唐钢能源管理系统解析

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（1.英纳奔萨电气及电子设备制造（天津）有限公司，天津300457；2.施耐德自动化工程（上海）有限公司天津分公司，天津 300171）

1 引言

在我国的能源消耗中，工业是我国能源消耗的大户，能源消耗量占全国能源消耗总量的70%左右。冶金工业能耗居高不下和环境质量不如人意是长期困扰冶金企业的难题。国家大力提倡节能减排，在这个大环境下，一方面，能源资源市场形势的日益严峻，有效控制能源成本在产品成本中的比例，高效、优质、稳定、可靠的能源供配平衡成为钢铁企业生存发展的命脉；另一方面，在生产中，能源介质管网遍布全厂，线路长达数百km，供应生产的能源介质昼夜不息、变化频繁，能源系统的运行状况直接影响到企业的现实发展。为此，采取集中高效的管理手段，提升能源管理水平和劳动生产率，确保能源系统安全稳定运行，提升节能降耗水平，并最终持续降低能源成本，能源在钢铁企业全厂生产管理中的地位十分重要，因此企业的能源管控也成为企业的核心问题，尤其是钢铁企业一直在想方设法解决这个问题。唐钢能源管理中心立足于现有的信息化系统，充分利用现有的资源，实现能源管控中心（EMS）、ERP系统、PI系统的无缝连接。以能源管理中心系统的实时数据为基础，同时提取ERP，MES/DSS系统的生产实绩、生产计划、财务数据等信息，经过系统的分析和处理，提供给能源管理专业人员全面、真实的数据，改善目前的能源管理方式，实现能源管理到班组（考核到岗，责任到人）、能源管理到工序（精细管理，整体优化）、能源管理到产品批次（成本透明，科学决策），使唐钢信息化水平和能源管理水平再迈上一个新台阶。

2 企业原状

2.1 仪表部分

现在多数企业仍处于采用各种仪器、仪表对能源数据进行采集，并派专人对仪器、仪表、与采集的数据进行现场维护、抄取，并逐级统计、上报。大部分数据还存储在生产系统中，所以没有什么数据共享。而且在这个过程中需要大量的人力，而且耗时比较长。所以企业急需解决这个效率低下的问题。

2.2 管理部分

唐钢是国内外颇具知名度和影响力的企业。唐钢目前主要的高炉、转炉和轧机全部实现了大型化、现代化，特别是超薄热带生产线、冷轧及产品深加工生产线均从国外引进，总体装备达到国际先进水平。但是，唐钢各厂区相对分散，各区域相对独立，传统调度模式信息交流不全、不及时，不能实现能源系统的集中管理、统一调度，制约了能源利用效率的提高。

3 能源管理系统构成

3.1 数据采集部分

数据是系统的根源，首先要确认数据的采集方式，根据现场的实地考察，最终采取的是多种通讯方式，数据汇集统一管理的方式。第一，对原生产系统的数据采取OPC的通讯方式从以前的生产系统读取；第二，新增加了部分现场仪表及PLC，PLC直接与仪表通讯，采集数据。

3.2 数据监视部分

数据监视是了解掌握现场的实际情况，管理人员通过观看计算机上设备状态及现场仪表数据，从而完成对现场设备及物料的调度工作，在这里有着不可替代的作用。

3.3 管理部分

所有能源通过管理系统可以在线看到库存及消耗等信息，实现能源的集中管理、统一调度，提高了能源的利用效率，同时也和其他管理系统进行数据交换。

3.4 数据发布部分

所有有权限的用户都可以通过IE浏览器浏览现场设备状态及现场实时数据，也可以浏览数据报表、历史记录等。

3.5 网络技术架构

网络要有兼容性及高开放性等特色，所以当今能够满足多种条件而且具有先进、成熟技术的那就是以太网技术了，整个网络应该兼容TCP/IP协议，图1为能源管理系统技术架构简图。

图1 系统技术架构Fig.1 System technical architecture diagram

3.6 运行环境

系统环境也尤为重要，每个工业软件都有它要求的软件、硬件条件，这里也一样，这套系统要求的软硬件并不是很高，表1对软件系统配置进行了描述。

表1 软件配置Tab.1 Software configuration

软件对计算机硬件配置也有要求，建议配置：双核CPU，2G内存以上，硬盘要500G以上。

4 设计过程

4.1 设计原则

唐钢能源管理中心要求要采用先进、成熟、实用的技术手段，系统要具有开放性、可扩性、兼容性和灵活性。依据这些原则，管理中心将这个任务交于了施耐德电气中国投资有限公司。

4.2 数据对象

系统需要数据包括能源生产、输配、消耗过程中主要的能源信号以及主要设备状态信号。能源公辅控制系统包括全厂变配电所、煤气现场控制系统、空压站、供水泵等状态，每个厂区、工序消耗的水、电、风、气量等是主要系统需要的主要数据，这些数据遍布全厂，现场情况非常复杂。

4.3 数据采集方式

现场条件复杂，数据多数在以前的生产系统里，如果增加PLC再次对这些数据进行采集，成本过高，而且浪费了大部分资源，所以选择了一个所有自动化软件都支持的协议OPC，OPC（用于过程控制的OLE）是一个工业标准。OPC由一些世界上占领先地位的自动化系统和硬件、软件公司与微软（Microsoft）紧密合作而建立的。OPC定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。管理这个标准的国际组织是OPC基金会。其前身由一个Fisher-Rosemount， Rockwell Software， Siemens，Opto22，Intellution和 Intuitive Technology等著名大公司组成专门的工作组，仅用了短短的1 a时间便开发出一个基本可运行的OPC技术规范。在1996年8月发布了简化的、一步到位的解决方案。应用这个协议的主要原因是它的通用性。

由于唐钢建厂较早，当时的自动化程度远不如现在，很多设备没有计量监控，所以要增加仪表，仪表直接和采集系统通讯比较复杂，所以增加了一些PLC来先从仪表内把数据采集到PLC内，采集服务器再从PLC取走采集系统所需要的数据。

4.4 PLC选型

数据的稳定性、准确性是系统需要保证的，成本也不容忽视，所以选择性价比比较高的产品作为系统采集用，施耐德的产品多数都能满足系统要求，所以性价比就成为选择M340的主要原因，M340是施耐德的中型CPU，它自带USB口，同时集成 CANopen，Ethernet或 Modbus通讯接口，并且有着外形精巧、维护简单、稳定可靠、支持多语言编程等多种特点，而且在各行业都有广泛的应用。

4.5 监控软件

SCADA（supervisory control and data acquisition)，一个收集和分析实时数据的计算机系统，通常用于对设备或平台的“监视控制”，而并非“过程控制”，对数据的采集是实时的。Citect是施耐德旗下的一个公司 ，CitectSCADA是世界领先的工业自动化软件之一，以它的可靠性和灵活性著名。在工业的广泛范围中使用CitectSCADA，可以依靠更高的扩展性，可靠的控制和监测系统来降低操作成本，改进产量和产品质量。简单操作的工具和强有力的特点可以快速地配置任何大小的方案。Citect作为一个在工业自动化领域，发展和应用SCADA和HMI软件的领先者，已经有很长的历史。有能力发展强有力和可靠的工业软件，可以承受大范围操作的苛求，这已成为我们最有力的特点之一。

4.6 管理软件

Ampla是在同一个实时平台上运行的若干功能模块组成的集成套件，通过一个组态工具进行配置，还具有一个唯一的网页入口。所有模块的组态以及浏览都是在一个统一的树状分级结构中，这样对于组态多模块既方便又节省时间和工作量。这样配置方式对于使用者的学习使用也很方便，因此降低了用户对这套解决方案的总体拥有成本。套件包括如下模块：实时度量模块、生产模块、质量模块、停机管理模块、跟踪模块、维护模块、成本模块、生产计划模块、知识模块。

4.7 硬件、软件的网络架构

管理系统是用CitectSCADA通过OPC通讯读取原有数据，与新增PLC通讯读取新增仪表设备的数据，再传到PI系统中汇集，然后给监视系统（CitectSCADA）和管理系统（Ampla），从而完成各种功能。图2为唐钢网络系统的示意图，实际要比这个复杂得多，服务器和客户端都很多。

图2 网络架构简图Fig.2 Network architecture diagrams

5 实现的管理功能

5.1 数据采集系统功能

将能源数据采集进入系统，供数据监视、报警、数据分析、数据计算、数据统计等使用。将计算后的数据传输给ERP，MES的生产和管理系统。

5.2 综合监控系统功能

动力系统监控：对煤气、蒸汽、电力、水等动力介质进行实时监视，根据系统故障报警进行调整和分析，优化能源配置。作为能源的生产指挥控制中心，能源管理系统满足指导日常的能源生产调度，保证主体工序正常有序的生产，并在突发事件期间实施能源应急调度策略，确保能源供应的安全稳定，达到节能减排增效的目标。

工序能源消耗监控：对主体工序能源消耗实时监视，便于各主体厂及时了解本单位真实的能耗情况，及时客观地进行分析，及时调整工艺操作，提出节能降耗的技术和管理措施，提高能源管理的效率，向能源管理要效益。

5.3 基础能源管理功能

将采集的数据进行归纳、分析和整理，结合生产计划的数据，进行能源管理工作，包括能源实绩分析管理、能源质量管理、能源平衡管理、能源预测分析等。

5.4 强化能源调度功能

能源调度可以通过系统迅速从全局的角度了解系统的运行状况等，实时掌握系统运行情况、及时采取调度措施，使系统尽可能运行在最佳状态，在出现故障时，及时采取相应措施，并调整能源介质平衡，限制故障范围的进一步扩大，有效恢复系统的正常运行，将事故造成的损失降到最低。

5.5 能源预测功能

在掌握了一定量的能源历史信息的基础上，可以逐步建立有效能源预测功能，为调度人员提供预案。

6 结论

系统通过对4万点的数据采集，可以管理唐钢5个分厂（炼铁厂，一钢轧厂，二钢轧厂，冷轧薄板厂，动力厂）范围内从原料到最终产品过程中产品的工序能耗、各批次能源消耗。监视系统中所有数据均来源现场仪表计量的数据，应用信息技术将分散在全公司的动力单位统一到一体化的监视平台上，实现了对能源介质消耗的监视，为能源调度、管理提供了强大的支持，提升了能源调度管理水平，实现公司从调度管理中要效率，从能源管理中要效益。据悉，随着该中心投入使用，唐钢可以根据实时动态数据，调配生产所需能源，实现能源全程集中可视化管理，节能减排管理再次升级。2011年吨钢能源成本将在原来已降低100元的基础上可再降50元，每年减少二氧化碳排放30多万t，实现经济效益和社会效益的双赢。在我国节能降耗大的趋势下，企业能源管理系统必能为企业带来可观的效益。

［1］施耐德电气有限公司.Unity Pro快速入门手册（英文）［Z］.2009.

［2］施耐德电气有限公司.M340 选型指南［Z］.2010.

［3］施耐德电气有限公司.CitectSCADA培训手册［Z］.2011.