李 波，王 玥，楊 程

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074）

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，綠色低碳轉(zhuǎn)型成為各行各業(yè)發(fā)展的重要方向。建筑領(lǐng)域是中國能源消費和碳排放的三大領(lǐng)域之一，具有巨大的碳減排潛力和市場發(fā)展?jié)摿ΑＭ苿咏ㄖI(yè)綠色發(fā)展，既是統(tǒng)籌發(fā)展和安全提升人民幸福感、滿足感的重要途徑，也是順應(yīng)數(shù)字化、智能化發(fā)展趨勢，培育壯大經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動能的關(guān)鍵舉措，而綠色建筑的推廣應(yīng)用是推動國內(nèi)建筑業(yè)綠色低碳循環(huán)發(fā)展的重要抓手，也是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵路徑[1]。在“碳達(dá)峰、碳中和”的政策推動下，綠色建筑發(fā)展即將駛?cè)肟燔嚨?，其覆蓋的范圍也由傳統(tǒng)民用公共建筑迅速延伸至市政、冶金、電力及化工等行業(yè)的工業(yè)建筑。

工業(yè)建筑具有其獨有的生產(chǎn)適應(yīng)性，其設(shè)計體系與民用建筑存在較大不同，其中最明顯的差別體現(xiàn)在控制系統(tǒng)的設(shè)計上，控制系統(tǒng)不僅是工業(yè)項目的神經(jīng)中樞，而且是實現(xiàn)工業(yè)建筑綠色轉(zhuǎn)型的核心動能。首先，因工業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜，連續(xù)性強(qiáng)，自動化程度高，其控制系統(tǒng)相較于民用項目中的設(shè)備信息管理系統(tǒng)更為龐大與繁雜，所配置的硬件資源與數(shù)據(jù)鏈路更為完備，對數(shù)據(jù)采集的實時性與控制的可靠性要求更高；其次，工業(yè)項目中綠色建筑的相關(guān)設(shè)計往往與生產(chǎn)過程獨立設(shè)計，為了滿足綠色建筑的設(shè)計要求需獨立設(shè)計一套能源管理系統(tǒng)，造成了重復(fù)投資，且未能實現(xiàn)工業(yè)項目全要素和全生命周期綠色化與數(shù)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(yè)建筑設(shè)計體系下的控制系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)，介紹了過程控制系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)的主要功能及融合思路，構(gòu)建了基于過程控制系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)相融合的智慧化生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)。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(yè)內(nèi)首個“工業(yè)建筑三星級綠色建筑”設(shè)計標(biāo)識[2]。

1 總體架構(gòu)

在確保生產(chǎn)過程安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效運行的前提下，為達(dá)到綠色工業(yè)三星的設(shè)計目標(biāo)，實現(xiàn)工業(yè)建筑項目的數(shù)字化賦能，本文設(shè)計了一套基于過程控制系統(tǒng)（Process Control System，PCS）與能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）相融合的智慧化生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)。

1.1 總體思路

由于本項目過程控制系統(tǒng)具備高速穩(wěn)定的通訊網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集及處理能力，能源管理系統(tǒng)可依托PCS的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)及硬件資源，與過程控制系統(tǒng)充分融合，構(gòu)建智慧化生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以有效降低能源管理系統(tǒng)的重復(fù)投資成本，還可以通過數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)更高層次的運營支撐。智慧化生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 智慧化生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network structure diagram of intelligent production operation management system

1.2 過程控制系統(tǒng)

廚余垃圾處理項目為典型工業(yè)項目，根據(jù)工藝的自身特點及控制要求，設(shè)計了一套完整的過程控制系統(tǒng)，完成生產(chǎn)過程各類設(shè)備及介質(zhì)運行參數(shù)的檢測、控制及管理。過程控制系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，該系統(tǒng)自上而下分別由管理級、通訊網(wǎng)絡(luò)及控制級構(gòu)成。管理級配置多套互為冗余的高性能工業(yè)控制計算機(jī)作為操作員站，并配置歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器和性能計算服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的采集及深度處理。

通訊網(wǎng)絡(luò)采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為環(huán)形的高速工業(yè)以太網(wǎng)，兩路通訊光纜在物理路由進(jìn)行分離敷設(shè)，一路通過橋架延全場管廊敷設(shè)，另一路采用鎧裝直埋方式沿地面路由敷設(shè)。

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(xiàn)場各工藝參數(shù)及電氣參數(shù)并控制現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行設(shè)備，實現(xiàn)快速、大量、安全的數(shù)據(jù)采集及過程控制[3]。PCS即可滿足GB/T 50878-2013《綠色工業(yè)建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》第10.4.2條的要求：“對建筑物和廠區(qū)各類站房內(nèi)設(shè)備、設(shè)施的運行狀況已設(shè)置自動監(jiān)控系統(tǒng)，且運行正常?！?/p>

1.3 能源管理系統(tǒng)

根據(jù)GB/T 50878-2013《綠色工業(yè)建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.9條的要求：“按區(qū)域、建筑和用途分別設(shè)置各種用能的計量設(shè)備或裝置，進(jìn)行用能的分區(qū)、分類和分項計量?！睘闈M足能源分區(qū)、分類、分項的計量要求，本項目設(shè)計了涵蓋全廠三級用能單位的能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在線監(jiān)測整個企業(yè)的生產(chǎn)耗能動態(tài)過程，實時采集生產(chǎn)過程用電、用水、用氣等能耗數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)的角度實施能源介質(zhì)的平衡調(diào)度，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析、對比，發(fā)現(xiàn)能源消耗過程和能源結(jié)構(gòu)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(zhì)平衡的能源管理方案，解決能源介質(zhì)的生產(chǎn)、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(tǒng)同步對太陽能光伏系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)等可再生能源系統(tǒng)設(shè)備運行情況實時監(jiān)測，實現(xiàn)太陽能光伏、光熱系統(tǒng)的無人值守，并依據(jù)運行數(shù)據(jù)的分析，輸出相應(yīng)的系統(tǒng)維護(hù)方案。最終，通過能源信息的綜合管理，充分發(fā)掘節(jié)能降耗潛力，實現(xiàn)節(jié)能降耗和綠色升級。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計方案

在管理級層面，在PCS系統(tǒng)增設(shè)一臺操作員站作為能源管理操作站，并在歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器和性能計算服務(wù)器中配置相應(yīng)的算力資源，實現(xiàn)功能如下：

1）能源消耗過程的信息化與可視化

系統(tǒng)在線監(jiān)測整個企業(yè)的生產(chǎn)能耗動態(tài)信息，并將這些能耗數(shù)據(jù)與相對應(yīng)的設(shè)備、車間、班組生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，現(xiàn)場運行管理人員可了解和掌握生產(chǎn)環(huán)節(jié)和重點設(shè)備的實時能耗狀況、單位能耗數(shù)據(jù)、能耗變化趨勢和實時運行參數(shù)等信息能效信息的統(tǒng)計與管理。

2）歷史能耗數(shù)據(jù)對比及分析

系統(tǒng)自動生成的多種能耗信息統(tǒng)計圖形、曲線和報表，如以日、周、月、年為周期的電、水等能耗統(tǒng)計報表，報表類型可分為全廠、車間、重要耗能設(shè)備等層次，為用戶提供能源消耗結(jié)構(gòu)和能源消耗成本分析依據(jù)，評估節(jié)能措施的效果和關(guān)聯(lián)影響。

3）太陽能光伏系統(tǒng)及光熱系統(tǒng)監(jiān)測

系統(tǒng)可實時監(jiān)測太陽輻射量，光伏發(fā)電系統(tǒng)所有設(shè)備當(dāng)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(shù)和當(dāng)日發(fā)電量等。繪制每日太陽輻射強(qiáng)度曲線、風(fēng)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(fā)電現(xiàn)場的各種通訊采集異常進(jìn)行記錄并報警。

在控制級層面，將全場劃分成7個現(xiàn)場控制站即：預(yù)處理系統(tǒng)、厭氧系統(tǒng)、沼渣堆肥系統(tǒng)、沼氣凈化系統(tǒng)、鍋爐房、污水處理系統(tǒng)及除臭系統(tǒng)；3個數(shù)據(jù)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(xiàn)場總線方式接入控制站，利用現(xiàn)場控制站完成能耗數(shù)據(jù)的實施采集，各站主要功能劃分如下：

1#控制站：測控預(yù)處理系統(tǒng)的工藝參數(shù)及電氣設(shè)備運行狀態(tài)，采集匯聚預(yù)處理車間區(qū)域各級能源消耗數(shù)據(jù)。

2#控制站：測控厭氧系統(tǒng)的工藝參數(shù)及電氣設(shè)備運行情況，采集厭氧發(fā)酵界區(qū)各級能源消耗數(shù)據(jù)。

3#控制站：測控沼渣堆肥系統(tǒng)的工藝參數(shù)及電氣設(shè)備運行情況，采集沼渣堆肥車間各級能源消耗數(shù)據(jù)。

4#控制站：測控沼氣凈化的工藝參數(shù)及設(shè)備運行情況，其中包括火炬相關(guān)工藝參數(shù)檢測及設(shè)備控制，采集沼氣凈化界區(qū)各級能源消耗數(shù)據(jù)。

5#控制站：測控鍋爐房的工藝參數(shù)及設(shè)備運行情況，其中包括可燃?xì)怏w檢測報警系統(tǒng)，采集鍋爐房各級能源消耗數(shù)據(jù)。

6#控制站：測控污水處理系統(tǒng)的工藝參數(shù)及設(shè)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(shù)檢測及設(shè)備控制，采集全場進(jìn)水母管運行參數(shù)及污水處理車間能耗數(shù)據(jù)。

7#控制站：測控除臭系統(tǒng)的工藝參數(shù)及設(shè)備運行情況。

1#采集站：計量間設(shè)置稱重及信息錄入站，負(fù)責(zé)采集垃圾重量和車輛信息數(shù)據(jù)，并上傳至中央控制室的全廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

2#采集站：采集變電室電氣參數(shù)，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(nèi)通風(fēng)空調(diào)、太陽能光伏系統(tǒng)及太陽能熱水系統(tǒng)等成套設(shè)備的運行狀態(tài)，采集綜合樓內(nèi)界區(qū)各類能耗數(shù)據(jù)。

3 能源計量儀表設(shè)計要點

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

3.1 水量計量

工業(yè)項目中生產(chǎn)用水與生活用水需區(qū)分計量，且生產(chǎn)用水涉及工藝過程的過程監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(chǎn)區(qū)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(qū)生產(chǎn)、生活用水量（以預(yù)處理車間為例）。由于預(yù)處理車間內(nèi)工藝設(shè)備眾多，生產(chǎn)用給水管道成環(huán)形布置存在多個用水點，故生產(chǎn)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(yù)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(yuǎn)傳式水表；通訊方式：以總線方式接入預(yù)處理控制站。

3）三級水表計量范圍為重點工藝或重點設(shè)備用水量，以厭氧系統(tǒng)冷卻塔為例，測量點為循環(huán)冷卻塔補(bǔ)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?yún)捬醢l(fā)酵系統(tǒng)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(jìn)線柜；測量儀表：智能電力儀表；通訊方式：經(jīng)電氣綜保后臺監(jiān)控系統(tǒng)利用PCS通訊網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)用電量，測量點位于廠級配電室內(nèi)的0.4kV低壓出線柜；測量儀表：智能電力儀表；通訊方式：經(jīng)電氣綜保后臺監(jiān)控系統(tǒng)利用PCS通訊網(wǎng)絡(luò)直接接入管理層。

3）三級電量計量范圍為關(guān)鍵設(shè)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(dá)保護(hù)器；通訊方式：各馬達(dá)保護(hù)器在MCC柜內(nèi)采用485通訊協(xié)議的現(xiàn)場總線進(jìn)行串接，后接入現(xiàn)場控制站。

4 結(jié)論

1）本文以實際工程為例，介紹了綠色工業(yè)建筑體系下的控制系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)，提出了一種基于過程控制系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)相融合的智慧化生產(chǎn)運行系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)項目綠色化、數(shù)字化的前提下兼顧經(jīng)濟(jì)性。并結(jié)合工程現(xiàn)場實際反饋，歸納了能源管理系統(tǒng)典型測量儀表的選型要點及在執(zhí)行級與過程控制系統(tǒng)的具體接入方案。該項目投產(chǎn)后項目運行良好，并助力項目取得行業(yè)內(nèi)首個綠色工業(yè)建筑三星級運行標(biāo)識。

2）該系統(tǒng)的實現(xiàn)依賴于方案設(shè)計階段控制系統(tǒng)的整體規(guī)劃，需全面統(tǒng)籌廠內(nèi)各類工藝設(shè)備的控制系統(tǒng)與能源計量設(shè)備，將該設(shè)計理念和方案貫徹至成套工藝設(shè)備與全廠自控系統(tǒng)采購階段，從而確保設(shè)計意圖的實現(xiàn)。