水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)研究與應用

安科瑞 徐玉麗

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

0項目概況

山東某水泥廠建有2 條日產5000 噸熟料生產線和一座年產100 萬噸水泥粉磨站。為發(fā)展循環(huán)經濟，該廠為2 條熟料線分別配套建設了6MW、9MW 純低溫余熱發(fā)電站。水泥企業(yè)是典型的高耗能行業(yè)，該廠煤、電、水費用合計占總生產成本的70%以上。因此，建立有效的能源綜合管理系統(tǒng)、節(jié)能降耗是公司健康發(fā)展的迫切要求。安科瑞電氣股份有限公司于2010年4月承接了該項目，整個系統(tǒng)采用Acrel-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對企業(yè)用電量和用水量的在線監(jiān)測和能耗管理。

1 目標任務

監(jiān)視、分析以及控制能源使用，精確記錄水泥熟料生產線各個環(huán)節(jié)和設備的能耗狀況，記錄分析和評價整體能耗費用水平，從而降低每個環(huán)節(jié)和線路能源的整體使用成本，同時將能源數(shù)據(jù)升華為有價值的信息，用于掌握和分析各個部分的能源使用情況。將能源成本分攤到每個車間、班組、設備、生產環(huán)節(jié)或線路，并與績效考核掛鉤。自動生成A、B、C、D 各班能源消耗統(tǒng)計及主要設備停機次數(shù)、運轉時間，并對用能情況通過曲線、棒圖等形式表示出來，便于通過能源數(shù)據(jù)的收集和設備狀態(tài)的分析，進一步發(fā)現(xiàn)能源使用漏點和節(jié)能空間比較大的環(huán)節(jié)，評估各項節(jié)能措施和設備的實際效果。

2 總體設計

能源管理系統(tǒng)借助現(xiàn)代化網絡技術和計算機技術實時監(jiān)視各種運行能源參數(shù)，不斷地傳送至系統(tǒng)服務器中，使運行管理人員可以通過監(jiān)控中心全面了解系統(tǒng)的運行工況，簡便地實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)分析。通過該系統(tǒng)，能夠精確記錄各個車間和主要設備的能耗狀況，記錄分析和評價整體能源費用水平和能耗費用的分解，發(fā)現(xiàn)能耗的過度消耗點，實時監(jiān)測能耗信息，調動生產者的積極性，幫助提高節(jié)能減排的效率。

2.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)控設備（主要包括各種智能儀表）、通訊設備（工業(yè)計算機數(shù)據(jù)環(huán)網）、能源管理系統(tǒng)軟件3 部分組成。一次傳感儀表主要采用施耐德公司產品，數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理服務器、網絡服務器、網絡通信設施、主機及終端顯示屏等全部采用國內先進產品。

2.2 系統(tǒng)結構

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集全部來自于現(xiàn)場智能儀表，與工業(yè)控制網絡完全隔離，確保了工業(yè)控制網安全可靠穩(wěn)定運行。系統(tǒng)與地面管理數(shù)據(jù)網絡互聯(lián)，實現(xiàn)了WEB 信息傳輸與發(fā)布。系統(tǒng)基于TCP/IP 架構，具備與其他子系統(tǒng)互聯(lián)互通接口。系統(tǒng)內部能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)采用分層分布式結構，方便用戶的管理和維護工作。系統(tǒng)采用專用的能源監(jiān)控和管理軟件。

2.3 系統(tǒng)原理

通過該系統(tǒng)實時獲取能源消耗監(jiān)控點能耗數(shù)據(jù)，對能源供應、分配和消耗進行監(jiān)測，實時掌握能源消耗狀況，了解能耗結構，計算和分析各種設備能耗標準，監(jiān)控各個運營環(huán)節(jié)的能耗異常情況，評估各項節(jié)能設備和措施的相關影響，并通過WEB 把各種能耗日報報表、各種能耗數(shù)據(jù)曲線等發(fā)布給相關管理和運營人員，分享能源信息化帶來的成果，完成對企業(yè)能源系統(tǒng)的監(jiān)控及電力負荷耗能狀態(tài)的監(jiān)測和管理。為節(jié)能工程提供數(shù)據(jù)支撐。

2.4 系統(tǒng)功能

1）實時監(jiān)測能源數(shù)據(jù)。準確的能耗數(shù)據(jù)是節(jié)能工作的基礎。能源管理系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要，對水泥熟料生產各工藝，包括石灰石破碎、原料粉磨、煤粉制備、熟料燒成、余熱發(fā)電等能耗信息進行實時監(jiān)控。所監(jiān)控的數(shù)據(jù)包括電能數(shù)據(jù)、蒸汽數(shù)據(jù)、煤耗數(shù)據(jù)、壓縮空氣數(shù)據(jù)、用水流量及原料消耗量等。

2）形成重要能耗報表。定期提供單位熟料電耗、煤耗、水耗、氣耗等綜合能耗信息，并對各生產工藝環(huán)節(jié)進行單耗、總耗統(tǒng)計；報表分為日報、月報、季報、年報等幾種，分析電、煤、水、壓縮空氣、蒸汽消耗情況，以及主機設備運行時間、停機次數(shù)等信息。系統(tǒng)還可以分析對比不同時期，同類、不同類設備之間的耗能狀況，為發(fā)現(xiàn)節(jié)能漏點，提供數(shù)據(jù)參考。

3）分析能耗負荷特性。以圖表、棒圖、曲線等方式，進行一系列負荷對比分析，包括單位能耗對比，重要負荷對比，一、二線同類負荷用能對比等；系統(tǒng)將分析結果長期存貯在數(shù)據(jù)庫中，同時考慮能源消耗、生產計劃、產出多方面信息，總結經驗，使設備以經濟合理的方式運行，實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

4）細化成本管理。科學準確的界定和分析各部門、班組用能成本，可實現(xiàn)對各車間及熟料線A、B、C、D“四班三運行”模式下各班能源消耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并能做到班、日分析，使能耗分析更加準確、及時、細化，提升了對能耗成本的控制能力。

通過對比各部門和班組能耗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)不良的操作習慣，形成科學的管理和考核辦法。

5）預警并診斷能耗異常情況。對不符合工藝操作流程的用能設備、各測量點能源消耗的異常情況進行自動診斷和報警提示。對超出功率范圍的能耗設備進行報警、對重要設備運行匹配狀況提出診斷信息。中央控制室管理人員可根據(jù)系統(tǒng)提示，及時作出科學處理，有效防止跑冒滴漏現(xiàn)象，為生產線安全穩(wěn)定運行提供可靠保障。

2.5 軟件特點

上位機軟件為Acrel-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)組態(tài)軟件，該軟件是對現(xiàn)場能耗數(shù)據(jù)進行采集與監(jiān)測的專用軟件，最大的特點是能以靈活多樣的“組態(tài)形式”而不是編程方式來進行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法，只要將其預設置的各種軟件模塊進行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實現(xiàn)和完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測功能。Acrel-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)具有友好的人機交互界面，可實時和定時采集現(xiàn)場設備各參量及開關量狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)中心存儲。系統(tǒng)還提供了實時曲線和歷史趨勢曲線分析，符合用戶設計需要的報表、事件記錄和故障報警等功能。整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)所有回路能耗的采集和統(tǒng)計，實現(xiàn)了遠程自動抄表、能耗監(jiān)測功能。

1）運行狀態(tài)監(jiān)測：通訊異常報警提示。

2）用戶管理：不同用戶權限具備不同操作功能，各級權限的口令修改操作功能，具有權限防誤功能。

3）能耗報表、棒圖：實現(xiàn)了所有能耗報表的按時間查詢，分為日、月、年報表等，任意分類、分項實時能耗棒圖顯示。

4）打印及導出：所有報表及界面可打印，或以EXCEL、WORD 格式進行導出。

3 網絡實現(xiàn)方案

系統(tǒng)監(jiān)控中心設在中央控制室，作為能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和管理中心，承擔整個能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計、分析功能，同時管理整個系統(tǒng)的用戶權限和Web 發(fā)布功能。整個系統(tǒng)采用光纖、以太網總線、RS485 等傳輸介質，組建獨立的、專用的通訊網絡。主干線采用工業(yè)級光纖環(huán)型以太網絡，環(huán)型主干網共設立11 個網絡節(jié)點，包括監(jiān)控中心、總降壓站、余熱電廠電氣室、一線窯頭電氣室、一線原料粉磨電氣室、一線原料處理電氣室、二線窯頭電氣室、二線原料粉磨電氣室、二線原料處理電氣室、石灰石破碎電氣室、煤粉制備電氣室，其它電氣室、工作間等，信號采用光纖、RS485 或信號電纜就近連接到

這10 個節(jié)點之一，實現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸。

能源管理系統(tǒng)采用分層分布式網絡結構（圖1），系統(tǒng)自下而上分3 層：現(xiàn)場監(jiān)測層、通訊層和系統(tǒng)管理層。

圖1 某水泥廠能源管理系統(tǒng)網絡結構

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測層

現(xiàn)場監(jiān)測層是指直接采集現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)并具備上傳功能的現(xiàn)場監(jiān)測設備，包括流量計、電力參數(shù)測量儀、壓力傳感器、電子秤以及可編程控制器PLC 等。這些監(jiān)控設備完成信號采集、處理，并轉換為通訊信號，接入到網絡通訊層。東華水泥公司能源管理系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測層將監(jiān)測8 個子系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)：電能子系統(tǒng)、用水子系統(tǒng)、供煤子系統(tǒng)、柴油子系統(tǒng)、壓縮空氣子系統(tǒng)、蒸汽子系統(tǒng)、原料子系統(tǒng)、煙氣子系統(tǒng)。

3.2 網絡通訊層

網絡通訊層是指完成能源管理系統(tǒng)通訊所涉及的底層通訊鏈路（如RS485）、通訊轉換設備（以太網關）以及頂層通訊鏈路（如光纖以太網、TCP/IP 網絡）等的總稱。這一部分是連接現(xiàn)場監(jiān)測層和系統(tǒng)管理層的紐帶環(huán)節(jié)。本項目現(xiàn)場通信網絡采用RS485 總線方式，支持Modbus 通訊規(guī)約。通過以太網關轉換為以太網絡。以太網關擴展的RS485 的串行接口，支持Modbus 現(xiàn)場總線協(xié)議，每個 RS-422/485 通道最多能連接32 個智能設備。通過以太網關把低速串行信號轉換為高速以太網，將現(xiàn)場層的電力數(shù)據(jù)轉送入局域網內，方便上位系統(tǒng)的管理。工業(yè)級光交換機將以太網的電信號轉換成光信號，多個以太網交換機組成光纖環(huán)網。依靠光纖網絡良好的抗干擾性和傳輸性能可以更好適應惡劣的電氣環(huán)境和遠程的數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控中心與各站點（光纖通訊節(jié)點）之間采用全雙工交換式光纖環(huán)網結構。光纖自愈環(huán)技術具有穩(wěn)定性好、可靠性高和自愈能力強的特點。光纖環(huán)網中任何一處的線路故障不會導致通訊故障。

3.3 系統(tǒng)管理層

系統(tǒng)管理層是能源管理系統(tǒng)的最高管理層。系統(tǒng)管理層的全部設備安放在中央控制室內。配置一臺監(jiān)控服務器、一臺操作工作站、一臺WEB 服務器、通訊設備、激光打印機、UPS 等。數(shù)據(jù)服務器采用高性能計算機，能源管理軟件采用專業(yè)的監(jiān)控組態(tài)軟件。該層完成接受現(xiàn)場監(jiān)測層和DCS 系統(tǒng)上傳的實時數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析、轉換、存儲，并以數(shù)字、曲線、報表等形式顯示在屏幕上。能源管理系統(tǒng)須采用分層分布式網絡結構，應具有良好的可靠性與實時性。監(jiān)控軟件應基于Windows 2000/2003/XP 中文操作系統(tǒng)，采用客戶機/服務器模式的分布式網絡結構，標準化、網絡化、功能分布的體系結構；具備軟、硬件的擴充能力；支持系統(tǒng)結構的擴展和功能的升級。同時，該層可以提供標準的網絡接口和通信協(xié)議，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的聯(lián)接；系統(tǒng)管理層通過OPC Server 與其它集成系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。具備與山東淄礦集團內部計算機網絡、信息管理系統(tǒng)（MIS）、生產管理系統(tǒng)（如：DCS）、建筑物集成管理系統(tǒng)（BMS）等系統(tǒng)的聯(lián)網，與其它接口可采用OPC Server/Client 模式。

4　主要監(jiān)控及計量表計

 

 

5　應用效果

Acrel-5000能源管理系統(tǒng)自 2010 年4 月份試運行以來，通過邊完善、邊應用、邊改進，在能耗管理控制方面取得了初步效果。

1）強化了對標管理。大力開展了班與班之間、第一條熟料線與第二條熟料線之間對標活動，且能實現(xiàn)當日對標。通過查找能源使用漏洞，減少重要耗能設備故障，提高了設備運轉率，降低系統(tǒng)停機率，降低了能耗。

2）降低了用電消耗。通過能源系統(tǒng)報警提示，當供電系統(tǒng)總負荷超出申請需量時，系統(tǒng)可自動提示DCS 操作員調整負荷，關停有關設備。當原料磨主電機、煤磨主電機等大型用電設備停機后，系統(tǒng)將會自動提示操作人員，將其關聯(lián)的原料磨風機、煤磨排風機進行及時關停，節(jié)約了電力消耗。試運行期間，先后避免了3 次風機停機不及時現(xiàn)象，降低電力消耗超過5000kWh。2 次調整了設備峰谷平用電不合理情況。

3）加強了用水管理。一旦發(fā)現(xiàn)總管路水流量大于其各支路流量之和，或支管路流量突然增大，超出正常范圍時，系統(tǒng)將自動報警，監(jiān)控人員即可斷定管路有漏水點，組織人員查找處理，堵塞漏洞。試運行期間，避免了2 次漏水事故。通過開展對標活動和加強考核，取得了顯著效果。

參考文獻：

[1]安科瑞電氣股份有限公司系統(tǒng)解決方案.2012.12版.