（电气工程专业论文）包钢能源计量网络系统的设计与应用.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 能源计量检测数据是企业能源量化管理、实现成本核算的基础，是科学 有效的能源管理体系的重要保证。 包钢和国内其它同类企业相比，在能源检测、统计、发布等方面还存在 着较大的差距。这些差距严重制约着包钢能源管理水平的提升。本文研究的 目的就是为了寻求一条合理而有效的途径来解决这一问题。 本文针对包钢能源计量及管理的现状，通过对检测技术、v l a n 技术、实 时数据库技术以及w e bs e r v i c e s 技术的研究，成功地设计并开发出包钢能源 计量网络系统。试验证明，系统能够满足包钢能源计量功能之需求。 最后，在总结全文的基础上，对有待进一步深入研究和探索的问题提出 了建议。 关键词：能源计量，数据采集，实时数据库，数据发布 a b s t r a c t t h ed a t aa c q u i r e db yd e t e c t i n ga n dm e a s u r i n ge n e r g ys o u r c ei st h ef o u n d a t i o n t om a n a g i n ge n e 玛ys o u r c ea n dc a r r ) ，i n go u tt h ec o s ta c c o u n t i n gi ne n t e r p r i s e c o m p a r i n gb i s gw i t ht h eo t h e rd o m e s t i ci r o n - s t e e le n t e r p r i s e s ，t h eb i g g e r g a pi se x i s t i n gi nd e t e c t i n ga n dm e a s u r i n g 、 s t a t i s t i c s 、 d i s t r i b u t i n gt h ee n e r g y s o u r c ee t c a n da l lo ft h e s er e s t r i c tt h ep r o m o t i o n si nm a n a g i n ge n e r g ys o u r c e t h ea i mo ft h er e s e a r c hi nt h i sa r t i c l ei st of i n dar e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e a p p r o a c ht or e s o l v et h ep r o b l e m s a c c o r d i n gt om ep r e s e n ts i t u a t i o n o fe n e 唱ys o u r c em e a s u r e m e n t锄d m a n a g e m e n t i nb i s g d e v e l o p t h en e t w o r ko f e n e 玛y m e a s u r e m e n ta n d m a n a g e m e n ts u c c e s s f u l l yw i t ht h ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y 、v l a nt e c h n o l o g y 、t h e r e a l t i m ed a t a b a s et e c l m o l o g ya n dw r e bs e r v i c e st e c l l i l o l o g y a n dt h i ss y s t e mc a n m e e tt h e 如n c t i o nr e q u e s t si na p p l i c a t i o n a n da tt h ee n do ft h ea r t i c l e ，t h es u g g e s t i o n sa r ep u tf o r 、v a r dt ot h ep r o b l e m s t h a tn e e dt ob em r t h e rr e s e a r c h e da n dp r o b e d s u nc h a n g s h u n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h ul i n g k e y w o r d ：e n e r g ys o u r c em e a s u r e m e n t ，d a t aa c q u i s i t i o n ，r e a l t i m ed a t a b a s e ，d a t a d i s t r i b u t e 声明户日明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文包钢能源计量网络系统的设计 与应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签 日期： 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 钢铁工业是国家的支柱产业，在国民经济发展过程中起着举足轻重的作用。但 是钢铁工业也是高耗能型产业，我国钢铁工业年能源消耗约占全国总能耗的l o 左 右，能源费用在企业生产成本中占有相当的比重，仅外购能源这一部分就占到总成 本的3 0 。实施钢铁行业新一轮发展战略面临严峻的能源和环境负荷压力，走低消 耗、低排放、高效率的循环经济发展模式是缓解能源约束矛盾的现实选择，是解决 能源环境问题的根本措施，是提高经济增长质量和效益的重要途径，是增强企业竞 争力的必然要求。所以必须从战略高度充分认识节能的重要性，树立忧患意识，增 强危机感，大力开展节能降耗，提高能源综合利用率，加快建设节约型企业，为新 一轮发展战略顺利实施提供有利的保障。加强计量管理，提升能源计量管理水平、 发展循环经济，建设节约型企业是贯彻科学发展观，缓解钢铁行业能源环境约束， 实现企业可持续发展战略的根本出路。 企业的生产经营、节能降耗、成本核算等管理，是企业经营管理的重要环节。 在实现经济增长方式转变的过程中，计量工作是一个重要的技术基础。企业的经济 统计核算离不开计量工作，科学合理的定额和配置，要以计量数据为依据。而加强 有关数据检测的计量器具的配备，并使其处于良好的运行状态，才能使企业的能源 计量数据真实、准确、可靠。完善能源计量器具配备、加强能源计量管理，利用测 量设备来监测、分析和掌握能源、物料的消耗规律，探索最佳控制点，指导节能降 耗，是节约能源的重要环节和有效措施。 能源计量工作的产品是计量数据，其质量就是计量数据的准确性、统一性、及 时性等特性的综合反映。因此建立能源计量网络系统，实现能源介质的自动采集、 控制调整、故障分析诊断、能源平衡预测、系统运行优化等重要功能，不仅可以保 证企业生产用能持续、稳定和有效管理，还能有效消除或减少能源的放散损失，为 企业赢得可观的经济效益。 包头钢铁( 集团) 有限责任公司创建于1 9 5 4 年，是国家在“一五”期间建设的 1 5 6 个重点项目之一，是中国重要的钢铁工业基地和中国最大的稀土科研、生产基 地。现已具备年产钢、铁1 0 0 0 万吨的能力，可生产重轨、大型工槽钢、大小口径 无缝钢管、石油套管、小型圆钢、热轧无扭控冷盘条、低碳钢热轧盘条、热轧钢带、 热轧钢板、冷轧钢带、冷轧钢板及镀锌焊管等9 0 多个品种、近3 0 0 种规格的钢材 产品，是全国冶金企业中品种规格最全的企业之一。为实现可持续发展的战略，在 努力构建循环经济、节能减排、节约型企业中，包钢按照“减量化、再利用、资源 化”的要求，大力发展循环经济。 华北电力大学工程硕士学位论文 近年来，包钢在节能降耗方面作了大量细致的工作，取得了可喜的成绩，但是 与先进企业相比能源指标相对落后，要想赶上或接近先进企业的能耗指标需要做进 一步细致深入的工作。 包钢用于生产的能源种类较多，需进行计量的能源有水、电、空气、煤气、氧、 氮、氩、蒸汽、热水等，包钢的能源不仅供给集团公司的各二级厂矿使用，而且还 作为产品供给其它用户。包钢的动力能源消耗种类多、分布广，利用先进的计算机、 通信、网络等现代化的技术手段实现包钢能源信息化、网络化的管理，从而为生产 经营提供信息保障，为节能降耗提供基础数据，提高企业竞争能力，提高企业管理 水平，使企业效益得以最大化实现。 1 2 国内外研究动态 而半个多世纪以来，计算机技术取得了惊人的发展，从最初的大型计算机，以 及随后产生的中、小型计算机，到今天随处可见的个人计算机和嵌入式系统，计算 机的软硬件技术一直处于发展和变革之中，计算机的体积逐渐减小，性能不断提高， 而且使用越来越方便。特别的，随着网络和分布式系统的出现和发展，采集和监测 的设施也从先前独立的计算机系统变为分散在网络环境中的相互关联的系统，于是 出现了对分布式的数据采集和监测系统的需求，通过它可以获取各种网络环境中过 程控制过程中的大量数据。 随着计算机互连网络技术的不断发展，传统的分布在不同地理位置上的具有独 立工作能力的计算机系统、终端及其附属设备被通信设备和通信线路连接起来，并 配置了网络软件，实现了信息的共享。如今大多数计算机系统都分布在各种网络环 境中。在机群系统中，大量分散的计算节点被通用或专用的高速网络连接起来，在 专用软件系统的协调下，它们为处理单一任务而进行协同或并行计算。 为了提高计算机系统的资源利用率，降低系统升级、管理和维护成本，人们正 逐步用以数据和计算中心为主体的中央集中式计算和存储模式替代传统的分布模 式。在这种模式中，计算和存储资源被集中放置在服务器端进行共享和统一管理， 用户通过与服务器连接的瘦客户端和虚拟化技术获得独立、安全的个人计算环境。 这种集中计算和存储模式实际上试图通过资源的大规模共享来提高其利用率，同时 减少系统的管理与维护的工作量，从而降低信息化的总体拥有成本。 计算机数据监控技术、网络通讯技术、w e b 技术的飞速发展，为能源计量网络 化管理奠定了坚实的技术基础。 目前，能源计量系统按规模及功能可分为三类。第一类是基于常规计量仪表的 简单系统，数据处理均靠人工来完成，由于中间环节多、误差大，直接影响了计量 数据的及时、准确和信息的快速传递，工作人员劳动强度大。第二类是基于工业总 2 华北电力大学工程硕士学位论文 线的分布式数据采集系统，该系统采用工业总线将一定范围内的计量数据采集到计 算机进行分析、处理，由于这类系统采用了总线拓扑结构，使它具有较高的测量精 度和抗干扰能力，但是由于受工业总线电气性能的制约，通信速度及传输距离受到 一定的限制。第三种基于网络和w e b 技术的能源计量网络系统，该系统能实现能源 数据的实时传送，并能和其它信息网络进行无缝链接，形成能源数据采集、管理一 体化的信息网络乜1 ，此方式是目前国内外能源数据采集领域研究的重点，也是未来 能源计量网络系统的发展方向。 1 3 本文的选题背景及意义 能源计量检测数据是企业能源量化管理、实现真正成本核算的基础，是科学有 效的企业能源管理体系的重要保证，也是企业节能降耗、提升市场竞争力的基本需 求。随着包钢向千万吨目标迈进步伐的加快，其各项指标已接近或超过国内钢铁企 业的先进水平。但是和国内其它同类企业相比，在能源的检测、统计等方面还存在 着较大的差距，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 能源计量检测设备配备存在的缺口较大 由于种种原因，包钢以往对能源计量检测设备投入不足，再加上各单位对能源 计量的重要性认识不足，造成能源计量检测设施配备不齐全，缺口较大，不合格计 量器具不能及时进行更新，这种状况使公司现有能源计量器具配备与国家标准，即 g b l 7 1 6 7 2 0 0 6 用能单位能源计量器具配备和管理通则要求有较大差距，使公司 能源按系统配备检测和按表平衡结算缺乏硬件基础，严重影响包钢能源计量数据的 科学性、准确性。 ( 2 ) 数据统计手段落后 现时包钢的能源数据统计仍然停留在手工阶段，统计速度慢，误差大，甚至存 在估量的情况，不能及时准确地提供结算数据，影响二级单位成本核算和考核需要。 ( 3 ) 能源计量数据传输速度慢、发布周期长 由于现时公司能源动力量仪表大多数采用电子电位差计，记录曲线采用记录纸 记录，每日工作人员去现场收取前一天的记录纸，再进行手工统计，月底才能够向 管理部门和二级厂矿发布数据。这种状况造成管理部门不能及时掌握各种动力能源 的发生及消耗情况，使能源动力不能得到及时合理的调配，严重制约公司生产的顺 行，二级厂矿由于不能及时掌握能耗情况，无法实现真正意义上成本核算及成本考 核。 综上所述，现时包钢能源计量器具设备老化，配备距国家标准要求存在差距， 统计手段落后，导致计量数据的准确性和可靠性降低。计量数据发布严重滞后，使 管理部门及时合理调配能源失去技术基础。这些问题的存在严重制约包钢能源管理 3 华北电力大学工程硕士学位论文 水平的提升，完善包钢能源计量检测设施、建立能源计量网络系统已经势在必行。 1 4 本文的主要工作 本文通过对能源计量系统的国内外发展动态以及包钢能源计量系统现状的充 分调研，通过对相关技术的深入研究，制定包钢能源计量网络系统的设计原则及总 体规划，设计出能够满足包钢能源计量、管理需求的能源计量网络系统并加以实施。 主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 通过流量及电量检测技术的研究，对现有能源计量设施进行改造和完善。 选择合适的流量及电能检测技术，是实现动力能源介质流量及电量准确检测的 关键。本课题通过对能源介质特别是特殊能源介质比如混合煤气、过热蒸汽等流量 检测技术的研究，并结合包钢的实际情况，制定动力能源介质计量仪表选型和安 装规范，对现有能源计量设施进行改造和完善。 ( 2 ) 通过计算机检测技术的研究建立数据采集子站 工业控制计算机中的p l c 具有可靠性高、抗干扰能力强、精度高、易于扩展等 一系列优点。通过抗干扰设计、编程等一系列措施，设计出适合水、蒸汽、压缩空 气、煤气等能源介质的计量数据采集系统的子站。而电能采集子站采用以下原则进 行设计：采用合适的数据采集终端，通过r s 一4 8 5 通信采集本区域内电能表数据， 通过p c 机进行存储、显示、处理，同时利用t c p i p 的通信方式上传至电能数据服 务器。 ( 3 ) 利用网络通信技术构建数据采集管理系统网络框架 通过网络拓扑结构及网络通信技术的研究，利用现有的包钢物资量网络及电力 调度网络建立起能源计量网络系统的网络框架。在联网过程中采用虚拟网络技术， 在网络中划分一定带宽的v l a n 用于能源计量网络系统数据通讯，同时采用相应的 安全访问控制机制，以保证网络访问的安全性。 ( 4 ) 通过对实时数据库技术的研究完成大容量实时数据的存储及处理。 包钢能源计量网络系统所集成的数据采集点数多、采集周期短，所形成的数据 量非常大，考虑到扩展性能，系统应能保证每秒钟9 0 0 0 点以上的数据采集和存储， 才能满足实际生产应用，另外由于实时数据获取频率很高，运行中会产生大量的历 史数据，实际生产应用要求能够存储一年以上的数据，因此必须采用数据压缩机制， 并要求有较高的数据压缩率、解压速度及快速数据检索能力，常规的关系型数据库 如o r a c l e 已不能满足系统的需要，实时数据库成为本系统的必然选择。通过对系 统数据时态实时性、事务执行一致性、事件发生可预测性、事故恢复快速性的深入 研究，选择合适的实时数据库并结合相应的监控软件平台开发出采集系统是本课题 成败的关键所在。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 5 ) 能源计量数据实时发布 能源计量网络系统与包钢o a 系统之间采用硬件防火墙加以隔离，w e b 服务器设 立在公司o a 网中，数据服务器群则在能源及物资计量服务器专用网段中，它们之 间在网络上不属于同一个地址段，不能直接进行通信，系统的这种结构成为制约实 现能源计量数据实时发布的瓶颈。选用合适的通信技术实现能源计量数据的实时发 布也是本课题难点所在。 本课题完成后，将使包钢能源计量数据采集自动化、传输网络化、结算电子化， 达到实时在线发布、信息共享的目的，使包钢的能源计量及管理水平得以大幅度提 升。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章能源计量网络系统设计原则及总体规划 对于钢铁企业而言，节能降耗已被提升到一个至关重要的战略高度。信息化技 术的高速发展使得建立能源供需双方的信息沟通机制，通过“综合资源规划 ，实 现“科学配置能源”成为可能。从早期的能源中心在日本钢铁企业的运用并取得良 好的经济效益，到我国宝钢投巨资建起的能源管控系统，人们越来越意识到能源计 量管理网络的建立，对企业能源介质的自动采集、调整控制、故障分析诊断、能源 平衡预测、系统运行优化方面的重要作用，它不仅能够保证企业主线生产用能的持 续、稳定、高效管理，还能有效消除或减少能源的放散损失，为企业赢得了可观的 经济效益。 2 1 设计原则 包钢能源计量网络系统应立足于“合理规划、技术先进、节省投资，区域集中、 分步实施”的指导思想，充分利用现有设施，从改造现有能源计量设备入手，完善 能源计量设施，按照区域集中的思路分步建立相应数据采集站，最终利用物资量网 络及电力调度网络建立能源计量网络系统。系统设计及建设过程中必须充分考虑系 统的实用性、安全性及可扩展性能口1 。 ( 1 ) 实用性 能源计量网络系统的建设需要较大的投入，因此必须严格控制投资成本，在 分析包钢目前能源计量仪表运行现状的基础上，利用目前仪表的布局、功能及网络 资源，尽量减少调整。 ( 2 ) 安全性 由于与生产系统的监控计算机进行通信，设计方案中要充分考虑系统的安全 性。与现有生产监控系统通信时，可以通过专用端口和o p c 实现。对于新建采集站， 考虑到w i n d o w s 系统的稳定性问题，可以考虑采取性能比较稳定的专用设备比如p l c 实现站到服务器之间的通信，以减少操作系统不稳定给整个系统通信造成的影响。 同时，为保证计算机系统的稳定性和安全性，要充分考虑病毒防护机制以及系统安 全机制。 ( 3 ) 可扩展性 伴随着公司能源改造和设备的更新，设备数量、参数和通信方式将会发生很大 的变化，在系统设计时要考虑各采集点留有一定的余量。同时要求系统采用灵活的 采集方式，通过简单配置就能满足数据采集和使用的要求。 由于分布区域广、施工难度大，能源计量网络系统要分步实现。在建设过程当 中，系统应满以下功能需求： 6 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 实现运行的信息化 能源调度人员能够掌握各种能源的生产量、储备量和使用量，对能源供应实时 检测，做好能源调度和指挥；运行岗位人员能够掌握其所产或所用能源在各地的工 况，跟据工况科学操作，合理运行，及时发现隐患，保证生产安全运行。同时，计 量仪表人员随时掌握仪表运行状况，对仪表运行进行远程监控，随时发现问题并给 予解决，保证仪表系统的正常、准确运行。 ( 2 ) 实现管理的信息化 为能源调度中的能源平衡和预测提供模型和调度决策支持，同时自动累计能源 的生产量、消耗量，自动打印报表，为经营管理的日核算、周成本、月平衡提供完 整、准确的数据支持。 ( 3 ) 实现决策的信息化 通过能源网络的建设，最终实现能源的经济分配、合理优化运行，实现能源的 最优化管理，结合主生产线运行节奏、能源生产和耗用情况分析，优化整个能源系 统合理配置，达到节能降耗的目的。 2 2 总体规划 根据包钢现状，经过调查研究、综合分析，结合国内外能源网络系统的发展趋 势制定出系统的性能要求、总体结构。 2 2 1 系统性能要求 ( 1 ) 数据的完整性 在本质上，能源网络系统的各参数是平衡的，但并不意味着实际的总值等于各 分支线路量值之总和。为了保证每一能源介质数据的平衡，必须收集与某一种能源 介质系统有关的所有输出和输入的各分支线路的量值数据，原则上不能遗漏。 ( 2 ) 数据的及时性 对于职能管理部门来说，数据的及时性非常重要。只有及时的数据才能给合理 的调度分配、指导生产提供保障。所以数据更新应该控制在秒级。经过对系统需求 及系统软硬件的调查研究，将数据更新周期控制在5 秒钟以下，即5 秒以内必须得 到所有更新的数据，这是掌握能源系统实时运行状况的并做出调整的基础。 ( 3 ) 数据的准确性 就是保证采集到服务器内的数据与现场实际的运行数据相等，这就要对采集到 的数据进行现场的确认和必要的修正，合理控制误差。同时要求流量数据的各种补 偿、累计处理尽量在各采集终端上完成，即仪表本身或者采集站具有补偿和累计功 能。 ( 4 ) 数据本地缓存 7 华北电力大学工程硕士学位论文 当采集站与服务器通信异常时，能够将采集到的数据进行本保存地，通讯恢复 正常时，能够及时自动提交缓存时间内采集的数据。要求缓存能力在2 4 小时以上。 ( 5 ) 数据的集成性 系统能按不同的能源介质进行分类处理，包括了数据统计、关联分析、生产节 奏、产出与耗用等方面，可以评价各子系统之间的运行关联和调整依据。 ( 6 ) 信息传递的高效性 能源计量网络系统，在信息传递方面，基于主动信息交换、分检服务系统，通 过订阅信息传送方式，提供主动式的数据发布服务，这样相关部门得到的都是各 自订阅的关键数据，可大幅度提高数据处理的效率。 2 2 2 总体结构概述 系统包括3 7 个数据采集站( 一级系统) ，将各自范围的能源动力量数据实时采 集、处理、存储，同时利用已建成的物资量网络和电力调度网络将数据传送至位于 计量处的能源数据中心( 二级系统) ，在网络建设过程中将给公司生产部能源处、总 调度室提供终端。一级系统主要功能包括：实现能源数据实时采集、能源实时量的 分析、实时曲线、能源计量管网图，为二级能源量结算提供原始数据。二级系统主 要功能：能源量结算、能源供需平衡分析、损耗分析、各种数据报表。在时机成熟 时，通过公司o a 网络实时发布能源产耗数据，指导和组织生产，有效提高能源利 用率。能源计量网络网络系统建成后，可以对各种能源介质的计量数据进行实时自 动采集，达到数据采集自动化、传输网络化、结算电子化、实时在线发布、信息共 享的目的。系统结构如图2 一l 所示。 2 3 实施步骤 根据能源计量网络系统的总体需求以及设计原则，在系统搭建过程当中，可分 为三个阶段加以实施。 ( 1 ) 改造现有能源计量设备，完善能源计量设施，构建能源数据采集系统。包 钢公司在用能源计量设备1 1 0 4 套( 其中电能表4 5 0 套) ，经过近几年改造完善目前 大多数仪表运行良好，但其中仍有4 2 l 套( 其中电能表3 0 3 套) 存在问题，需采用合 适的检测技术及设备对这些计量设施进行改造。另外。根据动力系统提供的明细并 经相关部门认真核实，剔除一些小管径用户及管路并网等因素，包钢需新安装能源 计量仪表1 2 1 套。通过改造和完善这些计量设施，包钢能源计量器具配备将满足国 家标准g b l 7 1 6 7 2 0 0 6 用能单位能源计量器具配备和管理通则的要求。在此基础 上，构建数据采集站，利用现有的物资量网络和电力调度网将数据传送至能源数据 中心，完成全部能源计量数据的实时采集任务。 ( 2 ) 采集数据初级应用。依据各使用单位对能源数据的需求不同，做好各种管 8 华北电力大学工程硕士学位论文 理报表的设计，进行分检、发送，实现能源数据管理。 甲络咩 实时数据库服务器li 关系数据库服务器i1w e b 服务器ll 监控计算机 物资计量网络 数据采集站 工业以太网 电能数据服务器 圄 数据采集终端 去田i 麓 图2 1 能源计量网络系统结构图 ( 3 ) 采集数据的深层次开发和综合利用。通过在一、二阶段对各工序、单位重 点能耗设备的能源计量数据的采集，以及在各种情况下生产对能源需求信息的收 集，构建多种能源供需方案。在生产过程中，依据现场情况、职能部门依据实时能 源数据及趋势进行能源合理地调配，从而达最优化的能源管理。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章能源计量网络系统的设计 包钢能源计量网络系统必须立足于“合理规划、技术先进、节省投资，区域集 中、分步实施的设计原则，充分利用现有设施，从改造现有能源计量设备入手， 完善能源计量设施，按照区域集中的思路分步建立相应数据采集子站，最终利用物 资量网络和电力调度网络建立起能源计量网络系统。 3 1 完善能源计量检测设备 在过程控制领域，对能源介质流量监测具有重要的意义。企业要使用的液体、 气体和颗粒状物体，必须对流过的体积和质量进行连续测量或用容器计量。每个过 程在测量精度、分辨率以及重复性方面对系统的测量装置都有相应的要求。这些要 求通常用百分比来表示，对灵敏度较高过程控制以及贵重的或有毒的介质的检测有 时可达千分之几的精确程度。特别是用于贸易结算的检测设备对测量精度及可靠性 的要求更加苛刻。由于材料的性能( 如密度、粘度或导电能力) 和环境条件( 如温度 和错误测量引起结果的不准确) 时刻都在变化，要精确地获取测量结果有很大的难 度。因此，在应用中选择正确的测量方法具有决定性的作用。 包钢( 集团) 公司在用能源检测设施存在的缺陷主要表现在设备老化、精度降 低、温压补正配置不全以及部分落后仪表不具有数据通信功能等几个方面。针对这 些情况，对精度低、已经老化的仪表进行更换，对需要增加温压补正的装置补加压 力、温度一次元件和变送器，使经过补正后的流量数据更加精确、真实。为完善动 力能源计量检测基础设施，根据动力系统提供的数据并经相关单位认真核实，包钢 公司需新安装能源计量仪表1 2 1 套。根据包钢公司实际情况，制定出包钢厂际间使 用的能源计量检测设备选型及安装要求，具体内容如下： ( 1 ) 各单位使用能源，应在能源管网产权交割点处安装计量结算设备，按设计 要求标准配置温度、压力补偿等，并提供测量设备使用的电源。能源介质主要质量 指标应设置在线检测装置。测量设备安装位置应符合安全防护和计量检测环境条件 要求； ( 2 ) 一次测量设备安装位置处应按设计标准设置维护场地，符合安全要求。如： 置于地下的测量设备人井应做防水、防渗处理等；煤气区域防爆设置；测量设备安 装位置应满足流量计对前后直管段的要求； ( 3 ) 所有设计的计量参数由使用部门提供，填写书面委托，报主管部门审核备 案： ( 4 ) 所有能源计量检测设备必须采用国家法定计量单位，具有c m c 制造计量器 具许可证标志，并有检定或校准方法，量值可以溯源： 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 建立数据采集站 3 2 1 数据采集终端的选择 数据采集站负责某一区域数据采集、处理，并与数据中心的数据服务器进行通 信。常用的数据采集可选用分散型控制系统d c s 、可编程控制器p l c 和智能仪表啼1 。 分散型控制系统也称集散控制系统，它的诞生是以1 9 7 5 年h o n e y w e l l 公司推 出的t d c 2 0 0 0 系统为标志的。经过2 0 年的发展，d c s 技术上已日臻完善，非常成熟， 但其重要的体系结构特征变化不大，仍然保持着“三点一线 的结构，即工程师站、 操作员站、现场控制站和通信网络，以实现分散控制与集中管理和操作的功能。工 程师站负责系统的管理、控制组态、系统生成与下装；操作员站实现控制系统的控 制操作、过程状态显示、报警状态显示、历史数据的收集和各种趋势显示及报表生 成与打印等；现场控制站则具体实现各种现场物理信号( 各种模拟量、开关量等) 的周期采集和转换处理、各种控制回路的运算( 包括调节回路和逻辑运算等) 、控制 运算结果的直接输出等；系统的网络负责各种功能站之间的数据通信和联络。 分散型控制系统具有控制功能多样、操作简便、系统便于扩展、维护方便、可 靠性高、便于与其它计算机联用等特点，所以尽管其价格比其它控制产品要贵一些， 系统的开放性比其它产品差，但由于其可靠性和安全性等方面的优点，还是获得了 最广泛的应用。发展到今天，d c s 已将开放性作为一个必要的指标，虽然各生产厂 家的d c s 不能直接相连，但各d c s 由于采用了国际标准化的网络和通用的数据库以 及其它技术，因此各d c s 的相连不再是件难事。另外，早期的d c s 一般尽量采用成 熟的计算机技术，而以技术保守著称，而今的d c s 厂商为提高系统的计算性能和竞 争实力争相采用最先进的计算机技术。过去的d c s 最多的是为用户提供一个控制系 统平台，用户通过组态实现过程控制功能，而当今的d c s 几乎都增加了综合管理功 能，以实现全厂综合自动化为目标。 可编程控制器p l c 与d c s 并行发展并广泛应用。1 9 7 0 年，p l c 系统首次应用于 美国通用汽车公司汽车制造过程。根据i e c 标准草案，p l c 的定义是：它是在工业 环境中使用的数字操作的电子系统，它使用可编程存储器内部存储用户设计的指 令，这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、记数以及算 术运算和通过数字或模拟输入输出来控制各种类型的机械或过程。与d c s 截然不 同的是：几乎所有的p l c 都采用o e m 销售方式，p l c 厂家只向大量分销商或系统集 成商甚至最终用户提供p l c 硬件设备和逻辑编程工具软件，而具体的工程实现则由 系统集成商或用户自己实现。p l c 具有控制程序可变、柔性好、可靠性高、适用于 工业环境、价格低廉等特点。当今的p l c 功能越来越丰富，多数p l c 采用高性能处 理器和实时多任务操作系统，已走出原来的设备逻辑控制功能范畴，而向d c s 领域 渗透，而d c s 也在逐渐包容p l c 的功能，二者将重叠融合。另外，现今的p l c 还在 华北电力大学工程硕士学位论文 向小型化、微型化、编程标准化方向发展。 智能仪表一般指智能流量计、无纸记录仪表或智能电能表。它以微处理器为核 心部件，综合了计算机技术、虚拟技术和数字技术，是一种新型过程控制仪表，它 保留了模拟仪表的优点，又具有微机所特有的各种运算、处理功能，是一种功能强、 系统组态灵活、操作方便、可靠性高而价格较为低廉的高性能仪表。由于其结构的 限制，智能仪表同时采集数据量较大的场合使用受到了一定的限制。 d c s 系统虽然具有性能强大、可靠性、易于扩展等一系列特点，但是其由于结 构复杂、编程困难、价格昂贵，不太适合于包钢能源计量网络系统。经过多方调研 选择p l c 构建非电能源数据采集站作为系统建设方案。 3 2 2 构建数据采集站 根据工艺要求，数据采集站采用典型的两级监控方式。上位机以工业控制计算 机( i p c ) 作为主要的人机界面。下位机由浙江中控技术有限公司g c s l 可编程逻辑 控制器构成，为基础测控级，完成生产现场的数据采集。工控组态软件s u p v i e w 是 一个集成的人机界面( h m i ) 和监控管理系统，它将工厂控制软件集成到自动化过程 中。在生产过程中，存在大量物理量，如压力、温度、流量等模拟量参数，需通过 p l c 对这些参数进行实时采集和处理：数据自动监控，并在监控画面上显示。 g c s 一1 是浙江中控技术有限公司推出可满足大部分离散和过程控制的经济而灵 活的硬件控制平台，g c s 一1 系统中s o f t p l c 系列控制器为模块化结构；采用高性能 的c p u ：所有i o 模块均可带电热插拔：具有多种智能型模块，满足用户特殊要求； 在网络和通信技术上提供1 0 1 0 0 m 自适应t c p i p 以太网接口模块，同时支持通用 的网络设备，如：c i s c o 、d l i n k 、3 c o m 等，并能够提供多种i o 技术。 s u p v i e w 上位机组态软件是中控的拳头产品，利用其数据库、画图、显示、历 史趋势等功能，不但可画出逼真的图形，还能将现场数据快速显示在屏幕上。 s u p v i e w 软件的特点： ( 1 ) 友好的用户界面。s u p v i e w 软件的用户界面应用灵活、功能强大、使用方 便。它具有优秀的图形编辑和嵌入功能；丰富的动态功能；灵活的报警设置；可嵌 入a c t i v e x 控件；内嵌v b a 代码，可轻松地实现各种用户的特殊要求。通过使用 s u p v i e w 软件，可实现丰富多彩的监控画面、报警提示、操作指导、重要操作确认、 动态显示等功能。 ( 2 ) 真正的开放性。s u p v i e w 软件提供了丰富的开放数据接口，如o p c 、d d e 等。 通过这些软接口，可实现一台操作站对多个不同厂商不同型号控制系统的监视和操 作。s u p y i e w 软件不仅可作为o p c c l i e n t 从其他具有o p c 接口的系统获取数据，而 且可作为o p c s e r v e r 将数据从s u p v i e w 软件发送给其他具有o p c c 1 i e n t 功能的设 备。s u p v i e w 软件可利用驱动程序与各种控制系统相连。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 强大的网络功能。s u p v i e w 能实现操作网络的客户机服务器结构。对于需 要实现多个不同控制系统互连的项目，由于技术条件、物理位置、施工等原因的限 制不可能采用每个操作站都与不同的控制系统相连的方法。采用客户机服务器结 构可以有效地避免上述限制，实现多个系统的互连。当服务器与控制系统直接相连， 其他客户机( 操作站) 可通过操作网络由服务器实现对现场的操作和监视。 ( 4 ) 更易实现生产数据向i n t r a n e t i n t e r n e t 发布。s u p v i e w 软件支持多种网 络协议，可以将数据发送至网络，也可使上位管理网轻松获取生产管理数据。 s u p v i e w 软件提供对w e b 的支持，可直接通过w e b 服务器将生产数据向 i n t r a n e t i n t e r n e t 发布，用户可通过i e 等网络浏览器实现对生产现场数据的获取。 3 3 利用物资量网络及电力调度网络构建动力能源网络拓扑结构 能源计量设备分布极为分散，重新构建能源计量网络费用巨大，充分利用现有 资源是构建系统的基本要求。包钢现有物资量网络系统涉及范围涵盖3 4 个物资计 量磅房，这些磅房分布于厂区的各个角落，现已实现千兆光纤互联。充分利用现有 的物资计量网络构建能源计量网络的主体架构，是其首选。 物资量网络主要由接入层网络交换设备、汇聚层网络交换设备、核心层网络交 换设备、核心数据库服务器、视频服务器、存储设备等组成。网络通讯介质全部采 用光纤联网。网络结构见图3 1 所示。 网络划分为3 个层次。其中2 台h 3 cs 6 5 0 3 三层交换机组成网络核心层；3 台 c i s c 0 2 9 6 0 交换机组成网络的汇聚层；3 6 台h 3 c 3 1 0 0 交换机组成网络的接入层。网 络之间光纤的连接主要采用光纤模块，目的是减少采用光纤收发器等传统连接转换 设备，从而降低网络故障率。 网络的核心交换机是整个项目的关键设备。核心交换机采用2 台h 3 c 公司的 s 6 5 0 3 三层交换机组成双机热备，具备负载均衡、热备份等功能。同时网络的主干 线路设计为双线路，分别进入不同的核心交换机。以保证在一条主干线路损坏后， 另一条线路切换工作，从而提高网络的安全性与可靠性。 为了保证网络的安全性与相对独立性，采用一台华为防火墙。为与其他部门网 络进行连接，设立了d m z 区。在d m z 区中设计了一台数据交换服务器，实现了数据 的交换。同时，采用c i s c 0 2 8 0 1 路由器作为网络之间的互联设备。 系统的稳定可靠运行需要一个健壮的网络。物资量网络系统从设备方面主要采 用双机冗余的方式来保证系统的可靠性。服务器、核心交换机采用双机、主干线路 采用双路冗余。 病毒是威胁网络安全运行的最大因素。在网络中设计一台病毒服务器，安装网 络版的防杀病毒软件，对网络进行定期杀毒。 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 网络的运行维护是系统稳定运行的保证。物资量网络系统安装了一台网络监控 服务器，安装了n c c 网络监控软件。网络监控系统可以记录网络各节点设备的运行 状况，设备运行报警，可以通过短信提示的方式向维护人员报警。 图3 一l 物资量网络系统拓扑结构 现时物资量网络系统中，共设置8 台服务器。包括主数据库服务器、数据交换 服务器、视频监控服务器、病毒服务器、网管服务器、数据发布w e b 服务器等。在 网络中划分了服务器的专用v l a n 。主数据库服务器采用双机集群的方式工作。主数 据库服务器采用2 台i b m 3 8 5 0 与一台d s 3 4 0 0 磁盘存储阵列组成。磁盘存储阵列采 用r a i d 5 。集群的工作方式能够保证在一台服务器宕机的情况下，另一台服务器实 时切换工作，不影响前台称重业务。 另外，现有的电力调度网络已经连接包钢大多数变电所，充分利用电力调度网 络构建完成电能计量数据采集子系统，可以节省大量人力、物力，为系统构建提供 健硕的网络拓扑结构。 3 4 能源数据中心的建立 能源数据是冶金企业生产和经营活动的重要基础数据，是保证各工序生产顺行 的重要条件。作为现代化钢铁企业的包钢，要求以计量数据指导全公司各生产工序 间动力产品财务结算，以统一的数据出口作为各二级单位实施能耗考核的数据依 据，以精确的计量数据作为生产成本分析、投入产出分析以及各种资源平衡的重要 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 数据依据。因此，构建能源数据中心是能源计量网络系统的重要环节。 能源数据中心需要将各个数据采集站所采集到的数据进行显示、存储、处理， 并将处理后的数据进行实时发布。 动力能源计量数据量较大，原物资量服务器受容量限制，再加上考虑今后动力 量信息系统数据统一管理的需要，为保证能源计量网络数据的相对独立性，拟增加 2 台i b m 3 6 5 0 与一台d s 3 4 0 0 磁盘存储阵列，安装在物资量中心机房，用于存储采集 到的动力量实时数据包括瞬时流量、累积流量、压力、温度。这样在能源计量网络 系统调试过程当中，不会影响公司物资量、视频监控等系统的正常运行。 监控软件采用浙江中控技术有限公司的p i m s4 o 生产信息管理系统。此系统 能有效集成企业生产信息，架设经营管理系统和控制系统之间的信息桥梁，并为先 进控制软件提供应用平台。此系统融合了最新的数据接口技术、先进的通讯技术、 现场总线技术、网络技术，能充分利用现有的计算机局域网络系统，且有投资少、 工期短、见效快等良好特点。 p i m s 生产信息管理系统采用强大的二次开发平台和可靠的运行系统内核，能够 快速构建高效的生产管理系统，使管理层全面掌握生产信息。可以通过w e b 将流程 图等发布到局域网上，客户端利用浏览器即可获取信息，远程用户实现实时监控现 场生产过程。其服务器采用真正的实时分布式c s 体系结构，应用程序可以分散在 多个服务器上，运行在其他工作站上的客户端应用程序可以对这些服务器的数据进 行统一监控、管理。可以通过o d b c 与其它关系型数据库进行数据传送，与其它应 用程序的数据交换可以采用完整的0 p c 客户端服务器模式、a c t i v e x 控件、d d e 方 式等多种数据交换接口。系统拥有庞大的驱动程序库，支持多种不同的硬件设备和 通讯协议。系统具有良好的扩展性，用户可以开发自己的硬件驱动程序。图库中提 供了包括电机、泵、管道等数千个子图。可以从子图库中任意选择。并可以对子图 库进行重组、扩充或删减。p i m s 生产信息管理系统采用先进的压缩算法，可以用大 容量硬盘存储，从而实现大量历史数据存储的功能。许多现场情况要求将数据库存 储在物理上分布于不同位置的不同计算机上，通过计算机网络实现物理上分布，逻 辑上集中的数据库，即具有分布式的透明性。用p i m s 创建的实时数据库，就属于 这种分布式数据库，虽然这些数据物理上分布在不同的地理位置或同一位置的不同 的计算机上，但当用户操作时感觉不到数据的分布。用户看到的是一个为全局数据 模式的集中式数据库。p i m s 生产信息管理系统为用户提供了历史报表和万能报表， 其图形功能丰富，可以绘制各种图形。还支持b m p 、j p g 、j p e g 、g i f 、i c o 等常用 的图像格式。图形画面有各种显示和动画功能。可形象地反映出工艺原理和流程， 以及当前的生产状况。另外，此系统还可以根据生产工艺需要对生产数据分组报警， 并且根据需要可以产生声光报警。可以通过向导连接a c c e s s 、s q ls e r v e r 、o r a c l e 等数据库，人性化设计，使用方便。 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章能源计量网络系统的功能实现与应用 能源计量网络系统的设计完成后，需要通过应用新型流量监测技术对现有能源 计量设施进行改造和完善。之后利用p l c 及d c s 监控技术实现采集站能源数据采集， 利用现有物资量网络采用v l a n 技术实现采集站到数据中心的数据传输，在数据中 心利用计算机集群技术及实时数据库技术完成数据存储，利用w e bs e r v e r s 技术完 成能源计量数据实时发布。 4 1 流量仪表选型 流量是工业生产过程中常用的过程控制参数。目前，市场上大约有超过1 0 0 种 不同类型的流量仪表，其中有一些属于实验室仪表，不适合工业应用。随着科学技 术的发展，新型的流量仪表还在不断涌现。然而，没有一种流量仪表是“放之四海 而皆准 的。为此，应当首先了解流量仪表的性能特点，再结合所应用