铝合金熔铸能源监控系统设计开发

梁 涛，郭芳郁，和彦彦，王 睿

（河北工业大学 控制科学与工程学院，天津 300130）

能源是企业正常生产的根本保障，同时也是生产成本的主要构成部分。突出抓好企业中的节能工作对于缓解经济社会发展面临的能源和环境约束具有重要的意义。2013年，国家高技术研究发展计划（863计划）中明确指出，面向冶金、石化等复杂流程行业，开展生产过程设备级、过程级、系统级能效在线监测分析，优化控制技术攻关，为流程工业节能减排提供综合解决方案。

调研发现，目前我国的铝合金熔铸行业仍处于单机自动化使用状态，能源调度采用人工调度的方法，无法评估加工、贮存、供给过程中的隐形能源损失。并且其计量检定手段落后，从而导致了较高的人力成本和过度的能源消耗[1]。因此，将铝合金熔铸企业传统的分散能源生产管理方式改为扁平化的高效管理方式，建设一套先进可靠的能源监控系统，在提高生产效率的同时降低能耗，已然成为当务之急。

本文以天津某铝厂为依托，针对铝合金熔铸生产的各个工序对其生产过程中的能效监测方法进行了研究，设计开发了涵盖熔炼炉燃烧、产热、排放以及主要能源使用等参数在内的具有在线检测、远程监管与细化评估功能的铝合金熔铸能源监控系统。

1 铝合金熔铸工序

铝合金熔铸主要包括熔炼、合金化、精炼、变质、浇铸等工序，如表1所示。其生产流程图如图1所示。

表1 铝合金熔铸主要工序Tab.1 Main processes of aluminum alloy casting

图1 铝合金熔铸生产流程图Fig.1 Production flow chart of aluminum alloy casting

2 系统总体结构设计

铝合金熔铸生产与多数的流程工业不同，其有流程短但工序繁多的特点，因此以工序为划分依据，监测各类能源的使用情况，是整个能源监控系统的关键。从功能上看，能源监测系统应分为采集、数据集中、数据传输、数据存储和数据分析处理等几个方面。

本系统的总体结构如图2所示，主要由3个部分组成，分别是能源信息管理层、能源动力系统集中监控层以及能源动力子系统数据采集层。

图2 系统总体结构图Fig.2 Overall structure of the system

能源动力子系统数据采集层通过温度、压力、流量等传感器，对铝合金熔铸生产过程中的能耗数据进行实时采集。能源动力系统集中监控层则实时接收采集层传来的各种设备状况和能源消耗数据，完成实时数据的汇总、分类、存储，并对生产的整个流程进行图形监控、状态监控以及视频监控。能源信息管理层则以关系数据库中的数据为依据，客观的对能源消耗进行评价，并以图表等形式直观地反映给管理人员，方便用户决策管理。

3 系统分层设计

3.1 能源动力子系统数据采集层

铝合金熔铸生产过程中对能源监控的重点在于对天然气、电、水、油的监控，由于与这些能源相关的产生与转换设备都自带控制系统，因此，需要将其集成到系统并以获取能源信息为主。以下主要介绍天然气监控子系统和变配电子系统。

天然气监控子系统不仅需要采集和监控系统状态，还需要具备控制功能，因此采用PLC为核心[2]。其中，流量计、压力变送器、阀门等智能传感器和执行器通过Profibus-DP现场总线与PLC相连，S7-300 PLC则通过工业以太网交换机接入能源动力监控与信息管理系统的光纤环网，实现了对天然气管道流量、压力等工艺参数以及阀门等设备状态的实时信息采集与处理，系统结构如图3所示。

图3 天然气监控子系统结构图Fig.3 Structure diagram of natural gas monitoring subsystem

变配电子系统主要针对工厂中变压器、高/低配电设备进行保护监控，并对各用电回路进行监测，实现变配电系统的保护、遥控、遥调和监控功能。其系统配置主要包括：本地操作站、网络通信设备、微机保护装置、智能监测仪表等类型设备。

该系统以IDM系列智能监测仪表作为底层保护设备，通过CSU通信管理机连接各种智能装置和仪表，经过工业以太网交换机连接能源动力监控与信息管理系统骨干网，其结构图如图4所示。

图4 变配电监控子系统结构图Fig.4 Structure diagram of power transformation and distribution monitoring subsystem

3.2 能源动力子系统集中监控层

铝合金熔铸生产过程中产生大量的数据，除了包括各个工序中的实时数据外，还包括与生产相关的炉次、人员等关系型数据，对数据库的实时性和关系性均有较高的要求。因此，能源动力系统集中监控层以WINCC作为过程数据的实时数据库，以时间顺序在线存储每个工艺节点的实时能耗数据，同时通过ODBC将数据存储到Oracle关系数据库，为能源信息管理层提供数据基础，数据存储框架如图5所示。

图5 数据存储框架Fig.5 Framework of data storage

集中监控层对铝合金熔铸生产的过程监控如图6所示，界面中空气管道、烟气管道、天然气管道上均配有调节阀和压力、温度监控装置，实时的显示铝合金熔铸过程中各类能源的使用情况。

图6 实时监控界面Fig.6 Interface of real-time monitoring

3.3 能源信息管理层

能源信息管理层以能耗“可视化”、能效“可衡量”以及能源“可管理”为设计原则，以Oracle关系数据库为支撑，将集中监控层采集存储的数据作进一步的分析处理，共分为用户管理、工序管理、能耗统计分析、能源成本分析、电能统计分析等模块，如图7所示。

图7 能源信息管理层模块图Fig.7 Module diagram of energy information management

其中，能耗统计分析模块采用多工序分解的方法，对天然气、电能、水这3种主要能源的实时计量数据按工序生成每日或每月的消耗量，并统计生成条形图和饼状图，如图8所示。

图8 能源成本分析Fig.8 Energy cost analysis

电能统计分析模块的作用是对电能源进行电压合格率、功率因数、电费的统计分析，并通过对电能消耗量的分析生成电能消耗示意图。其中，根据考核单位、电能耗设备所关联的测量表显示的电压值U和额定能耗设备电压值U0，分析不同时期的电压波动情况，U满足∣U-U0∣≫0.07U0，则为合格电压，反之则为不合格电压。功率因数的变化情况则根据下式获得：

式中：Q1为有功电能值；Q2为无功电能值。

4 结语

铝合金熔铸生产过程中伴随着大量的能源损失，导致资源利用率水平低，在很大程度上限制了行业的发展，也加剧了环境污染。本文研发设计的铝合金熔铸能源监控系统，可以使操作管理人员实时监控铝合金熔铸生产过程中能源的使用情况，还可以通过对能源的分析评价，提高设备的运行效率。为铝合金熔铸现代化的发展提供了很好的参考价值。

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