钢铁企业能源管理系统的设计与实现

刘克勤，王直杰

(东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620)

随着世界范围内工业革命的爆发，各种能源的消耗越来越大。从现今全球范围看来，能源问题已是重中之重，世界都在提倡节能环保。而从耗能方面来看，企业耗能大、浪费多等给社会造成很大负担，同时对企业自身的发展也带来了不利的影响[1]。企业不能仅靠提高设备利用率或降低能耗来节约资源，而应该对这些设备进行监控与管理，将能源的计划和消耗信息进行管理，从而达到节能减排的效果[2]。

能源管理系统(EMS)能够对能耗数据进行分析和整理，对能源用量、能耗成本进行分摊，同时生成各种关键能耗指标并根据系统的分析数据进行需求侧管理，从而发现生产过程中能源的浪费[3]。在企业的能源管理中，中国钢铁企业仍以相对落后的管理方式为主，己经不能够适应当前钢铁生产的大型化、高速化和激烈市场竞争的需要。

1 钢铁企业能源管理系统的需求分析

钢铁企业的EMS可以把分散的能源信息，利用水、蒸汽、风、电、煤、气等各种能源计量设备，实现能源信息的统一汇总，并进行计算和分析，通过数据库读取数据，科学地得出每天、每周、每月、每季、每年各个生产工序的能源消耗情况[4]，从而科学地得出节能操作指导报告，从中挖掘节能潜力，为能源管理提出科学依据[5]。EMS根据分析节能效果的数据，实现主观和客观控制额外节能，最终帮助企业实现能源管理、节能降耗、降低成本、提高生产效益[6]的目的。

2 钢铁企业EMS的架构设计

2.1 总体架构设计

钢铁企业的EMS采用C/S与B/S相结合的系统架构，整个系统框架以及应用均采用C/S模式，其后台数据流采用B/S架构。系统的关键设备包括历史数据库服务器、实时数据库服务器、含Web Service的应用服务器、I/O服务器、环保服务器，各类操作HMI，PLC，网络交换机等，其中，历史数据库服务器、实时数据库服务器和应用服务器全部为冗余配置,为集群系统[7]。EMS的总体架构设计如图1所示。

EMS网络架构按标准的三层结构设置 ,即核心层、汇聚层和接入层，其中核心层为冗余配置,核心层交换机为异地设置。同时，EMS设置现场工业以太环网,用于连接区域前置PLC、环保采集子站等设备。

图1 EMS总体架构设计示意

2.2 硬件架构设计

钢铁企业EMS的设计运用了软件设计中常用的分层设计思想，将EMS划分为3个层次，其硬件架构设计如图2所示，从下至上依次为数据感知层、传输层、应用层。

图2 钢铁企业EMS的硬件架构示意

1) 感知层。感知层主要利用现场各类传感设备，例如液位传感器、智能电表、风口温度传感器、湿度传感器、鼓风压力传感器等，采集EMS所需的各类能源数据。以钢铁生产过程中高炉炼铁供料系统为例，采集的参数包括： 矿石(O)库存量、焦炭(C)库存量、供料开始时间、持续时间、矿批料长、焦批料长、供料速度等。

2) 传输层。钢铁企业EMS的传输层设计是根据生产管理、生产过程和管理系统的功能需求，传输层使用了串行总线技术以及工业以太网技术架构建设。目前，钢铁企业生产管理中比较常用的工业串行总线技术是采用RS-485电气标准和Modbus通信协议，其最突出的特点就是实施起来比较简单实用，并且目前大多数重工业企业的现场传感器都支持RS-485与Modbus协议[8]。

3) 应用层。应用层提供了钢铁企业生产过程中能源消耗数据的采集、能源消耗数据的多维分析、汇总报表、生产优化、生产配料管理与系统后台管理等多项功能。通过能源数据采集汇总，可以帮助企业生产管理者全面了解钢铁企业各计量点能源的使用情况，并帮助企业管理实现钢铁生产过程能源优化调度，从而配置最佳的入料参数使系统取得更好的管理和节能效果，有利于实现钢铁生产过程的管控一体化[9]。

2.3 软件架构设计

钢铁企业的EMS的软件架构如图3所示，主要分为5个部分： 数据采集、数据仓库、数据中间件、功能应用和数据展示。

图3 钢铁企业EMS的软件架构示意

1) 数据采集。系统的数据采集主要通过两种方式： 仪表计量，通过智能电力仪表、智能水表、燃气表等末端采集装置采集各种能耗数据；人工录入，通过手动录入的方式获取设备信息、产量等数据。

2) 数据仓库。系统建立对应不同视角的数据模型，并生成相应的数据仓库，供EMS进行数据分析及评估。

3) 数据中间件。提供数据抽取及校验、数据报表定时生成、数据权限分配管理、系统配置、计量仪表等各种基础服务。

4) 功能应用。主要给用户提供不同的业务功能模块，呈现钢铁厂的能耗情况，并对能耗数据进行统计、分析处理，帮助企业管理者寻找能耗漏洞，制订生产计划和节能方案。

5) 数据展示。系统提供多种灵活的数据呈现方式，支持包括工作站电脑、手机、平板等访问方式，并针对操作人员、管理人员、领导等不同类型用户的需求及权限显示相应功能界面，便于用户随时随地地了解相关能耗信息。

3 钢铁企业EMS的主要功能

钢铁企业的EMS功能从总体上分为两大部分： 监视与远程控制功能；能源管理功能。监视与远程控制功能主要包括： 能源介质过程数据监视、能源设备及主要工序运转状态监视、能源设备远程控制、大屏幕显示。能源管理功能主要包括： 能源计划编制、能源实绩管理及质量管理、能源运行支持与调度、能源设备管理等。能源信息处理、能源故障处理是辅助功能[9]。系统功能架构如图4所示。

图4 钢铁企业EMS功能架构示意

4 应用效果

钢铁企业EMS投入实际运行后带来诸多益处，主要有以下几点：

1) 提高劳动生产率。由于部分车间实现无人值守并成立集中调度中心，这样减少了动力系统定员。

2) 节能效益。利用水、蒸汽、风、电、煤、气等各种能源计量设备，实现能源信息的统一汇总、计算、分析，提高能源介质的利用效率，使用该系统综合节能可达20%左右。

3) 环保效益。能源消耗量减少，工业生产废气排放量降低，为节能减排、创建绿色工厂做出贡献。

4) 提高了能源管理水平。公司及各生产厂领导能根据网上的实时数据进行生产决策，为领导决策提供了实时性和科学性参考。能源管理中心的建立使各生产厂能及时向公司汇报实时情况，避免了错报、漏报、瞒报等情况的发生。

5) 为建立绩效考核方案提供参考。工业生产型企业进行生产排班，灵活设置每个班组的生产时间段，自动导入或手工输入班组产量，能耗系统统计每个班组的总能耗和单耗，横向比较班组用能情况，有利于建立绩效考核方案。

5 结束语

钢铁企业EMS用 Web Service 技术实现多系统集成，通过C/S与B/S相结合的架构实现了部署与访问的灵活性[10]。该系统很好地实现了能源数据的分布式和共享性，能源数据的智能化和集成化，能源接入的自由化和标准化，能源消费的互动式和个性化，可以营造安全、舒适、节能的办公环境。建设企业级的EMS,是现代大中型钢铁企业实施信息化工程的需要[9]。它可以改进能源系统的运行管理和安全管理水平,完善能源生产和使用的评价体制，提高了劳动生产率,减少了能源消耗,增加了能源回收,改善了环境质量,对提高企业的市场竞争力具有重要意义。

参考文献：

[1] 王鼎,方喆.能源中心在宝钢能源生产中的作用和发展趋势[J].中国冶金,2005(01)： 21-23.

[2] 李斌,郭炳庆.大数据时代的企业能源管理[M].北京： 化工工业出版社,2014： 81-117.

[3] 聂秋平,吴敏,张超,等.钢铁企业能源中心系统设计[J].控制工程,2011,18(03)： 424-428.

[4] 冯为民.冶金企业能源管理系统[J].控制工程,2005，12(06)： 597-600.

[5] 邵帅,王俊,吴望安.施耐德电气短期能源预测在冶金企业能源管理系统中的应用[J].工业技术创新,2014(03)： 320-324.

[6] 张战波.钢铁企业能源规划与节能技术[M].北京： 冶金工业出版社,2014.

[7] 沈冰,冯为民,吴毅平,等.企业能源管理系统及标准化[J].信息技术与标准化,2013(12)： 71-74.

[8] 罗先喜,苑明哲.面向钢铁企业的先进能源管理系统研究新进展[J].信息与控制,2011,40(06)： 819-828.

[9] 蔡九菊.钢铁企业能耗分析与未来节能对策研究[J].鞍钢技术,2009(02)： 1-6.

[10] 蔡九菊.钢铁企业物质流与能量流及相互关系[J].东北大学学报,2006，27(09)： 979-982.

[11] 刘微.计量信息管理平台的应用[J].化工自动化及代表，2017,44(01)： 85-89.