能源管理系統(tǒng)在化工企業(yè)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

安科瑞 鮑靜君

　　摘要：認(rèn)為能源管理網(wǎng)絡(luò)能提高能源利用效率，是化工企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的保障。介紹了能源管理網(wǎng)絡(luò)控制站的軟件、硬件配置及組態(tài)方案。

　　關(guān)鍵詞：化工；能源管理；節(jié)能降耗；應(yīng)用

　　0 引言

　　隨著化工企業(yè)的發(fā)展，能源精細(xì)化科學(xué)管理工作的重要性日益凸顯。化工企業(yè)能源管理 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)能源(如天然氣、水、電、蒸汽、原料固體等)過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集記錄、報(bào)警 分析、監(jiān)控調(diào)配等功能，為降低能耗提供技術(shù)支持，減少能源浪費(fèi)，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　1 現(xiàn)有能源管理概述

　　節(jié)能降耗工作主要從管理、工藝、設(shè)備、節(jié)能幾方面考慮，而管理節(jié)能要從自動(dòng)化控制軟件人手，多角度采集與分析用能工序能耗情況，優(yōu)化能源使用結(jié)構(gòu)及方式，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)能耗的精細(xì)化管理。

　　常見(jiàn)的能源管理工作，目前仍然處于*手動(dòng)的基礎(chǔ)層面，需要操作人員現(xiàn)場(chǎng)抄表、記 錄，輸入并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，人工錄人、分析等，此方法技術(shù)陳舊，不能實(shí)時(shí)對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控與分析，并且數(shù)據(jù)上報(bào)滯后、生產(chǎn)調(diào)配滯后，從而導(dǎo)致后續(xù)一系列節(jié)能降耗工作的滯后。對(duì) 于對(duì)精細(xì)化管理要求較高的企業(yè)來(lái)說(shuō)，抄錄的過(guò)程數(shù)據(jù)并不能如實(shí)地統(tǒng)計(jì)出能源實(shí)際使用 的實(shí)時(shí)情況，這無(wú)疑是制約企業(yè)生產(chǎn)管理的瓶頸。

　　在化工企業(yè)生產(chǎn)中，各車間、各工序所處位置較為分散，各能源現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)較為偏遠(yuǎn)，需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集及傳輸更是難上加難。基于此現(xiàn)狀，技術(shù)人員建立了一套能源管理 信息平臺(tái)，可達(dá)到對(duì)各項(xiàng)能源消耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的目的，并增加了部分支持工業(yè)網(wǎng)絡(luò)功能 的測(cè)量?jī)x表，還將以太網(wǎng)接口、互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，設(shè)計(jì)并實(shí)施了局域網(wǎng)組建的能源管理系統(tǒng)，對(duì)能源數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸及監(jiān)控調(diào)配。通過(guò)以上方式可為企業(yè)提供更為直接的可控?cái)?shù)據(jù)，加大能源管理工作的力度。

　　2 能源管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　2.1 能源管理網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

　　化工企業(yè)生產(chǎn)中各分廠、車間、工段數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分散且距離很遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)采集及傳輸較困難。新疆天業(yè)化工有限責(zé)任公司通過(guò)構(gòu)建基礎(chǔ)硬件網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)以類別、地點(diǎn)為單位的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集計(jì)量，其中較為重要的設(shè)施與數(shù)據(jù)采用單點(diǎn)測(cè)量模式。采集與監(jiān)測(cè)控制點(diǎn) 包括：8個(gè)天然氣測(cè)量點(diǎn)、25個(gè)水測(cè)量點(diǎn)、19個(gè)蒸汽測(cè)量點(diǎn)、31個(gè)電耗測(cè)量點(diǎn)和3個(gè)固體原料測(cè)量點(diǎn)。

　　能源管理網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 能源管理網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建示意圖

　　2.2 硬件配置

　　現(xiàn)場(chǎng)硬件配置采用浙大中控技術(shù)股份有限公司SUPCON WebField系列EPA一100控制系 統(tǒng)。這是一種分布式、基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EPA的控制系統(tǒng)，它利用一些既定協(xié)議，將分布在現(xiàn)場(chǎng)的若干個(gè)小系統(tǒng)、控制設(shè)施、監(jiān)視與操作設(shè)備連接起來(lái)，完成生產(chǎn)操作過(guò)程中的測(cè)量和控制，滿足生產(chǎn)與應(yīng)用的需求。此套控制系統(tǒng)充分應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)通信與信號(hào)處理技術(shù)以及可靠的軟件平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，該系統(tǒng) 全數(shù)字化、結(jié)構(gòu)靈活、功能完善、界面開(kāi)放，更能適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用要求 。

　　EPA一100控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(包括控制器、信號(hào)處理系列模塊、各類接口模塊等 )、操作節(jié)點(diǎn)(由工程師站、操作員站、服務(wù)器站、數(shù)據(jù)管理站等構(gòu)成)及通信網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)橋鏈接設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)、過(guò)程信息網(wǎng))等構(gòu)成。

　　能源管理網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建硬件連接示意圖見(jiàn)圖 2。

圖 2 能源管理網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建硬件連接示意圖

　　該系統(tǒng)硬件配置有如下特點(diǎn)。

　　(1) 采用了現(xiàn)場(chǎng) 網(wǎng)絡(luò)通訊控制器與數(shù)據(jù)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)通訊控制器，其中1上行口是標(biāo)準(zhǔn)的 MODBUS TCP/IP協(xié)議，另外具有4個(gè)下行串口RS485通訊協(xié)議MODBUS，每個(gè)通訊口可連接32臺(tái)儀表，在全廠范圍內(nèi)將分散測(cè)量點(diǎn)合理控制在允用范圍

　　(2)在變配電間、設(shè)備控制柜中安裝電量測(cè)量?jī)x表，全部電量測(cè)量?jī)x表均有RS485接口且支持MODBUS—RTU通訊協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備及工藝監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別安裝天然氣、水、電、蒸汽等測(cè)量?jī)x表，以便及時(shí)校準(zhǔn)。

　　(3)所有儀表可 以分別對(duì)流量、溫度、壓力、電量等進(jìn)行測(cè)量，均支持HART通訊協(xié)議，且具有RS485通訊口，可完成流量計(jì)與轉(zhuǎn)換器之間的實(shí)時(shí)通訊。

　　(4)上位機(jī)采用DELL3600工業(yè)控制電腦，與人機(jī)接口匹配。

　　圖3為能源網(wǎng)絡(luò)控制站組態(tài)簡(jiǎn)圖。

圖 3 能源管理網(wǎng)絡(luò)控制站組態(tài)簡(jiǎn)圖

　　2.3 軟件配置

　　在軟件配置方面，采用浙大中控技術(shù)股份有限公司工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件流程圖SCDrawEx，其是AdvanTrol—Pro(V2．65)軟件包中流程圖制作的重要輔助工具。整個(gè)組態(tài)過(guò)程包括流程圖界面組態(tài)、流程圖設(shè)備組態(tài)、流程圖中命令按鈕組態(tài)3個(gè)過(guò)程。該 流程方便快捷，可以在同一界面顯示不同數(shù)據(jù)，是本系統(tǒng)采用的主要監(jiān)控軟件，安裝于上位 機(jī)中，與下位機(jī)匹配設(shè)計(jì)，用于與EPA-1O0下位機(jī)系統(tǒng)和串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通訊，在局域網(wǎng)上作為服務(wù)器的終端機(jī)進(jìn)行安裝。

　　軟件配置方面有如下特點(diǎn)。

　　(1)AdvanTrol—Pro系統(tǒng)是具有基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的綜合應(yīng)用的擴(kuò)展框架，其主要功能有：完成用戶對(duì)位號(hào)的數(shù)據(jù)查詢管理；通過(guò)設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)上的插件，使用戶能夠看到 流程圖、趨勢(shì)分析圖；對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視等；同時(shí)也是一個(gè)可以開(kāi)發(fā)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的綜合應(yīng)用的擴(kuò)展框架。

　　(2)AdvanTrol—Pro系統(tǒng)是基于WindowsXP平臺(tái)上的功能強(qiáng)大的上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控和數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)，主 要功能包括：用流程圖實(shí)現(xiàn)24h在線監(jiān)控展現(xiàn)；用趨勢(shì)圖實(shí)時(shí)展示各位號(hào)、各時(shí)間段趨勢(shì)圖信息；自定義報(bào)表程序可以依據(jù)生產(chǎn)需要制作報(bào)表。

　　(3)AdvanTrol—Pro系統(tǒng)是具有可擴(kuò)展權(quán)限的管理系統(tǒng)，功能強(qiáng)大且實(shí)用。主要用于完 成過(guò)程監(jiān)控、與下位機(jī)控制站通訊、標(biāo)準(zhǔn)接口、編程接口、變量記錄、報(bào)警存檔、報(bào)表設(shè)計(jì) 等，其生動(dòng)形象的動(dòng)態(tài)圖形及操作界面通過(guò)用戶和過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行相互連接并實(shí)時(shí)使用。

　　2.4 能源監(jiān)控和管理

　　在下位機(jī)硬件和上位機(jī)軟件系統(tǒng)平臺(tái)搭建完成后，可以利用工業(yè)組態(tài)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)監(jiān) 測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供能源消耗及使用數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與分析、歷史記錄與趨勢(shì)查詢、各種報(bào)表與統(tǒng)計(jì)等，如系統(tǒng)功能實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與趨勢(shì)，各畫面之間可方便地切換 (如圖4為新疆天業(yè)化工有限責(zé)任公司總畫面監(jiān)控圖)，可根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集 統(tǒng)計(jì)與運(yùn)算處理，并通過(guò)各種形式實(shí)時(shí)顯示。

圖4 總畫面監(jiān)控圖

　　3 安科瑞工業(yè)能耗管理平臺(tái)介紹

　　3.1  平臺(tái)架構(gòu)介紹

　　安科瑞能源管控系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有良好的可靠性與實(shí)時(shí)性，主要由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層（能源計(jì)量終端）、通訊管理層（通訊管理終端）和主站層（能源監(jiān)控平臺(tái)）三個(gè)部分組成。

　　以上三個(gè)部分分別貫穿整個(gè)系統(tǒng)的全部結(jié)構(gòu)。能源管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)按照能源管理的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足以上三部分的同時(shí)，增加了部分分析、監(jiān)控、決策和發(fā)布平臺(tái)。

圖5 工業(yè)能耗管理平臺(tái)架構(gòu)組成

　　3.2 平臺(tái)功能介紹

圖6 工業(yè)能耗管理功能示意圖

　　3.2.1可視化展示

　　展示企業(yè)各類能耗總量、折標(biāo)值、能源成本、能源消耗趨勢(shì)、分項(xiàng)能耗占比、區(qū)域能源消耗對(duì)比,以及當(dāng)前天氣情況、污染情況，并三維展示企業(yè)重要工藝或工段的能源消耗動(dòng)態(tài)。

　　3.2.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

　　對(duì)企業(yè)各點(diǎn)位的能源使用、報(bào)警等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)測(cè)各個(gè)點(diǎn)位的運(yùn)作情況，同時(shí)能更快速的掌握點(diǎn)位的報(bào)警。

　　3.2.3用能統(tǒng)計(jì)

　　從能源使用種類、監(jiān)測(cè)區(qū)域、生產(chǎn)工藝/工段時(shí)間、分項(xiàng)等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對(duì)企業(yè)用能統(tǒng)計(jì)、同比、環(huán)比分析、折標(biāo)對(duì)比，找出能源使用過(guò)程中的漏洞和不合理地方，從而調(diào)整能源分配策略，減少能源使用過(guò)程中的浪費(fèi)。

　　3.2.4單耗統(tǒng)計(jì)

　　與企業(yè)MES系統(tǒng)對(duì)接，通過(guò)產(chǎn)品產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品單耗中生成產(chǎn)品單耗趨勢(shì)圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析。以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來(lái)調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

　　3.2.5績(jī)效分析

　　對(duì)各類能源使用、消耗、轉(zhuǎn)換，按班組、區(qū)域、產(chǎn)線、工段等進(jìn)行日、周、月、年、時(shí)段，結(jié)合能源計(jì)劃或定額制定的績(jī)效指標(biāo)進(jìn)行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內(nèi)部能效水平和節(jié)能潛力。

　　3.2.6能耗預(yù)測(cè)

　　通過(guò)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備等的能耗使用情況進(jìn)行分析，建立能耗計(jì)算模型，根據(jù)人工智能算法對(duì)數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行修正，對(duì)未來(lái)企業(yè)能耗趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為節(jié)能提供決策依據(jù)。

　　3.2.7運(yùn)行監(jiān)測(cè)

　　系統(tǒng)對(duì)區(qū)域、工段、設(shè)備能源消耗進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測(cè)設(shè)備及工藝運(yùn)行狀態(tài)，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統(tǒng)一次運(yùn)行監(jiān)視。可直接從動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數(shù)據(jù)，支持按能源種類、車間、工段、時(shí)間等維度查詢相關(guān)能源用量。

　　3.2.8分析報(bào)告

　　以年、月、日對(duì)企業(yè)的能源利用情況、線路損耗情況、設(shè)備運(yùn)行情況、運(yùn)維情況等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，讓用戶了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并為用戶提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，方便用戶發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，從而找出提高點(diǎn)，以及針對(duì)用能情況挖掘節(jié)能潛力。

　　3.2.9移動(dòng)端支持

　　APP支持Android、IOS操作系統(tǒng)，方便用戶按能源分類、區(qū)域、車間、工序、班組、設(shè)備等不同維度掌握企業(yè)能源消耗、效率分析、同環(huán)比分析、能耗折標(biāo)、用能預(yù)測(cè)、運(yùn)行監(jiān)視、異常報(bào)警等。

　　3.3工業(yè)能耗平臺(tái)設(shè)備選型

表1 工業(yè)能耗管理設(shè)備選型表

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　新疆天業(yè)化工有限責(zé)任公司能源管理系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)采集前端智能電表、水 表等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并上傳至管理平臺(tái)，通過(guò)能源管理系統(tǒng)對(duì)天然氣、電、水、蒸汽等消耗進(jìn)行實(shí) 時(shí)在線監(jiān)測(cè)和管理。該系統(tǒng)可查詢實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析能耗數(shù)據(jù)趨勢(shì)，查詢并分析歷史 能耗數(shù)據(jù)，并能按需生成各類能耗數(shù)據(jù)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)耗能設(shè)備的管理。同時(shí)，系統(tǒng)強(qiáng)大 的存儲(chǔ)記憶功能可以形成歷史數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行分類查詢，還可根據(jù)生產(chǎn)需要打印及生成報(bào)表 并實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。公司管理層、系統(tǒng)管理人員及授權(quán)用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)IP地址登錄，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)，隨時(shí)隨地查詢相關(guān)能源的消耗情況，為節(jié)能降耗工作提供依據(jù)。

　　新疆天業(yè)化工有限責(zé)任公司能源管理裝置配套自動(dòng)化控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，生產(chǎn)工藝更 加合理且安全穩(wěn)定，提高了能源管理裝置的總體性能，不僅可以實(shí)時(shí)了解各部門、各工序的能耗情況，還可根據(jù)歷史能耗數(shù)據(jù)分析，深挖節(jié)能降耗點(diǎn)，為后續(xù)節(jié)能改造工作提供真實(shí)可 靠的數(shù)據(jù)依據(jù)及指導(dǎo)方向，值得在行業(yè)中推廣應(yīng)用。