時(shí)彥永，王林

0 引言

能源是人類(lèi)生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著人類(lèi)工業(yè)化水平的不斷提高，各大企業(yè)對(duì)能源的需求與消耗也不斷增加，能源危機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)不可忽視與亟待解決的重要問(wèn)題。能源的有效利用不僅能夠降低企業(yè)的成本、增加企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力、減少環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，還可以有效緩解全球性能源危機(jī)的。而企業(yè)能源管理系統(tǒng)（EMS系統(tǒng)）正是當(dāng)今企業(yè)普遍采用的一種有效利用能源、降低企業(yè)成本的方法。

作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，鋼鐵產(chǎn)業(yè)能源消耗居高不下和對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重破壞等問(wèn)題一直是長(zhǎng)期困擾著鋼鐵企業(yè)及制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大難題之一。作為資源密集型產(chǎn)業(yè)，有資料顯示，鋼鐵企業(yè)的能源消耗約占全國(guó)能源消耗總量的10%，占工業(yè)部門(mén)能耗量的15%～25%，而鋼鐵企業(yè)的能源消耗占到了鋼鐵成本的20 % ～40 %[1]。因此采用有效的節(jié)能技術(shù)，較低企業(yè)能源消耗，建立穩(wěn)定、安全、高效的能源管理系統(tǒng)對(duì)鋼鐵企業(yè)的發(fā)展和環(huán)境的保護(hù)有著重大意義。此文將以某鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程為例，研究對(duì)該企業(yè)能源計(jì)量系統(tǒng)的改造及接口的設(shè)計(jì)，以使其適應(yīng)EMS系統(tǒng)的需求

1 能源管理系統(tǒng)簡(jiǎn)介

能源管理系統(tǒng)（EMS）是一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、過(guò)程監(jiān)控、能源管理、能源調(diào)度為一體的公司級(jí)管控一體化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)利用先進(jìn)的信息化技術(shù)對(duì)鋼鐵企業(yè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中所需的一次能源、二次能源實(shí)現(xiàn)了有效的分散控制、集中管理與優(yōu)化分配，使各能源介質(zhì)之間良好的相互轉(zhuǎn)換、補(bǔ)充，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

EMS系統(tǒng)的基本功能主要有以下幾個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)采集

通過(guò)對(duì)企業(yè)的各能源數(shù)據(jù)采集，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、監(jiān)視、報(bào)警、分析、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)的功能，數(shù)據(jù)采集是能源管理的基礎(chǔ)。

（2）能源設(shè)備的監(jiān)控和管理

能源管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)企業(yè)系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制、系統(tǒng)故障的報(bào)警和分析、關(guān)鍵設(shè)備的無(wú)人值守管理、突發(fā)事故中的能源應(yīng)急調(diào)度等，能夠有效確保能源供應(yīng)的安全，保證企業(yè)穩(wěn)定有序的生產(chǎn)。

（3）基本能源管理

基本能源管理功能是能源管理系統(tǒng)的核心，其主要包括能源數(shù)據(jù)的分析歸納和整理、能源計(jì)劃的管理、能源實(shí)績(jī)的管理、能源成本和質(zhì)量的管理、能源的平衡調(diào)度以及能源的分析預(yù)測(cè)等功能。

（4）環(huán)境監(jiān)測(cè)

鋼鐵企業(yè)是高能耗企業(yè)，高能耗即意味著高污染，廢水、廢氣、廢渣的排放嚴(yán)重破壞著生態(tài)環(huán)境。一個(gè)好的能源管理系統(tǒng)應(yīng)該具備監(jiān)測(cè)污染源、提高能源的再利用率、平衡煤氣利用及減少放散，最終實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放和保護(hù)環(huán)境的功能。

2 EMS計(jì)量系統(tǒng)的改造

建設(shè)EMS的目的就是為了實(shí)現(xiàn)能源計(jì)量、設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、優(yōu)化能源調(diào)度和平衡指揮系統(tǒng)，對(duì)能源介質(zhì)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)視與調(diào)控。為此必須完善能源信息的采集、存儲(chǔ)、管理和利用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)能源設(shè)備系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量系統(tǒng)的完善和能源系統(tǒng)的自動(dòng)化改造是實(shí)現(xiàn)EMS功能的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)的計(jì)量作為企業(yè)各工序環(huán)節(jié)核算能源消耗成本的數(shù)據(jù)依據(jù)，必須具有準(zhǔn)確性、權(quán)威性和實(shí)效性，以確保為生產(chǎn)服務(wù)、為經(jīng)營(yíng)決策服務(wù)、為成本管理服務(wù)。

該鋼鐵企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量裝置水平差異很大，有些儀表只能就地顯示，不具備遠(yuǎn)傳功能，靠人工進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和人工進(jìn)行遞送報(bào)表，對(duì)數(shù)據(jù)處理與信息發(fā)布不及時(shí)，不能掌握能源介質(zhì)的瞬時(shí)狀態(tài)，無(wú)曲線(xiàn)分析，無(wú)實(shí)時(shí)能源數(shù)據(jù)，不利于調(diào)度人員做出科學(xué)的判斷和合理的能源平衡分配。

因此，為了保證計(jì)量數(shù)據(jù)的及時(shí)、正確，并隨著生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大、成本核算的要求及現(xiàn)代化化工工業(yè)發(fā)展的需要，必須將原來(lái)的不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)上傳功能的計(jì)量裝置進(jìn)行改造和完善。通過(guò)對(duì)計(jì)量裝置的改造將使計(jì)量工作得到加強(qiáng)，數(shù)值的基礎(chǔ)性和準(zhǔn)確性將大大提高，從而可以提高計(jì)劃值的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)條件及其發(fā)展趨勢(shì)做出比較正確的預(yù)測(cè)[3]。

2.1 計(jì)量系統(tǒng)改造概述

要對(duì)該鋼鐵企業(yè)各主要能源動(dòng)力計(jì)量采集設(shè)備進(jìn)行改造，需要將遍布全廠的動(dòng)力量的數(shù)據(jù)利用采集設(shè)備獲取現(xiàn)場(chǎng)二次儀表數(shù)據(jù)，再利用EMS工業(yè)以太網(wǎng)傳送到各個(gè)區(qū)域動(dòng)力量數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，最后進(jìn)入EMS系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)運(yùn)行如圖1所示：

圖1 計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該企業(yè)所有計(jì)量數(shù)據(jù)采集分為32個(gè)區(qū)域進(jìn)行，約有454臺(tái)套現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備。在EMS設(shè)置兩臺(tái)計(jì)量數(shù)據(jù)服務(wù)器擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)采集及與能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，內(nèi)裝CITECT軟件，將分布于全廠的動(dòng)力量數(shù)據(jù)送入能源EMS系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一管理。計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。計(jì)量系統(tǒng)改造主要包括電能量計(jì)量和動(dòng)力計(jì)量?jī)刹糠帧?/p>

2.2 電計(jì)量系統(tǒng)改造

電力計(jì)量主要是指能源部所轄的各大變電所（66kV 總降變電所、35KV 開(kāi)關(guān)站、10KV開(kāi)關(guān)站以及能源中心電氣室等）的進(jìn)出線(xiàn)電能計(jì)量。電能量計(jì)量表需具備數(shù)據(jù)上傳功能，對(duì)所有結(jié)算用電力計(jì)量表選裝多功能智能型電表，通訊接口為 RS485，通訊協(xié)議為 MODBUS。共有電力量計(jì)量點(diǎn)175 臺(tái)，電計(jì)量改造的示意圖如圖2所示：

圖2 電計(jì)量系統(tǒng)改造示意圖

本方案采用 MOX公司的移動(dòng)終端 RTU（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MOX RTU）進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和上傳。

2.3 動(dòng)力計(jì)量系統(tǒng)改造

該企業(yè)動(dòng)力量計(jì)量點(diǎn)共 279 套，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x表的一次信號(hào)（4-20mA）先進(jìn)入二次儀表顯示、累計(jì)等，二次表集中放置，與 MOXRTU 之間通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，通訊接口統(tǒng)一為 RS485，通訊協(xié)議為 Modbus 協(xié)議，在信號(hào)集中的地點(diǎn)設(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置（即MOX RTU）。對(duì)于帶 RS485接口的超聲波水流量計(jì)和氣體流量計(jì)，采用串接方式接入到MOXRTU 中。改造示意圖如圖3所示：

圖3 動(dòng)力系統(tǒng)改造示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的改造和接口設(shè)計(jì)

該企業(yè)能源系統(tǒng)生產(chǎn)的特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)分散，現(xiàn)場(chǎng)工藝裝備水平差異較大，信息化水平參差不齊。為了節(jié)約人力資源成本、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、滿(mǎn)足EMS系統(tǒng)對(duì)能源數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)信息的需要，必須實(shí)現(xiàn)能源介質(zhì)的采集與能源設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控[4]。

為實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)采集和集中管理，必須采集所有現(xiàn)場(chǎng)能源生產(chǎn)工藝子站的設(shè)備狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，包括工藝高配站、水處理子站和動(dòng)力子站等[5]?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和各能源子站與能源管理系統(tǒng)的連接方式主要有兩種——通訊方式和I/O方式。對(duì)目前已有PLC系統(tǒng)的能源子站，采用通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)采用傳統(tǒng)的繼電器控制的工藝站點(diǎn)需要進(jìn)行信息化改造后，以I/O方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.1 改造原則

（1）對(duì)采用傳統(tǒng)的繼電器控制的功能性站房進(jìn)行改造，使其能與新上線(xiàn)的的集控系統(tǒng)（PLC/MOX）相對(duì)應(yīng)，酌情設(shè)置HMI人機(jī)操作站。

（2）對(duì)能源介質(zhì)生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)站房?jī)x表設(shè)備仍采用傳統(tǒng)的二次儀表的，對(duì)現(xiàn)有的儀表屏（臺(tái)）進(jìn)行清理，將儀表信號(hào)引進(jìn)PLC/MOX系統(tǒng)。

（3）對(duì)已有PLC的站房，能采用通訊方式的就采用通訊方式上傳，不能采用通訊方式的就將信號(hào)以I/O方式1分2進(jìn)新增到RTU系統(tǒng)中，同時(shí)采集該區(qū)域的計(jì)量信號(hào)。

（4）對(duì)于各工藝高配，有綜保系統(tǒng)的采用通訊方式實(shí)現(xiàn)三遙，常規(guī)監(jiān)控保護(hù)方式的，則進(jìn)行高配二遙/三遙改造。

3.2 通訊方式接入EMS系統(tǒng)

對(duì)部分已是PLC系統(tǒng)的能源工藝子站采用通訊方式將數(shù)據(jù)上傳至 EMS系統(tǒng)中，采用以太網(wǎng)通訊方式上傳 EMS所需信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)就近接入EMS系統(tǒng)的L1工業(yè)環(huán)網(wǎng)中，同時(shí)以加裝通訊模塊的方式將現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)與EMS系統(tǒng)的L1網(wǎng)絡(luò)相互隔離，從而確?，F(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)和EMS系統(tǒng)的相互安全、穩(wěn)定。這類(lèi)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示：

圖4 以通訊接口方式接入EMS系統(tǒng)接口圖

3.3 以I/O方式接入EMS系統(tǒng)

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)為常規(guī)繼電器控制方式的能源子站，新上一套MOX控制系統(tǒng)或PLC系統(tǒng)及其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，拆除原系統(tǒng)的儀表柜，將信號(hào)接到新增MOX控制系統(tǒng)或PLC系統(tǒng)中，監(jiān)控采集能源子站內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)信息和能源數(shù)據(jù)，通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)將數(shù)據(jù)上傳至EMS的I/O服務(wù)器，最終實(shí)現(xiàn)工藝監(jiān)視、運(yùn)行參數(shù)采集功能。這類(lèi)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示：

圖5 以I/O方式接入EMS系統(tǒng)接口圖示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某鋼鐵企業(yè)EMS建設(shè)為例，通過(guò)對(duì)能源計(jì)量系統(tǒng)的改造、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的改造以及接口的設(shè)計(jì)，將各能源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化，便于自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用、存儲(chǔ)，并使老舊的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表等能夠接入自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，為EMS系統(tǒng)的建設(shè)提供了了基礎(chǔ)。

[1]張德欽.大型鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2013，40(3)：390-393.

[2]馮為民，叢力群.冶金企業(yè)能源管理系統(tǒng)[J].控制工程，2005，12(6)：597-600.

[3]呂相國(guó).淺談鋼鐵企業(yè)能源計(jì)量管理系統(tǒng)的構(gòu)建[J].科技風(fēng)，2010，(24)：115.

[4]蔣育翔，黃全福，洪小和.大型鋼鐵企業(yè)能源管理分析與研究[J].華東經(jīng)濟(jì)管理，2011，25(1)：104-106.

[5]聶秋平，吳敏，張超，熊永華.鋼鐵企業(yè)能源中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].控制工程，2011，18(3)：424-427.