钢铁企业能源管控系统的建设

刘梦亭 王 涛 孟祥梁

（西王金属科技有限公司）

0 前言

我国是世界钢铁生产第一大国，2019年我国粗钢产量为9.96亿吨，同比增长8.3%。钢铁行业是典型的高物耗和高能耗行业[1]，对于钢铁联合企业来讲，能源成本约占其总成本的30%以上[2]。近年来，随着高炉煤气余热余压利用技术、转炉煤气干法除尘技术、干熄焦技术等单体设备节能技术的大规模应用，大幅度降低了钢铁企业的能源消耗，并减少了对环境的污染。但在实际运行过程中，分散化、单点化节能技术装备并不能完全满足企业能源管理需求，因此，基于系统化、信息化、智能化的能源管控系统已经进入快速增长期，并日趋成熟、完善。

1 能源管控系统基本架构

1.1 能源管控系统介绍

大型钢铁联合企业在生产过程中，能源介质处于一种无库存的动态平衡状态，且多种能源介质在生产使用过程中会相互影响，甚至制约[3]。因此，合理供能、精准管控、平稳供应、动态调整对钢铁企业的生产组织、降本增效具有重要意义，能源管控系统的成功应用为实现能源介质可视化精准调配提供了强有力的技术支持和保障。

能源管控系统是在现代信息技术的支撑下，对冶金企业电力系统、动力系统（燃气、热力、氧氮氩等）、水系统、工艺单元等进行的全过程能源数据采集、共享，通过实施集中扁平化、一体化的动态监控及数字化管理，及时了解和掌握各种能源介质的生产、使用以及关键耗能设备的运行工况，完成能源的调度和优化管理，提高劳动效率[4-5]。

1.2 能源管控系统基本架构

西王特钢能源管控系统由现场控制层、数据采集处理层和应用服务层组成。底层数据和上层指令分别通过上行和下行通信实现信息传递、远程控制。钢铁企业能源管控系统的整体功能架构如图1所示。

（1）现场控制层主要由PLC、RTU、DCS、综合保护、智能仪表等信息采集设备组成。能源数据参数由监控点采集后，经PLC通过网络传入能源管控系统（EMS）或由现场子站采集再通过网络传入EMS。远程终端设备（RTU）将测得的各类状态或信号转换成可发送的数据格式，通过以太网传至能源中心，同时将中央计算机发送来的数据转换成命令，从而实现对设备的远程控制。

图1 钢铁企业能源管控系统整体功能架构

（2）数据采集处理层以实时数据库为核心，利用相关数据库工具完成实时数据的处理和归档。数据采集系统包括数据采集、数据处理、人工录入、数据存储，其中人工录入作为自动采集的补充手段。数据采集处理层是现场控制层和应用服务层的连接桥梁，应用层展示的历史趋势、报警、日报数据等均来源于此服务器。同时，工程师站下达的操作命令也经由数据处理层发送至下位机（RTU、综合保护I/O服务器、PLC、DCS等）。

（3）应用服务层主要包括综合监控系统和基础能源管理系统两大部分。综合监控系统设置有工艺单元、电力需求侧系统、动力系统、水道系统四个模块，对能介管网、配变电、产用能设备、煤气柜、循环水系统等能源单元进行实时监控、平衡调度、报警分析、故障处理。系统通过在线管理和调整，快速响应变化的需求，提高故障监测和分析处理效率。基础能源管理系统涵盖生产管理、计划管理、实绩管理、报表管理、接口管理、设备管理、综合分析、运行支持、成本维护、考核管理、质量管理11个模块，对动力能源生产过程的动态信息和静态信息进行统一管理。依托强大的数据分析能力和规范化管理流程，提供准确有效的分析数据和能源决策支持。系统通过人机界面，将指定的实时数据监测画面和动态曲线以Web或客户端形式实现可视化。

2 能源管控系统主要功能的实现

2.1 数据采集系统的总体设计

通过数据采集所获得的参数信息是综合监控系统和基础能源管理系统重要的数据支撑，是实现能源监视、报警、数据分析、质量管理的基础。数据采集的广度和深度按照满足远程监控的原则进行考虑。数据获取可通过现场仪表、PLC、通信接口或第三方应用获得，具体包括能源系统运行数据、计量数据、动力公辅系统状态和故障信息、与能源调度相关的主体生产单元信息等，以达到能源管控系统的集中监视和管理要求。数据处理应遵循就地处理原则，充分利用PLC等专业设备的数据处理能力，尽量避免利用能源管控系统进行数据处理，以免占用过多数据库资源。

2.2 软硬件设备改造要求

为适应能源管控中心建设要求，需对部分设备、仪表进行升级改造，增加关键监视测量点，新增光纤通讯网络等，以满足监控、通信和控制要求。系统通过以太网接口采集PLC系统数据，通过RS485串口采集计量仪表信号，并通过RTU接入能源管理中心。

在硬件方面，需完成现场原有交换机、需采集仪表、第三方应用等至能源管控系统通讯柜内RTU之间的网络连接工作；在软件方面，需提供现场各站PLC的IP地址、需采集仪表的连接参数、信号表地址，对PLC做适应性配置、程序修改并配合完成现场的调试工作。对第三方上位机系统，需开放通讯接口，配合过程自动化系统采集相关数据信息。典型的数据采集站点和数据交换网络分别如图2、图3所示。西王特钢在能源管控系统建设过程中，新增或改造计量仪表207块，采集数据2万多条，极大的提高了能源仪表配备率和精细化管理水平。

图2 典型的数据采集站点

图3 典型的数据交换网络

2.3 综合监控系统主要功能

依托实时数据建立的能源综合监控系统，覆盖煤气、电力、蒸汽、氧氮氩等能源介质运行潮流图、重点耗能设备运行参数、能源质量监控、关键生产信息等，可实现历史趋势查看、限额报警提示、关键生产节点语音提示等功能。能源管控系统的成功应用解决了数据信息滞后无法在线合理调配能源、调整后反馈缓慢、人工无法实现管网数据实时监测等问题；同时，能源管控系统可实现对外购、外销能源信息的动态监控，对于加强能源贸易计量，防止能源流失及不合理利用具有重要作用。西王特钢高炉煤气潮流如图4所示。

图4 高炉煤气系统潮流

2.4 基础能源管理系统的主要功能

基础能源管理系统主要对各种能源介质的实际发生量、主要用户的使用量、能源质量监测等数据进行采集、抽取和整理，取得能源生产运行的实绩数据，反映各种能源介质生产、分配和使用情况；通过数据接口提取公司信息化系统（MES）的生产实绩、各种燃料、原料消耗等信息，对各个生产单元的能耗情况进行统计、分析及考核指标计算。基础能源管理系统同时具备生成电子值班日志、调度日报、停复役审批、能源计划下达等多种功能。

能源管控系统设计界面友好，可直观展示企业关注的能源指标，如吨钢综合能耗、吨钢综合电耗、工序能耗、铁钢比等，对发挥能源管控系统的计划、管理、调控、考核起到了十分重要的作用，系统展示的吨钢综合电耗如图5所示。

图5 吨钢综合电耗

3 对于能源管控中心建设的思考

（1）能源管控中心的建设是涉及到企业生产模式、管理模式、销售模式的一项综合性工程，必须由企业高层领导全程协调，各方深度参与，不能仅将能源管控中心的建设作为一项技术工程和控制系统，否则管控中心非常容易“水土不服”，较难发挥其应有作用。在前期需求调研时，应形成明确的建设目标和清晰的职能定位，这是保证能源中心建成后能正常运转、发挥效能的关键。

（2）在建设能源管控中心的过程中，应注重技术能力与管理方式的匹配，不能盲目改变操作习惯，随着人员技能、设备状况的提高，应及时改善自动化程度。在首次建设能源管控中心时，水泵房、加压站和变电站一般定位为直接远控，这也是目前自动化水平和生产设备、人员能够达到的程度，后续增加远控设备、工序时应对技术和人员能力进行详细评估。选择远控方式时，需要独立的PLC通信模块，以确保通信速度和可靠性，确保设备运行安全。

（3）能源管控中心的优化调度精准与否很大程度上取决于基础数据的准确性、系统的自动化程度以及信息沟通。一般来讲，能源设备、管线等设施在钢铁企业作为一般性公辅项目，得不到应有的重视，可以利用能源管控中心建设契机，对能源系统进行整体性、系统性规划，改造提升其自动化水平，提高能源系统的整体反应速度，优化响应时间，真正实现实时在线调度管控。

（4）能源管控中心的建成投用并不是结束，而是真正管控的开始。要切实提高对后期使用与维护升级的关注度，避免将能源管控中心作为形象工程打造，建成徒有其表的数据收集中心，或者徒有分析控制硬件而没有实际能源分析与管理、调度与控制功能的空壳系统。

4 结语

西王特钢能源管控系统自2017年5月正式上线，已运行3年多，系统运行稳定，数据准确，应用效果良好，实现了节能3%的目标。能源管控系统的落地实施实现了由粗放型管理向精细化管理的转变，由事后管理向事前管理的转变，由经验化管理向科学化定量管理的转变，为生产运营、成本分析、领导决策提供了可靠依据，同时为公司能源系统的进一步发展预留了空间，真正做到能源全流程管控一体化。