核辦法。

5）預(yù)警并診斷能耗異常情況。對(duì)不符合工藝操作流程的用能設(shè)備、各測(cè)量點(diǎn)能源消耗的異常情況進(jìn)行自動(dòng)診斷和報(bào)警提示。對(duì)超出功率范圍的能耗設(shè)備進(jìn)行報(bào)警、對(duì)重要設(shè)備運(yùn)行匹配狀況提出診斷信息。中央控制室管理人員可根據(jù)系統(tǒng)提示，及時(shí)作出科學(xué)處理，防止跑冒滴漏現(xiàn)象，為生產(chǎn)線安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

2.5 軟件特點(diǎn)

上位機(jī)軟件為Acrel-5000能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組態(tài)軟件，該軟件是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與監(jiān)測(cè)的軟件，zui大的特點(diǎn)是能以靈活多樣的“組態(tài)形式”而不是編程方式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)功能。Acrel-5000能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面，可實(shí)時(shí)和定時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備各參量及開關(guān)量狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)。系統(tǒng)還提供了實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢(shì)曲線分析，符合用戶設(shè)計(jì)需要的報(bào)表、事件記錄和故障報(bào)警等功能。整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所有回路能耗的采集和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表、能耗監(jiān)測(cè)功能。

1）運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)：通訊異常報(bào)警提示。

2）用戶管理：不同用戶權(quán)限具備不同操作功能，各級(jí)權(quán)限的口令修改操作功能，具有權(quán)限防誤功能。

3）能耗報(bào)表、棒圖：實(shí)現(xiàn)了所有能耗報(bào)表的按時(shí)間查詢，分為日、月、年報(bào)表等，任意分類、分項(xiàng)實(shí)時(shí)能耗棒圖顯示。

4）打印及導(dǎo)出：所有報(bào)表及界面可打印，或以EXCEL、WORD 格式進(jìn)行導(dǎo)出。

3 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案

系統(tǒng)監(jiān)控中心設(shè)在中央控制室，作為能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和管理中心，承擔(dān)整個(gè)能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析功能，同時(shí)管理整個(gè)系統(tǒng)的用戶權(quán)限和Web 發(fā)布功能。整個(gè)系統(tǒng)采用光纖、以太網(wǎng)總線、RS485 等傳輸介質(zhì)，組建獨(dú)立的、的通訊網(wǎng)絡(luò)。主干線采用工業(yè)級(jí)光纖環(huán)型以太網(wǎng)絡(luò)，環(huán)型主干網(wǎng)共設(shè)立11 個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括監(jiān)控中心、總降壓站、余熱電廠電氣室、一線窯頭電氣室、一線原料粉磨電氣室、一線原料處理電氣室、二線窯頭電氣室、二線原料粉磨電氣室、二線原料處理電氣室、石灰石破碎電氣室、煤粉制備電氣室，其它電氣室、工作間等，信號(hào)采用光纖、RS485 或信號(hào)電纜就近連接到

這10 個(gè)節(jié)點(diǎn)之一，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸。

能源管理系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖1），系統(tǒng)自下而上分3 層：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層、通訊層和系統(tǒng)管理層。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層是指直接采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)并具備上傳功能的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括流量計(jì)、電力參數(shù)測(cè)量?jī)x、壓力傳感器、電子秤以及可編程控制器PLC 等。這些監(jiān)控設(shè)備完成信號(hào)采集、處理，并轉(zhuǎn)換為通訊信號(hào)，接入到網(wǎng)絡(luò)通訊層。東華水泥公司能源管理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層將監(jiān)測(cè)8 個(gè)子系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)：電能子系統(tǒng)、用水子系統(tǒng)、供煤子系統(tǒng)、柴油子系統(tǒng)、壓縮空氣子系統(tǒng)、蒸汽子系統(tǒng)、原料子系統(tǒng)、煙氣子系統(tǒng)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊層

網(wǎng)絡(luò)通訊層是指完成能源管理系統(tǒng)通訊所涉及的底層通訊鏈路（如RS485）、通訊轉(zhuǎn)換設(shè)備（以太網(wǎng)關(guān)）以及頂層通訊鏈路（如光纖以太網(wǎng)、TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)）等的總稱。這一部分是連接現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層和系統(tǒng)管理層的紐帶環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)采用RS485 總線方式，支持Modbus 通訊規(guī)約。通過(guò)以太網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展的RS485 的串行接口，支持Modbus 現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，每個(gè) RS-422/485 通道zui多能連接32 個(gè)智能設(shè)備。通過(guò)以太網(wǎng)關(guān)把低速串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速以太網(wǎng)，將現(xiàn)場(chǎng)層的電力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送入局域網(wǎng)內(nèi)，方便上位系統(tǒng)的管理。工業(yè)級(jí)光交換機(jī)將以太網(wǎng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，多個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成光纖環(huán)網(wǎng)。依靠光纖網(wǎng)絡(luò)良好的抗干擾性和傳輸性能可以更好適應(yīng)惡劣的電氣環(huán)境和遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控中心與各站點(diǎn)（光纖通訊節(jié)點(diǎn)）之間采用全雙工交換式光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。光纖自愈環(huán)技術(shù)具有穩(wěn)定性好、可靠性高和自愈能力強(qiáng)的特點(diǎn)。光纖環(huán)網(wǎng)中任何一處的線路故障不會(huì)導(dǎo)致通訊故障。

3.3 系統(tǒng)管理層

系統(tǒng)管理層是能源管理系統(tǒng)的zui高管理層。系統(tǒng)管理層的全部設(shè)備安放在中央控制室內(nèi)。配置一臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器、一臺(tái)操作工作站、一臺(tái)WEB 服務(wù)器、通訊設(shè)備、激光打印機(jī)、UPS 等。數(shù)據(jù)服務(wù)器采用高性能計(jì)算機(jī)，能源管理軟件采用專業(yè)的監(jiān)控組態(tài)軟件。該層完成接受現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層和DCS 系統(tǒng)上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，并以數(shù)字、曲線、報(bào)表等形式顯示在屏幕上。能源管理系統(tǒng)須采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有良好的可靠性與實(shí)時(shí)性。監(jiān)控軟件應(yīng)基于Windows 2000/2003/XP 中文操作系統(tǒng)，采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、功能分布的體系結(jié)構(gòu)；具備軟、硬件的擴(kuò)充能力；支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展和功能的升級(jí)。同時(shí)，該層可以提供標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口和通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的聯(lián)接；系統(tǒng)管理層通過(guò)OPC Server 與其它集成系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。具備與山東淄礦集團(tuán)內(nèi)部計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息管理系統(tǒng)（MIS）、生產(chǎn)管理系統(tǒng)（如：DCS）、建筑物集成管理系統(tǒng)（BMS）等系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，與其它接口可采用OPC Server/Client 模式。

4　主要監(jiān)控及計(jì)量表計(jì)

5　應(yīng)用效果

Acrel-5000能源管理系統(tǒng)自 2010 年4 月份試運(yùn)行以來(lái)，通過(guò)邊完善、邊應(yīng)用、邊改進(jìn)，在能耗管理控制方面取得了初步效果。

1）強(qiáng)化了對(duì)標(biāo)管理。大力開展了班與班之間、*條熟料線與條熟料線之間對(duì)標(biāo)活動(dòng)，且能實(shí)現(xiàn)當(dāng)日對(duì)標(biāo)。通過(guò)查找能源使用漏洞，減少重要耗能設(shè)備故障，提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，降低系統(tǒng)停機(jī)率，降低了能耗。

2）降低了用電消耗。通過(guò)能源系統(tǒng)報(bào)警提示，當(dāng)供電系統(tǒng)總負(fù)荷超出申請(qǐng)需量時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)提示DCS 操作員調(diào)整負(fù)荷，關(guān)停有關(guān)設(shè)備。當(dāng)原料磨主電機(jī)、煤磨主電機(jī)等大型用電設(shè)備停機(jī)后，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)提示操作人員，將其關(guān)聯(lián)的原料磨風(fēng)機(jī)、煤磨排風(fēng)機(jī)進(jìn)行及時(shí)關(guān)停，節(jié)約了電力消耗。試運(yùn)行期間，先后避免了3 次風(fēng)機(jī)停機(jī)不及時(shí)現(xiàn)象，降低電力消耗超過(guò)5000kWh。2 次調(diào)整了設(shè)備峰谷平用電不合理情況。

3）加強(qiáng)了用水管理。一旦發(fā)現(xiàn)總管路水流量大于其各支路流量之和，或支管路流量突然增大，超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，監(jiān)控人員即可斷定管路有漏水點(diǎn)，組織人員查找處理，堵塞漏洞。試運(yùn)行期間，避免了2 次漏水事故。通過(guò)開展對(duì)標(biāo)活動(dòng)和加強(qiáng)考核，取得了效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]安科瑞電氣股份有限公司系統(tǒng)解決方案.2012.12版.