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浅谈钢铁冶金企业能源管理系统的设计与应用

更新时间:2020-09-30      浏览次数:516

摘要:介绍了中国钢铁企业能源管理系统(EMS)的应用现状,在对现有的钢铁企业EMS进行实地调研和总结的基础上,针对钢铁生产过程能耗的特点完成了钢铁企业EMS的需分析、架构设计和系统各个模块功能的开发工作。通过管理和优化能源使用,实现了钢铁生产过程的管控一体化,从而降低了钢铁企业的生产能耗,提高了企业的市场竞争力。

关键词:钢铁企业;能源管理系统;能耗;管控一体化

 

引言

       随着世界范围内工业革命的爆发,各种能源的消耗越来越大。从现今范围看来,能源问题已是重中之重,世界都在提倡节能环保。而从耗能方面来看,企业耗能大、浪费多等给社会造成很大负担,同时对企业自身的发展也带来了不利的影响。企业不能仅靠提高设备利用率或降低能耗来节约资源,而应该对这些设备进行监控与管理,将能源的计划和消耗信息进行管理,从而达到节能减排的效果。

能源管理系统(EMS)能够对能耗数据进行分析和整理,对能源用量、能耗成本进行分摊,同时生成各种关键能耗指标并根据系统的分析数据进行需求侧管理,从而发现生产过程中能源的浪费。在企业的能源管理中,中国钢铁企业仍以相对落后的管理方式为主,己经不能够适应当前钢铁生产的大型化、高速化和激烈市场竞争的需要。

 

1 钢铁企业能源管理系统的需求分析

钢铁企业的EMS可以把分散的能源信息,利用水、蒸汽、风、电、煤、气等各种能源计量设备 ,实现能源信息的统一汇总,并进行计算和分析,通过数据库读取数据,科学地得出每天、每周、每月、每季、每年各个生产工序的能源消耗,从而科学地得出节能操作指导报告,从中挖掘节能潜力,为能源管理提出科学依据。EMS根据分析节能效果的数据,实现

主观和客观控制额外节能,帮助企业实现能源管理、节能降耗、降低成本、提高生产效益的目的。

 

2 钢铁企业EMS的架构设计

2.1 总体架构设计

钢铁企业的EMS采用EMS采用C/S与 B/S相结合的系统架构,整个系统框架以及应用均采用 C/S模式,其后台数据流采用 B/S架构。系统的关键设备包括历史数据库服务器、实时数据库服务器、含Web Service的应用服务器、I/O服务器、环保服务器。各类操作HMI,PLC,网络交换机等。其中,历史数据库服务器、实时数据库服务器和应用服务器全部为冗余置,为集群系统。

EMS网络架构按标准的三层结构设置。即核心层、汇聚层和接入层。其中核心层为冗余配置,核心层交换机为异地设置。同时,EMS设置现场工业以太环网,用于连接区域前置PLC、环保采集子站等设备。

 

 

图1 EMS总体架构设计示意

2.2 硬件架构设计

钢铁企业EMS的设计运用了软件设计中常用的分层设计思想。将EMS划分为3个层次,其硬件架构设计,从下至上依次为数据感知层、传输层、应用层。

 

图2 钢铁企业EMS的硬件架构示意

1)感知层。感知层主要利用现场各类传感设备。例如液位传感器、智能电表、风口温度传感器、湿度传感器、鼓风压力传感器等,采集EMS所需的各类能源数据。以钢铁生产过程 中高炉炼铁供料系统为例,采集的参数包括:矿石(O)库存量、焦炭(C)库存量、供料开始时间、持续时间、矿批料长、焦批料长、供料速度等。

2)传输层。钢铁企业EMS的传输层设计是根据生产管理、生产过程和僻生产系统的功能需求,传输使用串行总线技术以及工业以太网技术架构建设。目前,钢铁企业生产管理中 比较常用的工业串行总线技术是采用RS4-85电气标准和Modbus通信协议。其特点是实施起来比较简单实用,并且目前大多数重工业企业的现场传感器都支持RS-485与Modbus协议。 

3)应知层。应用层提供了钢铁企业生产过程中能源消耗数据的采集、能源消耗数据的多维分析、汇总报表、生产优化、生产配料管理与系统后台管理等多项功能。通过能源数据采集汇总,可以帮助企业生产管理者了解钢铁业各计量点能源的使用情况,并帮助企业管理实现钢铁生产过程能源优化调度,从而配置的入料参数使系统取得更好的管理和节能效果。有利于实现钢铁生产过程的管控一体化。

2.3 软件架构设计

钢铁企业的EMS的软件架构主要分5个部分:数据采集、数据仓库、数据中间件、功能 应用和数据展示。

1)数据采集。系统的数据采集主要通过两种方式:仪表计量,通过智能电力仪表、智能水表、燃气表等未端采集装置采集各种能耗数据;人工录入,通过手动录入的方式获取设备信息、产量等数据。

2)数据仓库。系统建立对应不同视角的数据模型,并生成相应的数据仓库,供EMS进行 数据分析及评估。

3)数据中间件。提供数据抽取及校验、数据报表定时生成、数据权限分配管理、系统配配、计量仪表等各种基础服务。

4)功能应用。主要给用户提供不同的业务功能模块。呈现钢铁厂的能耗分析情况,并对能耗数据进行统计、分析处理,帮助企业管理者寻找能耗漏洞,制订生产计划和节能方案。

5)数据展示。系统提供多种灵活的数据呈现方式,支持包括工作站电脑、手机、平板等 访问方式,并针对操作人员、管理人员、领导等不同类型用户的需求及权限显示相心功能界面,便于用户随时随地地了解相关能耗信息。

 

3 钢铁企业EMS的主要功能

钢铁企业的EMS功能从总体上分为两大部分:监视与远程控制功能;能源管理功能。 监视与远程控制功能主要包括:能源介质过程数据监视、能源设备及主要工序运转状态监视、能源设备远程控制、大屏幕显示。能源管理功能主要包括:能源计划编制、能源实绩管理及 质量管理、能源运行支持与调度、能源没备管理等。能源信息处理、能源故障处理是辅助功能。

图 4 钢铁企业EMS功能架构示意

 

4 应用效果 

钢铁企业EMS投入实际运行后带来诸多盗处主要有以下几点:

1)提高劳动生产率。由于部分车间实现无人值守并成立集中调度中心这样减少了动力系统定员。

2)节能效益。利用水蒸汽电、煤气等各种能源计量设备,实现能源信息的统一 汇总计算、分析,提高能源介质的利用效率,使用该系统综合节能可达20%左右。

3)环保效益。能源消耗量减少,工业生产废气排放量降低,为节能减排、创建绿色工厂做出贡献。

4)提高了能源管理水平。公司及各生产厂领导能根据网上的实时数据进行生产决策,为领导决策提供了实时性和科学性参考。能源管理中心的建立使各生产厂能及时向公司汇报实时情况,避免了错报、漏报、瞒bao等情况的发生。

5)为建立绩效考核方案提供参考。工业生产型企业进行生产排班,灵活设置每个班组 的生产时间段,自动导入或手工输入班组产量,能耗系统统计每个班组的总能耗和单横向比较班组用能情况,有利于建立绩效考核方案。

 

5 安科瑞工业能耗管理平台介绍

5.1  平台架构介绍

安科瑞能源管控系统采用分层分布式网络结构,具有良好的可靠性与实时性,主要由现场设备层(能源计量终端)、通讯管理层(通讯管理终端)和主站层(能源监控平台)三个部分组成。

以上三个部分分别贯穿整个系统的全部结构。能源管理系统总体设计结构按照能源管理的基本结构设计,满足以上三部分的同时,增加了部分分析、监控、决策和发布平台。

 

 

图5 工业能耗管理平台架构组成

 5.2 平台功能介绍

 

 

图6 工业能耗管理功能示意图

5.2.1可视化展示

展示企业各类能耗总量、折标值、能源成本、能源消耗趋势、分项能耗占比、区域能源消耗对比,以及当前天气情况、污染情况,并三维展示企业重要工艺或工段的能源消耗动态

5.2.2实时监控

对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况,同时能更快速的掌握点位的报警。

5.2.3用能统计

从能源使用种类、监测区域、生产工艺/工段时间、分项等维度,采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、折标对比,找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方,从而调整能源分配策略,减少能源使用过程中的浪费

5.2.4单耗统计

与企业MES系统对接,通过产品产量以及系统采集的能耗数据,在产品单耗中生成产品单耗趋势图,并进行同比和环比分析。以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺,从而降低能耗

5.2.5绩效分析

对各类能源使用、消耗、转换,按班组、区域、产线、工段等进行日、周、月、年、时段,结合能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核,帮助企业了解内部能效水平和节能潜力

5.2.6能耗预测

通过对企业生产工艺、生产设备等的能耗使用情况进行分析,建立能耗计算模型,根据人工智能算法对数据和模型进行修正,对未来企业能耗趋势进行预测分析,为节能提供有效的决策依据

5.2.7运行监测

系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集,监测设备及工艺运行状态,如温度、湿度、流量、压力、速度等,并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据,支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量

5.2.8分析报告

以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行统计分析,让用户了解系统的运行情况,并为用户提供数据基础,方便用户发现设备异常,从而找出改善点,以及针对用能情况挖掘节能潜力

5.2.9移动端支持

APP支持Android、IOS操作系统,方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、效率分析、同环比分析、能耗折标、用能预测、运行监视、异常报警等

5.3工业能耗平台设备选型

表1 工业能耗管理设备选型示意图

 6 结束语

钢铁企业EMS用Web Service技术实现多系统集成,通过C/SB/S相结合的架构实现了部署与访问的灵活性。该系统很好地实现了能源数据的分布式和共享性,能源数据的智能化和集成化,能源接入的自由化和标准化,能源消费的互动式和个性化,可以营造安全、舒适、节能的办公环境。建设企业级的EMS,是现代大中型钢铁企业实施信息化工程的需要。它可以改进能源系统的运行管理和安全管理水平,完善能源生产和使用的评价体制,提高了劳动生产率,减少了能源消耗,增加了能源回收,改善了环境质量,对提高企业的市场竞争力具有重要意义。

 

【参考文献】

[1] 王鼎,方拮.能源中心在宝钢能源生产中的作用和发展趋势[J].中国冶金,2005(01):21—23.

[2] 聂秋平,吴敏,张超等.钢铁企业能源中心系统设计[J].控制工程,2011,18(03):424—428.

[3] 刘克勤,王直杰.钢铁企业能源管理系统的设计与实现[J].石油化工自动化,2018.04.

[4] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版

 

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