基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的冶煉企業(yè)能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王治宇，姜中曄

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司；2.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.北礦智能科技有限公司，北京 100160）

冶煉企業(yè)作為能源消耗大戶，節(jié)能降耗一直是企業(yè)著力進(jìn)行的一項(xiàng)重要工作，特別是國(guó)家要在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，更進(jìn)一步提升了企業(yè)節(jié)能降耗工作的迫切性和重要性。由于生產(chǎn)方式的特殊性，冶煉企業(yè)在能源使用方面具有用能種類(lèi)多、能源消耗量大、用能點(diǎn)位分散且眾多等特點(diǎn)，傳統(tǒng)節(jié)能降耗管理面臨用能點(diǎn)位消耗無(wú)法連續(xù)監(jiān)控、用能情況無(wú)法實(shí)時(shí)掌握、用能統(tǒng)計(jì)不全面、用能折標(biāo)計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題，使得企業(yè)節(jié)能降耗更多地依賴(lài)企業(yè)人員的主觀能動(dòng)性和管理制度的約束力，嚴(yán)重制約企業(yè)節(jié)能降耗管理的準(zhǔn)確性和有效性，企業(yè)無(wú)法通過(guò)節(jié)能降耗進(jìn)行降本增效，影響經(jīng)濟(jì)效益。因此，冶煉企業(yè)需要一套具有內(nèi)部用能情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、能耗數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)發(fā)布、用能結(jié)果自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、能耗折標(biāo)自動(dòng)計(jì)算、異常情況自動(dòng)報(bào)警等功能的信息化管控系統(tǒng)來(lái)落實(shí)節(jié)能降耗管理，以降本增效。本文以某銅冶煉企業(yè)為例，介紹一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的能源管控系統(tǒng)。

1 企業(yè)能源管理現(xiàn)狀

某銅冶煉企業(yè)采用火法冶煉技術(shù)，原料銅精粉利用高爐熔煉后形成粗銅，粗銅通過(guò)電解工藝形成陰極銅成品。企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)用能單位有化工廠、動(dòng)力廠、熔煉車(chē)間和電解車(chē)間等，用能單位內(nèi)部根據(jù)工序細(xì)分為31 個(gè)用能點(diǎn)位。除生產(chǎn)用能外，辦公區(qū)和生活區(qū)合并作為一個(gè)用能單位，根據(jù)功能區(qū)域劃分為6 個(gè)用能點(diǎn)位。

企業(yè)能源消耗涵蓋一次能源、二次能源和消耗工質(zhì)[1]，包括煤、柴油、電力、蒸汽、水、壓縮空氣、氧氣、氮?dú)夂图兯８鞣N能源通過(guò)對(duì)應(yīng)的儀表和專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行計(jì)量。企業(yè)內(nèi)部能耗管理采用公司級(jí)、車(chē)間級(jí)、工段級(jí)的三級(jí)管理制度。企業(yè)每年根據(jù)上年度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合生產(chǎn)情況，制定下年度能源計(jì)劃，計(jì)劃按照三級(jí)管理體系下達(dá)到各個(gè)層級(jí)，各層級(jí)用能情況按照周、月、季度和年的方式統(tǒng)計(jì)匯總，匯總結(jié)果和計(jì)劃進(jìn)行比對(duì)，然后根據(jù)比對(duì)情況進(jìn)行考核和整改。

2 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)企業(yè)信息化現(xiàn)狀，能源管控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[2]，將采集站、儀表、各個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)連接，網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的區(qū)域采用無(wú)線覆蓋的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，如圖1所示。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集采用分布式物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源計(jì)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、斷點(diǎn)續(xù)傳等功能。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]通常采用分布式數(shù)據(jù)采集架構(gòu)，各個(gè)數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)458 總線或者工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，利用Modbus 協(xié)議或OPC 協(xié)議[4]，從各用能單位采集能耗數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行存儲(chǔ)，在與服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接正常時(shí)，實(shí)時(shí)與服務(wù)器進(jìn)行通信，上傳采集數(shù)據(jù)。每條采集的能源數(shù)據(jù)都有上傳標(biāo)記，服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接不正常時(shí)，采集終端對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)會(huì)不停嘗試連接服務(wù)器，一旦服務(wù)器連接成功，則從最后一個(gè)上傳數(shù)據(jù)記錄開(kāi)始，將全部數(shù)據(jù)上傳到采集中心服務(wù)器，服務(wù)器再將其存儲(chǔ)到采集數(shù)據(jù)庫(kù)，最后由能源管理軟件進(jìn)行取數(shù)、分析和報(bào)表展示等。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

4 管理功能設(shè)計(jì)

能源管控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集（用能量、能源價(jià)格、用能形式等）、數(shù)據(jù)分析、能源監(jiān)控和數(shù)據(jù)發(fā)布（利用圖表、趨勢(shì)圖等形式，將分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為各種報(bào)表和預(yù)測(cè)報(bào)告等，供管理層決策）等能力，以實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)化、能源數(shù)據(jù)透明化和格網(wǎng)化。建立能源三級(jí)管控，可以輔助企業(yè)降本增效。

4.1 基礎(chǔ)功能設(shè)計(jì)

4.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置

按照公司級(jí)、車(chē)間級(jí)、工段級(jí)配置能源錄入表單，崗位人員按照管理要求填報(bào)數(shù)據(jù)（或系統(tǒng)自動(dòng)采集）。可按照時(shí)間粒度查詢和管理相關(guān)數(shù)據(jù)，按權(quán)限提供增刪改查功能。

4.1.2 能源折標(biāo)系數(shù)

折標(biāo)系數(shù)可以對(duì)傳統(tǒng)度量單位與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位進(jìn)行準(zhǔn)確換算，為計(jì)算能源消費(fèi)總量提供簡(jiǎn)便快捷的方法。企業(yè)計(jì)算煤炭消耗時(shí)，實(shí)際采用的折標(biāo)系數(shù)與參考折標(biāo)系數(shù)存在差異，差異較大時(shí)，對(duì)綜合能源消耗的影響明顯。系統(tǒng)可以錄入和管理各種能源的折標(biāo)系數(shù)，也可以通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)計(jì)算得出各種能源實(shí)時(shí)的折標(biāo)系數(shù)，實(shí)時(shí)反映能源的使用和節(jié)省量。

4.1.3 報(bào)警設(shè)置

系統(tǒng)支持對(duì)指定指標(biāo)設(shè)置報(bào)警閾值，超限后，系統(tǒng)可以發(fā)出警報(bào)，提醒管理人員注意。

4.2 能源計(jì)劃管理

能源計(jì)劃是企業(yè)對(duì)生產(chǎn)能源消耗做出統(tǒng)籌安排，具體擬定能源消耗種類(lèi)、消耗量的計(jì)劃，是企業(yè)經(jīng)營(yíng)計(jì)劃的重要組成部分，是企業(yè)進(jìn)行能源管理的重要依據(jù)。能源計(jì)劃分三級(jí)進(jìn)行制定，即公司能源計(jì)劃、車(chē)間能源計(jì)劃和工段能源計(jì)劃。

4.2.1 公司能源計(jì)劃

公司依據(jù)政府文件以及歷年企業(yè)能源實(shí)績(jī)、耗能設(shè)備和工藝流程等情況制定下一年度能源計(jì)劃。生產(chǎn)技術(shù)部統(tǒng)計(jì)員制定初步能源計(jì)劃方案，提交公司能源主管，公司能源主管通過(guò)審查后，將下一年度能源計(jì)劃分發(fā)到各分廠（車(chē)間）。本能源管控系統(tǒng)中，公司能源計(jì)劃模塊主要包括能源計(jì)劃相關(guān)文件管理、能源計(jì)劃制定、能源計(jì)劃審批、能源計(jì)劃下發(fā)和能耗對(duì)標(biāo)。

4.2.2 車(chē)間能源計(jì)劃

各車(chē)間收到公司能源計(jì)劃后，根據(jù)本車(chē)間歷年實(shí)績(jī)能源消耗、設(shè)備耗能情況，優(yōu)化并制定本車(chē)間下一年度能源計(jì)劃表。本能源管控系統(tǒng)中，車(chē)間能源計(jì)劃模塊包括能源計(jì)劃接收、歷年能源計(jì)劃查詢、能源實(shí)績(jī)查詢、能源計(jì)劃制定、能源計(jì)劃上報(bào)、能源計(jì)劃審批、能源計(jì)劃下發(fā)和能耗對(duì)標(biāo)。

4.2.3 工段能源計(jì)劃

各工段收到本車(chē)間能源計(jì)劃后，根據(jù)本工段歷年實(shí)績(jī)能源消耗、設(shè)備耗能情況，優(yōu)化并制定本工段下一年度能源計(jì)劃表。本能源管控系統(tǒng)中，工段能源計(jì)劃模塊包括能源計(jì)劃接收、設(shè)備耗能實(shí)績(jī)查詢、能源計(jì)劃制定、能源計(jì)劃上報(bào)、能源計(jì)劃查詢和能耗對(duì)標(biāo)。

4.3 重點(diǎn)用能設(shè)備管理

重點(diǎn)用能設(shè)備必須強(qiáng)化信息管理，做好用能信息維護(hù)和用能情況分析。主要耗能設(shè)備要重視臺(tái)賬管理，強(qiáng)化監(jiān)控。

4.4 統(tǒng)計(jì)功能

統(tǒng)計(jì)分析各類(lèi)能源能效和排污指數(shù)，以圖表、趨勢(shì)圖等形式將分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為各種報(bào)表和預(yù)測(cè)報(bào)告，供管理層決策并制定計(jì)劃。一是能源消耗年度統(tǒng)計(jì)。通過(guò)年度消耗的匯總，形成能耗匯總報(bào)表，對(duì)不同的能源介質(zhì)（電總量、水消耗、焦炭消耗等）進(jìn)行匯總和羅列，并以餅狀圖或柱狀圖的形式進(jìn)行展示，直觀分析能耗占比。二是能源消耗對(duì)比。根據(jù)不同的能源介質(zhì)，對(duì)比分析不同工段、不同能源介質(zhì)的實(shí)時(shí)使用量與同期使用量。三是能源消耗趨勢(shì)。通過(guò)查詢計(jì)劃用量、同期用量和實(shí)時(shí)用量，實(shí)現(xiàn)三因素趨勢(shì)分析，為用電計(jì)劃調(diào)整與執(zhí)行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.5 能源報(bào)表

按照公司整體管理需求，實(shí)現(xiàn)各種能源管理報(bào)表的自動(dòng)匯總和合并，各報(bào)表可按權(quán)限增刪改查。

5 結(jié)論

能源管控系統(tǒng)建成后投入使用，經(jīng)過(guò)一年左右的運(yùn)行，給企業(yè)能源管理帶來(lái)全新的改變。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)用能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和動(dòng)態(tài)展示，管理人員通過(guò)系統(tǒng)頁(yè)面可以總覽企業(yè)內(nèi)部各用能點(diǎn)位的實(shí)時(shí)用能情況，及時(shí)處理異常用能情況，提高節(jié)能降耗管理的時(shí)效性；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部用能實(shí)績(jī)跟蹤和動(dòng)態(tài)比對(duì)，可以直觀獲取企業(yè)用能點(diǎn)位的能耗波動(dòng)情況，從而根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行整改和優(yōu)化，做到用能動(dòng)態(tài)管理；系統(tǒng)自動(dòng)采集各個(gè)系統(tǒng)和儀表的數(shù)據(jù)，杜絕人工錄入可能產(chǎn)生的疏漏，提高了節(jié)能降耗管理的準(zhǔn)確性。