鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)的應用研究

陳輝 劉賢堂 吳寶健

（1.廣東省科學院自動化工程研制中心 2.廣州鋼鐵股份有限公司能源中心）

1 引言

鋼鐵企業(yè)主要以生產(chǎn)生鐵、鋼材、鐵合金等高能耗產(chǎn)品為主，是一次能源和二次能源的消耗大戶，其能源消耗量在全國能源總產(chǎn)量中占很大的比例。同時鋼鐵企業(yè)能源消耗接近其生產(chǎn)成本的 20%，以節(jié)能降耗為目標的管理顯得非常重要，而且鋼鐵廠污染環(huán)境的直接來源主要是耗能工段。因此，提高鋼鐵企業(yè)的能源管理水平不但具有可觀的經(jīng)濟效益，而且還具有重要的社會效益。

2 能源管理系統(tǒng)的需求分析

能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）是冶金企業(yè)自動化和信息化的重要組成部分。在能源管理系統(tǒng)中，企業(yè)需要完善能源信息的采集系統(tǒng)，對能源數(shù)據(jù)進行分析、處理和加工，從而在公司全局角度審視能源的基本管理需求，滿足能源工藝系統(tǒng)分散特性和能源管理需要集中的客觀要求，以適應鋼廠的戰(zhàn)略發(fā)展需要[1]。上述是對鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)一個較為全面的定義，對于具體問題其側重點會有所不同。本文從廣州鋼鐵企業(yè)集團的能源管理系統(tǒng)實際需求出發(fā)，參考同行能源管理系統(tǒng)的功能需求進行分析。鋼鐵企業(yè)內(nèi)各種能源介質(zhì)之間有如下特點：

(1) 每一個工藝流程都需要消耗大量能源，又有大量能源（尤其是燃氣）可回收。可回收能源幾乎達到總量的 40%，充分利用回收能源是降低成本的重要手段。

(2) 各種介質(zhì)相互關聯(lián)，煤氣、廢熱、煤、重油都可轉換成蒸汽，蒸汽可轉換成電力，煤氣也可直接轉換成電力，能源調(diào)度人員可以通過多種手段回收能量，降低任何無效的放散，減少環(huán)境污染[2]。

根據(jù)能源介質(zhì)的特點，結合實際情況，提出該能源管理系統(tǒng)的目標：

(1) 提高各類能源的使用效率，實現(xiàn)各類能源介質(zhì)的優(yōu)化調(diào)控，促進節(jié)能降耗。

(2) 調(diào)度管理人員可以更全面地了解能源系統(tǒng)，提高能源管理水平。

(3) 及時發(fā)現(xiàn)能源系統(tǒng)故障，加快故障處理速度，使能源系統(tǒng)更安全。

(4) 使能源系統(tǒng)的運行監(jiān)視、操作控制、數(shù)據(jù)查詢、信息管理實現(xiàn)圖形化、直觀化和定量化。

(5) 結合生產(chǎn)計劃預測能源的使用情況，合理安排生產(chǎn)，減少燃氣的無效放散，保護環(huán)境。

3 系統(tǒng)集成及分析

3.1 系統(tǒng)設計

廣州鋼鐵企業(yè)集團當前及新建能源相關的數(shù)據(jù)采集站有10個，分別為：供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站、發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站、熱力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站、1500風機數(shù)據(jù)采集站、壓縮空氣數(shù)據(jù)采集站、供水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站、凈化水及加壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站、高焦煤氣數(shù)據(jù)采集站、轉爐煤氣數(shù)據(jù)采集站和東片煤氣用戶數(shù)據(jù)采集站。通過深入分析和研究，將EMS系統(tǒng)設計為三層：第一層是基礎數(shù)據(jù)采集層，第二層是數(shù)據(jù)處理層，第三層是監(jiān)控管理層。廣鋼能源管理系統(tǒng)圖如圖1所示。各層功能如下：

(1) 基礎數(shù)據(jù)采集層：由上述 10個數(shù)據(jù)采集站組成，完成現(xiàn)場的控制和數(shù)據(jù)采集功能。各采集站建設在不同的時期并且建成相互獨立的監(jiān)控系統(tǒng)。其中，發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站采用DCS系統(tǒng)、供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站采用深圳中電的監(jiān)控系統(tǒng)、高焦煤氣數(shù)據(jù)采集站和轉爐煤氣數(shù)據(jù)采集站采用西門子的控制系統(tǒng)等。通過光纖將10個采集站和監(jiān)控中心應用服務器連接，實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)的集成。

(2) 數(shù)據(jù)處理層：由三層交換機、應用服務器、數(shù)據(jù)服務器、磁盤陣列和后備電源（UPS）等構成。基礎數(shù)據(jù)采集層通過數(shù)據(jù)采集站把過程數(shù)據(jù)發(fā)送上來，數(shù)據(jù)處理層的數(shù)據(jù)服務器對過程數(shù)據(jù)進行記錄、分析、查詢、報警等處理。

(3) 監(jiān)控管理層：由能源監(jiān)控中心的多個監(jiān)控管理站及能源監(jiān)控中心的大屏幕顯示系統(tǒng)構成，各監(jiān)控站利用以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)處理層服務器通訊，對數(shù)據(jù)進行顯示、查詢、分析、報警等處理，便于更及時、準確地了解各種能源介質(zhì)的使用情況。

圖1 廣鋼能源管理系統(tǒng)圖

3.2 基礎自動化通信

基礎數(shù)據(jù)采集層10個采集站建立DCS、PLC、RTU等基礎控制系統(tǒng)，進行離線數(shù)據(jù)獲取、存儲和分析，形成10個“信息孤島”。由于數(shù)據(jù)是間斷的，時間也不同步，很不利于能源消耗的精確預測和平衡調(diào)度。本系統(tǒng)通過光纖將上述采集站連接起來，采集基礎自動化的信息，并對之加以利用，實現(xiàn)能源的全面管理。從基礎自動化和系統(tǒng)安全性考慮，基礎自動化通信采用如下設計：

(1) OPC (OLE for Process Control)通信：OPC是工業(yè)自動化的通信標準，不同廠家開發(fā)的軟硬件設備，通過OPC方式都能夠實現(xiàn)通信。10個采集站中多數(shù)支持OPC通信方式。在此，支持OPC通訊方式的采集站作為OPC服務器端，應用服務器作為OPC客戶端通過DCOM的方式訪問服務器端獲取數(shù)據(jù)。

(2) CDT（Cycle Distance Transmission）協(xié)議通信：CDT標準規(guī)定了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中循環(huán)遠動規(guī)約的功能、幀結構、信息字結構和傳輸規(guī)則等。由于供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站建設較早，不支持OPC的通信方式，只支持CDT協(xié)議通過RS232串口輸出，因此通過串口光纖通信的方式即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，數(shù)據(jù)處理層應用服務器再通過串口接收供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站發(fā)送的數(shù)據(jù)，達到按照CDT協(xié)議將其解包、展現(xiàn)和保存的目的。

(3) 數(shù)據(jù)庫接口獲取數(shù)據(jù)：供水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站取水監(jiān)控采用的是孤立的系統(tǒng)，只提供數(shù)據(jù)庫接口，獲取瞬時流量、累積流量、泵的電耗等數(shù)據(jù)。

(4) 系統(tǒng)安全：原來 10個采集站都是孤立的，通過光纖將其連接后，將會產(chǎn)生如下問題：

① 不同站點之間可能會互相干擾，導致誤操作；

② 病毒等可能會導致系統(tǒng)癱瘓影響正常的生產(chǎn)；

③ 各站點IP地址沖突等。

系統(tǒng)設計采用三層交換機的 VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術，各站點與應用服務器組成虛擬局域網(wǎng)，割斷相互通信的途徑，保證各自的獨立性，避免上述情況的發(fā)生。

3.3 實時監(jiān)控軟件設計及實現(xiàn)

該能源管理系統(tǒng)按照其功能，將10個數(shù)據(jù)采集站歸類為7個子系統(tǒng)，具體如下：燃氣子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、熱力子系統(tǒng)、供水子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)、供風子系統(tǒng)、壓縮空氣子系統(tǒng)，各自完成特定功能。在軟件設計上，采用直觀的層次結構“主界面—子系統(tǒng)界面—各采集站”。本系統(tǒng)采用組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控界面，采用MS SQL Server2005數(shù)據(jù)庫服務器保存數(shù)據(jù)。在監(jiān)控界面設計上，從宏觀到微觀分成三層：① 能源管理系統(tǒng)監(jiān)控主界面，顯示本系統(tǒng)7個子系統(tǒng)的鏈接及部分供領導決策參考的重要數(shù)據(jù)；② 子系統(tǒng)監(jiān)控界面，展現(xiàn)各功能子系統(tǒng)至各采集站的鏈接及該子系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)；③ 采集站監(jiān)控界面，展現(xiàn)采集站重要的能源管理數(shù)據(jù)。

圖2 監(jiān)控軟件主界面

圖3 1500風機數(shù)據(jù)查詢界面

(1) 燃氣子系統(tǒng)：按照高爐煤氣、轉爐煤氣和混合煤氣的工藝圖，展現(xiàn)其管道分布圖，并在界面上實時顯示流量、壓力、流向、閥門開關、放散情況等信息，并且提供煤氣的日、月、年報表。

(2) 發(fā)電子系統(tǒng)：已建的 DCS系統(tǒng)具有較強的監(jiān)控和信息管理功能，在此僅展現(xiàn)流程圖和實時顯示電壓、溫度、電流、電度數(shù)等主要參數(shù)。

(3) 熱力子系統(tǒng)：展現(xiàn)管道的布置情況，實時顯示鍋爐的爐膛溫度、出口煙溫、給水壓力、給水溫度等數(shù)據(jù)，管道測驗點的壓力和流量數(shù)據(jù)，各集汽包閥門的狀態(tài)等信息。

(4) 供水子系統(tǒng)：展現(xiàn)碼頭泵站原水、廠區(qū)工業(yè)用水和廠區(qū)凈化水系統(tǒng)管道分布情況，實時顯示供應管道的流量和壓力，各閥門的狀態(tài)信息，提供日、月、年用水查詢和加壓站總管壓力查詢和報表制作。

(5) 供電子系統(tǒng)：展現(xiàn)各降壓站和配電站的一次、二次接線圖，實時顯示電流、電壓、有功功率、無功功率和功率因數(shù)的信息，提供日、月、年電能信息的查詢和報表制作。

(6) 供風子系統(tǒng)：展現(xiàn)各風機的氣路，實施顯示各風機變速箱的電流、各箱溫度和送風流量等信息，各風機的軸承溫度、送風壓力、吸風壓力和軸向位移等信息，各閥門的狀態(tài)信息。

(7) 壓縮空氣子系統(tǒng)：實時顯示各空壓機的電流、斷路器狀態(tài)、外供氣流量、供氣壓力、用氣流量等。

通過監(jiān)控系統(tǒng)的建設實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)內(nèi)能源消耗站點的信息集成，使能源管理人員能夠從整個企業(yè)的角度來審視各工段的能源生產(chǎn)和消耗情況。通過量化考核和各系統(tǒng)的關聯(lián)情況，發(fā)現(xiàn)工藝缺陷、管道泄漏、管理漏洞和技術改進潛力等，為降低企業(yè)的能源消耗提供支撐。

4 能源信息管理及預測

除了對鋼鐵企業(yè)的能源消耗進行實時監(jiān)控和報表制作之外，還需要增加對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、趨勢分析和預測等功能。在上述實時監(jiān)控軟件基礎上，設計能源管理及預測系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、修改、查詢和預測等功能。

4.1 數(shù)據(jù)輸入

生產(chǎn)過程中出現(xiàn)各種情況可能影響計量儀表數(shù)據(jù)的準確性，需要對所采集的數(shù)據(jù)進行修正，并錄入系統(tǒng)。在此，提供人機交互接口功能，使管理員能夠輸入和修正生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)查詢

提供電能消耗、功率因素、高爐煤氣放散率、焦爐煤氣回收量、高焦混合煤氣供氣量、各工序消耗電能實績、轉爐煤氣噸鋼回收實績、各工序消耗轉爐煤氣實績、各工序高爐煤氣消耗實績、各工序消耗焦爐煤氣實績、各工序消耗高焦混合煤氣實績等歷史數(shù)據(jù)的查詢和柱狀圖的比較（如圖4所示）。通過柱狀圖不但能夠直觀地對同一月份不同工段的能源消耗進行橫向比較，而且能夠對同一工序不同月份的能源消耗進行縱向比較。

圖4 柱狀圖展現(xiàn)

4.3 能源生產(chǎn)和消耗量預測

通過對歷史數(shù)據(jù)的積累，采用最小二乘法對大量的離散數(shù)據(jù)進行線性最小二乘擬合預測下個月（或者下一年）某工序的能耗。目前已經(jīng)實現(xiàn)供電能消耗、功率因素、高爐煤氣放散率、焦爐煤氣回收量、高焦混合煤氣供氣量、各工序消耗電能實績、轉爐煤氣噸鋼回收實績、各工序消耗轉爐煤氣實績、各工序高爐煤氣消耗實績、各工序消耗焦爐煤氣實績、各工序消耗高焦混合煤氣實績等的預測。如圖 5所示，根據(jù)2009年高焦混合煤氣供氣量的情況，采用最小二乘法擬合出高焦混合煤氣供氣量的趨勢曲線，并且預測2010年1月的用氣量約873.8萬/m3，實際用氣量約913.1萬/m3，誤差約 4.3%。采用該工具雖然不能夠保證 100%準確，但 4%左右的誤差基本上能夠達到鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的要求。通過上述能源生產(chǎn)和消耗量的預測，為管理人員安排生產(chǎn)、減少燃氣的放散提供重要參考。

圖5 高焦混合煤氣供氣量最小二乘擬合

5 結束語

目前，本能源管理系統(tǒng)已完成光纖鏈接及硬件平臺的構建。應用服務器通過OPC通信、CDT通信或數(shù)據(jù)庫接口獲取現(xiàn)場各采集站能源管理所需的數(shù)據(jù)，并且將重要數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫服務器中。監(jiān)控管理層的工作站通過網(wǎng)絡采用B/S的方式進行監(jiān)測。除此之外，對采集所得數(shù)據(jù)還實現(xiàn)了統(tǒng)計、報表制作及趨勢預測等功能。

采用本能源管理系統(tǒng)，管理人員能夠站在企業(yè)的高度來對鋼鐵生產(chǎn)各環(huán)節(jié)進行能源管理，打破原來的“信息孤島”。通過對統(tǒng)計、報表及趨勢圖等的分析以及預測數(shù)據(jù)，為管理人員安排下個月的生產(chǎn)提供了重要的參考依據(jù)。同時，上述的數(shù)據(jù)結合生產(chǎn)計劃可以預測電、水和煤的消耗量，并且可以估算燃氣（高爐、轉爐和焦爐煤氣）的生產(chǎn)量，合理安排生產(chǎn)及燃氣的使用，減少放散；通過量化考核發(fā)現(xiàn)工藝缺陷、管理漏洞和技術潛力，及時加以改進提高，為企業(yè)的節(jié)能降耗工作提供有力手段。

[1] 高東華,吳毅平,黃自強.OPC通信方案在能源管理系統(tǒng)中的應用[J].控制工程,2009,16(增刊):188-191.

[2] 馮晶,田小果.EM 系統(tǒng)在鋼鐵廠能源中心的應用[J].自動化與儀器儀表, 2005,3:35-37.

[3] 王永川,陳光明.鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)方案研究[J].冶金能源,2003,22(6) :5-8,36.

[4] 鄭咸義,姚迎新,雷秀人,陸子強,黃鳳輝.應用數(shù)值分析[M].廣州:華南理工大學出版社,2008.