SCADA系統(tǒng)在能源管理中的應(yīng)用研究

戴勝泉

（山東賽托生物科技股份有限公司，山東 菏澤 274000）

1 概述

山東賽托生物科技股份有限公司是一家上市公司，公司下屬5個(gè)工廠，生產(chǎn)過程中主要消耗蒸汽、純水、工業(yè)水、電、壓縮空氣、氮?dú)獾榷喾N能源介質(zhì)。系統(tǒng)實(shí)施前，采用人工抄表，準(zhǔn)確度和時(shí)效性都很差，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)以上數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集及統(tǒng)一管理，在集團(tuán)公司總部建設(shè)了能源管控中心，負(fù)責(zé)集團(tuán)公司的能源監(jiān)控、能源數(shù)據(jù)上報(bào)及異常分析，重點(diǎn)用能數(shù)據(jù)上傳到省平臺(tái)。

2 工藝簡(jiǎn)介

集團(tuán)公司采用集中供能的方式，由公司能源部統(tǒng)一管理和供應(yīng)。動(dòng)力供應(yīng)中心設(shè)置有變配電室、空壓機(jī)站、制冷站、供水站、純水供應(yīng)站以及外購蒸汽的減溫減壓分配站，根據(jù)各生產(chǎn)工廠用能所需進(jìn)行集中供應(yīng)。按照《能源管理體系》GB/T23331和《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》GB17167的要求，對(duì)能源計(jì)量采用分級(jí)計(jì)量的模式，通過現(xiàn)場(chǎng)安裝的智能儀表對(duì)各種能源介質(zhì)的參數(shù)及數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量與管理。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

通過以太網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)能源計(jì)量?jī)x表的數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥茉垂芸刂行南到y(tǒng)，SCADA平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)能源設(shè)備監(jiān)控、能源數(shù)據(jù)采集、能源監(jiān)測(cè)以及能源在線平衡，能源流程圖、趨勢(shì)圖、報(bào)警信息等內(nèi)容可顯示在大屏上，并實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警功能。

3.1 數(shù)據(jù)采集

3.1.1蒸汽采集方式

現(xiàn)場(chǎng)蒸汽計(jì)量點(diǎn)數(shù)量多、較分散，統(tǒng)一采用的橫河渦街流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，輸出AC 4～20mA模擬量信號(hào)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)積算儀，采用RS485通訊方式進(jìn)行組網(wǎng)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集分站PLC連接到工業(yè)骨干網(wǎng)，通過以太網(wǎng)TCP/IP與中央IO服務(wù)器通訊。

3.1.2電能采集方式

電能的計(jì)量有高壓、低壓之分，基本原理都是通過采集回路電流及電壓進(jìn)入電能表，電能表進(jìn)行計(jì)算實(shí)現(xiàn)電能的實(shí)時(shí)計(jì)量。集團(tuán)公司有高、低壓配電室25座且較為分散，電能表數(shù)量有500多塊。計(jì)量?jī)x表采用多功能表、智能電度表，各電表通過485總線組網(wǎng)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集分站RTU連接到工業(yè)骨干網(wǎng)，通過以太網(wǎng)TCP/IP與中央IO服務(wù)器通訊。

3.1.3工業(yè)水、純化水、污水、壓縮空氣、氮?dú)獾饶茉唇橘|(zhì)的采集方式

水的計(jì)量采用電磁流量計(jì)和金屬浮子流量計(jì)，壓縮空氣、氮?dú)獠捎脺u街流量計(jì)，輸出4～20mA模擬量信號(hào)進(jìn)入積算儀或就近PLC系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥茉垂芸刂行摹?/p>

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)庫采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，將現(xiàn)場(chǎng)采集的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行高速存儲(chǔ)并長(zhǎng)期保存，為能源數(shù)據(jù)的分析提供重要的技術(shù)保障。該數(shù)據(jù)庫可支持百萬以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)，充分滿足了項(xiàng)目的需求。

3.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

中央網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用C/S和B/S相結(jié)合的架構(gòu)，采用物理層實(shí)現(xiàn)隔離的工業(yè)以太網(wǎng)和中央標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)兩層結(jié)構(gòu)，中央以太網(wǎng)連接I/O服務(wù)器、操作站、工程師站、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。工業(yè)網(wǎng)連接I/O 服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)智能電度表、蒸汽流量計(jì)、水表，實(shí)現(xiàn)電度表、蒸汽流量計(jì)、水表以及壓縮空氣與I/O服務(wù)器的互聯(lián)互通（見圖1）。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.4 機(jī)房

利用一間閑置房間，按照相關(guān)規(guī)范做了防靜電設(shè)施，安裝了服務(wù)器機(jī)柜及UPS電源，室內(nèi)空調(diào)具有恒溫恒濕功能。

3.5 調(diào)度大廳

在集團(tuán)辦公樓一樓建設(shè)能源調(diào)度大廳，安裝大屏幕，對(duì)集團(tuán)公司能源系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控與調(diào)度（見圖2）。

圖2 能源調(diào)度大廳

4 硬件及軟件的配置

4.1 硬件

4.1.1數(shù)據(jù)采集分配站

根據(jù)地理分布的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)采集分站位置和數(shù)量。采集站主要用于網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)采集，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)匯聚至中央I/O服務(wù)器。

4.1.2數(shù)據(jù)采集I/O服務(wù)器

I/O服務(wù)器完成與電力、蒸汽、水儀表等數(shù)據(jù)交互、向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫傳送數(shù)據(jù)，并保存信息記錄。I/O服務(wù)器是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、處理中心，運(yùn)行高性能的應(yīng)用軟件，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，完成與現(xiàn)場(chǎng)所有的電力儀表、蒸汽儀表、水表的通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時(shí)系統(tǒng)還提供趨勢(shì)、報(bào)警、數(shù)據(jù)短時(shí)歸檔、向數(shù)據(jù)庫站傳送數(shù)據(jù)等功能。

4.2 軟件

4.2.1軟件功能

4.2.1.1操作站

在能源大廳設(shè)置操作站，監(jiān)控蒸汽、電力、壓縮空氣、工業(yè)水等能源介質(zhì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。對(duì)集團(tuán)公司供電系統(tǒng)的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電流、電壓以及諧波等數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)控，對(duì)動(dòng)力車間的空壓機(jī)、制冷機(jī)、制氮機(jī)等重點(diǎn)用能設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)度。可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表查詢、報(bào)表打印等工作。

4.2.1.2工程師站

工程師站安裝有能源實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件、管理類開發(fā)軟件、網(wǎng)絡(luò)管理軟件，可進(jìn)行監(jiān)控、畫面及程序修改和編譯、權(quán)限配置管理等。

4.2.1.3實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以完成數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)歸檔、數(shù)據(jù)的壓縮和備份，通過I/O采集服務(wù)器采集到的歸檔數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。該服務(wù)器上裝有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件和前端開發(fā)平臺(tái)軟件，實(shí)時(shí)采集相關(guān)信息用于實(shí)時(shí)分析功能，同時(shí)完成報(bào)警數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的歸檔。

4.2.1.4應(yīng)用服務(wù)器/歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

采用消音速流管件與螺旋消音管配套可降低排水水流噪聲和改善排水水力工況的高層和多層民用建筑的小衛(wèi)生間。并根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合材料的本身結(jié)構(gòu)構(gòu)造，可減少專用通氣管，從而節(jié)省了相應(yīng)的人材機(jī)。

主要存儲(chǔ)與業(yè)務(wù)層有關(guān)的數(shù)據(jù)，相比實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，更注重?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與邏輯關(guān)系，是能源報(bào)表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。

4.2.2軟件配置

4.2.2.1I/O服務(wù)器

Windows Server 2012簡(jiǎn)體中文標(biāo)準(zhǔn)版；一體化綜合監(jiān)控平臺(tái)C/S版 10000點(diǎn)服務(wù)端；通信規(guī)約驅(qū)動(dòng)/Web發(fā)布等授權(quán)。

4.2.2.2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

Windows Server 2012簡(jiǎn)體中文標(biāo)準(zhǔn)版；IHDB數(shù)據(jù)庫。

4.2.2.3關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

SQL Server。

4.2.2.4應(yīng)用服務(wù)器

能源管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件。

4.2.2.5 調(diào)度中心客戶端

Windows10 簡(jiǎn)體中文標(biāo)準(zhǔn)版；能源管理系統(tǒng)通用操作站；能源管理系統(tǒng)通用工程師站。

5 系統(tǒng)功能

5.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控

5.1.1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是能源管控系統(tǒng)的核心，支持多節(jié)點(diǎn)分布式部署，可以滿足無限點(diǎn)、任意系統(tǒng)規(guī)模的應(yīng)用。通過數(shù)據(jù)采集模塊將不同設(shè)備中不同類型的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接口后，提供給過程數(shù)據(jù)庫，過程數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、指令下發(fā)、報(bào)警判斷等功能，過程數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過歷史趨勢(shì)模塊壓縮并保存。報(bào)警事件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)庫的功能是通過歷史數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)儲(chǔ)模塊來實(shí)現(xiàn)的。

5.1.2人機(jī)界面系統(tǒng)

一體化人機(jī)界面系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)視相關(guān)系統(tǒng)的組態(tài)畫面。

5.1.3系統(tǒng)監(jiān)控畫面

5.1.3.1總貌畫面

按照能源介質(zhì)種類進(jìn)行集中顯示，需要查詢哪種介質(zhì)的實(shí)時(shí)參數(shù)可以點(diǎn)開介質(zhì)名稱進(jìn)行查詢（見圖3）。

圖3 總貌圖

5.1.3.23D畫面

3D畫面方便系統(tǒng)使用人員直觀感受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布局及信息。可以直觀顯示溴化鋰制冷機(jī)組、乙二醇制冷機(jī)組、制氮機(jī)組、蒸汽減溫減壓裝置等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。

5.1.3.3趨勢(shì)畫面

系統(tǒng)具有顯示網(wǎng)絡(luò)上任何數(shù)據(jù)點(diǎn)趨勢(shì)的能力，并在同一坐標(biāo)上顯示8個(gè)變量的趨勢(shì)記錄曲線。

5.2 數(shù)據(jù)基本處理與分析

SCADA系統(tǒng)從現(xiàn)場(chǎng)獲取的數(shù)據(jù)通常僅包含最小的集合，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，往往需要更多的數(shù)據(jù)。此時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)做更多的處理。數(shù)據(jù)基本處理與分析包括累計(jì)值；計(jì)算值；公式值。

5.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理與歸檔

為了對(duì)系統(tǒng)的過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，以便有效進(jìn)行故障分析和能源消耗分析，軟件系統(tǒng)具備對(duì)模擬信號(hào)和報(bào)警信號(hào)進(jìn)行歸檔的功能，歸檔后的數(shù)據(jù)存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，提供過程曲線顯示和報(bào)警信息的查詢。

5.4 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)歸檔

過程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)歸檔采用按時(shí)間段壓縮的數(shù)據(jù)，時(shí)間段包括小時(shí)值、天值、月值，采用永久保存的方式。

5.5 權(quán)限管理

集中監(jiān)控軟件具有完備的權(quán)限管理功能，主要包括登錄權(quán)限、訪問權(quán)限、遠(yuǎn)程操作權(quán)限、刪除權(quán)限等。管理人員具備全部的權(quán)限，同時(shí)可對(duì)不同賬號(hào)進(jìn)行權(quán)限管理。

5.6 集中配置管理

為了避免人工管理帶來的混亂，設(shè)置了集中配置系統(tǒng)，無須通過人工來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)上的組態(tài)畫面、驅(qū)動(dòng)及變量的更新。

6 系統(tǒng)改進(jìn)建議

盡管SCADA系統(tǒng)在能源管理中能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、分析、儲(chǔ)存、曲線、報(bào)警、監(jiān)控等功能，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了自動(dòng)化水平，但是，整個(gè)系統(tǒng)還沒有實(shí)現(xiàn)與ERP系統(tǒng)對(duì)接，如果能實(shí)現(xiàn)此功能，公司財(cái)務(wù)部、人力資源部、各生產(chǎn)車間等部門都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

7 結(jié)語

能源管理是用能單位的基礎(chǔ)管理工作，高水平的能源管理可以降低企業(yè)能耗、減少二氧化碳排放、降低企業(yè)用能成本。SCADA系統(tǒng)將是企業(yè)做好能源管理工作的得力工具。