基于工業實時數據庫的智慧能源管控系統構建和應用

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.038

摘? 要：文章以某鋼鐵企業為背景，詳細闡述了鋼鐵企業構建能源管控系統的過程。筆者根據鋼廠實際生產設備和工藝環境，選用工業實時數據庫，并結合工業數據采集網關實現了數據采集;同時打通了IT和OT網絡，實現硬件網絡隔離，最小化現場自動化改造，合理保護該鋼廠既有投資;實現了一套覆蓋能源集中控制、能源生產調度到基礎能源管理的能源管控系統，并取得良好的應用效果。

關鍵詞：實時數據庫;能源管控系統;工業數據采集

中圖分類號：TP315? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）09-0145-05

Construction and Application of Smart Energy Management-Control System?Based on Industrial Real-time Database

DING Zhijun

（Yangchun New Iron and Steel Co.，Ltd.，Jiangyang? 529629，China）

Abstract：Taking an iron and steel enterprise as the background，this paper expounds in detail the process of building energy management-control system in iron and steel enterprises. According to the actual production equipment and process environment of the steel plants，the author uses industrial real-time database and combined with the industrial data acquisition gateway to realize data acquisition. At the same time，IT and OT networks are opened up to realize hardware network isolation，minimizes on-site automation transformation，and reasonably protects the existing investment of the steel plant;it realizes a set of energy management-control system covering centralized energy control，energy production scheduling and basic energy management，and achieves good application results.

Keywords：real-time database;energy management-control system;industrial data acquisition

0? 引? 言

隨著化石能源資源日益緊張，能源價格不斷上漲，節能減排已經成為一項國策，利用能源管控系統，改變傳統分散的能源生產管理組織方式，已經成為各大公司各級管理者的共識^[1]。鋼鐵是傳統的高耗能行業，隨著外部市場的形勢日漸嚴峻，對于能源成本管理的要求也越來越高，能源管理已成為各大鋼廠經營的重大事項和主要改善潛力領域，是最能體現管理效益的工作。為適應當前的形勢，陽春新鋼鐵有限責任公司迫切需要構建一套面向工序、機組和能源設施的智慧能源管控系統，實現能源加工轉換的全流程跟蹤和能源成本的即時拋賬，支撐公司能源結構和各工序能源結構的優化調整，干預機組和能源設施能源績效參數，滿足能源數據精細化管理的需要，提升能源管控水平^[2]。同時陽春新鋼鐵有限責任公司作為連續多年的“廣東省能效對標領跑企業”，積極響應國家政策打造“地區能源智能管控示范平臺”，注重資源的整體平衡和良性循環建構，既是對國家政策的積極響應，也是對企業未來發展的長遠規劃，可對整個重點用能行業起到引領示范的作用。

2? 系統概況

2.1? 工藝概況

本文的實踐背景是國內某大型鋼廠，該鋼廠擁有高爐2座、燒結機2臺、轉爐2座、方坯連鑄機（5機5流）3臺、LF鋼包精煉爐1座、棒材生產線2條、雙高線生產線1條。配套的能源公輔設施包括220 kV變電站1座、35 kV變電站2座、10 kV公輔變電站1座、煉鐵1、2水站、煉鋼水站、軋鋼1、2水站、江邊水站、清水站、綜合水站、1#、2#凈化TRT發電站、空壓站、氣柜加壓站、燒結余熱發電、煉鋼飽和蒸汽發電、高爐鼓風機站、鍋爐發電站等。

2.2? 總體架構設計

某鋼廠的各個站所相對比較分散，各個系統又相對比較獨立，導致生產過程數據無法聯系，做不到數據共享，考慮到將來網絡拓展和工業互聯網數據采集的維護和方便性，選用一套工業實時數據庫系統MOSIC來管理龐大的實時生產數據^[3]，基于該工業實時數據庫的能源管控系統從功能層次上分為能源集中控制系統（L1）、能源生產調度系統（L2）、基礎能源管理系統（L3）三個部分，如圖1所示。

2.3? 系統運行平臺

2.3.1? MOSAIC系統平臺

MOSAIC系統平臺由三部分組成：

（1）mxSight提供傳統意義上HMI/SCADA的功能，包括畫面監控，報警，事件、趨勢功能，各種驅動程序、以及OPC/ODBC接口等。

（2）mxHistory實時數據庫組件提供高效的實時數據庫處理、壓縮、冗余、數據回補、內嵌的數據查詢算法以及與其他信息化系統的訪問接口，同時提供與主流關系數據庫如SQL/ORACLE/DB2的訪問接口。

（3）mxWeb為基于W3C標準開發的Web服務，采用SVG圖形管理技術，使得用戶可通過瀏覽器做為Web客戶端遠程訪問系統。

2.3.2? 服務器資源要求

實時數據庫平臺使用物理服務器，其他均使用VMWare公司的vSphere服務器虛擬化平臺方案^[4]，具體如表1所示。

3? 能源管控系統的構建

3.1? 集中控制系統

能源集中控制系統主要實現能源水、電力、燃氣、熱力等40余套自控工藝站所的專業集中控制，分別在綜合水站、總降、熱力主控樓、二凈化設置集中監控室，增加部分現場高清視頻，對專業范圍實行遠程監控，從而優化人員配置，提高勞動效率，進一步提升能源工藝、設備的集控化、自動化水平，圖2為分專業的集中管控示意圖。

3.2? 能源調度系統

能源生產調度系統主要包括供電系統監控調度、煤氣系統監控調度、壓縮空氣系統監控調度、熱力系統監控調度、氧氮氬系統監控調度、給排水系統監控調度、余熱系統監控調度、生產系統監控。能源生產調度是收集底層數據采集層傳送的信息，并對采集的數據進行實時顯示、統計分析、趨勢記錄和報警，實現對全廠各種能源介質的生產、輸送、消耗流程的實時監控和調度。包括管網綜合信息監視畫面、關鍵耗能設備的監控畫面、各電力、煤氣，水、蒸汽、氧氮氬、等分系統大屏幕畫面。讓鋼廠生產調度人員能夠合理、準確、及時作出統一的調度指揮，提高事故預案管理和應急管理能力，圖3為能源管控系統監控總畫面。

3.3? 數據采集系統

該智慧能源管控系統的采集系統接口方案按照50 000點的標準設計，實際包括電力系統、動力系統、給排水系統、生產工藝系統共計約15 000點，針對不同的系統設計了不同的采集方式。

電力系統：根據電力廠家綜保系統提供EMS系統數據采集及遠動接口，直接通過以太網接口接入到通訊管理機進行數據采集。

國產DCS系統：選用高可靠的MOX網關，該網關支持OPC通信協議，通過廠家OPC接口進行數據采集。

生產系統：生產能源介質系統使用的是西門子的控制系統，我們選用高可靠的MOX網關，該網關支持S7/PROFINET通信協議，網關與控制系統PLC進行通信，再與能源SCADA系統數據庫接口，從而實現數據采集，而且能實現硬件隔離，增加網絡安全性。

轉供電表：鋼廠的轉供電表非常分散，選用智能采集控制器通過LoRa無線通信技術進行數據采集，降低施工成本^[5]。

智慧能源管控系統通過網關、RTU、通信管理機讀取現有系統或裝置的數據，預留相關設備和接口今后擴展實現大系統全廠集中控制需求。數據采集站的供電電源從各站所UPS取電，為減少能源介質計量系統誤差，所有數據在已接入的PLC、DCS中進行計算，包括溫壓補償，同種能源介質使用同種計算公式，進行累計數據運算，再將數據送入實時數據庫系統，同時根據具體能源介質的統計需求設定采集頻次，轉儲至關系型數據庫，整體數據采集架構如圖4所示。

3.4? 基礎能源管理系統

基礎能源管理系統界面如圖5所示，該系統選擇用友公司的IUAP平臺進行定制開發^[6]，主要實現能源的計劃、實績、調度、績效分析、監察等核心業務管理功能，對企業能源管理的全過程進行管理，完成能源過程的全流程運行監控，按綜合能耗、工序能耗、工序介質能耗、設備介質能耗四級指標體系，對能源產耗進行自上而下的管理，既支持能源的指標綜合管理，又支持能源設備的精細管理，提升能源管理和能效利用水平。

下文對主要功能模塊以及關系進行說明：

能源計劃模塊：根據基礎數據管理中的各單位、各作業區產品信息配置、能源介質信息配置、固體原燃料信息配置，生成工序產品產量計劃、能源產耗計劃、固體原燃料計劃，計劃人員再做手工調整。年計劃、季度計劃、月計劃類似，日能源平衡計劃分成了三個班的能源計劃。能源介質信息配置中會配置對應的計算點和測量點，便于計劃和實績數據做比對跟蹤。

能源實績模塊：根據基礎數據管理中的接口數據定義，每一周期實時數據庫將儀表讀數插入到對應的定義接口數據表中。日實績根據測量點定義，將接口數據表中的數據經過計算，生成日實績測量點數據。根據計算點定義，經過計算，生成日計算點實績數據。累積每日的日計算點實績數據，生成月計算點實績數據，各模塊如果需要實績數據，則根據定義的測量點公式或計算點公式，從實績表中進行取數。

生產調度管理模塊：根據運行報表配置，定時生成各種運行報表，各運行報表一般配置接口數據的測量點公式。將調度日常管理、停服役管理納入系統管理。

能源質量管理模塊：根據能源質量檢測項目組定義和接口數據，及時獲取各檢測項目組定義的各監測項目實績值，對不滿足標準的及時預警。

4? 應用效果

利用工業實時數據庫平臺和基礎能源管理系統，構建了一套標準化的能源管理體系，以下是具體的應用效果：

（1）集約化控制，改變調度模式。某鋼廠實現了條塊分割式的能源監控調度向集中監控調度轉變，推動分散能源管理向集中一貫制的扁平化能源管理轉變，按照水、電、熱力、動力四個專業分區進行集中控制，設計開發了75個實時監控畫面，使用45臺數據采集設備，采集了15 000多個數據點，實現了40余套自控工藝站所的集中控制，改變過往能源調度依靠總調電話指揮的模式，取消了各種崗位的手工臺賬，生產調度、各站所的運行報表、設備狀態等都通過系統采集查看，減輕各操作崗位人員負擔，提高了勞動生產率。

（2）深化應用，提升企業能源管理效益。某鋼廠搭建了一套統一的企業數據采集分析平臺，具備了利用多維數據分析發現影響因素，持續改進生產工藝模型的能力。例如通過引入生產工序中的熱風爐換爐信號，進一步完善煤氣平衡調度模型，實現鍋爐根據熱風爐換爐開始及換爐結束進行相應的加、減煤氣操作。降低了煤氣壓力波動，減少了煤氣放散量，提升了機組運行效率。根據歷史數據分析，模型優化后日發電量平均增加了2.5萬千瓦時，取得了良好的經濟效益，該鋼廠的自發電比例超過80%，達到行業先進水平。

5? 結? 論

本文項目是嚴格按照國家鋼鐵企業能源管理中心驗收標準進行建設的，是在傳統能源管理系統基礎上進行的再創新，讓鋼鐵企業能夠依托能源管控系統，真正實現“看得見、說得清、管得好、效益佳”，通過項目的建設，全廠各個環節的生產、能源、設備等數據都已納入工業實時數據庫平臺中，整個系統具備持續深入挖掘分析的潛力，未來通過大量的數據積累，將進一步提升各能源介質使用效率，降低能源成本。通過長期觀察、分析、診斷企業用能及排放情況，可以制定出科學、系統的節能減排方案，真正實現從“單項節能”向“系統化節能”的戰略轉移，做到真正的低能耗、潔凈化生產，向智慧能源管理的目標邁進。

參考文獻：

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作者簡介：丁治軍（1984—），男，漢族，湖南常德人，工程師（軟件設計師），碩士研究生，研究方向：企業信息化、物聯網應用和智能制造。

收稿日期：2021-04-09