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淺談鋼鐵冶金企業能源管理系統的設計與應用

供稿:安科瑞電氣股份有限公司 2020/10/10 16:31:17

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  • 關鍵詞: 鋼鐵企業 能源管理系統 能耗;管控一體化
  • 摘要:介紹了中國鋼鐵企業能源管理系統(EMS)的應用現狀,在對現有的鋼鐵企業EMS進行實地調研和總結的基礎上,針對鋼鐵生產過程能耗的特點完成了鋼鐵企業EMS的需分析、架構設計和系統各個模塊功能的開發工作。通過管理和優化能源使用,實現了鋼鐵生產過程的管控一體化,從而降低了鋼鐵企業的生產能耗,提高了企業的市場競爭力。

虞楊芳

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

 

摘要:介紹了中國鋼鐵企業能源管理系統(EMS)的應用現狀,在對現有的鋼鐵企業EMS進行實地調研和總結的基礎上,針對鋼鐵生產過程能耗的特點完成了鋼鐵企業EMS的需分析、架構設計和系統各個模塊功能的開發工作。通過管理和優化能源使用,實現了鋼鐵生產過程的管控一體化,從而降低了鋼鐵企業的生產能耗,提高了企業的市場競爭力。

。 關鍵詞:鋼鐵企業;能源管理系統;能耗;管控一體化

 

引言

       隨着世界範圍內工業革命的爆發,各種能源的消耗越來越大。從現今全球範圍看來,能源問題已是重中之重,世界都在提倡節能環保。而從耗能方面來看,企業耗能大、浪費多等給社會造成很大負擔,同時對企業自身的發展也帶來了不利的影響。企業不能僅靠提高設備利用率或降低能耗來節約資源,而應該對這些設備進行監控與管理,將能源的計劃和消耗信息進行管理,從而達到節能減排的效果。

能源管理系統(EMS)能夠對能耗數據進行分析和整理,對能源用量、能耗成本進行分攤,同時生成各種關鍵能耗指標並根據系統的分析數據進行需求側管理,從而發現生產過程中能源的浪費。在企業的能源管理中,中國鋼鐵企業仍以相對落後的管理方式為主,己經不能夠適應當前鋼鐵生產的大型化、高速化和激烈市場競爭的需要。

 

1 鋼鐵企業能源管理系統的需求分析

鋼鐵企業的EMS可以把分散的能源信息,利用水、蒸汽、風、電、煤、氣等各種能源計量設備 ,實現能源信息的統一彙總,並進行計算和分析,通過數據庫讀取數據,科學地得出每天、每週、每月、每季、每年各個生產工序的能源消耗,從而科學地得出節能操作指導報告,從中挖掘節能潛力,為能源管理提出科學依據。EMS根據分析節能效果的數據,實現

主觀和客觀控制額外節能,幫助企業實現能源管理、節能降耗、降低成本、提高生產效益的目的。

 

2 鋼鐵企業EMS的架構設計

2.1 總體架構設計

鋼鐵企業的EMS採用EMS採用C/S與 B/S相結合的系統架構,整個系統框架以及應用均採用 C/S模式,其後台數據流採用 B/S架構。系統的關鍵設備包括歷史數據庫服務器、實時數據庫服務器、含Web Service的應用服務器、I/O服務器、環保服務器。各類操作HMI,PLC,網絡交換機等。其中,歷史數據庫服務器、實時數據庫服務器和應用服務器全部為冗餘置,為集羣系統。

EMS網絡架構按標準的三層結構設置。即核心層、匯聚層和接入層。其中核心層為冗餘配置,核心層交換機為異地設置。同時,EMS設置現場工業以太環網,用於連接區域前置PLC、環保採集子站等設備。

 

 

圖1 EMS總體架構設計示意

2.2 硬件架構設計

鋼鐵企業EMS的設計運用了軟件設計中常用的分層設計思想。將EMS劃分為3個層次,其硬件架構設計,從下至上依次為數據感知層、傳輸層、應用層。

 

圖2 鋼鐵企業EMS的硬件架構示意

1)感知層。感知層主要利用現場各類傳感設備。例如液位傳感器、智能電錶、風口温度傳感器、濕度傳感器、鼓風壓力傳感器等,採集EMS所需的各類能源數據。以鋼鐵生產過程 中高爐鍊鐵供料系統為例,採集的參數包括:礦石(O)庫存量、焦炭(C)庫存量、供料開始時間、持續時間、礦批料長、焦批料長、供料速度等。

2)傳輸層。鋼鐵企業EMS的傳輸層設計是根據生產管理、生產過程和僻生產系統的功能需求,傳輸使用串行總線技術以及工業以太網技術架構建設。目前,鋼鐵企業生產管理中 比較常用的工業串行總線技術是採用RS4-85電氣標準和Modbus通信協議。其特點就是實施起來比較簡單實用,並且目前大多數重工業企業的現場傳感器都支持RS-485與Modbus協議。 

3)應知層。應用層提供了鋼鐵企業生產過程中能源消耗數據的採集、能源消耗數據的多維分析、彙總報表、生產優化、生產配料管理與系統後台管理等多項功能。通過能源數據採集彙總,可以幫助企業生產管理者瞭解鋼鐵業各計量點能源的使用情況,並幫助企業管理實現鋼鐵生產過程能源優化調度,從而配置的入料參數使系統取得更好的管理和節能效果。有利於實現鋼鐵生產過程的管控一體化。

2.3 軟件架構設計

鋼鐵企業的EMS的軟件架構主要分5個部分:數據採集、數據倉庫、數據中間件、功能 應用和數據展示。

 

 

1)數據採集。系統的數據採集主要通過兩種方式:儀表計量,通過智能電力儀表、智能水錶、燃氣表等未端採集裝置採集各種能耗數據;人工錄入,通過手動錄入的方式獲取設備信息、產量等數據。

2)數據倉庫。系統建立對應不同視角的數據模型,並生成相應的數據倉庫,供EMS進行 數據分析及評估。

3)數據中間件。提供數據抽取及校驗、數據報表定時生成、數據權限分配管理、系統配配、計量儀表等各種基礎服務。

4)功能應用。主要給用户提供不同的業務功能模塊。呈現鋼鐵廠的能耗分析情況,並對能耗數據進行統計、分析處理,幫助企業管理者尋找能耗漏洞,制訂生產計劃和節能方案。

5)數據展示。系統提供多種靈活的數據呈現方式,支持包括工作站電腦、手機、平板等 訪問方式,並針對操作人員、管理人員、領導等不同類型用户的需求及權限顯示相心功能界面,便於用户隨時隨地地瞭解相關能耗信息。

 

3 鋼鐵企業EMS的主要功能

鋼鐵企業的EMS功能從總體上分為兩大部分:監視與遠程控制功能;能源管理功能。 監視與遠程控制功能主要包括:能源介質過程數據監視、能源設備及主要工序運轉狀態監視、能源設備遠程控制、大屏幕顯示。能源管理功能主要包括:能源計劃編制、能源實績管理及 質量管理、能源運行支持與調度、能源沒備管理等。能源信息處理、能源故障處理是輔助功能。

 

圖 4 鋼鐵企業EMS功能架構示意

 

4 應用效果 

鋼鐵企業EMS投入實際運行後帶來諸多盜處主要有以下幾點:

1)提高勞動生產率。由於部分車間實現無人值守併成立集中調度中心這樣減少了動力系統定員。

2)節能效益。利用水蒸汽電、煤氣等各種能源計量設備,實現能源信息的統一 彙總計算、分析,提高能源介質的利用效率,使用該系統綜合節能可達20%左右。

3)環保效益。能源消耗量減少,工業生產廢氣排放量降低,為節能減排、創建綠色工廠做出貢獻。

4)提高了能源管理水平。公司及各生產廠領導能根據網上的實時數據進行生產決策,為領導決策提供了實時性和科學性參考。能源管理中心的建立使各生產廠能及時向公司彙報實時情況,避免了錯報、漏報、瞞報等情況的發生。

5)為建立績效考核方案提供參考。工業生產型企業進行生產排班,靈活設置每個班組 的生產時間段,自動導入或手工輸入班組產量,能耗系統統計每個班組的總能耗和單橫向比較班組用能情況,有利於建立績效考核方案。

 

5 安科瑞工業能耗管理平台介紹

5.1  平台架構介紹

安科瑞能源管控系統採用分層分佈式網絡結構,具有良好的可靠性與實時性,主要由現場設備層(能源計量終端)、通訊管理層(通訊管理終端)和主站層(能源監控平台)三個部分組成。

以上三個部分分別貫穿整個系統的全部結構。能源管理系統總體設計結構按照能源管理的基本結構設計,滿足以上三部分的同時,增加了部分分析、監控、決策和發佈平台。

 

 

圖5 工業能耗管理平台架構組成

 

5.2 平台功能介紹

 

 

圖6 工業能耗管理功能示意圖

5.2.1可視化展示

展示企業各類能耗總量、折標值、能源成本、能源消耗趨勢、分項能耗佔比、區域能源消耗對比,以及當前天氣情況、污染情況,並三維展示企業重要工藝或工段的能源消耗動態

5.2.2實時監控

對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用户能夠實時的監測各個點位的運作情況,同時能更快速的掌握點位的報警。

5.2.3用能統計

從能源使用種類、監測區域、生產工藝/工段時間、分項等維度,採用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、折標對比,找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方,從而調整能源分配策略,減少能源使用過程中的浪費

5.2.4單耗統計

與企業MES系統對接,通過產品產量以及系統採集的能耗數據,在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖,並進行同比和環比分析。以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝,從而降低能耗

5.2.5績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換,按班組、區域、產線、工段等進行日、周、月、年、指定時段,結合能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核,幫助企業瞭解內部能效水平和節能潛力

5.2.6能耗預測

通過對企業生產工藝、生產設備等的能耗使用情況進行分析,建立能耗計算模型,根據人工智能算法對數據和模型進行修正,對未來企業能耗趨勢進行預測分析,為節能提供有效的決策依據

5.2.7運行監測

系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據採集,監測設備及工藝運行狀態,如温度、濕度、流量、壓力、速度等,並支持變配電系統一次運行監視。可直接從動態監測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據,支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量

5.2.8分析報告

以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行統計分析,讓用户瞭解系統的運行情況,併為用户提供數據基礎,方便用户發現設備異常,從而找出改善點,以及針對用能情況挖掘節能潛力

5.2.9移動端支持

APP支持Android、IOS操作系統,方便用户按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、效率分析、同環比分析、能耗折標、用能預測、運行監視、異常報警等

5.3工業能耗平台設備選型

 

 

應用場合

型號

功能

照明箱

DTSD1352

三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量,分相正向有功電能統計,總正反向有功電能統計,總正反向無功電能統計;紅外通訊;電流規格:經互感器接入3*1(6)A,直接接入3*10(80)A,有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級


AEW100

三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量,總正反向有功、無功電能計量,2-31次分諧波及總諧波含量分析,分相諧波及基波電參量(電壓、電流、功率)測量;支持復費率、歷史電能記錄;支持RS485通訊、470MHz無線通訊、紅外通訊;有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級

動力櫃

ACR220EL

LCD顯示、全電參量測量(U、I、P、Q、S、PF、F);四象限電能計量RS485/Modbus可選復費率電能統計;4DI+2DO。

配電箱

ARCM300T-Z

三相(I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz)單迴路剩餘電流監測,4路温度監測,1路繼電器輸出,4路開關量輸入,時間記錄,內置時鐘,點陣式LCD顯示,1路RS485/Modbus通訊,可選用2G/4G/NB通訊方式

表1 工業能耗管理設備選型示意圖

 

6 結束語

鋼鐵企業EMS用Web Service技術實現多系統集成,通過C/SB/S相結合的架構實現了部署與訪問的靈活性。該系統很好地實現了能源數據的分佈式和共享性,能源數據的智能化和集成化,能源接入的自由化和標準化,能源消費的互動式和個性化,可以營造安全、舒適、節能的辦公環境。建設企業級的EMS,是現代大中型鋼鐵企業實施信息化工程的需要。它可以改進能源系統的運行管理和安全管理水平,完善能源生產和使用的評價體制,提高了勞動生產率,減少了能源消耗,增加了能源回收,改善了環境質量,對提高企業的市場競爭力具有重要意義。

 

【香港集運】

[1] 王鼎,方拮.能源中心在寶鋼能源生產中的作用和發展趨勢[J].中國冶金,2005(01):21—23.

[2] 聶秋平,吳敏,張超等.鋼鐵企業能源中心繫統設計[J].控制工程,2011,18(03):424—428.

[3] 劉克勤,王直傑.鋼鐵企業能源管理系統的設計與實現[J].石油化工自動化,2018.04.

[4] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版

 

作者簡介:

虞楊芳,女,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為智能電網供配電,Email: 2881068607@qq.com手機:18721098757  QQ:2881068607

審核編輯(王靜)
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