EMS计量系统改造和接口设计

时彦永，王林

0 引言

能源是人类生存的物质基础。随着人类工业化水平的不断提高，各大企业对能源的需求与消耗也不断增加，能源危机已经成为一个不可忽视与亟待解决的重要问题。能源的有效利用不仅能够降低企业的成本、增加企业的竞争力、减少环境污染、实现可持续发展，还可以有效缓解全球性能源危机的。而企业能源管理系统（EMS系统）正是当今企业普遍采用的一种有效利用能源、降低企业成本的方法。

作为国民经济发展的支柱产业，钢铁产业能源消耗居高不下和对环境的严重破坏等问题一直是长期困扰着钢铁企业及制约经济发展的重大难题之一。作为资源密集型产业，有资料显示，钢铁企业的能源消耗约占全国能源消耗总量的10%，占工业部门能耗量的15%～25%，而钢铁企业的能源消耗占到了钢铁成本的20 % ～40 %[1]。因此采用有效的节能技术，较低企业能源消耗，建立稳定、安全、高效的能源管理系统对钢铁企业的发展和环境的保护有着重大意义。此文将以某钢铁企业能源管理系统的建设过程为例，研究对该企业能源计量系统的改造及接口的设计，以使其适应EMS系统的需求

1 能源管理系统简介

能源管理系统（EMS）是一个集数据采集、过程监控、能源管理、能源调度为一体的公司级管控一体化计算机系统[2]。该系统利用先进的信息化技术对钢铁企业各生产环节中所需的一次能源、二次能源实现了有效的分散控制、集中管理与优化分配，使各能源介质之间良好的相互转换、补充，最终实现整个系统的节能运行。

EMS系统的基本功能主要有以下几个方面：

（1）数据采集

通过对企业的各能源数据采集，可以实现对数据的存储、监视、报警、分析、计算、统计的功能，数据采集是能源管理的基础。

（2）能源设备的监控和管理

能源管理系统通过对企业系统设备的监测和控制、系统故障的报警和分析、关键设备的无人值守管理、突发事故中的能源应急调度等，能够有效确保能源供应的安全，保证企业稳定有序的生产。

（3）基本能源管理

基本能源管理功能是能源管理系统的核心，其主要包括能源数据的分析归纳和整理、能源计划的管理、能源实绩的管理、能源成本和质量的管理、能源的平衡调度以及能源的分析预测等功能。

（4）环境监测

钢铁企业是高能耗企业，高能耗即意味着高污染，废水、废气、废渣的排放严重破坏着生态环境。一个好的能源管理系统应该具备监测污染源、提高能源的再利用率、平衡煤气利用及减少放散，最终实现达标排放和保护环境的功能。

2 EMS计量系统的改造

建设EMS的目的就是为了实现能源计量、设备远程监控、优化能源调度和平衡指挥系统，对能源介质实现在线监视与调控。为此必须完善能源信息的采集、存储、管理和利用，对现场能源设备系统实现分散控制和集中管理，现场计量系统的完善和能源系统的自动化改造是实现EMS功能的基础。

数据的计量作为企业各工序环节核算能源消耗成本的数据依据，必须具有准确性、权威性和实效性，以确保为生产服务、为经营决策服务、为成本管理服务。

该钢铁企业的现场计量装置水平差异很大，有些仪表只能就地显示，不具备远传功能，靠人工进行数据采集和人工进行递送报表，对数据处理与信息发布不及时，不能掌握能源介质的瞬时状态，无曲线分析，无实时能源数据，不利于调度人员做出科学的判断和合理的能源平衡分配。

因此，为了保证计量数据的及时、正确，并随着生产规模扩大、成本核算的要求及现代化化工工业发展的需要，必须将原来的不能满足数据上传功能的计量装置进行改造和完善。通过对计量装置的改造将使计量工作得到加强，数值的基础性和准确性将大大提高，从而可以提高计划值的准确性，加强对生产条件及其发展趋势做出比较正确的预测[3]。

2.1 计量系统改造概述

要对该钢铁企业各主要能源动力计量采集设备进行改造，需要将遍布全厂的动力量的数据利用采集设备获取现场二次仪表数据，再利用EMS工业以太网传送到各个区域动力量数据采集计算机，最后进入EMS系统，其结构运行如图1所示：

图1 计量系统结构图

该企业所有计量数据采集分为32个区域进行，约有454台套现场仪表设备。在EMS设置两台计量数据服务器担负数据采集及与能源系统的数据通讯，内装CITECT软件，将分布于全厂的动力量数据送入能源EMS系统，进行统一管理。计量系统结构图如图1所示。计量系统改造主要包括电能量计量和动力计量两部分。

2.2 电计量系统改造

电力计量主要是指能源部所辖的各大变电所（66kV 总降变电所、35KV 开关站、10KV开关站以及能源中心电气室等）的进出线电能计量。电能量计量表需具备数据上传功能，对所有结算用电力计量表选装多功能智能型电表，通讯接口为 RS485，通讯协议为 MODBUS。共有电力量计量点175 台，电计量改造的示意图如图2所示：

图2 电计量系统改造示意图

本方案采用 MOX公司的移动终端 RTU（以下简称MOX RTU）进行数据的采集和上传。

2.3 动力计量系统改造

该企业动力量计量点共 279 套，现场计量仪表的一次信号（4-20mA）先进入二次仪表显示、累计等，二次表集中放置，与 MOXRTU 之间通讯进行数据上传，通讯接口统一为 RS485，通讯协议为 Modbus 协议，在信号集中的地点设置数据采集装置（即MOX RTU）。对于带 RS485接口的超声波水流量计和气体流量计，采用串接方式接入到MOXRTU 中。改造示意图如图3所示：

图3 动力系统改造示意图

3 现场设备的改造和接口设计

该企业能源系统生产的特点是现场分散，现场工艺装备水平差异较大，信息化水平参差不齐。为了节约人力资源成本、提高劳动生产率、满足EMS系统对能源数据和实时信息的需要，必须实现能源介质的采集与能源设备的远程监控[4]。

为实现能源数据采集和集中管理，必须采集所有现场能源生产工艺子站的设备状态信息和数据，包括工艺高配站、水处理子站和动力子站等[5]。现场设备和各能源子站与能源管理系统的连接方式主要有两种——通讯方式和I/O方式。对目前已有PLC系统的能源子站，采用通讯方式进行数据采集，对采用传统的继电器控制的工艺站点需要进行信息化改造后，以I/O方式进行数据采集。

3.1 改造原则

（1）对采用传统的继电器控制的功能性站房进行改造，使其能与新上线的的集控系统（PLC/MOX）相对应，酌情设置HMI人机操作站。

（2）对能源介质生产区域内站房仪表设备仍采用传统的二次仪表的，对现有的仪表屏（台）进行清理，将仪表信号引进PLC/MOX系统。

（3）对已有PLC的站房，能采用通讯方式的就采用通讯方式上传，不能采用通讯方式的就将信号以I/O方式1分2进新增到RTU系统中，同时采集该区域的计量信号。

（4）对于各工艺高配，有综保系统的采用通讯方式实现三遥，常规监控保护方式的，则进行高配二遥/三遥改造。

3.2 通讯方式接入EMS系统

对部分已是PLC系统的能源工艺子站采用通讯方式将数据上传至 EMS系统中，采用以太网通讯方式上传 EMS所需信号，现场控制系统就近接入EMS系统的L1工业环网中，同时以加装通讯模块的方式将现场控制系统的控制网络与EMS系统的L1网络相互隔离，从而确保现场控制系统和EMS系统的相互安全、稳定。这类系统基本结构示意图如图4所示：

图4 以通讯接口方式接入EMS系统接口图

3.3 以I/O方式接入EMS系统

对于现场为常规继电器控制方式的能源子站，新上一套MOX控制系统或PLC系统及其他数据采集系统，拆除原系统的仪表柜，将信号接到新增MOX控制系统或PLC系统中，监控采集能源子站内的设备状态信息和能源数据，通过以太网交换机将数据上传至EMS的I/O服务器，最终实现工艺监视、运行参数采集功能。这类系统基本结构示意图如图5所示：

图5 以I/O方式接入EMS系统接口图示意图

4 结束语

本文以某钢铁企业EMS建设为例，通过对能源计量系统的改造、现场设备的改造以及接口的设计，将各能源数据标准化、数字化，便于自动化网络系统的使用、存储，并使老旧的现场设备、仪表等能够接入自动化网络，为EMS系统的建设提供了了基础。

[1]张德钦.大型钢铁企业能源管理系统的设计与实现[J].化工自动化及仪表，2013，40(3)：390-393.

[2]冯为民，丛力群.冶金企业能源管理系统[J].控制工程，2005，12(6)：597-600.

[3]吕相国.浅谈钢铁企业能源计量管理系统的构建[J].科技风，2010，(24)：115.

[4]蒋育翔，黄全福，洪小和.大型钢铁企业能源管理分析与研究[J].华东经济管理，2011，25(1)：104-106.

[5]聂秋平，吴敏，张超，熊永华.钢铁企业能源中心系统设计[J].控制工程，2011，18(3)：424-427.