水泥回转窑综合能耗智能监控系统的设计与实现

万春红 束洪春 李 宏 赵 煜 梁 寅 刘海田

(1.昆明理工大学机电工程学院，昆明 650500；2.昆明电器科学研究所，昆明 650221；3.昆明理工大学研究生院，昆明 650093)

水泥回转窑综合能耗智能监控系统的设计与实现

万春红1，2束洪春3李 宏2赵 煜2梁 寅2刘海田2

(1.昆明理工大学机电工程学院，昆明 650500；2.昆明电器科学研究所，昆明 650221；3.昆明理工大学研究生院，昆明 650093)

为实现水泥回转窑熟料综合能耗的计算与报表管理，设计搭建了水泥回转窑综合能耗智能监控系统。该系统利用ZigBee无线网络采集耗电量，基于DCS工业以太网采集头煤量和尾煤量，通过ODBC数据源与SQL Server 2005数据库的连接，将耗电量和耗煤量存入SQL Server 2005数据库。基于Delphi开发综合能耗计算、查询和报表程序，经程序编译Active X控件嵌入到Cimplicity HMI中。该系统已在水泥生产中得到成功运用。

能耗监控 水泥回转窑 Delphi程序开发 SQL Server Active X

悬浮预热分解和回转窑是新型干法水泥煅烧工艺的核心，也是水泥生产过程中产生综合能耗(电耗、煤耗等)的主要环节。按照国家和行业标准规范，应对综合能耗基础数据进行统计、计算，而该项工作量大，人工完成耗时滞后，效率不高，不易管理。为此，笔者设计搭建了水泥回转窑综合能耗智能监控系统(以下简称综合能耗系统)，利用该系统采集基础能耗数据，对综合能耗进行计算和在线监测，实时提供准确可靠的综合能耗信息，为分析并评估水泥产量、质量、能耗、运转率及成本等经济指标，采取节能降耗措施提供决策支持。

基于ZigBee部署无线网络和多功能电度表，采集石灰石破碎、窑尾、窑头及余热发电等工段耗电量，开发协议转换器,将多功能电度表的DL/T645-1997协议转换为Modbus TCP/IP协议，经上位组态软件Cimplicity HMI配置，耗电量无缝接入DCS，完成电耗参数的采集与存储[1]；综合能耗系统通过DCS工业以太网采集现场控制站的头煤量和尾煤量，通过ODBC数据源与SQL Server 2005数据库连接，将耗电量和耗煤量存入SQL Server 2005数据库；基于Delphi开发综合能耗计算、查询和报表程序，经程序编译成Active X控件，嵌入Cimplicity HMI中，实现熟料综合能耗计算与报表管理。

1 系统设计①

不改变原水泥生产过程DCS的系统架构，新增一套综合能耗系统工作站，通过工业以太网交换机接入DCS的系统网络，实现无缝集成。综合能耗系统工作站操作系统为Windows XP SP3，安装Cimplicity 8.0 HMI开发版、SQL Server 2005数据库、Borland Delphi7.0 IDE。

综合能耗系统的软件功能需求为：实现电耗、煤耗数据的采集与存储，计算综合能耗，实现报表查询、综合能耗监控及显示实时能耗趋势等。其中,数据采集、能耗监控及能耗趋势实时显示等功能在Cimplicity HMI开发版上组态实现；数据存储功能在Cimplicity HMI开发版和SQL Server 2005数据库上组态实现[2]；能耗计算、查询和报表功能在Delphi IDE环境下开发，通过编译成OCX控件，由Cimplicity HMI运行时系统调用。综合能耗系统软件架构和数据流如图1所示。

煤耗和电耗分别通过PLC和网关采集，通过Modbus TCP/IP数据链路发送到Cimplicity HMI，实时能耗数据传递到变量管理器中组态好的变量里；变量分组后，在能耗实时趋势组件和能耗监控组件中展示，同步到后台SQL Server 2005中归档；在Delphi IDE环境下，开发并编译控件，通过OLE功能嵌入Cimplicty HMI中形成综合能耗计算、查询与报表组件，当管理人员需要查询统计期内的能耗基础数据、计算统计期内的综合能耗数据或获取能耗评估结果时，进入该组件设定查询条件，激活组件的计算/查询功能，获取查询计算评估结果，此外在组件上进行导出/打印操作，将结果导出到Excel表或打印文档。

图1 综合能耗系统软件架构和数据流

2 系统实现

2.1能耗数据采集与存储功能的实现

2.1.1电耗数据的采集与存储实现

水泥生产过程中，原料的破碎、粉磨、均化、输送、入窑煅烧、冷却、入库工段，燃料的预均化、粉磨、输送工段，给水、废气处理工段中的所有动力设备、仪表、控制装置[3]，都由3个配电室供电，通过高压计量柜中多功能电度表与ZigBee无线采集，得到原料、燃料进厂至出厂熟料生产过程的耗电量[4]。Cimplicity HMI运行时系统不支持多功能电度表的原传输协议，因此设置一个协议转换器将电度表的原DL/T645-1997协议报文转换为Cimplicity HMI支持的Modbus TCP/IP协议报文，协议转换器选型为一个多功能嵌入式设备，编入lua脚本程序后即可完成协议转换功能。在Cimplicity HMI开发版中进行端口、设备和变量组态，实现电耗数据的采集与存储，具体步骤如下：

a. 在设备选项卡中新建MBTCP主站端口,进行通信协议组态，并定义Modbus TCP/IP端口名；

b. 资源组态,定义设备名称并将设备绑定至通信端口；

c. IP组态,将设备IP分配给资源；

d. 命名变量,定义资源中的变量；

e. 通用属性组态,对变量的数据类型、精度、取值范围、归档属性、从属资源进行设置。

2.1.2煤耗数据的采集与存储实现

煤耗数据通过窑尾远程控制站从两台转子秤采集到DCS系统，将DCS系统中原工程师站的变量组态拷贝到监控工作站，按与电耗数据采集与存储实现方式相同的步骤在Cimplicity HMI中配置变量。

2.2综合能耗计算、查询与报表功能的实现

在能耗监控工作站中配置ODBC接口，将SQL Server 2005作为后台数据库连接至Cimplicity HMI组态软件。在Delphi开发环境下设计Windows程序，将程序编译成Active X控件在Cimplicity HMI图形组态编辑器中调用，实现系统综合能耗的计算、查询、报表功能。功能组件的开发步骤分为4步。

首先，基于Delphi IDE的综合能耗计算查询和报表功能组件的窗体编辑。在组件面板中调用标准组件中的按钮控件、编辑框控件，ADO组件中的ADOquery控件，数据访问组件中的Tdatasource控件，以及Win32组件中的datetimepicker控件。

其次，编辑“能耗计算按钮”事件驱动程序代码和ADOquery2控件代码。将ADOQuery2控件参数初始化和Datetimepicker控件参数传递功能分别封装到过程f1和f2中。代码如下(代码中*表示属一个类的对象的标识码分别取1,2,3,4整数)：

Procedure f*

{ADOQuery2.Close;

ADOQuery2.SQL.Clear;

ADOQuery2.SQL.Add(′Select * From Table_1 Where timestamp=:D*′);

ADOQuery2.Parameters.ParamByName(′D*′).Value:=DateToStr(DateTimePicker*.Date)+′′+TimeToStr(DateTimePicker*.Time);ADOQuery2.Open;}

定义原煤量、余热电站电量、窑尾进线柜电量、窑头进线柜电量、皮带机电量、堆料机电量等16个参数的变量，通过对ADO对象进行操作将初始和终了的能耗数据传递至变量，其功能代码如下：

f1；参数*起始量:=ADOQuery2.FieldByName(′组态变量参数名′).AsFloat；

f2；参数*截止量:=ADOQuery2.FieldByName(′组态变量参数名′).AsFloat；

综合能耗计算。能耗计算的实现方法是利用16个变量构造表达式,将文献[4]给出的能耗计算公式编写成如下代码段：

ecl:=(b-a)*StrToFloat(Edit1.Text)/29306* StrToFloat(Edit2.Text);//熟料综合煤耗

ehe:=0.1229*(Qhe-Q0)/Pcl;//统计期内余热发电折算的单位熟料标准煤量

AB:=StrToFloat(Edit9.Text);AC:=52.5/AB;AD:=Sqrt(AC);AE:=Sqrt(AD);//强度等级修正系数

ekcl:=AE*1.1*(ecl-ehe);//可比熟料综合煤耗

Qc:=(f-e)+(j-i)-(l-k)-(n-m)-(p-o);//统计期内耗电量

Qcl:=Qc/Pcl;//熟料综合电耗

Qkcl:=AE*1.1*Qcl;//可比熟料综合电耗

Ecl1:=ekcl+0.1229*Qkcl;//可比熟料综合能耗(kgce/t)

计算结果导出代码如下：

Edit3.Text:=FloatToStr(round(ekcl*100)/100);

Edit4.Text:=FloatToStr(round(Qkcl*100)/100);

Edit5.Text:=FloatToStr(round(Ecl1*100)/100);

综合能耗评估。按文献[4]分别对煤耗、电耗、综合能耗计算值和标杆值进行对比并给出评价，代码为(代码中*表示属一个类的对象的标识码分别取1,2,3,4,5,6整数)：

if (能耗计算结果>标杆值) then Edit*.Text:=′大于′;

if (能耗计算结果<标杆值) then Edit*.Text:=′小于′;

再次，编辑ADOquery1控件代码和报表的代码(代码中*表示列参数标识码分别取1,2,3,4,5,6,7,8整数)如下：

ADOQuery1.edit;

ADOQuery1.SQL.Clear;

ADOQuery1.SQL.Add(′Select * From Table_1′);

ADOQuery1.SQL.Add(′Where datepart([minute],timestamp)=0 AND timestamp>=:D1 AND timestamp

<=:D2′);

ADOQuery1.Parameters.ParamByName(′D1′).Value:=DateToStr(DateTimePicker1.Date)+′′+TimeToStr(DateTimePicker2.Time);

ADOQuery1.Parameters.ParamByName(′D2′).Value:=DateToStr(DateTimePicker3.Date)+′′+TimeToStr(DateTimePicker4.Time);

DBGRideh1.UseMultiTitle:=true;

DBGRideh1.TitleLines:=2;

Self.DBGrideh1.Columns[0].Title.Caption:= ′报表|记录时间′;

Self.DBGrideh1.Columns[*].Title.Caption:= ′报表|参数*′;

Self.DBGrideh1.Columns[0].DisplayFormat:=′yy-mm-dd hh:mm′;

Button3.Enabled:=True;

最后，将程序编译、链接，生成Active X控件。

3 运行效果

系统运行后的结果如图2所示。可以看出，笔者所设计的综合能耗系统可以直观、准确地实现能耗计算、查询及报表生产等功能。

图2 系统运行结果

4 结束语

水泥回转窑综合能耗智能监控系统无缝接入DCS系统，基于Cimplicity HMI的图形、变量、通信端口组态和OLE嵌入功能，在Delphi IDE环境中开发Active X控件，实现SQL Server数据库查询、报表与综合能耗计算，并嵌入Cimplicity HMI。系统在水泥厂成功投运，满足企业能源管理对熟料综合能耗的管理需求，提升了水泥生产熟料综合能耗的管理水平，为节能改造和决策评价提供信息平台，对类似应用具有一定的参考借鉴价值。

[1] 刘清茂,万春红，杨彩玲，等．基于ZigBee的水泥生产过程电量无线采集[J].电气技术，2015,(3):85～86,92.

[2] 刘清茂,万春红,杨彩玲，等.基于Cimplicity的水泥生产脱硝数据采集与管理系统[J].化工自动化及仪表,2015,42(5):571～584.

[3] 左明扬.水泥生产工艺技术[M].武汉：武汉理工大学出版社,2013.

[4] GB 16780-2012,水泥单位产品能源消耗限额[S].北京：中国标准出版社，2013.

(Continued from Page 1069)

The MFT (Main Fuel Trip) in FSSS (Furnace Safety Supervision System) was investigated; and basing on IEC61508 Code and functional safety standards concerned, the MFT at the furnace air volume less than 25% was analyzed, including its subsystem’s signal process.Having the data in EXIDA database considered, making use of fault tree analysis(FTA) method to calculate SIL of this safety function was implemented and improvement plan for the SIL decreased by the actuator’s higher failure rate was presented.

FSSS, MFT, FTA modeling, IEC61508 Code, SIL

TH865

B

1000-3932(2016)10-1107-04

2016-08-24(修改稿)

云南省科研院所技术开发研究专项(2012CF002)