“雙碳”目標背景下綠色工業建筑項目的控制系統設計

李 波，王 玥，楊 程

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074）

0 引言

隨著“雙碳”目標的提出，綠色低碳轉型成為各行各業發展的重要方向。建筑領域是中國能源消費和碳排放的三大領域之一，具有巨大的碳減排潛力和市場發展潛力。推動建筑業綠色發展，既是統籌發展和安全提升人民幸福感、滿足感的重要途徑，也是順應數字化、智能化發展趨勢，培育壯大經濟發展新動能的關鍵舉措，而綠色建筑的推廣應用是推動國內建筑業綠色低碳循環發展的重要抓手，也是實現產業轉型升級的關鍵路徑[1]。在“碳達峰、碳中和”的政策推動下，綠色建筑發展即將駛入快車道，其覆蓋的范圍也由傳統民用公共建筑迅速延伸至市政、冶金、電力及化工等行業的工業建筑。

工業建筑具有其獨有的生產適應性，其設計體系與民用建筑存在較大不同，其中最明顯的差別體現在控制系統的設計上，控制系統不僅是工業項目的神經中樞，而且是實現工業建筑綠色轉型的核心動能。首先，因工業生產工藝復雜，連續性強，自動化程度高，其控制系統相較于民用項目中的設備信息管理系統更為龐大與繁雜，所配置的硬件資源與數據鏈路更為完備，對數據采集的實時性與控制的可靠性要求更高；其次，工業項目中綠色建筑的相關設計往往與生產過程獨立設計，為了滿足綠色建筑的設計要求需獨立設計一套能源管理系統，造成了重復投資，且未能實現工業項目全要素和全生命周期綠色化與數字化。

本文以東部沿海某市廚余垃圾處理廠項目為例，提出了綠色工業建筑設計體系下的控制系統設計架構，介紹了過程控制系統與能源管理系統的主要功能及融合思路，構建了基于過程控制系統與能源管理系統相融合的智慧化生產運行管理系統。項目是中國首個采用世行貸款的PPP廚余垃圾綜合處理項目，獲得了行業內首個“工業建筑三星級綠色建筑”設計標識[2]。

1 總體架構

在確保生產過程安全、可靠、經濟、高效運行的前提下，為達到綠色工業三星的設計目標，實現工業建筑項目的數字化賦能，本文設計了一套基于過程控制系統（Process Control System，PCS）與能源管理系統（Energy Management System，EMS）相融合的智慧化生產運行管理系統。

1.1 總體思路

由于本項目過程控制系統具備高速穩定的通訊網絡、強大的數據采集及處理能力，能源管理系統可依托PCS的數據通訊網絡及硬件資源，與過程控制系統充分融合，構建智慧化生產運行管理系統。該系統既可以有效降低能源管理系統的重復投資成本，還可以通過數據融合實現更高層次的運營支撐。智慧化生產運行管理系統網絡結構如圖1。

圖1 智慧化生產運行管理系統網絡結構圖Fig.1 Network structure diagram of intelligent production operation management system

1.2 過程控制系統

廚余垃圾處理項目為典型工業項目，根據工藝的自身特點及控制要求，設計了一套完整的過程控制系統，完成生產過程各類設備及介質運行參數的檢測、控制及管理。過程控制系統采用分布式架構，該系統自上而下分別由管理級、通訊網絡及控制級構成。管理級配置多套互為冗余的高性能工業控制計算機作為操作員站，并配置歷史數據服務器和性能計算服務器完成數據的采集及深度處理。

通訊網絡采用拓撲結構為環形的高速工業以太網，兩路通訊光纜在物理路由進行分離敷設，一路通過橋架延全場管廊敷設，另一路采用鎧裝直埋方式沿地面路由敷設。

在控制級層面，采用高性能PLC控制器作為采集控制站。采集控制站由CPU模塊、I/O模塊等組成，其采集現場各工藝參數及電氣參數并控制現場調節閥、變頻器等執行設備，實現快速、大量、安全的數據采集及過程控制[3]。PCS即可滿足GB/T 50878-2013《綠色工業建筑評價標準》第10.4.2條的要求：“對建筑物和廠區各類站房內設備、設施的運行狀況已設置自動監控系統，且運行正常?！?/p>

1.3 能源管理系統

根據GB/T 50878-2013《綠色工業建筑評價標準》第5.2.9條的要求：“按區域、建筑和用途分別設置各種用能的計量設備或裝置，進行用能的分區、分類和分項計量?！睘闈M足能源分區、分類、分項的計量要求，本項目設計了涵蓋全廠三級用能單位的能源管理系統。該系統通過在線監測整個企業的生產耗能動態過程，實時采集生產過程用電、用水、用氣等能耗數據，從系統的角度實施能源介質的平衡調度，經過數據分析、對比，發現能源消耗過程和能源結構中存在的問題，及時掌握項目的能源管理水平和用能狀況，輸出基于能源介質平衡的能源管理方案，解決能源介質的生產、回收、消耗的平衡問題，提高能源的綜合利用效率。同時，該系統同步對太陽能光伏系統、太陽能熱水系統等可再生能源系統設備運行情況實時監測，實現太陽能光伏、光熱系統的無人值守，并依據運行數據的分析，輸出相應的系統維護方案。最終，通過能源信息的綜合管理，充分發掘節能降耗潛力，實現節能降耗和綠色升級。

2 控制系統設計方案

在管理級層面，在PCS系統增設一臺操作員站作為能源管理操作站，并在歷史數據服務器和性能計算服務器中配置相應的算力資源，實現功能如下：

1）能源消耗過程的信息化與可視化

系統在線監測整個企業的生產能耗動態信息，并將這些能耗數據與相對應的設備、車間、班組生產數據相結合，現場運行管理人員可了解和掌握生產環節和重點設備的實時能耗狀況、單位能耗數據、能耗變化趨勢和實時運行參數等信息能效信息的統計與管理。

2）歷史能耗數據對比及分析

系統自動生成的多種能耗信息統計圖形、曲線和報表，如以日、周、月、年為周期的電、水等能耗統計報表，報表類型可分為全廠、車間、重要耗能設備等層次，為用戶提供能源消耗結構和能源消耗成本分析依據，評估節能措施的效果和關聯影響。

3）太陽能光伏系統及光熱系統監測

系統可實時監測太陽輻射量，光伏發電系統所有設備當前時間的各通道直流輸入和交流輸出的電壓、電流、功率、頻率等參數和當日發電量等。繪制每日太陽輻射強度曲線、風速變化曲線、逆變器的電壓電流-時間曲線、功率-時間曲線，對光伏發電現場的各種通訊采集異常進行記錄并報警。

在控制級層面，將全場劃分成7個現場控制站即：預處理系統、厭氧系統、沼渣堆肥系統、沼氣凈化系統、鍋爐房、污水處理系統及除臭系統；3個數據采集站即：計量間、變電室及綜合樓。各類能源計量儀表采用硬接線或現場總線方式接入控制站，利用現場控制站完成能耗數據的實施采集，各站主要功能劃分如下：

1#控制站：測控預處理系統的工藝參數及電氣設備運行狀態，采集匯聚預處理車間區域各級能源消耗數據。

2#控制站：測控厭氧系統的工藝參數及電氣設備運行情況，采集厭氧發酵界區各級能源消耗數據。

3#控制站：測控沼渣堆肥系統的工藝參數及電氣設備運行情況，采集沼渣堆肥車間各級能源消耗數據。

4#控制站：測控沼氣凈化的工藝參數及設備運行情況，其中包括火炬相關工藝參數檢測及設備控制，采集沼氣凈化界區各級能源消耗數據。

5#控制站：測控鍋爐房的工藝參數及設備運行情況，其中包括可燃氣體檢測報警系統，采集鍋爐房各級能源消耗數據。

6#控制站：測控污水處理系統的工藝參數及設備運行情況，其中包括消防泵房、雨水泵站，初期雨水池及事故水池參數檢測及設備控制，采集全場進水母管運行參數及污水處理車間能耗數據。

7#控制站：測控除臭系統的工藝參數及設備運行情況。

1#采集站：計量間設置稱重及信息錄入站，負責采集垃圾重量和車輛信息數據，并上傳至中央控制室的全廠計算機監控系統。

2#采集站：采集變電室電氣參數，如全廠及各車間用電量、電壓、電量等。

3#采集站：采集綜合樓內通風空調、太陽能光伏系統及太陽能熱水系統等成套設備的運行狀態，采集綜合樓內界區各類能耗數據。

3 能源計量儀表設計要點

本文針對工業綠色建筑對能源計量的具體要求，結合實際設計過程中的反饋，重點歸納了水量、電量計量儀表的設計要點。

3.1 水量計量

工業項目中生產用水與生活用水需區分計量，且生產用水涉及工藝過程的過程監控及經濟指標核算，故原則上需選用電磁流量計；生活用水僅涉及耗量計量，選用智能水表即可。

1）一級水表計量范圍為整個生產區的各種水量，測量點在給水泵房給水泵出水母管；儀表形式：電磁流量計；通訊方式：以硬接線方式接入污水處理車間控制站。

2）二級水表計量范圍為各車間和廠區生產、生活用水量（以預處理車間為例）。由于預處理車間內工藝設備眾多，生產用給水管道成環形布置存在多個用水點，故生產水量測點為各用水點支管；測量儀表為電磁流量計；通訊方式：以硬接線方式接入預處理控制站。生活用水為母管供水，測點在生活給水母管；測量儀表為遠傳式水表；通訊方式：以總線方式接入預處理控制站。

3）三級水表計量范圍為重點工藝或重點設備用水量，以厭氧系統冷卻塔為例，測量點為循環冷卻塔補水管道；測量儀表為電磁流量計；通訊方式：以硬接線方式接入厭氧發酵系統控制站。

3.2 電量計量

1）一級電量計量范圍為全廠總用電量，測量點位于廠級變配電室10kV進線柜；測量儀表：智能電力儀表；通訊方式：經電氣綜保后臺監控系統利用PCS通訊網絡直接接入管理層。

2）二級電量計量范圍為主要車間或工藝系統用電量，測量點位于廠級配電室內的0.4kV低壓出線柜；測量儀表：智能電力儀表；通訊方式：經電氣綜保后臺監控系統利用PCS通訊網絡直接接入管理層。

3）三級電量計量范圍為關鍵設備用電量，測量點位于車間級配電室MCC柜；測量儀表：智能馬達保護器；通訊方式：各馬達保護器在MCC柜內采用485通訊協議的現場總線進行串接，后接入現場控制站。

4 結論

1）本文以實際工程為例，介紹了綠色工業建筑體系下的控制系統設計架構，提出了一種基于過程控制系統與能源管理系統相融合的智慧化生產運行系統，實現工業項目綠色化、數字化的前提下兼顧經濟性。并結合工程現場實際反饋，歸納了能源管理系統典型測量儀表的選型要點及在執行級與過程控制系統的具體接入方案。該項目投產后項目運行良好，并助力項目取得行業內首個綠色工業建筑三星級運行標識。

2）該系統的實現依賴于方案設計階段控制系統的整體規劃，需全面統籌廠內各類工藝設備的控制系統與能源計量設備，將該設計理念和方案貫徹至成套工藝設備與全廠自控系統采購階段，從而確保設計意圖的實現。