DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.038

摘? 要：文章以某鋼鐵企業(yè)為背景，詳細闡述了鋼鐵企業(yè)構(gòu)建能源管控系統(tǒng)的過程。筆者根據(jù)鋼廠實際生產(chǎn)設(shè)備和工藝環(huán)境，選用工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合工業(yè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集;同時打通了IT和OT網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)硬件網(wǎng)絡(luò)隔離，最小化現(xiàn)場自動化改造，合理保護該鋼廠既有投資;實現(xiàn)了一套覆蓋能源集中控制、能源生產(chǎn)調(diào)度到基礎(chǔ)能源管理的能源管控系統(tǒng)，并取得良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：實時數(shù)據(jù)庫;能源管控系統(tǒng);工業(yè)數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP315? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）09-0145-05

Construction and Application of Smart Energy Management-Control System?Based on Industrial Real-time Database

DING Zhijun

（Yangchun New Iron and Steel Co.，Ltd.，Jiangyang? 529629，China）

Abstract：Taking an iron and steel enterprise as the background，this paper expounds in detail the process of building energy management-control system in iron and steel enterprises. According to the actual production equipment and process environment of the steel plants，the author uses industrial real-time database and combined with the industrial data acquisition gateway to realize data acquisition. At the same time，IT and OT networks are opened up to realize hardware network isolation，minimizes on-site automation transformation，and reasonably protects the existing investment of the steel plant;it realizes a set of energy management-control system covering centralized energy control，energy production scheduling and basic energy management，and achieves good application results.

Keywords：real-time database;energy management-control system;industrial data acquisition

0? 引? 言

隨著化石能源資源日益緊張，能源價格不斷上漲，節(jié)能減排已經(jīng)成為一項國策，利用能源管控系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)分散的能源生產(chǎn)管理組織方式，已經(jīng)成為各大公司各級管理者的共識^[1]。鋼鐵是傳統(tǒng)的高耗能行業(yè)，隨著外部市場的形勢日漸嚴峻，對于能源成本管理的要求也越來越高，能源管理已成為各大鋼廠經(jīng)營的重大事項和主要改善潛力領(lǐng)域，是最能體現(xiàn)管理效益的工作。為適應(yīng)當前的形勢，陽春新鋼鐵有限責任公司迫切需要構(gòu)建一套面向工序、機組和能源設(shè)施的智慧能源管控系統(tǒng)，實現(xiàn)能源加工轉(zhuǎn)換的全流程跟蹤和能源成本的即時拋賬，支撐公司能源結(jié)構(gòu)和各工序能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，干預(yù)機組和能源設(shè)施能源績效參數(shù)，滿足能源數(shù)據(jù)精細化管理的需要，提升能源管控水平^[2]。同時陽春新鋼鐵有限責任公司作為連續(xù)多年的“廣東省能效對標領(lǐng)跑企業(yè)”，積極響應(yīng)國家政策打造“地區(qū)能源智能管控示范平臺”，注重資源的整體平衡和良性循環(huán)建構(gòu)，既是對國家政策的積極響應(yīng)，也是對企業(yè)未來發(fā)展的長遠規(guī)劃，可對整個重點用能行業(yè)起到引領(lǐng)示范的作用。

2? 系統(tǒng)概況

2.1? 工藝概況

本文的實踐背景是國內(nèi)某大型鋼廠，該鋼廠擁有高爐2座、燒結(jié)機2臺、轉(zhuǎn)爐2座、方坯連鑄機（5機5流）3臺、LF鋼包精煉爐1座、棒材生產(chǎn)線2條、雙高線生產(chǎn)線1條。配套的能源公輔設(shè)施包括220 kV變電站1座、35 kV變電站2座、10 kV公輔變電站1座、煉鐵1、2水站、煉鋼水站、軋鋼1、2水站、江邊水站、清水站、綜合水站、1#、2#凈化TRT發(fā)電站、空壓站、氣柜加壓站、燒結(jié)余熱發(fā)電、煉鋼飽和蒸汽發(fā)電、高爐鼓風機站、鍋爐發(fā)電站等。

2.2? 總體架構(gòu)設(shè)計

某鋼廠的各個站所相對比較分散，各個系統(tǒng)又相對比較獨立，導(dǎo)致生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)無法聯(lián)系，做不到數(shù)據(jù)共享，考慮到將來網(wǎng)絡(luò)拓展和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的維護和方便性，選用一套工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)MOSIC來管理龐大的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)^[3]，基于該工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫的能源管控系統(tǒng)從功能層次上分為能源集中控制系統(tǒng)（L1）、能源生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)（L2）、基礎(chǔ)能源管理系統(tǒng)（L3）三個部分，如圖1所示。

2.3? 系統(tǒng)運行平臺

2.3.1? MOSAIC系統(tǒng)平臺

MOSAIC系統(tǒng)平臺由三部分組成：

（1）mxSight提供傳統(tǒng)意義上HMI/SCADA的功能，包括畫面監(jiān)控，報警，事件、趨勢功能，各種驅(qū)動程序、以及OPC/ODBC接口等。

（2）mxHistory實時數(shù)據(jù)庫組件提供高效的實時數(shù)據(jù)庫處理、壓縮、冗余、數(shù)據(jù)回補、內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)查詢算法以及與其他信息化系統(tǒng)的訪問接口，同時提供與主流關(guān)系數(shù)據(jù)庫如SQL/ORACLE/DB2的訪問接口。

（3）mxWeb為基于W3C標準開發(fā)的Web服務(wù)，采用SVG圖形管理技術(shù)，使得用戶可通過瀏覽器做為Web客戶端遠程訪問系統(tǒng)。

2.3.2? 服務(wù)器資源要求

實時數(shù)據(jù)庫平臺使用物理服務(wù)器，其他均使用VMWare公司的vSphere服務(wù)器虛擬化平臺方案^[4]，具體如表1所示。

3? 能源管控系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1? 集中控制系統(tǒng)

能源集中控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)能源水、電力、燃氣、熱力等40余套自控工藝站所的專業(yè)集中控制，分別在綜合水站、總降、熱力主控樓、二凈化設(shè)置集中監(jiān)控室，增加部分現(xiàn)場高清視頻，對專業(yè)范圍實行遠程監(jiān)控，從而優(yōu)化人員配置，提高勞動效率，進一步提升能源工藝、設(shè)備的集控化、自動化水平，圖2為分專業(yè)的集中管控示意圖。

3.2? 能源調(diào)度系統(tǒng)

能源生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)主要包括供電系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)度、煤氣系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)度、壓縮空氣系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)度、熱力系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)度、氧氮氬系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)度、給排水系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)度、余熱系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)度、生產(chǎn)系統(tǒng)監(jiān)控。能源生產(chǎn)調(diào)度是收集底層數(shù)據(jù)采集層傳送的信息，并對采集的數(shù)據(jù)進行實時顯示、統(tǒng)計分析、趨勢記錄和報警，實現(xiàn)對全廠各種能源介質(zhì)的生產(chǎn)、輸送、消耗流程的實時監(jiān)控和調(diào)度。包括管網(wǎng)綜合信息監(jiān)視畫面、關(guān)鍵耗能設(shè)備的監(jiān)控畫面、各電力、煤氣，水、蒸汽、氧氮氬、等分系統(tǒng)大屏幕畫面。讓鋼廠生產(chǎn)調(diào)度人員能夠合理、準確、及時作出統(tǒng)一的調(diào)度指揮，提高事故預(yù)案管理和應(yīng)急管理能力，圖3為能源管控系統(tǒng)監(jiān)控總畫面。

3.3? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該智慧能源管控系統(tǒng)的采集系統(tǒng)接口方案按照50 000點的標準設(shè)計，實際包括電力系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝系統(tǒng)共計約15 000點，針對不同的系統(tǒng)設(shè)計了不同的采集方式。

電力系統(tǒng)：根據(jù)電力廠家綜保系統(tǒng)提供EMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及遠動接口，直接通過以太網(wǎng)接口接入到通訊管理機進行數(shù)據(jù)采集。

國產(chǎn)DCS系統(tǒng)：選用高可靠的MOX網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)支持OPC通信協(xié)議，通過廠家OPC接口進行數(shù)據(jù)采集。

生產(chǎn)系統(tǒng)：生產(chǎn)能源介質(zhì)系統(tǒng)使用的是西門子的控制系統(tǒng)，我們選用高可靠的MOX網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)支持S7/PROFINET通信協(xié)議，網(wǎng)關(guān)與控制系統(tǒng)PLC進行通信，再與能源SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫接口，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，而且能實現(xiàn)硬件隔離，增加網(wǎng)絡(luò)安全性。

轉(zhuǎn)供電表：鋼廠的轉(zhuǎn)供電表非常分散，選用智能采集控制器通過LoRa無線通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集，降低施工成本^[5]。

智慧能源管控系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)、RTU、通信管理機讀取現(xiàn)有系統(tǒng)或裝置的數(shù)據(jù)，預(yù)留相關(guān)設(shè)備和接口今后擴展實現(xiàn)大系統(tǒng)全廠集中控制需求。數(shù)據(jù)采集站的供電電源從各站所UPS取電，為減少能源介質(zhì)計量系統(tǒng)誤差，所有數(shù)據(jù)在已接入的PLC、DCS中進行計算，包括溫壓補償，同種能源介質(zhì)使用同種計算公式，進行累計數(shù)據(jù)運算，再將數(shù)據(jù)送入實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，同時根據(jù)具體能源介質(zhì)的統(tǒng)計需求設(shè)定采集頻次，轉(zhuǎn)儲至關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，整體數(shù)據(jù)采集架構(gòu)如圖4所示。

3.4? 基礎(chǔ)能源管理系統(tǒng)

基礎(chǔ)能源管理系統(tǒng)界面如圖5所示，該系統(tǒng)選擇用友公司的IUAP平臺進行定制開發(fā)^[6]，主要實現(xiàn)能源的計劃、實績、調(diào)度、績效分析、監(jiān)察等核心業(yè)務(wù)管理功能，對企業(yè)能源管理的全過程進行管理，完成能源過程的全流程運行監(jiān)控，按綜合能耗、工序能耗、工序介質(zhì)能耗、設(shè)備介質(zhì)能耗四級指標體系，對能源產(chǎn)耗進行自上而下的管理，既支持能源的指標綜合管理，又支持能源設(shè)備的精細管理，提升能源管理和能效利用水平。

下文對主要功能模塊以及關(guān)系進行說明：

能源計劃模塊：根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理中的各單位、各作業(yè)區(qū)產(chǎn)品信息配置、能源介質(zhì)信息配置、固體原燃料信息配置，生成工序產(chǎn)品產(chǎn)量計劃、能源產(chǎn)耗計劃、固體原燃料計劃，計劃人員再做手工調(diào)整。年計劃、季度計劃、月計劃類似，日能源平衡計劃分成了三個班的能源計劃。能源介質(zhì)信息配置中會配置對應(yīng)的計算點和測量點，便于計劃和實績數(shù)據(jù)做比對跟蹤。

能源實績模塊：根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理中的接口數(shù)據(jù)定義，每一周期實時數(shù)據(jù)庫將儀表讀數(shù)插入到對應(yīng)的定義接口數(shù)據(jù)表中。日實績根據(jù)測量點定義，將接口數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算，生成日實績測量點數(shù)據(jù)。根據(jù)計算點定義，經(jīng)過計算，生成日計算點實績數(shù)據(jù)。累積每日的日計算點實績數(shù)據(jù)，生成月計算點實績數(shù)據(jù)，各模塊如果需要實績數(shù)據(jù)，則根據(jù)定義的測量點公式或計算點公式，從實績表中進行取數(shù)。

生產(chǎn)調(diào)度管理模塊：根據(jù)運行報表配置，定時生成各種運行報表，各運行報表一般配置接口數(shù)據(jù)的測量點公式。將調(diào)度日常管理、停服役管理納入系統(tǒng)管理。

能源質(zhì)量管理模塊：根據(jù)能源質(zhì)量檢測項目組定義和接口數(shù)據(jù)，及時獲取各檢測項目組定義的各監(jiān)測項目實績值，對不滿足標準的及時預(yù)警。

4? 應(yīng)用效果

利用工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫平臺和基礎(chǔ)能源管理系統(tǒng)，構(gòu)建了一套標準化的能源管理體系，以下是具體的應(yīng)用效果：

（1）集約化控制，改變調(diào)度模式。某鋼廠實現(xiàn)了條塊分割式的能源監(jiān)控調(diào)度向集中監(jiān)控調(diào)度轉(zhuǎn)變，推動分散能源管理向集中一貫制的扁平化能源管理轉(zhuǎn)變，按照水、電、熱力、動力四個專業(yè)分區(qū)進行集中控制，設(shè)計開發(fā)了75個實時監(jiān)控畫面，使用45臺數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采集了15 000多個數(shù)據(jù)點，實現(xiàn)了40余套自控工藝站所的集中控制，改變過往能源調(diào)度依靠總調(diào)電話指揮的模式，取消了各種崗位的手工臺賬，生產(chǎn)調(diào)度、各站所的運行報表、設(shè)備狀態(tài)等都通過系統(tǒng)采集查看，減輕各操作崗位人員負擔，提高了勞動生產(chǎn)率。

（2）深化應(yīng)用，提升企業(yè)能源管理效益。某鋼廠搭建了一套統(tǒng)一的企業(yè)數(shù)據(jù)采集分析平臺，具備了利用多維數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)影響因素，持續(xù)改進生產(chǎn)工藝模型的能力。例如通過引入生產(chǎn)工序中的熱風爐換爐信號，進一步完善煤氣平衡調(diào)度模型，實現(xiàn)鍋爐根據(jù)熱風爐換爐開始及換爐結(jié)束進行相應(yīng)的加、減煤氣操作。降低了煤氣壓力波動，減少了煤氣放散量，提升了機組運行效率。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，模型優(yōu)化后日發(fā)電量平均增加了2.5萬千瓦時，取得了良好的經(jīng)濟效益，該鋼廠的自發(fā)電比例超過80%，達到行業(yè)先進水平。

5? 結(jié)? 論

本文項目是嚴格按照國家鋼鐵企業(yè)能源管理中心驗收標準進行建設(shè)的，是在傳統(tǒng)能源管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行的再創(chuàng)新，讓鋼鐵企業(yè)能夠依托能源管控系統(tǒng)，真正實現(xiàn)“看得見、說得清、管得好、效益佳”，通過項目的建設(shè)，全廠各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)、能源、設(shè)備等數(shù)據(jù)都已納入工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫平臺中，整個系統(tǒng)具備持續(xù)深入挖掘分析的潛力，未來通過大量的數(shù)據(jù)積累，將進一步提升各能源介質(zhì)使用效率，降低能源成本。通過長期觀察、分析、診斷企業(yè)用能及排放情況，可以制定出科學(xué)、系統(tǒng)的節(jié)能減排方案，真正實現(xiàn)從“單項節(jié)能”向“系統(tǒng)化節(jié)能”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，做到真正的低能耗、潔凈化生產(chǎn)，向智慧能源管理的目標邁進。

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作者簡介：丁治軍（1984—），男，漢族，湖南常德人，工程師（軟件設(shè)計師），碩士研究生，研究方向：企業(yè)信息化、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和智能制造。

收稿日期：2021-04-09