淺談鋼鐵冶金企業能源管理系統的設計與應用

摘要：介紹了中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。通過管理和化能源使用，實現了鋼鐵生產過程的管控體化，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；管控體化

引言

       隨著世界范圍內工業革命的爆發，各種能源的消耗越來越大。從現今范圍看來，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并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，中鋼鐵企業仍以相對落后的管理方式為主，己經不能夠適應當鋼鐵生產的大型化、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 ，實現能源信息的統匯總，并進行計算和分析，通過數據庫讀取數據，科學地得出每天、每周、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采用EMS采用C/S與 B/S相結合的系統架構，整個系統框架以及應用均采用 C/S模式，其后臺數據流采用 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余置，為集群系統。

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。其中核心層為冗余配置，核心層交換機為異地設置。同時，EMS設置現場工業以太環網，用于連接區域置PLC、環保采集子站等設備。

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、智能電表、風口溫度傳感器、濕度傳感器、鼓風壓力傳感器等，采集EMS所需的各類能源數據。以鋼鐵生產過程 中高爐煉鐵供料系統為例，采集的參數包括：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，鋼鐵企業生產管理中 比較常用的工業串行總線技術是采用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，并且目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采集、能源消耗數據的分析、匯總報表、生產化、生產配料管理與系統后臺管理等多項功能。通過能源數據采集匯總，可以幫助企業生產管理者了解鋼鐵業各計量點能源的使用情況，并幫助企業管理實現鋼鐵生產過程能源化調度，從而配置的入料參數使系統取得更好的管理和節能效果。有利于實現鋼鐵生產過程的管控體化。

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：數據采集、數據倉庫、數據中間件、功能 應用和數據展示。

1)數據采集。系統的數據采集主要通過兩種方式：儀表計量，通過智能電力儀表、智能水表、燃氣表等未端采集裝置采集各種能耗數據；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，并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。主要給用戶提供不同的業務功能模塊。呈現鋼鐵廠的能耗分析情況，并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，并針對操作人員、管理人員、領導等不同類型用戶的需求及權限顯示相心功能界面，便于用戶隨時隨地地了解相關能耗信息。

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投入實際運行后帶來諸多盜處。主要有以下幾點：

1)提高勞動生產率。由于部分車間實現無人值守并成立集中調度中心，這樣減少了動力系統定員。

2)節能效益。利用水、蒸汽、風、電、煤、氣等各種能源計量設備，實現能源信息的統 匯總、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匯報實時情況，避免了錯報、漏報等情況的發生。

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，有利于建立績效考核方案。

5 安科瑞工業能耗管理平臺介紹

5.1  平臺架構介紹

安科瑞能源管控系統采用分層分布式網絡結構，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（能源監控平臺）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、決策和發布平臺。

圖5 工業能耗管理平臺架構組成

5.2 平臺功能介紹

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、分項能耗占比、區域能源消耗對比,以及當天氣情況、污染情況，并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。以便企業用戶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，采用曲線、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采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并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、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，幫助企業了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采集，監測設備及工藝運行狀態，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統次運行監視?？芍苯訌膭討B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，讓用戶了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，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，方便用戶按能源分類、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工業能耗平臺設備選型

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/S與B/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布式和共享性，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。

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[4] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版

作者簡介：繆建梅，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護器的研發與應用