安科瑞 華楠
摘要：介紹了中國鋼鐵企業能源管理系統(EMS)的應用現狀，在對現有的鋼鐵企業EMS進行實地調研和總結的基礎上，針對鋼鐵生産過程能耗的特點完成了鋼鐵企業EMS的需分析、架構設計和系統各個子產品功能的開發工作。通過管理和優化能源使用，實作了鋼鐵生産過程的管控一體化，進而降低了鋼鐵企業的生産能耗，提高了企業的市場競争力。
。 關鍵詞：鋼鐵企業；能源管理系統；能耗；管控一體化
引言
随着世界範圍内工業革命的爆發，各種能源的消耗越來越大。從現今全球範圍看來，能源問題已是重中之重，世界都在提倡節能環保。而從耗能方面來看，企業耗能大、浪費多等給社會造成很大負擔，同時對企業自身的發展也帶來了不利的影響。企業不能僅靠提高裝置使用率或降低能耗來節約資源，而應該對這些裝置進行監控與管理，将能源的計劃和消耗資訊進行管理，進而達到節能減排的效果。
能源管理系統(EMS)能夠對能耗資料進行分析和整理，對能源用量、能耗成本進行分攤，同時生成各種關鍵能耗名額并根據系統的分析資料進行需求側管理，進而發現生産過程中能源的浪費。在企業的能源管理中，中國鋼鐵企業仍以相對落後的管理方式為主，己經不能夠适應目前鋼鐵生産的大型化、高速化和激烈市場競争的需要。
1 鋼鐵企業能源管理系統的需求分析
鋼鐵企業的EMS可以把分散的能源資訊，利用水、蒸汽、風、電、煤、氣等各種能源計量裝置 ，實作能源資訊的統一彙總，并進行計算和分析，通過資料庫讀取資料，科學地得出每天、每周、每月、每季、每年各個生産工序的能源消耗，進而科學地得出節能操作指導報告，從中挖掘節能潛力，為能源管理提出科學依據。EMS根據分析節能效果的資料，實作
主觀和客觀控制額外節能，幫助企業實作能源管理、節能降耗、降低成本、提高生産效益的目的。
2 鋼鐵企業EMS的架構設計
2.1 總體架構設計
鋼鐵企業的EMS采用EMS采用C/S與 B/S相結合的系統架構，整個系統架構以及應用均采用 C/S模式，其背景資料流采用 B/S架構。系統的關鍵裝置包括曆史資料庫伺服器、實時資料庫伺服器、含Web Service的應用伺服器、I/O伺服器、環保伺服器。各類操作HMI，PLC，網絡交換機等。其中，曆史資料庫伺服器、實時資料庫伺服器和應用伺服器全部為備援置，為叢集系統。
EMS網絡架構按标準的三層結構設定。即核心層、彙聚層和接入層。其中核心層為備援配置，核心層交換機為異地設定。同時，EMS設定現場工業以太環網，用于連接配接區域前置PLC、環保采集子站等裝置。
圖1 EMS總體架構設計示意
2.2 硬體架構設計
鋼鐵企業EMS的設計運用了軟體設計中常用的分層設計思想。将EMS劃分為3個層次，其硬體架構設計，從下至上依次為資料感覺層、傳輸層、應用層。
圖2 鋼鐵企業EMS的硬體架構示意
1)感覺層。感覺層主要利用現場各類傳感裝置。例如液位傳感器、智能電表、風口溫度傳感器、濕度傳感器、鼓風壓力傳感器等，采集EMS所需的各類能源資料。以鋼鐵生産過程 中高爐煉鐵供料系統為例，采集的參數包括：礦石(O)庫存量、焦炭(C)庫存量、供料開始時間、持續時間、礦批料長、焦批料長、供料速度等。
2)傳輸層。鋼鐵企業EMS的傳輸層設計是根據生産管理、生産過程和僻生産系統的功能需求，傳輸使用串行總線技術以及工業以太網技術架建構設。目前，鋼鐵企業生産管理中 比較常用的工業串行總線技術是采用RS4-85電氣标準和Modbus通信協定。其特點就是實施起來比較簡單實用，并且目前大多數重工業企業的現場傳感器都支援RS-485與Modbus協定。
3)應知層。應用層提供了鋼鐵企業生産過程中能源消耗資料的采集、能源消耗資料的多元分析、彙總報表、生産優化、生産配料管理與系統背景管理等多項功能。通過能源資料采集彙總，可以幫助企業生産管理者了解鋼鐵業各計量點能源的使用情況，并幫助企業管理實作鋼鐵生産過程能源優化排程，進而配置的入料參數使系統取得更好的管理和節能效果。有利于實作鋼鐵生産過程的管控一體化。
2.3 軟體架構設計
鋼鐵企業的EMS的軟體架構主要分5個部分：資料采集、資料倉庫、資料中間件、功能 應用和資料展示。
1)資料采集。系統的資料采集主要通過兩種方式：儀表計量，通過智能電力儀表、智能水表、瓦斯表等未端采集裝置采集各種能耗資料；人工錄入，通過手動錄入的方式擷取裝置資訊、産量等資料。
2)資料倉庫。系統建立對應不同視角的資料模型，并生成相應的資料倉庫，供EMS進行 資料分析及評估。
3)資料中間件。提供資料抽取及校驗、資料報表定時生成、資料權限配置設定管理、系統配配、計量儀表等各種基礎服務。
4)功能應用。主要給使用者提供不同的業務功能子產品。呈現鋼鐵廠的能耗分析情況，并對能耗資料進行統計、分析處理，幫助企業管理者尋找能耗漏洞，制訂生産計劃和節能方案。
5)資料展示。系統提供多種靈活的資料呈現方式，支援包括工作站電腦、手機、平闆等 通路方式，并針對操作人員、管理人員、上司等不同類型使用者的需求及權限顯示相心功能界面，便于使用者随時随地地了解相關能耗資訊。
3 鋼鐵企業EMS的主要功能
鋼鐵企業的EMS功能從總體上分為兩大部分：監視與遠端控制功能；能源管理功能。 監視與遠端控制功能主要包括：能源媒體過程資料監視、能源裝置及主要工序運轉狀态監視、能源裝置遠端控制、大螢幕顯示。能源管理功能主要包括：能源計劃編制、能源實績管理及 品質管理、能源運作支援與排程、能源沒備管理等。能源資訊處理、能源故障處理是輔助功能。
圖 4 鋼鐵企業EMS功能架構示意
4 應用效果
鋼鐵企業EMS投入實際運作後帶來諸多盜處。主要有以下幾點：
1)提高勞動生産率。由于部分工廠中的房間實作無人值守并成立集中排程中心，這樣減少了動力系統定員。
2)節能效益。利用水、蒸汽、風、電、煤、氣等各種能源計量裝置，實作能源資訊的統一 彙總、計算、分析，提高能源媒體的利用效率，使用該系統綜合節能可達20%左右。
3)環保效益。能源消耗量減少，工業生産廢氣排放量降低，為節能減排、建立綠色工廠做出貢獻。
4)提高了能源管理水準。公司及各生産廠上司能根據網上的實時資料進行生産決策，為上司決策提供了實時性和科學性參考。能源管理中心的建立使各生産廠能及時向公司彙報實時情況，避免了錯報、漏報、瞞報等情況的發生。
5)為建立績效考核方案提供參考。工業生産型企業進行生産排班，靈活設定每個班組 的生産時間段，自動導入或手工輸入班組産量，能耗系統統計每個班組的總能耗和單，橫向比較班組用能情況，有利于建立績效考核方案。
5 安科瑞工業能耗管理平台介紹
5.1 平台架構介紹
安科瑞能源管控系統采用分層分布式網絡結構，具有良好的可靠性與實時性，主要由現場裝置層（能源計量終端）、通訊管理層（通訊管理終端）和主站層（能源監控平台）三個部分組成。
以上三個部分分别貫穿整個系統的全部結構。能源管理系統總體設計結構按照能源管理的基本結構設計，滿足以上三部分的同時，增加了部分分析、監控、決策和釋出平台。
圖5 工業能耗管理平台架構組成
5.2 平台功能介紹
圖6 工業能耗管理功能示意圖
5.2.1可視化展示
展示企業各類能耗總量、折标值、能源成本、能源消耗趨勢、分項能耗占比、區域能源消耗對比,以及目前天氣情況、污染情況，并三維展示企業重要工藝或工段的能源消耗動态。
5.2.2實時監控
對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業使用者能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快速的掌握點位的報警。
5.2.3用能統計
從能源使用種類、監測區域、生産工藝/工段時間、分項等次元，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、折标對比，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，進而調整能源配置設定政策，減少能源使用過程中的浪費。
5.2.4單耗統計
與企業MES系統對接，通過産品産量以及系統采集的能耗資料，在産品單耗中生成産品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。以便企業能夠根據産品單耗情況來調整生産工藝，進而降低能耗。
5.2.5績效分析
對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、産線、工段等進行日、周、月、年、指定時段，結合能源計劃或定額制定的績效名額進行KPI比較考核，幫助企業了解内部能效水準和節能潛力。
5.2.6能耗預測
通過對企業生産工藝、生産裝置等的能耗使用情況進行分析，建立能耗計算模型，根據人工智能算法對資料和模型進行修正，對未來企業能耗趨勢進行預測分析，為節能提供有效的決策依據。
5.2.7運作監測
系統對區域、工段、裝置能源消耗進行資料采集，監測裝置及工藝運作狀态，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支援變配電系統一次運作監視。可直接從動态監測平面圖快速浏覽到所管理的能耗資料，支援按能源種類、工廠中的房間、工段、時間等次元查詢相關能源用量。
5.2.8分析報告
以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、裝置運作情況、運維情況等進行統計分析，讓使用者了解系統的運作情況，并為使用者提供資料基礎，友善使用者發現裝置異常，進而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。
5.2.9移動端支援
APP支援Android、IOS作業系統，友善使用者按能源分類、區域、工廠中的房間、工序、班組、裝置等不同次元掌握企業能源消耗、效率分析、同環比分析、能耗折标、用能預測、運作監視、異常報警等
5.3工業能耗平台裝置選型
| 應用場合 | 型号 | 功能 |
| 照明箱 | DTSD1352 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，分相正向有功電能統計，總正反向有功電能統計，總正反向無功電能統計；紅外通訊；電流規格：經互感器接入3*1（6）A，直接接入3*10（80）A,有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 |
| AEW100 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功、無功電能計量，2-31次分諧波及總諧波含量分析，分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）測量；支援複費率、曆史電能記錄；支援RS485通訊、470MHz無線通訊、紅外通訊；有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 | |
| 動力櫃 | ACR220EL | LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、S、PF、F）；四象限電能計量RS485/Modbus可選複費率電能統計；4DI+2DO。 |
| 配電箱 | ARCM300T-Z | 三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz）單回路剩餘電流監測，4路溫度監測，1路繼電器輸出，4路開關量輸入，時間記錄，内置時鐘，點陣式LCD顯示，1路RS485/Modbus通訊，可選用2G/4G/NB通訊方式 |
表1 工業能耗管理裝置選型示意圖
6 結束語
鋼鐵企業EMS用Web Service技術實作多系統內建，通過C/S與B/S相結合的架構實作了部署與通路的靈活性。該系統很好地實作了能源資料的分布式和共享性，能源資料的智能化和內建化，能源接入的自由化和标準化，能源消費的互動式和個性化，可以營造安全、舒适、節能的辦公環境。建設企業級的EMS，是現代大中型鋼鐵企業實施資訊化工程的需要。它可以改進能源系統的運作管理和安全管理水準，完善能源生産和使用的評價體制，提高了勞動生産率，減少了能源消耗，增加了能源回收，改善了環境品質，對提高企業的市場競争力具有重要意義。
【參考文獻】
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