棒线材生产线智能化能源成本分析管理系统的研究及应用

张勇利

（山西太钢不锈钢股份有限公司，山西 太原 030003）

0 引言

节能降碳是当前我国经济和社会发展的主题，是国家经济可持续发展的基本要求。轧钢生产线成本中的能源成本占了很大比例，降低生产过程中的能源消耗既满足国家对钢铁生产低碳的要求，又可降低生产成本，提高效益，有效提升企业竞争力。新型棒线材生产线全线自动化程度较高，采用PLC 控制，可对全线能源使用情况实现实时数据采集、记录及存储，建立智能化能源成本分析系统，利用现代化的管理手段对能源介质进行科学管控，有效降低企业能源成本，实现企业效益最大化。

1 技术方案的研究及应用

智能化能源成本分析管理系统主要的服务对象为生产过程中所涉及到的水、电、气等各种能源介质，由数据监控管理层、数据处理层和数据采集传输层三部分组成。

1.1 数据采集传输层

数据采集传输层的主要功能是与底层子站点进行通信，获取并存储这些子站点所采集到的现场数据，采用远程服务集中采集模式。程序启动后，从Oracle 数据库中提取相应配置数据，包括采集方式、IP 地址和寄存器地址等相关信息[1]。数据经过编码后，与相应IP 地址的PLC 进行Socket 通讯。

现场计量仪表为数据采集最底层的感知层，现场使用的传感设备主要包括智能电表、流量传感器、温度传感器和流量计等。数据采集串口转换器和通讯协议组成了传输层，依托网络基础设施，对收集到的数据信息进行安全、可靠的传输。

1.2 数据处理层

数据处理层是能源管理方法的核心，其架构从下到上分别为运行环境层、实时平台支撑层和基础能源管理应用层。运行环境层为上层软件的运行提供了底层运行环境，实时平台为上层基础能源管理的应用提供了通用、一体化的平台支撑。管理应用层按需求收集能源数据，并通过科学的计算方法得到准确的数据。

数据库与各单体设备的通讯是以服务器发送请求和设备自主发送两种方式进行数据采集。

1）服务器发送请求：每天交接班时刻，服务器发送类型代码为“1”的请求电文至PLC1（电能计量PLC）和PLC3（主轧线PLC），PLC1 和主轧线PLC3 分别将电、水、煤气和氮气等计量数据及请求代码发送至服务器，信息交互方式如图1-1 所示。

图1 能耗请求示意图

2）单体设备自主发送请求：固熔炉、1 号电退火炉、1 号台车炉和2 号台车炉等离线单体设备，在其启、停时刻分别发送触发信号至PLC1，PLC1 根据信号来源赋予相应代码，并将计量数据及代码发送至能源服务器，信息交互方式如图1-2 所示。

数据处理层将所有收集到的计量基础数据存储在R1E 表中后，根据各请求代码做相应处理，可得到班组、钢种、批次号和停车等不同情况下的能源消耗实际情况数据。

1.3 数据监控管理层

数据监控管理层的功能总体上分为两大部分：监控功能和管理功能。监控功能主要对能源消耗过程数据监控，管理者能够实时监控生产线各种能源瞬时及累积消耗情况。管理功能为核心功能，主要包括实绩管理和计划管理两个模块。

1.3.1 实绩管理

实绩管理模块对来自数据处理层所存储的各种能源数据进行分类、汇总和计算，基于Visual studio 开发的交互界面能够提供能源数据的综合查询、展示和维护管理等功能，并以Excel 报表形式导出。

1.3.1.1 区间累积能耗统计

区间积累能耗用于对任意时间段内的总能耗进行统计，输入时间区间就可以统计出全部能源消耗数据，从而掌握全生产线总体能源消耗情况。此外，选择不同班组、时间段，可以掌握该时间段内各班组能源累计消耗总体情况。

1.3.1.2 分类能耗统计

分类能耗统计可以按照班组、钢种、规格和轧批号分别显示，并导出数据，内容涉及轧制时长、计划质量、轧制质量、MES 称重质量及各类能源消耗。

1）类型选择班组时，界面显示时间段内班组的当班吨钢能耗。

2）类型选择轧批号时，界面显示时间段内以轧批号为大类的各产品吨钢能耗。同时，可以在钢种和规格文本框内录入需要查询的具体信息，界面将以轧批号为大类显示所查询钢种、规格的各类产品吨钢能耗。这些数据也作为标准消耗的基础数据。

3）类型选择钢种时，在钢种和规格文本框内录入需要查询的具体信息，界面将显示时间段内以钢种、规格为大类的产品吨钢能耗，该功能适合于轧制量小的产品能源统计。

1.3.1.3 产品标准能耗计算

标准能耗是产品能源成本分析的基本依据。产品标准能耗计算功能依托能源消耗基础数据，对不同轧批号、钢种和规格产品的总能源消耗历史数据，按照总平均值、历史最好值和月平均值等类别进行计算，得到产品的标准能耗，并作为能源成本的对标指标及管理依据。界面设有删除、插入和保存功能，可实时对数据动态调整、动态优化[2]。

1.3.1.4 班组批次对标绩效

班组批次对标绩效界面用于对当班生产的各批次产品能耗情况进行统计和对标。通过设置查询时间、班组和班次，搜索出符合条件的相关产品及对应的实际能源消耗数据，通过与对应产品的标准能耗对比，可快速找出班组生产能源成本的偏差，为成本计算、能源消耗管理及生产计划的安排提供了数据支撑。

1.3.1.5 退火能耗统计

退火炉能耗统计能够自动统计计算电退火炉、煤气退火炉的每炉能源消耗，自动记录启停炉时间、班组、班次、退火时长及退火能耗。岗位人员在界面录入退火数量、盘卷代码后，可自动计算出吨钢能耗。

1.3.2 计划管理

能源计划执行跟踪是计划管理的重要组成部分。计划管理从公司MES 系统收到生产计划，结合历史能源单耗和相关计算模型对工序的能源需求进行预测。轧制完成后，将计划值与实际完成情况进行对比分析，确定二者的偏差，进而修正下一次的生产计划设定值，为后续计划编排提供指导，充分发挥能源成本预测在生产计划中的指导作用。同时，通过二者间的偏差可以查询不同工序各种能源介质的偏差量，进而查找出造成能耗偏差的异常因素，并采取对应措施消除偏差。

2 应用效果

智能化能源成本分析管理系统依托轧线自动化系统及工业网络，对生产过程中各工序、各机组分散的能源数据进行科学采样、自动准确读取、可靠网络传输、集中存储、监控和智能统计分析。应用智能化能源成本分析管理系统后，有效降低了企业能源成本，能源管理水平显著提高。

1）提高能源分析效率：运用智能化能源成本分析管理系统取代人工抄表和手动计算报表的工作模式，能源基础数据更准确、更及时和更全面，能够满足现代钢铁生产对能源数据实时快速性采集、大数据量统计分析的要求。报表配置工具自动处理后，可以按时、按设定格式记录在指定表格中，各专业可按需查询和导出，免去时效影响，提高了各专业协调配合的效率。

2）满足能源成本分析需求：基于数据处理层，可以对全部产品按规格、钢种、批次和工艺等进行统计，确保能源统计分析更具体、更准确，能够满足全部产品的成本统计需求。

3）指导节能：将行业先进水平和历史最优水平的能源数据与实际能源消耗数据对标，可以发现不合理的用能设备或工艺，明确节能方向，有针对性地采取相应措施，使能源成本管理更加精准、细化。

4）智能化能源成本分析管理系统能够对能源设备、能源实绩和能源预测等进行全方位监控、管理，可为生产全过程实现节能、降碳和环保目标提供科学手段，促进企业实现节能降碳目标，提高企业经济效益。