李金明，田博，李咚

隨著全球能源供應(yīng)的趨緊，各種能源價(jià)格均呈現(xiàn)出了不斷上升的趨勢(shì)，能耗成本在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本中的占比不斷增加。水泥生產(chǎn)企業(yè)是典型的高耗能企業(yè)，企業(yè)能源費(fèi)用在生產(chǎn)總成本中的占比高達(dá)50%～70%[1]，在水泥企業(yè)中建立高效的能源管理系統(tǒng)，對(duì)企業(yè)的能源消耗進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)控和信息化管理，對(duì)降低單位水泥產(chǎn)品的能源消耗，提高水泥企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 能源管理系統(tǒng)概述

能源管理系統(tǒng)是一種基于以太網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)的現(xiàn)代化能源管理平臺(tái)，由軟件、硬件、多個(gè)基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，可對(duì)企業(yè)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)分析，制訂企業(yè)用電計(jì)劃，提供能耗核算及決策支持，實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能績(jī)效的科學(xué)管理和能源效率的持續(xù)改進(jìn)。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)水泥企業(yè)的能源管理依然以人工采集數(shù)據(jù)為主，自動(dòng)化、信息化程度較低。企業(yè)的集散控制系統(tǒng)DCS、用電計(jì)量系統(tǒng)、經(jīng)營(yíng)管理的ERP系統(tǒng)等各自獨(dú)立運(yùn)行，信息共享程度不高。

某水泥廠(chǎng)在建廠(chǎng)之初并沒(méi)有規(guī)劃能源管理系統(tǒng)，隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，僅依靠手工抄表方式統(tǒng)計(jì)水泥生產(chǎn)中各電力室的電量數(shù)據(jù)的弊端逐漸顯現(xiàn)：原始數(shù)據(jù)不精確、效率低，不利于數(shù)據(jù)制表統(tǒng)計(jì)分析；難以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)分析獲得能夠反映各車(chē)間能效水平的單位產(chǎn)量水泥用電量，以及能夠反映班組能效水平的各班組單位產(chǎn)量電耗等指標(biāo)。為有效解決以上問(wèn)題，合理運(yùn)用能源，該企業(yè)決定盡快建立全廠(chǎng)能源管理系統(tǒng)。該企業(yè)DCS系統(tǒng)已經(jīng)處于基本滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，無(wú)更多空間處理電量能源數(shù)據(jù)，故決定重新敷設(shè)光纖，建立全廠(chǎng)能源數(shù)據(jù)采集專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，并在各電力室新增數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，設(shè)置專(zhuān)門(mén)能源管理數(shù)據(jù)服務(wù)器，組建工廠(chǎng)能源管理系統(tǒng)。

2 能源數(shù)據(jù)采集

目前電力系統(tǒng)常用的多功能電量表一般都集成有RS485接口，支持ModbusRTU通訊協(xié)議，通過(guò)RS485接口，即可將已運(yùn)行在工廠(chǎng)配電系統(tǒng)中的多功能電量表數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)服務(wù)器，進(jìn)行電量數(shù)據(jù)處理。結(jié)合各電氣室配電設(shè)備分布情況，我們?cè)诿總€(gè)電力室新增Modbus RTU轉(zhuǎn)Modbus TCP協(xié)議網(wǎng)關(guān)，采集各電力室內(nèi)各臺(tái)多功能計(jì)量表的電量數(shù)據(jù)。先由中控室安裝有專(zhuān)用SCADA監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，直接讀取每個(gè)電力室協(xié)議網(wǎng)關(guān)的電量數(shù)據(jù)，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器進(jìn)行深層次統(tǒng)計(jì)分析處理，最后通過(guò)Web服務(wù)器發(fā)布到工廠(chǎng)辦公網(wǎng)絡(luò)，作為生產(chǎn)管理決策層進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度和決策的依據(jù)。

新組建的全廠(chǎng)能源數(shù)據(jù)采集專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)示意圖見(jiàn)圖1。

3 ES-30X系列網(wǎng)關(guān)及測(cè)控分析軟件介紹

本文僅以此項(xiàng)目所使用的ES-30X系列網(wǎng)關(guān)進(jìn)行舉例說(shuō)明。如圖1所示，每個(gè)電力室設(shè)置一臺(tái)或多臺(tái)ES-30X系列網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的串口端設(shè)置為Modbus RTU主站模式，通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)串接至各臺(tái)配電柜多功能電量表的RS485接口端子上。網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng)端設(shè)置為Modbus TCP客戶(hù)端模式，通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接到光纖轉(zhuǎn)換器的網(wǎng)口上，最終形成基于Modbus TCP協(xié)議的1號(hào)石灰石破碎、2號(hào)石灰石破碎、原料調(diào)配、生料系統(tǒng)、燒成系統(tǒng)、1號(hào)水泥磨、2號(hào)水泥磨、礦渣輥磨、水泥包裝及總降配電站以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的全廠(chǎng)能源數(shù)據(jù)管理網(wǎng)。通過(guò)以太網(wǎng)，中控室的數(shù)據(jù)管理服務(wù)器可直接讀取各電力室協(xié)議網(wǎng)關(guān)的電量數(shù)據(jù)。

圖1 新組建的全廠(chǎng)能源數(shù)據(jù)采集專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)示意圖

3.1 通訊協(xié)議及數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)

Modbus通訊協(xié)議是Modicon公司于1979年發(fā)布的，是全球最早用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線(xiàn)規(guī)約，是目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的通用通訊協(xié)議，其在PLC、智能儀表、變頻器等許多智能設(shè)備中都有應(yīng)用。它支持多種電氣接口，可以在多種介質(zhì)上傳送，具有抗干擾性強(qiáng)、幀格式簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放等諸多優(yōu)點(diǎn)。Modbus TCP協(xié)議則是在Modbus RTU協(xié)議上加了一個(gè)MBAP報(bào)文頭形成的，因?yàn)門(mén)CP協(xié)議是基于可靠連接的服務(wù)，不再需要RTU協(xié)議中的CRC校驗(yàn)碼，所以在Modbus TCP協(xié)議中沒(méi)有CRC校驗(yàn)碼，Modbus TCP協(xié)議通過(guò)以太網(wǎng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通訊速度更快。

ES-30X系列網(wǎng)關(guān)能實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)（Modbus TCP）設(shè)備與串口（Modbus RTU/ASC II）設(shè)備的互聯(lián)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在以太網(wǎng)端，它能實(shí)現(xiàn)10/100M自適應(yīng)，支持級(jí)聯(lián)，支持環(huán)網(wǎng)，支持服務(wù)器或客戶(hù)端模式，具有從站ID映射功能，并且報(bào)文請(qǐng)求自動(dòng)路由到串口。在串口端，它支持Modbus主站或從站模式，支持RS485或RS232，通過(guò)中繼器可延長(zhǎng)傳輸距離，并最多可擴(kuò)展連接127個(gè)從站設(shè)備。對(duì)應(yīng)此網(wǎng)關(guān)，開(kāi)發(fā)有簡(jiǎn)單實(shí)用的配置軟件，調(diào)試功能強(qiáng)大。ES-30X系列網(wǎng)關(guān)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）布線(xiàn)簡(jiǎn)單，施工方便，成本低，效率高。

（2）以太網(wǎng)的傳輸速率高，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸性強(qiáng)，可靠性高。

（3）開(kāi)放互聯(lián)，安全機(jī)制完善。

（4）具有靈活的拓?fù)浼軜?gòu)和可擴(kuò)展性。

以太網(wǎng)（Modbus TCP）主站通過(guò)ES-30X系列網(wǎng)關(guān)連接多臺(tái)串口（Modbus RTU）從站設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)配置示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 以太網(wǎng)（Modbus TCP）主站通過(guò)ES-30X系列網(wǎng)關(guān)連接多臺(tái)串口（ModbusRTU）從站設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)配置示意圖

3.2 測(cè)控分析軟件

本文僅以此項(xiàng)目所使用的紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件進(jìn)行舉例說(shuō)明。紫金橋監(jiān)控組態(tài)（SCADA）軟件是由紫金橋公司開(kāi)發(fā)通用工業(yè)組態(tài)軟件。此軟件已廣泛應(yīng)用于石化、冶金、建材、電力、水利等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的過(guò)程控制、監(jiān)測(cè)管理、企業(yè)管理、資源計(jì)劃等系統(tǒng)中。它支持分布式服務(wù)器與分布式客戶(hù)端，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)處理功能，具有豐富的IO驅(qū)動(dòng)接口，具有強(qiáng)大的報(bào)表系統(tǒng)，數(shù)據(jù)可以無(wú)縫嵌入到Excel，支持Web發(fā)布功能。

4 能源管理系統(tǒng)運(yùn)行效果

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)施工、ES-30X系列網(wǎng)關(guān)調(diào)試和紫金橋監(jiān)控軟件的編程開(kāi)發(fā)測(cè)試，該廠(chǎng)能源管理系統(tǒng)正式投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程中的電量能源數(shù)據(jù)在線(xiàn)收集、實(shí)時(shí)傳輸和儲(chǔ)存監(jiān)控，為能源集中管理提供了有效的數(shù)據(jù)來(lái)源和分析預(yù)測(cè)技術(shù)手段；它采用表格、圖表等多種直觀(guān)圖示，可以對(duì)能源計(jì)劃、能源績(jī)效及綜合電耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)和分析比較。

能源管理系統(tǒng)車(chē)間電量統(tǒng)計(jì)日?qǐng)?bào)見(jiàn)圖3，月報(bào)見(jiàn)圖4，能源管理系統(tǒng)車(chē)間電量統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)圖5。

圖3 能源管理系統(tǒng)車(chē)間電量統(tǒng)計(jì)日?qǐng)?bào)

圖4 能源管理系統(tǒng)車(chē)間電量統(tǒng)計(jì)月報(bào)

圖5 能源管理系統(tǒng)車(chē)間電量統(tǒng)計(jì)分析

能源管理系統(tǒng)投入運(yùn)行三年以來(lái)，該廠(chǎng)基于能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，經(jīng)管理改進(jìn)及生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化，將電能數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)深度結(jié)合，主要取得了以下幾方面的成果：

（1）實(shí)時(shí)計(jì)算電能損耗，基本達(dá)到能源合理利用與在線(xiàn)平衡調(diào)度要求，能源利用率大幅提高，噸熟料綜合能耗平均下降3%左右。

（2）降低了用電成本，提高了用電效益，由于“峰、谷、平”時(shí)間段的用電負(fù)荷可以通過(guò)在線(xiàn)進(jìn)行調(diào)度，在日用電負(fù)荷總量不變的情況下，高峰時(shí)間段用電負(fù)荷至少下降了3%。

（3）實(shí)現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部能源信息數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集，并能生成各種電子報(bào)表與分析圖表，省去了原人力以紙質(zhì)文件重復(fù)抄報(bào)帶來(lái)的人工資源與紙張資源的消耗，降低了企業(yè)管理成本、人力成本，提高了企業(yè)運(yùn)營(yíng)效率。