浅谈钢铁冶金企业能源管理系统的设计与应用

时间：2022-06-09作者：安科瑞电气股份有限公司浏览：176

摘要：介绍了中国钢铁企业能源管理系统(EMS)的应用现状，在对现有的钢铁企业EMS进行实地调研和总结的基础上，针对钢铁生产过程能耗的特点完成了钢铁企业EMS的需分析、架构设计和系统各个模块功能的开发工作。通过管理和优化能源使用，实现了钢铁生产过程的管控一体化，从而降低了钢铁企业的生产能耗，提高了企业的市场竞争力。
。 关键词：钢铁企业；能源管理系统；能耗；管控一体化
引言
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**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。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。
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。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，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。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，帮助企业实现能源管理、节能降耗、降低成本、提高生产效益的目的。
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置，为集群系统。
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，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、生产过程和僻生产系统的功能需求，传输使用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RS4-85电气标准和Modbus通信协议。其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。 
3)应知层。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了解钢铁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。
2.3 软件架构设计
钢铁企业的EMS的软件架构主要分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。
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、燃气表等未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、系统配配、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。呈现钢铁厂的能耗分析情况，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、**等不同类型用户的需求及权限显示相心功能界面，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、能源没备管理等。能源信息处理、能源故障处理是辅助功能。
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盗处。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**能根据网上的实时数据进行生产决策，为**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，横向比较班组用能情况，有利于建立绩效考核方案。
5 安科瑞工业能耗管理平台介绍
5.1  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
5.2 平台功能介绍
图6 工业能耗管理功能示意图
5.2.1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,以及当前天气情况、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。
5.2.2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，同时能更快速的掌握点位的报警。
5.2.3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。
5.2.4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。
5.2.5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。
5.2.6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。
5.2.7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，并支持变配电系统一次运行监视。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。
5.2.8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。
5.2.9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
5.3工业能耗平台设备选型

应用场合	型号	功能
照明箱	DTSD1352	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相正向有功电能统计，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3*1（6）A，直接接入3*10（80）A,有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级
	AEW100	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功、无功电能计量，2-31次分谐波及总谐波含量分析，分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）测量；支持复费率、历史电能记录；支持RS485通讯、470MHz无线通讯、红外通讯；有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级
动力柜	ACR220EL	LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、S、PF、F）；四象限电能计量RS485/Modbus可选复费率电能统计；4DI+2DO。
配电箱	ARCM300T-Z	三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz）单回路剩余电流监测，4路温度监测，1路继电器输出，4路开关量输入，时间记录，内置时钟，点阵式LCD显示，1路RS485/Modbus通讯，可选用2G/4G/NB通讯方式

表1 工业能耗管理设备选型示意图
6 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。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。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】
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[3] 刘克勤，王直杰.钢铁企业能源管理系统的设计与实现[J].石油化工自动化，2018.04.
[4] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版

安科瑞电气股份有限公司专注于数据中心能耗管理,智慧能源综合服务平台,数据中心智能配电,能源管理系统等

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