鋁合金熔鑄能源監控系統設計開發

梁 濤，郭芳郁，和彥彥，王 睿

（河北工業大學 控制科學與工程學院，天津 300130）

能源是企業正常生產的根本保障，同時也是生產成本的主要構成部分。突出抓好企業中的節能工作對于緩解經濟社會發展面臨的能源和環境約束具有重要的意義。2013年，國家高技術研究發展計劃（863計劃）中明確指出，面向冶金、石化等復雜流程行業，開展生產過程設備級、過程級、系統級能效在線監測分析，優化控制技術攻關，為流程工業節能減排提供綜合解決方案。

調研發現，目前我國的鋁合金熔鑄行業仍處于單機自動化使用狀態，能源調度采用人工調度的方法，無法評估加工、貯存、供給過程中的隱形能源損失。并且其計量檢定手段落后，從而導致了較高的人力成本和過度的能源消耗[1]。因此，將鋁合金熔鑄企業傳統的分散能源生產管理方式改為扁平化的高效管理方式，建設一套先進可靠的能源監控系統，在提高生產效率的同時降低能耗，已然成為當務之急。

本文以天津某鋁廠為依托，針對鋁合金熔鑄生產的各個工序對其生產過程中的能效監測方法進行了研究，設計開發了涵蓋熔煉爐燃燒、產熱、排放以及主要能源使用等參數在內的具有在線檢測、遠程監管與細化評估功能的鋁合金熔鑄能源監控系統。

1 鋁合金熔鑄工序

鋁合金熔鑄主要包括熔煉、合金化、精煉、變質、澆鑄等工序，如表1所示。其生產流程圖如圖1所示。

表1 鋁合金熔鑄主要工序Tab.1 Main processes of aluminum alloy casting

圖1 鋁合金熔鑄生產流程圖Fig.1 Production flow chart of aluminum alloy casting

2 系統總體結構設計

鋁合金熔鑄生產與多數的流程工業不同，其有流程短但工序繁多的特點，因此以工序為劃分依據，監測各類能源的使用情況，是整個能源監控系統的關鍵。從功能上看，能源監測系統應分為采集、數據集中、數據傳輸、數據存儲和數據分析處理等幾個方面。

本系統的總體結構如圖2所示，主要由3個部分組成，分別是能源信息管理層、能源動力系統集中監控層以及能源動力子系統數據采集層。

圖2 系統總體結構圖Fig.2 Overall structure of the system

能源動力子系統數據采集層通過溫度、壓力、流量等傳感器，對鋁合金熔鑄生產過程中的能耗數據進行實時采集。能源動力系統集中監控層則實時接收采集層傳來的各種設備狀況和能源消耗數據，完成實時數據的匯總、分類、存儲，并對生產的整個流程進行圖形監控、狀態監控以及視頻監控。能源信息管理層則以關系數據庫中的數據為依據，客觀的對能源消耗進行評價，并以圖表等形式直觀地反映給管理人員，方便用戶決策管理。

3 系統分層設計

3.1 能源動力子系統數據采集層

鋁合金熔鑄生產過程中對能源監控的重點在于對天然氣、電、水、油的監控，由于與這些能源相關的產生與轉換設備都自帶控制系統，因此，需要將其集成到系統并以獲取能源信息為主。以下主要介紹天然氣監控子系統和變配電子系統。

天然氣監控子系統不僅需要采集和監控系統狀態，還需要具備控制功能，因此采用PLC為核心[2]。其中，流量計、壓力變送器、閥門等智能傳感器和執行器通過Profibus-DP現場總線與PLC相連，S7-300 PLC則通過工業以太網交換機接入能源動力監控與信息管理系統的光纖環網，實現了對天然氣管道流量、壓力等工藝參數以及閥門等設備狀態的實時信息采集與處理，系統結構如圖3所示。

圖3 天然氣監控子系統結構圖Fig.3 Structure diagram of natural gas monitoring subsystem

變配電子系統主要針對工廠中變壓器、高/低配電設備進行保護監控，并對各用電回路進行監測，實現變配電系統的保護、遙控、遙調和監控功能。其系統配置主要包括：本地操作站、網絡通信設備、微機保護裝置、智能監測儀表等類型設備。

該系統以IDM系列智能監測儀表作為底層保護設備，通過CSU通信管理機連接各種智能裝置和儀表，經過工業以太網交換機連接能源動力監控與信息管理系統骨干網，其結構圖如圖4所示。

圖4 變配電監控子系統結構圖Fig.4 Structure diagram of power transformation and distribution monitoring subsystem

3.2 能源動力子系統集中監控層

鋁合金熔鑄生產過程中產生大量的數據，除了包括各個工序中的實時數據外，還包括與生產相關的爐次、人員等關系型數據，對數據庫的實時性和關系性均有較高的要求。因此，能源動力系統集中監控層以WINCC作為過程數據的實時數據庫，以時間順序在線存儲每個工藝節點的實時能耗數據，同時通過ODBC將數據存儲到Oracle關系數據庫，為能源信息管理層提供數據基礎，數據存儲框架如圖5所示。

圖5 數據存儲框架Fig.5 Framework of data storage

集中監控層對鋁合金熔鑄生產的過程監控如圖6所示，界面中空氣管道、煙氣管道、天然氣管道上均配有調節閥和壓力、溫度監控裝置，實時的顯示鋁合金熔鑄過程中各類能源的使用情況。

圖6 實時監控界面Fig.6 Interface of real-time monitoring

3.3 能源信息管理層

能源信息管理層以能耗“可視化”、能效“可衡量”以及能源“可管理”為設計原則，以Oracle關系數據庫為支撐，將集中監控層采集存儲的數據作進一步的分析處理，共分為用戶管理、工序管理、能耗統計分析、能源成本分析、電能統計分析等模塊，如圖7所示。

圖7 能源信息管理層模塊圖Fig.7 Module diagram of energy information management

其中，能耗統計分析模塊采用多工序分解的方法，對天然氣、電能、水這3種主要能源的實時計量數據按工序生成每日或每月的消耗量，并統計生成條形圖和餅狀圖，如圖8所示。

圖8 能源成本分析Fig.8 Energy cost analysis

電能統計分析模塊的作用是對電能源進行電壓合格率、功率因數、電費的統計分析，并通過對電能消耗量的分析生成電能消耗示意圖。其中，根據考核單位、電能耗設備所關聯的測量表顯示的電壓值U和額定能耗設備電壓值U0，分析不同時期的電壓波動情況，U滿足∣U-U0∣?0.07U0，則為合格電壓，反之則為不合格電壓。功率因數的變化情況則根據下式獲得：

式中：Q1為有功電能值；Q2為無功電能值。

4 結語

鋁合金熔鑄生產過程中伴隨著大量的能源損失，導致資源利用率水平低，在很大程度上限制了行業的發展，也加劇了環境污染。本文研發設計的鋁合金熔鑄能源監控系統，可以使操作管理人員實時監控鋁合金熔鑄生產過程中能源的使用情況，還可以通過對能源的分析評價，提高設備的運行效率。為鋁合金熔鑄現代化的發展提供了很好的參考價值。

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