鋼鐵企業能源管理系統的設計與實現

劉克勤，王直杰

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

隨著世界范圍內工業革命的爆發，各種能源的消耗越來越大。從現今全球范圍看來，能源問題已是重中之重，世界都在提倡節能環保。而從耗能方面來看，企業耗能大、浪費多等給社會造成很大負擔，同時對企業自身的發展也帶來了不利的影響[1]。企業不能僅靠提高設備利用率或降低能耗來節約資源，而應該對這些設備進行監控與管理，將能源的計劃和消耗信息進行管理，從而達到節能減排的效果[2]。

能源管理系統(EMS)能夠對能耗數據進行分析和整理，對能源用量、能耗成本進行分攤，同時生成各種關鍵能耗指標并根據系統的分析數據進行需求側管理，從而發現生產過程中能源的浪費[3]。在企業的能源管理中，中國鋼鐵企業仍以相對落后的管理方式為主，己經不能夠適應當前鋼鐵生產的大型化、高速化和激烈市場競爭的需要。

1 鋼鐵企業能源管理系統的需求分析

鋼鐵企業的EMS可以把分散的能源信息，利用水、蒸汽、風、電、煤、氣等各種能源計量設備，實現能源信息的統一匯總，并進行計算和分析，通過數據庫讀取數據，科學地得出每天、每周、每月、每季、每年各個生產工序的能源消耗情況[4]，從而科學地得出節能操作指導報告，從中挖掘節能潛力，為能源管理提出科學依據[5]。EMS根據分析節能效果的數據，實現主觀和客觀控制額外節能，最終幫助企業實現能源管理、節能降耗、降低成本、提高生產效益[6]的目的。

2 鋼鐵企業EMS的架構設計

2.1 總體架構設計

鋼鐵企業的EMS采用C/S與B/S相結合的系統架構，整個系統框架以及應用均采用C/S模式，其后臺數據流采用B/S架構。系統的關鍵設備包括歷史數據庫服務器、實時數據庫服務器、含Web Service的應用服務器、I/O服務器、環保服務器，各類操作HMI，PLC，網絡交換機等，其中，歷史數據庫服務器、實時數據庫服務器和應用服務器全部為冗余配置,為集群系統[7]。EMS的總體架構設計如圖1所示。

EMS網絡架構按標準的三層結構設置 ,即核心層、匯聚層和接入層，其中核心層為冗余配置,核心層交換機為異地設置。同時，EMS設置現場工業以太環網,用于連接區域前置PLC、環保采集子站等設備。

圖1 EMS總體架構設計示意

2.2 硬件架構設計

鋼鐵企業EMS的設計運用了軟件設計中常用的分層設計思想，將EMS劃分為3個層次，其硬件架構設計如圖2所示，從下至上依次為數據感知層、傳輸層、應用層。

圖2 鋼鐵企業EMS的硬件架構示意

1) 感知層。感知層主要利用現場各類傳感設備，例如液位傳感器、智能電表、風口溫度傳感器、濕度傳感器、鼓風壓力傳感器等，采集EMS所需的各類能源數據。以鋼鐵生產過程中高爐煉鐵供料系統為例，采集的參數包括： 礦石(O)庫存量、焦炭(C)庫存量、供料開始時間、持續時間、礦批料長、焦批料長、供料速度等。

2) 傳輸層。鋼鐵企業EMS的傳輸層設計是根據生產管理、生產過程和管理系統的功能需求，傳輸層使用了串行總線技術以及工業以太網技術架構建設。目前，鋼鐵企業生產管理中比較常用的工業串行總線技術是采用RS-485電氣標準和Modbus通信協議，其最突出的特點就是實施起來比較簡單實用，并且目前大多數重工業企業的現場傳感器都支持RS-485與Modbus協議[8]。

3) 應用層。應用層提供了鋼鐵企業生產過程中能源消耗數據的采集、能源消耗數據的多維分析、匯總報表、生產優化、生產配料管理與系統后臺管理等多項功能。通過能源數據采集匯總，可以幫助企業生產管理者全面了解鋼鐵企業各計量點能源的使用情況，并幫助企業管理實現鋼鐵生產過程能源優化調度，從而配置最佳的入料參數使系統取得更好的管理和節能效果，有利于實現鋼鐵生產過程的管控一體化[9]。

2.3 軟件架構設計

鋼鐵企業的EMS的軟件架構如圖3所示，主要分為5個部分： 數據采集、數據倉庫、數據中間件、功能應用和數據展示。

圖3 鋼鐵企業EMS的軟件架構示意

1) 數據采集。系統的數據采集主要通過兩種方式： 儀表計量，通過智能電力儀表、智能水表、燃氣表等末端采集裝置采集各種能耗數據；人工錄入，通過手動錄入的方式獲取設備信息、產量等數據。

2) 數據倉庫。系統建立對應不同視角的數據模型，并生成相應的數據倉庫，供EMS進行數據分析及評估。

3) 數據中間件。提供數據抽取及校驗、數據報表定時生成、數據權限分配管理、系統配置、計量儀表等各種基礎服務。

4) 功能應用。主要給用戶提供不同的業務功能模塊，呈現鋼鐵廠的能耗情況，并對能耗數據進行統計、分析處理，幫助企業管理者尋找能耗漏洞，制訂生產計劃和節能方案。

5) 數據展示。系統提供多種靈活的數據呈現方式，支持包括工作站電腦、手機、平板等訪問方式，并針對操作人員、管理人員、領導等不同類型用戶的需求及權限顯示相應功能界面，便于用戶隨時隨地地了解相關能耗信息。

3 鋼鐵企業EMS的主要功能

鋼鐵企業的EMS功能從總體上分為兩大部分： 監視與遠程控制功能；能源管理功能。監視與遠程控制功能主要包括： 能源介質過程數據監視、能源設備及主要工序運轉狀態監視、能源設備遠程控制、大屏幕顯示。能源管理功能主要包括： 能源計劃編制、能源實績管理及質量管理、能源運行支持與調度、能源設備管理等。能源信息處理、能源故障處理是輔助功能[9]。系統功能架構如圖4所示。

圖4 鋼鐵企業EMS功能架構示意

4 應用效果

鋼鐵企業EMS投入實際運行后帶來諸多益處，主要有以下幾點：

1) 提高勞動生產率。由于部分車間實現無人值守并成立集中調度中心，這樣減少了動力系統定員。

2) 節能效益。利用水、蒸汽、風、電、煤、氣等各種能源計量設備，實現能源信息的統一匯總、計算、分析，提高能源介質的利用效率，使用該系統綜合節能可達20%左右。

3) 環保效益。能源消耗量減少，工業生產廢氣排放量降低，為節能減排、創建綠色工廠做出貢獻。

4) 提高了能源管理水平。公司及各生產廠領導能根據網上的實時數據進行生產決策，為領導決策提供了實時性和科學性參考。能源管理中心的建立使各生產廠能及時向公司匯報實時情況，避免了錯報、漏報、瞞報等情況的發生。

5) 為建立績效考核方案提供參考。工業生產型企業進行生產排班，靈活設置每個班組的生產時間段，自動導入或手工輸入班組產量，能耗系統統計每個班組的總能耗和單耗，橫向比較班組用能情況，有利于建立績效考核方案。

5 結束語

鋼鐵企業EMS用 Web Service 技術實現多系統集成，通過C/S與B/S相結合的架構實現了部署與訪問的靈活性[10]。該系統很好地實現了能源數據的分布式和共享性，能源數據的智能化和集成化，能源接入的自由化和標準化，能源消費的互動式和個性化，可以營造安全、舒適、節能的辦公環境。建設企業級的EMS,是現代大中型鋼鐵企業實施信息化工程的需要[9]。它可以改進能源系統的運行管理和安全管理水平,完善能源生產和使用的評價體制，提高了勞動生產率,減少了能源消耗,增加了能源回收,改善了環境質量,對提高企業的市場競爭力具有重要意義。

參考文獻：

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[2] 李斌,郭炳慶.大數據時代的企業能源管理[M].北京： 化工工業出版社,2014： 81-117.

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[11] 劉微.計量信息管理平臺的應用[J].化工自動化及代表，2017,44(01)： 85-89.