能源管理系统在化工企业中的设计与应用

时间：2024-11-13

0 引言

随着化工企业的发展，能源精细化科学管理工作的重要性日益凸显。化工企业能源管理系统能实现对能源(如天然气、水、电、蒸汽、原料固体等)过程数据的实时采集记录、报警分析、监控调配等功能，为有效降低能耗提供技术支持，减少能源浪费，提高企业竞争力。

1 现有能源管理概述

节能降耗工作主要从管理、工艺、设备、节能几方面考虑，而管理节能要从自动化控制软件人手，多角度采集与分析用能工序能耗情况，化能源使用结构及方式，从而实现企业能耗的精细化管理。

常见的能源管理工作，目仍然处于完全手动的基础层面，需要操作人员现场抄表、记录，输入并统计数据，人工录人、分析等，此方法技术陈旧，不能实时对过程数据进行监控与分析，并且数据上报滞后、生产调配滞后，从而导致后续系列节能降耗工作的滞后。对于对精细化管理要求较高的企业来说，抄录的过程数据并不能如实地统计出能源实际使用的实时情况，这无疑是制约企业生产管理的瓶颈。

在化工企业生产中，各车间、各工序所处位置较为分散，各能源现场测量点较为偏远，需要监控的数据采集及传输是难上加难。基于此现状，专业技术人员建立了套能源管理信息平台，可达到对各项能源消耗进行监测和控制的目的，并增加了部分支持工业网络功能的测量仪表，还将以太网接口、互联网、工业网络**结合，设计并实施了局域网组建的能源管理系统，对能源数据进行实时采集、实时传输及监控调配。通过以上方式可为企业提供为直接的可控数据，加大能源管理工作的力度。

2 能源管理平台设计

2.1 能源管理网络构建

化工企业生产中各分厂、车间、工段数据采集点分散且距离很远，数据采集及传输较困难。新疆天业化工有限责任公司通过构建基础硬件网络，实现以类别、地点为单位的现场数据的实时采集计量，其中较为重要的设施与数据采用单点测量模式。采集与监测控制点包括：8个天然气测量点、25个水测量点、19个蒸汽测量点、31个电耗测量点和3个固体原料测量点。

能源管理网络构建示意图见图1。

图1 能源管理网络构建示意图

2.2 硬件配置

现场硬件配置采用浙大中控技术股份有限公司SUPCON WebField系列EPA100控制系统。这是种分布式、基于实时工业以太网EPA的控制系统，它利用些既定协议，将分布在现场的若干个小系统、控制设施、监视与操作设备**连接起来，完成生产操作过程中的测量和控制，满足生产与应用的需求。此套控制系统充分应用现场总线技术、工业以太网技术、高速网络通信与信号处理技术以及可靠的软件平台和软件设计技术，该系统全数字化、结构灵活、功能完善、界面开放，能适应复杂的应用要求。

EPA100控制系统整体结构由现场设备(包括控制器、信号处理系列模块、各类接口模块等 )、操作节点(由工程师站、操作员站、服务器站、数据管理站等构成)及通信网络(网桥链接设备、现场设备网、过程信息网)等构成。

能源管理网络构建硬件连接示意图见图 2。

图 2 能源管理网络构建硬件连接示意图

该系统硬件配置有如下特点。

(1) 采用了现场网络通讯控制器与数据测量网络通讯控制器，其中1上行口是标准的 MODBUS TCP/IP协议，另外具有4个下行串口RS485通讯协议MODBUS，每个通讯口多可连接32台仪表，在全厂范围内将分散测量点合理控制在允用范围

(2)在变配电间、设备控制柜中安装电量测量仪表，全部电量测量仪表均有RS485接口且支持MODBUS—RTU通讯协议，现场主要设备及工艺监测点分别安装天然气、水、电、蒸汽等测量仪表，以便及时校准。

(3)所有仪表可以分别对流量、温度、压力、电量等进行测量，均支持HART通讯协议，且具有RS485通讯口，可完成流量计与转换器之间的实时通讯。

(4)上位机采用DELL3600工业控制电脑，与人机接口匹配。

图3为能源网络控制站组态简图。

图 3 能源管理网络控制站组态简图

2.3 软件配置

在软件配置方面，采用浙大中控技术股份有限公司工业自动化组态软件流程图精灵 SCDrawEx，其是AdvanTrol—Pro(V2．65)软件包中流程图制作的重要辅助工具。整个组态过程包括流程图精灵界面组态、流程图精灵设备组态、流程图中命令按钮组态3个过程。该流程方便快捷，可以在同界面显示不同数据，是本系统采用的主要监控软件，安装于上位机中，与下位机匹配设计，用于与EPA-1O0下位机系统和串口转以太网协议转换器进行通讯，在局域网上作为服务器的终端机进行安装。

软件配置方面有如下特点。

(1)AdvanTrol—Pro系统是具有基于实时数据库、关系数据库的综合应用的扩展框架，其主要功能有：完成用户对位号的数据查询管理；通过设计网页上的插件，使用户能够看到流程图、趋势分析图；对数据的运行状态进行实时监视等；同时也是个可以开发基于实时数据库和关系数据库的综合应用的扩展框架。

(2)AdvanTrol—Pro系统是基于WindowsXP平台上的功能强大的上位计算机监控和数据采集系统，主要功能包括：用流程图实现24h在线监控展现；用趋势图实时展示各位号、各时间段趋势图信息；自定义报表程序可以依据生产需要制作报表。

(3)AdvanTrol—Pro系统是具有可扩展权限的管理系统，功能强大且实用。主要用于完成过程监控、与下位机控制站通讯、标准接口、编程接口、变量记录、报警存档、报表设计等，其生动形象的动态图形及操作界面通过用户和过程数据进行相互连接并实时使用。

2.4 能源监控和管理

在下位机硬件和上位机软件系统平台搭建完成后，可以利用工业组态软件平台设计监测与监控系统，该系统提供能源消耗及使用数据的实时显示与分析、历史记录与趋势查询、各种报表与统计等，如系统功能实时显示现场生产数据与趋势，各画面之间可方便地切换 (如图4为新疆天业化工有限责任公司总画面监控图)，可根据生产需要对现场数据进行采集统计与运算处理，并通过各种形式实时显示。

图4 总画面监控图

3 安科瑞工业能耗管理平台介绍

3.1 平台架构介绍

安科瑞能源管控系统采用分层分布式网络结构，具有良好的可靠性与实时性，主要由现场设备层（能源计量终端）、通讯管理层（通讯管理终端）和主站层（能源监控平台）三个部分组成。

以上三个部分分别贯穿整个系统的全部结构。能源管理系统总体设计结构按照能源管理的基本结构设计，满足以上三部分的同时，增加了部分分析、监控、决策和发布平台。

图5 工业能耗管理平台架构组成

3.2 平台功能介绍

图6 工业能耗管理功能示意图

3.2.1可视化展示

展示企业各类能耗总量、折标值、能源成本、能源消耗趋势、分项能耗占比、区域能源消耗对比,以及当天气情况、污染情况，并三维展示企业重要工艺或工段的能源消耗动态。

3.2.2实时监控

对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能快速的掌握点位的报警。

3.2.3用能统计

从能源使用种类、监测区域、生产工艺/工段时间、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、折标对比，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。

3.2.4单耗统计

与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

3.2.5绩效分析

对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、产线、工段等进行日、周、月、年、时段，结合能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力。

3.2.6能耗预测

通过对企业生产工艺、生产设备等的能耗使用情况进行分析，建立能耗计算模型，根据人工智能算法对数据和模型进行修正，对未来企业能耗趋势进行预测分析，为节能提供有效的决策依据。

3.2.7运行监测

系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。

3.2.8分析报告

以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行统计分析，让用户了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。

3.2.9移动端支持

APP支持Android、IOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、效率分析、同环比分析、能耗折标、用能预测、运行监视、异常报警等。

3.3工业能耗平台设备选型

表1 工业能耗管理设备选型表

4 结束语

新疆天业化工有限责任公司能源管理系统通过数据采集器实时采集端智能电表、水表等监控数据并上传至管理平台，通过能源管理系统对天然气、电、水、蒸汽等消耗进行实时在线监测和管理。该系统可查询实时能耗数据，详细分析能耗数据趋势，查询并分析历史能耗数据，并能按需生成各类能耗数据报表，实现对耗能设备的管理。同时，系统强大的存储记忆功能可以形成历史数据库并进行分类查询，还可根据生产需要打印及生成报表并实现报警功能。公司管理层、系统管理人员及授权用户通过网络相关IP地址登录，可以进行远程访问，随时随地查询相关能源的消耗情况，为节能降耗工作提供依据。

新疆天业化工有限责任公司能源管理装置配套自动化控制系统投入运行后，生产工艺加合理且安全稳定，提高了能源管理装置的总体性能，不仅可以实时了解各部门、各工序的能耗情况，还可根据历史能耗数据分析，深挖节能降耗点，为后续节能改造工作提供真实可靠的数据依据及指导方向，值得在行业中推广应用。

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