陳輝 劉賢堂 吳寶健

（1.廣東省科學(xué)院自動(dòng)化工程研制中心 2.廣州鋼鐵股份有限公司能源中心）

1 引言

鋼鐵企業(yè)主要以生產(chǎn)生鐵、鋼材、鐵合金等高能耗產(chǎn)品為主，是一次能源和二次能源的消耗大戶，其能源消耗量在全國(guó)能源總產(chǎn)量中占很大的比例。同時(shí)鋼鐵企業(yè)能源消耗接近其生產(chǎn)成本的 20%，以節(jié)能降耗為目標(biāo)的管理顯得非常重要，而且鋼鐵廠污染環(huán)境的直接來源主要是耗能工段。因此，提高鋼鐵企業(yè)的能源管理水平不但具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且還具有重要的社會(huì)效益。

2 能源管理系統(tǒng)的需求分析

能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）是冶金企業(yè)自動(dòng)化和信息化的重要組成部分。在能源管理系統(tǒng)中，企業(yè)需要完善能源信息的采集系統(tǒng)，對(duì)能源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和加工，從而在公司全局角度審視能源的基本管理需求，滿足能源工藝系統(tǒng)分散特性和能源管理需要集中的客觀要求，以適應(yīng)鋼廠的戰(zhàn)略發(fā)展需要[1]。上述是對(duì)鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)一個(gè)較為全面的定義，對(duì)于具體問題其側(cè)重點(diǎn)會(huì)有所不同。本文從廣州鋼鐵企業(yè)集團(tuán)的能源管理系統(tǒng)實(shí)際需求出發(fā)，參考同行能源管理系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分析。鋼鐵企業(yè)內(nèi)各種能源介質(zhì)之間有如下特點(diǎn)：

(1) 每一個(gè)工藝流程都需要消耗大量能源，又有大量能源（尤其是燃?xì)猓┛苫厥铡？苫厥漳茉磶缀踹_(dá)到總量的 40%，充分利用回收能源是降低成本的重要手段。

(2) 各種介質(zhì)相互關(guān)聯(lián)，煤氣、廢熱、煤、重油都可轉(zhuǎn)換成蒸汽，蒸汽可轉(zhuǎn)換成電力，煤氣也可直接轉(zhuǎn)換成電力，能源調(diào)度人員可以通過多種手段回收能量，降低任何無效的放散，減少環(huán)境污染[2]。

根據(jù)能源介質(zhì)的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，提出該能源管理系統(tǒng)的目標(biāo)：

(1) 提高各類能源的使用效率，實(shí)現(xiàn)各類能源介質(zhì)的優(yōu)化調(diào)控，促進(jìn)節(jié)能降耗。

(2) 調(diào)度管理人員可以更全面地了解能源系統(tǒng)，提高能源管理水平。

(3) 及時(shí)發(fā)現(xiàn)能源系統(tǒng)故障，加快故障處理速度，使能源系統(tǒng)更安全。

(4) 使能源系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)視、操作控制、數(shù)據(jù)查詢、信息管理實(shí)現(xiàn)圖形化、直觀化和定量化。

(5) 結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃預(yù)測(cè)能源的使用情況，合理安排生產(chǎn)，減少燃?xì)獾臒o效放散，保護(hù)環(huán)境。

3 系統(tǒng)集成及分析

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣州鋼鐵企業(yè)集團(tuán)當(dāng)前及新建能源相關(guān)的數(shù)據(jù)采集站有10個(gè)，分別為：供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站、發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站、熱力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站、1500風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)采集站、壓縮空氣數(shù)據(jù)采集站、供水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站、凈化水及加壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站、高焦煤氣數(shù)據(jù)采集站、轉(zhuǎn)爐煤氣數(shù)據(jù)采集站和東片煤氣用戶數(shù)據(jù)采集站。通過深入分析和研究，將EMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三層：第一層是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層，第二層是數(shù)據(jù)處理層，第三層是監(jiān)控管理層。廣鋼能源管理系統(tǒng)圖如圖1所示。各層功能如下：

(1) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層：由上述 10個(gè)數(shù)據(jù)采集站組成，完成現(xiàn)場(chǎng)的控制和數(shù)據(jù)采集功能。各采集站建設(shè)在不同的時(shí)期并且建成相互獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)。其中，發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站采用DCS系統(tǒng)、供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站采用深圳中電的監(jiān)控系統(tǒng)、高焦煤氣數(shù)據(jù)采集站和轉(zhuǎn)爐煤氣數(shù)據(jù)采集站采用西門子的控制系統(tǒng)等。通過光纖將10個(gè)采集站和監(jiān)控中心應(yīng)用服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的集成。

(2) 數(shù)據(jù)處理層：由三層交換機(jī)、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、磁盤陣列和后備電源（UPS）等構(gòu)成?；A(chǔ)數(shù)據(jù)采集層通過數(shù)據(jù)采集站把過程數(shù)據(jù)發(fā)送上來，數(shù)據(jù)處理層的數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析、查詢、報(bào)警等處理。

(3) 監(jiān)控管理層：由能源監(jiān)控中心的多個(gè)監(jiān)控管理站及能源監(jiān)控中心的大屏幕顯示系統(tǒng)構(gòu)成，各監(jiān)控站利用以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)處理層服務(wù)器通訊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、查詢、分析、報(bào)警等處理，便于更及時(shí)、準(zhǔn)確地了解各種能源介質(zhì)的使用情況。

圖1 廣鋼能源管理系統(tǒng)圖

3.2 基礎(chǔ)自動(dòng)化通信

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層10個(gè)采集站建立DCS、PLC、RTU等基礎(chǔ)控制系統(tǒng)，進(jìn)行離線數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)和分析，形成10個(gè)“信息孤島”。由于數(shù)據(jù)是間斷的，時(shí)間也不同步，很不利于能源消耗的精確預(yù)測(cè)和平衡調(diào)度。本系統(tǒng)通過光纖將上述采集站連接起來，采集基礎(chǔ)自動(dòng)化的信息，并對(duì)之加以利用，實(shí)現(xiàn)能源的全面管理。從基礎(chǔ)自動(dòng)化和系統(tǒng)安全性考慮，基礎(chǔ)自動(dòng)化通信采用如下設(shè)計(jì)：

(1) OPC (OLE for Process Control)通信：OPC是工業(yè)自動(dòng)化的通信標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家開發(fā)的軟硬件設(shè)備，通過OPC方式都能夠?qū)崿F(xiàn)通信。10個(gè)采集站中多數(shù)支持OPC通信方式。在此，支持OPC通訊方式的采集站作為OPC服務(wù)器端，應(yīng)用服務(wù)器作為OPC客戶端通過DCOM的方式訪問服務(wù)器端獲取數(shù)據(jù)。

(2) CDT（Cycle Distance Transmission）協(xié)議通信：CDT標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中循環(huán)遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約的功能、幀結(jié)構(gòu)、信息字結(jié)構(gòu)和傳輸規(guī)則等。由于供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站建設(shè)較早，不支持OPC的通信方式，只支持CDT協(xié)議通過RS232串口輸出，因此通過串口光纖通信的方式即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，數(shù)據(jù)處理層應(yīng)用服務(wù)器再通過串口接收供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站發(fā)送的數(shù)據(jù)，達(dá)到按照CDT協(xié)議將其解包、展現(xiàn)和保存的目的。

(3) 數(shù)據(jù)庫接口獲取數(shù)據(jù)：供水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站取水監(jiān)控采用的是孤立的系統(tǒng)，只提供數(shù)據(jù)庫接口，獲取瞬時(shí)流量、累積流量、泵的電耗等數(shù)據(jù)。

(4) 系統(tǒng)安全：原來 10個(gè)采集站都是孤立的，通過光纖將其連接后，將會(huì)產(chǎn)生如下問題：

① 不同站點(diǎn)之間可能會(huì)互相干擾，導(dǎo)致誤操作；

② 病毒等可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓影響正常的生產(chǎn)；

③ 各站點(diǎn)IP地址沖突等。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三層交換機(jī)的 VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術(shù)，各站點(diǎn)與應(yīng)用服務(wù)器組成虛擬局域網(wǎng)，割斷相互通信的途徑，保證各自的獨(dú)立性，避免上述情況的發(fā)生。

3.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

該能源管理系統(tǒng)按照其功能，將10個(gè)數(shù)據(jù)采集站歸類為7個(gè)子系統(tǒng)，具體如下：燃?xì)庾酉到y(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、熱力子系統(tǒng)、供水子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)、供風(fēng)子系統(tǒng)、壓縮空氣子系統(tǒng)，各自完成特定功能。在軟件設(shè)計(jì)上，采用直觀的層次結(jié)構(gòu)“主界面—子系統(tǒng)界面—各采集站”。本系統(tǒng)采用組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控界面，采用MS SQL Server2005數(shù)據(jù)庫服務(wù)器保存數(shù)據(jù)。在監(jiān)控界面設(shè)計(jì)上，從宏觀到微觀分成三層：① 能源管理系統(tǒng)監(jiān)控主界面，顯示本系統(tǒng)7個(gè)子系統(tǒng)的鏈接及部分供領(lǐng)導(dǎo)決策參考的重要數(shù)據(jù)；② 子系統(tǒng)監(jiān)控界面，展現(xiàn)各功能子系統(tǒng)至各采集站的鏈接及該子系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)；③ 采集站監(jiān)控界面，展現(xiàn)采集站重要的能源管理數(shù)據(jù)。

圖2 監(jiān)控軟件主界面

圖3 1500風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)查詢界面

(1) 燃?xì)庾酉到y(tǒng)：按照高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣和混合煤氣的工藝圖，展現(xiàn)其管道分布圖，并在界面上實(shí)時(shí)顯示流量、壓力、流向、閥門開關(guān)、放散情況等信息，并且提供煤氣的日、月、年報(bào)表。

(2) 發(fā)電子系統(tǒng)：已建的 DCS系統(tǒng)具有較強(qiáng)的監(jiān)控和信息管理功能，在此僅展現(xiàn)流程圖和實(shí)時(shí)顯示電壓、溫度、電流、電度數(shù)等主要參數(shù)。

(3) 熱力子系統(tǒng)：展現(xiàn)管道的布置情況，實(shí)時(shí)顯示鍋爐的爐膛溫度、出口煙溫、給水壓力、給水溫度等數(shù)據(jù)，管道測(cè)驗(yàn)點(diǎn)的壓力和流量數(shù)據(jù)，各集汽包閥門的狀態(tài)等信息。

(4) 供水子系統(tǒng)：展現(xiàn)碼頭泵站原水、廠區(qū)工業(yè)用水和廠區(qū)凈化水系統(tǒng)管道分布情況，實(shí)時(shí)顯示供應(yīng)管道的流量和壓力，各閥門的狀態(tài)信息，提供日、月、年用水查詢和加壓站總管壓力查詢和報(bào)表制作。

(5) 供電子系統(tǒng)：展現(xiàn)各降壓站和配電站的一次、二次接線圖，實(shí)時(shí)顯示電流、電壓、有功功率、無功功率和功率因數(shù)的信息，提供日、月、年電能信息的查詢和報(bào)表制作。

(6) 供風(fēng)子系統(tǒng)：展現(xiàn)各風(fēng)機(jī)的氣路，實(shí)施顯示各風(fēng)機(jī)變速箱的電流、各箱溫度和送風(fēng)流量等信息，各風(fēng)機(jī)的軸承溫度、送風(fēng)壓力、吸風(fēng)壓力和軸向位移等信息，各閥門的狀態(tài)信息。

(7) 壓縮空氣子系統(tǒng)：實(shí)時(shí)顯示各空壓機(jī)的電流、斷路器狀態(tài)、外供氣流量、供氣壓力、用氣流量等。

通過監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)內(nèi)能源消耗站點(diǎn)的信息集成，使能源管理人員能夠從整個(gè)企業(yè)的角度來審視各工段的能源生產(chǎn)和消耗情況。通過量化考核和各系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)情況，發(fā)現(xiàn)工藝缺陷、管道泄漏、管理漏洞和技術(shù)改進(jìn)潛力等，為降低企業(yè)的能源消耗提供支撐。

4 能源信息管理及預(yù)測(cè)

除了對(duì)鋼鐵企業(yè)的能源消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)表制作之外，還需要增加對(duì)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)分析和預(yù)測(cè)等功能。在上述實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)能源管理及預(yù)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、修改、查詢和預(yù)測(cè)等功能。

4.1 數(shù)據(jù)輸入

生產(chǎn)過程中出現(xiàn)各種情況可能影響計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并錄入系統(tǒng)。在此，提供人機(jī)交互接口功能，使管理員能夠輸入和修正生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)查詢

提供電能消耗、功率因素、高爐煤氣放散率、焦?fàn)t煤氣回收量、高焦混合煤氣供氣量、各工序消耗電能實(shí)績(jī)、轉(zhuǎn)爐煤氣噸鋼回收實(shí)績(jī)、各工序消耗轉(zhuǎn)爐煤氣實(shí)績(jī)、各工序高爐煤氣消耗實(shí)績(jī)、各工序消耗焦?fàn)t煤氣實(shí)績(jī)、各工序消耗高焦混合煤氣實(shí)績(jī)等歷史數(shù)據(jù)的查詢和柱狀圖的比較（如圖4所示）。通過柱狀圖不但能夠直觀地對(duì)同一月份不同工段的能源消耗進(jìn)行橫向比較，而且能夠?qū)ν还ば虿煌路莸哪茉聪倪M(jìn)行縱向比較。

圖4 柱狀圖展現(xiàn)

4.3 能源生產(chǎn)和消耗量預(yù)測(cè)

通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的積累，采用最小二乘法對(duì)大量的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行線性最小二乘擬合預(yù)測(cè)下個(gè)月（或者下一年）某工序的能耗。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)供電能消耗、功率因素、高爐煤氣放散率、焦?fàn)t煤氣回收量、高焦混合煤氣供氣量、各工序消耗電能實(shí)績(jī)、轉(zhuǎn)爐煤氣噸鋼回收實(shí)績(jī)、各工序消耗轉(zhuǎn)爐煤氣實(shí)績(jī)、各工序高爐煤氣消耗實(shí)績(jī)、各工序消耗焦?fàn)t煤氣實(shí)績(jī)、各工序消耗高焦混合煤氣實(shí)績(jī)等的預(yù)測(cè)。如圖 5所示，根據(jù)2009年高焦混合煤氣供氣量的情況，采用最小二乘法擬合出高焦混合煤氣供氣量的趨勢(shì)曲線，并且預(yù)測(cè)2010年1月的用氣量約873.8萬/m3，實(shí)際用氣量約913.1萬/m3，誤差約 4.3%。采用該工具雖然不能夠保證 100%準(zhǔn)確，但 4%左右的誤差基本上能夠達(dá)到鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的要求。通過上述能源生產(chǎn)和消耗量的預(yù)測(cè)，為管理人員安排生產(chǎn)、減少燃?xì)獾姆派⑻峁┲匾獏⒖肌?/p>

圖5 高焦混合煤氣供氣量最小二乘擬合

5 結(jié)束語

目前，本能源管理系統(tǒng)已完成光纖鏈接及硬件平臺(tái)的構(gòu)建。應(yīng)用服務(wù)器通過OPC通信、CDT通信或數(shù)據(jù)庫接口獲取現(xiàn)場(chǎng)各采集站能源管理所需的數(shù)據(jù)，并且將重要數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。監(jiān)控管理層的工作站通過網(wǎng)絡(luò)采用B/S的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。除此之外，對(duì)采集所得數(shù)據(jù)還實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)、報(bào)表制作及趨勢(shì)預(yù)測(cè)等功能。

采用本能源管理系統(tǒng)，管理人員能夠站在企業(yè)的高度來對(duì)鋼鐵生產(chǎn)各環(huán)節(jié)進(jìn)行能源管理，打破原來的“信息孤島”。通過對(duì)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表及趨勢(shì)圖等的分析以及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，為管理人員安排下個(gè)月的生產(chǎn)提供了重要的參考依據(jù)。同時(shí)，上述的數(shù)據(jù)結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃可以預(yù)測(cè)電、水和煤的消耗量，并且可以估算燃?xì)猓ǜ郀t、轉(zhuǎn)爐和焦?fàn)t煤氣）的生產(chǎn)量，合理安排生產(chǎn)及燃?xì)獾氖褂茫瑴p少放散；通過量化考核發(fā)現(xiàn)工藝缺陷、管理漏洞和技術(shù)潛力，及時(shí)加以改進(jìn)提高，為企業(yè)的節(jié)能降耗工作提供有力手段。

[1] 高東華,吳毅平,黃自強(qiáng).OPC通信方案在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].控制工程,2009,16(增刊):188-191.

[2] 馮晶,田小果.EM 系統(tǒng)在鋼鐵廠能源中心的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表, 2005,3:35-37.

[3] 王永川,陳光明.鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)方案研究[J].冶金能源,2003,22(6) :5-8,36.

[4] 鄭咸義,姚迎新,雷秀人,陸子強(qiáng),黃鳳輝.應(yīng)用數(shù)值分析[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2008.