（控制理论与控制工程专业论文）某钢铁企业能源管理系统研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的发展，能源成为关系到国家经济能否持续发展的重要因素。而 钢铁工业是耗能大户，约占全国总能耗的1 5 ，因此，在钢铁企业中推广节能降耗 工作具有重要意义。钢铁企业的节能方式可分为两个方面：一方面是技术节能；另 一方面是系统节能。在钢铁企业建设能源管理系统被证明是在系统节能方面的一种 有效方式，而不同规模的钢铁企业在建设能源管理系统方面也存在区别。 本文在对大型钢铁企业能源管理系统建设经验的研究基础上，结合某年产l8 0 万吨的钢铁企业，对系统的具体实现过程进行了分析与描述。针对其能源计量网络 不够完善、能源调度机制不够优良、能源基本管理不够完善的现状，结合其具体的 资金投入情况，确定能源管理系统分期实现的基本方案，一期系统定位于支持公司 能源调度，侧重充实完善能源的计量与监视，为能源调度提供技术支持：同时对提 供统计分析功能以提高其管理水平。在基本方案基础上，对系统进行了设计和实现， 系统上线后达到了改善能源计量、优化能源调度机制、完善能源基础管理的目的。 通过对该能源管理系统建设的具体实践，本文从中小型钢铁企业的角度对能源 管理系统的建设问题进行了探索，同时为其他中小钢铁企业建设能源管理系统提供 了一些建议。 关键字：能源管理系统；中小型钢铁企业；能源；节能 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hc h i n a se c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，e n e r g yh a sb e c o m eo n ei m p o r t a n tf a c t o r r e l a t e dt oa c h i e v e m e n to f s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to f c h i n a se c o n o m y a n dt h ei r o na n d s t e e li n d u s t r yi sab i ge n e r g yc o n s u m e r , a m o u n t i n gt o1 5 o ft o t a le n e r g yc o n s u m p t i o n o ft h ec o u n t r y , t h e r e f o r e , p r o m o t i o no fe n e r g ys a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c i n gi ni r o n a n ds t e e le n t e r p r i s e si so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h e r ea r et w oa s p e c t so fe n e r g ys a v i n g m e t h o d si n i r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s ：o n ei st e c h n i c a le n e r g ys a v i n g , t h eo t h e ri s s y s t e m a t i ce n e r g ys a v i n g i th a sb e e np r o v e da ne f f e c t i v ew a y i nt h ea s p e c to f s y s t e m a t i c e n e r g ys a v i n gt ob u i l da l le n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mi ni r o na n ds t e e le n t e r p r i s e a n d t h e r ea r es o m ed i f f e r e n c e si nb u i l d i n ge n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m si ni r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e so f d i f f e r e n ts i z e b a s e do nr e s e a r c ho nt h el a r g ei r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s e x p e r i e n c eo fb u i l d i n g e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m c o m b i n i n g c o n c r e t e p r a c t i c e o fb u i l d i n ga l l e n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e mi na ni r o na n ds t e e le n t e r p r i s eo fa n n u a lp r o d u c e1 8m i l l i o nt o n s ， t h i sp a p e rd e s c r i b e sa n da n a l y z e st h ep r o c e d u r e so fs y s t e mb u i l d i n g c o n s i d e r i n gi t sn o t p e r f e c te n e r g ym e a s u r i n gn e t ，n o ts of i n ed i s p a t c h i n gm e c h a n i s m ，n o tp e r f e c tb a s i c e n e r g ym a n a g e m e n tm a di t sf u n di n v e s t m e n t , w ed e t e r m i n e st h eb a s i cs c h e m eo f c o n s t r u c t i n gt h ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mb ys t a g e s t h ef i r s ts t a g es y s t e mi so r i e n t e d t o s u p p o r tc o m p a n y se n e r g yo n l i n ed i s p a t c h i n g , w h i c hi se m p h a s i z e do ni m p r o v i n g e n e r g ym e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n gt os u p p o r td i s p a t c h i n gs t a f fa n di m p r o v i n gi t se n e r g y m a n a g e m e n tl e v e lb yp r o v i d i n gs o m es t a t i s t i c a la n da n a l y t i c a ls o f t w a r eu t i l i t y b a s e do n t h i ss c h e m e , w ed e s i g na n di m p l e m e n tt h es y s t e m t h es y s t e m sg o i n gl i v ea c h i e v e st h e g o a l so fi m p r o v i n ge n e r g ym e a s u r e m e n t ，e n e r g yd i s p a t c h i n gm e c h a n i s ma n de n e r g y b a s i cm a n a g e m e n t i tm a k e sa l le x p l o r a t i o no fb u i l d i n ge n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mi ns m a l la n d m e d i u m - s i z e di r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s ，w h i c hm a yp r o v i d e ss o m er e c o m m e n d a t i o n sf o r o t h e rs i m i l a ri r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s i i a b s t r a c t k e yw o r d s ：e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，s m a l la n dm e d i u m - s i z e di r o na n ds t e e le n t e r p r i s e ，e n e r g y , e n e r g ys a v i n g i i i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 作者签名：堡壅玉乡日期：鲨2 ：! ：夕 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的规 定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅， 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名衄 日期：翌丑! ：乡 导师签名：蕉a 基日期：2 丑) ! 靠 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 随着我国经济的进一步发展，土地、淡水、能源、矿产资源和环境状况对经济 发展已构成严重制约。因此，中央把节约资源作为基本国策，倡导发展循环经济。 “十五”期间，我国能源供需形势发生了很大自争变化，在我国改革开放2 0 多年， g d p 增长较快的情况下，能源需求出现了超常的增长。“十五”期问，我国的g d p 总量按2 0 0 0 年价格计算，增加了约5 1 万亿元，而能源消费的增量超过了8 亿吨标 准煤，这一增量是改革开放前2 0 年能源消费增量的总和。针对过去5 年出现的资 源、能源以及环境问题，为了落实科学发展观和建设资源节约型社会的要求，“十 一五”规划中，在提出了g d p 年均增长7 5 经济发展目标的同时，首次提出了单 位g d p 能耗降低2 0 的节能目标和污染物排放降低1 0 的环保约束性指标。 钢铁工业是我国的耗能大户，能源年消费量超过了3 5 亿吨标煤，约占全国能 源消费总量的1 5 。在过去的几年中，钢铁工业发展速度惊人，不到5 年的时问里 产量增加了1 7 5 ，这种急速的、超常规式的增长，一方面，造成了未来一段时间 内产能的相对过剩，另一方面，由于相当一部分钢铁企业生产能力规模小、设备的 能源利用效率低、技术落后等原因，在资源、能源方面造成了很大的浪费。据统计， 目前，我国吨钢能耗与国际水平比，至少高出了2 0 ，按目的的产量计算，每年浪 费的能源高达数千万吨标准煤。因此，在钢铁工业发展循环经济、提高能源利用效 率具有重要意义：一是实施可持续发展战略的需要；二是解决资源供需矛盾的重大 举措；三是加快产业结构调整的重要途径；四是增强市场竞争能力的客观要求。 对于钢铁企业而言，加强节能降耗是提高企业市场竞争力的有效途径。钢铁企 业节能的方式主要可分为以下两个方面：技术节能和系统节能。一方面，利用新技 术加强能源回收利用、提高能源利用效率，称为技术节能，其在钢铁企业中主要 有：焦化干熄焦( c d q ) 技术、高炉炉顶余压发电( t r t ) 技术、燃气蒸汽联合循 环发电技术( c c p p ) 等。另一方面，运用系统工程和系统分析方法于节能管理、控制 和决策过程，从而达到节能目的，称为系统节能。由于在钢铁生产过程中消耗以及 l 第一章绪论 伴生多种能源介质如：电力、水、蒸汽、氧、氮、氩、副产煤气等，这些介质输配 管网遍布各分厂，且存在着不同能源介质相互转化的情况，对这一复杂、时变的系 统，利用系统的观点，站在全局的角度，通过更加合理的能源调配，从整体上可以 有效地节能降耗。而在钢铁企业建设能源管理系统被证明是系统节能方面的一种有 效方式。 1 2 国内外钢铁企业能源管理综述 能源中心作为一种功能强大、设施完善的能源管理系统，曾受到了国内外大型 钢铁企业的亲睐【。它是一个能源管理、控制、优化系统，通过企业内部的网络， 将分御在现场的能源数据采集站、检测站、现场控制站、操作管理控制中心的操作 站以及管理控制站等联系起来，共同完成能源的分散控制和集中管理的综合管理与 控制系统。 钢铁企业建立能源中心己有三十多年的历史，它随着电子信息技术、网络通讯 技术、控制技术、节能技术和系统工程技术的应用而发展和完善。 从六十年代中期开始，国外发达国家的一些钢铁企业就开始根据二次能源的不 同种类设置了一些能源管理信息系统，分f 3 另1 类地对各种能源介质进行监视和控 制。日本是最早开发能源中心的国家，八幡制铁所设计了第一个能源中心，实现了 对使用能源的集中控制，统一管理。其它还有和歌山、鹿岛钢铁厂【5 1 以及德国的蒂 森和布得鲁斯钢厂等这一阶段的能源中心规模不大，主要用来进行能源信息( 二 次能源和有关参数) 的在线采集和监视，用于能源设备的控制。7 0 年代初，d c s 开始在能源中心得到应用。 与此同时，在能源技术领域，开始了能源系统工程理论的研究与应用。1 9 7 4 年 就有人提出研究钢铁联合企业的能源问题应采用系统分析的方法把各个设备，各生 产工序及各个厂矿的能源生产和能源使用联系起来，考察整个能源系统的能源消 耗。能源系统工程遵循系统理论中大系统理论的原理，将其应用于钢铁企业能源系 统中去，突破了以往对单体设备节能和工序节能的思路，将企业的能源工作看作一 个整体来研究。之后，各钢铁企业开始建立能源系统模型，研究能源的投入产出， 生产优化，需求预测等。建立能源模型最早的有美国的内陆钢铁公司，印度的第安 2 第一章绪论 娜哈伯钢铁厂等。后者的模型是以企业内部的能源转换装置和用能设备研究目标而 建立的，采用线性规划方法，以能源的费用最低为目标。同本君津钢铁厂研制的能 源分配最优模型，描述了钢铁厂企业内部的能源过程及物流过程，以求能源费用最 低。 1 9 9 2 年，奥地利v a s l 钢铁厂与奥钢联联合开发e m s 系统i 6 1 f q 。1 9 9 6 年9 月， e m s 一期工程完工，实现了数据采集、实时显示和短期能源预测；1 9 9 8 年，二期 工程完工，主要增加了能源控制功能，即在计划和核算的层面上，控制能源内部生 产和能源外购。二期工程的建成上线，使系统在能源管理优化方面的功能大大加强， 使企业的能耗指标有了明显下降。目前，奥钢联已经形成了e m s 产品平台，具有 一定的可移植性，但要求企业的基础条件较好，如数据采集网络完善、管理流程规 范等。其e m s 平台产品的功能模块主要有：能源数据跟踪、能源预测、能源控制、 能源核算。如图1 1 所示。 敷据分祈 手工输入 图1 1 能源数据 e m sl l s ” 我国冶金行业的节能工作从七十年代木开始。最初的能源工作主要研究单体设 备节能，通过改造能源设备，改善操作条件，降低能耗。单体设备节能工作是节能 工作的重要环节，但它不能代替系统节能，各单体设备的节能量之和不等于整个系 统的节能量。之后的工序节能较单体设备节能前进了一步，对钢铁企业复杂的能源 系统来说，设备之问都存在能量产生、消耗、转换、使用等方面的相互影响和制约， 与单体设备节能相比，生产工序节能的视野扩大了。 我国钢铁企业从“六五”计划开始了能源中心的筹建工作。8 1 年鞍钢首先提出 3 第一章绪论 了建立能源中心的设想，两年后完成了能源中心的总体方案论证工作。宝钢于8 0 年代从同本引进能源中心设备，拥有全国最早投入运营的能源中心。一期工程属七 十年代水平的集中式计算机监控系统。二期改造工程部分采用较为先进的分布计算 机系统。宝钢三期工程对一期、二期工程设备进行部分更新，采用德国西马克公司 的集散系统，实现了能源信息在线管理，事件顺序记录、存档，开放性好，具有较 好的可扩展性。宝钢三期工程建成的能源中心系统( e m s ) 【8 - 1 2 】可视为宝钢能源管理 系统的第一阶段，第二阶段是宝钢一公司于2 0 0 4 年7 月上线的l 3 能源管理子系统 3 1 。能源中心系统( e m s ) 主要实现了能源数据采集与处理、能源设备监控以及部分 能源基础信息管理与能源管理优化功能，侧重点在能源监控管理。l 3 能源管理予系 统是宝钢一公司产销一体化管理计算机系统的一个子系统，功能包括能源计划管 理、能源实绩管理、生产运行支持管理、重点能源设备管理、能源介质质量管理、 环保管理，侧重点是能源基础管理。如图1 2 所示： l 3 能源管理f 系统 功能：能源计划、实绩管理、分析与预测、质量管理、 重点能游设备管理、生产运行支持管理、环保管理 彳 l 2 能源j i ；拄系统 信息处理子系统 ( e m s ) 散障处理子系统 能 r 能 能 能 能源能 艺 源源源生源能网系 源能 数 设 信 产系 源络 统 系源 据备息报统系系故 统设 的 的 的表 的 统统 障 的备 采 监归 的 大 故故 的 自 的 集视档生 屏 障障撤 动闪 与与与成 幕 记诊 臀 声 光 处控处与显录断与 音撖 理 制 理处分 报 聱 簪 理析 彳 l l 现场节点控制层 功能：现场实时控制与检测、数据采集 图1 2 4 第一章绪论 上世纪9 0 年代仞，其它一些钢铁企业，也纷纷想建立能源中心，但由于遇到 财力、物力、人力方面的困难，不得不放慢了建设的步伐。最近几年，随着能源压 力越来越大，许多钢铁企业又掀起了建设新一代能源管理系统的热潮。 如沙钢在自行建立能源数据采集系统的基础上，引进奥钢联的e m s 系统平台， 建成了较高水平的能源管理系统。实现诸如能源信息显示、能源核算、能源预测、 能源控制等功能。 其他一些大型钢铁企业如邯钢、酒钢【1 4 1 、唐钢等，通过建设能源计量网络， 提高对能源管理利用的水平，实现诸如实时数据显示、历史趋势显示、能源报表自 动生成、厂际结算等功能。 还有一些钢铁企业针对钢铁生产中最重要的能源介质燃气建立起专门的管理 系统。如太钢建立燃气调度中心【姗，济钢建立燃气集中监控中心【m 。除具有实时数 据、趋势显示和结算报表生成的功能之外，还具有供气预测、动态平衡计算、数据 处理、报警、提供操作建议等功能，并可以根据公司生产计划编制供应计划的管理 系统。 从以上钢铁厂的能源管理系统建设经验可以看出，建设设施完善、功能强大的 能源管理系统需要大量的财力、物力、人力投入，而建设符合自身条件的能源管理 系统能够在控制资金投入的情况下，有效地达到提高能源管理水平、降低能耗的目 的。因此，对这些基础条件薄弱的钢铁企业而言，能源管理系统可以分期建设，首 先要完善自身的基础设施、计量网络等，然后确定能源管理系统的正确定位，建设 适合自身条件的系统以达到有效提高能源管理水平、降低能耗的目的。根据条件不 同可建设不同定位的能源管理系统【1 8 - 2 6 1 如源计量管理系统、能源监视( 控) 系统、能 源平衡系统等。 1 3 存在的主要问题 国内钢铁工业能耗整体水平与工业发达国家指标相比，相距在1 5 - - 2 0 ，尤 其是国内大部分的中小钢铁企业，普遍能耗较高。除能源管理观念不深，技术装备 不先进的原因之外，在以信息化为手段的系统节能方面尚存不足： 1 许多企业尤其是中小型企业，尚未能建成完善的能源计量网络，延续传统 5 第一章绪论 的手工抄表计量方式。 2 延用传统的电话调度方式，由于调度人员不能及时了解全局的能源实时信 息，能源调度效率不高。 3 能源计划的编制、能源实绩管理等完全由人工完成，容易出错且效率不高。 4 缺乏先进的计算机手段对实际调度工作提供智能支持，如能源供需预测、 智能平衡分析、能耗最优化计算、提供调度方案等方面。 本文从系统节能的角度，对钢铁企业的能源管理系统建设问题进行研究。并结 合某年产量1 8 0 万吨的钢铁企业，对其能源管理系统的建设过程进行了描述与分析， 对中小型钢铁企业建设能源管理系统的问题进行了探索。本人在整个系统建设过程 中的工作包括能源监视系统的设计、实现以及部分数据采集工作。由于该钢铁企业 的能源管理状况代表了国内许多中小型钢铁企业的能源管理状况，因此，本系统的 研究对其他钢铁企业的能源管理系统的开发具有一定的借鉴作用。 下两章即根据某中小型钢铁企业的实际条件确定了其能源管理系统的定位，并 根据定位选择了系统的实现方案。 6 第二章某钢铁企业能源管理现状及系统定位 第二章某钢铁企业能源管理现状及系统定位 2 1 能源概况 该钢铁企业铁钢材配套生产能力1 8 0 万吨，主要产品为热轧带钢，冷轧带钢， 中高档焊管。该企业于2 0 0 5 年9 月将动力厂、制氧厂及其它单位相关能源管理、 生产操作职能合并，设黄“能源中心”。“能源中心”是公司授权的厂、处合一的综 合管理部门和生产单位，兼有能源管理和生产双重职能。 总体来说，目前的该公司能源管理仍属于粗放型管理模式，其主要工作目标是 最大限度地满足各分厂的用能需要。因此，存在多种能源介质没有被充分优化利用 的现象，例如：煤气、压缩空气均有放散，且煤气放散量偏高，并由此造成能源浪 费和环境污染。 目前“能源中心”的部门设置及职能如图2 1 所示： i 蝴心l l 蕾丽噶毫室 薯岩苗藿籼：奢 能源计划管理能源安全常l 能潭统计管理能潭成本首理 能源调度管理能源行政管理 j i ll ii 璧电f 剀岖翻氧f 白幽夏供水作岖 供屯f e 业区供蠕气f b 岖设备作岖 il 一、二期发电 氧气供应， ；夸媒水供应 煤气供应设备维护 俯发电氮气供应净环水供应蒸汽供应 生产蒸汽供氩气供应 浊环水供应 应压空供应 层瀛术供应 除盐水供瘟 软化水供应 冬季生活蒸 新水供应 汽供应 图2 - 1 能源中心部门设置及职能 7 第一二章某钢铁企业能源管理现状及系统定传 公司目前能源生产、调度系统涉及的能源管理单位有：制氧、一期发电、二期 发电、一期水处理、二期水处理、煤气混合加压站、中心泵站、一期空压站、二期 空压站、焦炉煤气柜及加压站、新旧煤气放散塔、蓄水池、转炉煤气柜及加压站、 竖炉煤气加压站、供配电系统。 公司能源生产、调度系统涉及的能源介质有：冷媒水、净环水、浊环水、软化 水、层流水、新水、污水；高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、混合煤气；氧、氮、 氩、生产蒸汽、生活蒸汽、普通压缩空气、干燥压缩空气；电力。 公司原有能源网，仅对厂际问约1 5 0 个能源数据点进行了采集，且存在数据不 准确的现象，因此能源计量主要还是依据计量处的人为手工抄表。 调度办公室位于原制氧厂的办公楼内，调度通过电话询问了解现场的能源情 况，并实施调度指挥。 “能源中心”仅有一名计划员兼统计员，完成能源平衡计划、能源统计报表的 编制。由于人手有限，因此在能源基本管理方面存在不健全的地方。如能源计划主 要针对燃气系统，蒸汽、水介质的计划不完善。其他如能源质量管理是由“能源中 心”之外的“技术中心”完成。 经过分析可以得出能源管理在以下几个方面存在不足： 能源计量网络不够完善。 能源调度机制不够优良。 能源基本管理不够完善。 2 2 能源管理系统定位 2 2 1 系统定位 根据该钢铁企业的实际状况及资金投入比较有限的特点，本系统( 一期能源 管理系统) 建设时定位为能源监视及管理系统。一方面，充实完善能源信息的计 量与监视，在实时信息的基础上为能源调度提供技术支持，辅助调度人员科学地 进行能源的平衡调度，提高能源的利用效率；另一方面，通过本系统能源基础管 理功能的实现，健全“能源中心”的管理功能，并通过对能源数据的统计与分析， 进一步提高其管理水平。 第二章某钢铁企业能源管理现状及系统定位 2 2 2 系统在该钢铁企业信息化层次中的位置 钢铁企业信息化层次模型可分为至下往上的五层。位于最底层的l l 和l 2 与生 产设备结合紧密，关注与设备相关的自动控制和优化，包括整个生产线的过程控制 和单体设备基础自动化，是整个钢铁企业信息化的基础。l 3 是制造执行系统( m e s ) ， 进行生产作业的计划、执行与监控以及生产实时数据的采集和管理。l i l 3 面向 生产过程控制，强调信息的时效性和准确性。 l 4 针对钢铁企业业务层面的管理，以e r p 为核心应用，还包括c r m 、s c m 、 电子商务等业务运作管理系统，在现代企业管理理论的指导下，通过信息系统把先 进的管理理念和方法固化下来，对企业的内、外部供应链进行系统、高效的整合和 管理。 l 5 在整个钢铁企业i t 层次模型的最高层，对e r p 等l 4 应用系统提供的大量 业务数据进行挖掘、分析，得出各维度的分析建议，为企业管理层的科学决策提供 坚实的基础。 在以上五层模型中，逐层之问存在着相互依赖和数据传递关系。l i l 3 各层 次之间有严格的依赖关系，上面一层控制下面一层，下面一层向上面一层反馈运行 信息，形成闭环的控制机制。l 3 以上关注信息的关联性和可管理性，层次之间的依 存关系不像l i l 3 那样严格，但是也需要在相邻层之间传递数据，强调层次之间 的有效集成。 由于能源管理系统可大可小，功能多寡有别，一些钢铁企业的能源管理系统只 实现了能源监控功能，因此，其能源管理系统在钢铁企业信息化层次中属于l 2 ；另 一些钢铁企业的能源管理系统的功能除包括监控之外，还具有能源计划管理、能源 质量管理、能源设备管理、能源生产运行支持等能源基础管理功能，因此，这些能 源管理系统可视为属于”。根据该企业自身的基础情况，以及对本项目的定位，本 能源管理系统是作为m e s 系统的一个子系统来实现的，它能够满足该企业现阶段 的能源管理需求，且具有投资少的特点。如图2 - 2 所示： 9 第二章某钢铁企业能源管理现状及系统定位 知识 图2 - 2 该钢铁企业信息化层次结构 2 3 建设此系统的目标 建设本系统以提高能源系统的运行、管理效率，实现安全稳定、经济平衡、优 质环保的基本目标。通过建设此能源管理系统，将达到如下目的： 1 完善能源信息的采集、存储、管理和利用 完善的能源信息采集系统，便于获得第一手资料，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，并将事故的影响降到最低。 针对能源工艺系统的分散和能源管理要求集中的特点，建立能源管理系统可以 满足能源工艺系统特点的分散控制和集中管理。 2 减少能源管理环节，优化能源管理流程，建立客观能源消耗评价体系 能源管理系统的建设，可实现在信息分析基础上的能源监视和能源管理的流程 优化再造，实现能源设备管理、停复役管理等自动化和无纸化，有效实施以数据为 依据的能源消耗评价体系，减少能源管理的成本，提高能源管理的效率，有利于了 解真实的能耗情况和提出节能降耗的技术和管理措旌。 3 减少能源系统运行管理成本，提高劳动生产率 该钢铁企业能源系统规模较大，结构复杂。传统的现场管理、运行值班和检修 l o 第二章某钢铁企业能源管理现状及系统定位 及其管理的工作量大，成本高，将构成其能源系统成本的重要组成部分。本系统的 最终目标可以实现简化能源运行管理，减少日常管理的人力投入，节约人力资源成 本，提高劳动生产率。 4 加快能源系统的故障和异常处理，提高对全厂性能源事故的反应能力 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，故障的影响程 度等，及时采取系统的措施，限制故障范围的进一步扩大，并有效恢复系统的j 下常 运行。这在能源系统非常情况下特别有效。 5 为进一步对能源数据进行挖掘、分析、加工和处理提供条件 数据是财富，数据可以成为信息，它将为公司的高端能源管理( 二期能源管理系 统内容) 提供现实的可能性。 综上，建设本系统将达到提高能源系统运行和管理的水平，减少能源消耗，提 高供能质量，强化和完善能源考核和评价体系，提高劳动生产率，改善环境质量， 从而提高产品的市场竞争力的目的。 第二章系统实现方案 第三章系统实现方案 根据该钢铁企业的能源现状及系统定位，设计系统的实现方案。针对原能源计 量网络不完善的特点，根据“能源中心”工作范围确定能源数据采集需求，由该企 业设备处负责增添仪器仪表，并建设数据采集网络，完善能源计量网络；针对能源 调度机制不够优良的特点，通过建设能源监视大厅，利用信息化手段使调度人员能 从全局的角度随时掌握各厂能源状况，提高对事故的响应能力；针对能源基础管理 不够完善的特点，一方面完善“能源中心”对能源基础管理的业务，包括增加人员、 建立制度、完善规范等，另一方面根据业务需求编制能源基础管理支持软件，计算 机辅助人工完善能源基础管理。 以下将从三个方面( 硬件、软件、管理) 对系统的实现方案进行介绍。硬件系 统方面包括数据采集网络的建设、能源大厅设施建设、服务器客户端配备等；软件 方面指实现本系统功能需求的软件实现方案，包括能源监视管理模块和能源基础管 理模块的实现和软件的选择；管理方面指“能源中心”优化业务流程，使其能够与 能源管理系统协同一致，发挥更高的效率。 3 1 硬件方面 本系统( 一期能源管理系统) 从功能上可分为两个层次：能源数据采集层和能 源监视及管理层。 能源数据采集层指将遍布各厂的能源现场数据经数据采集网络传到位于中 央机房的实时数据库i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 。采用实时数据库技术是改变钢铁 企业内部不同分厂、不同系统的信息孤立状况，拉近管理层与生产作业层距离的 有效途径。 能源监视与管理层采用客户机服务器( c 1 i e n t s e r v e r ) 的结构方式，能源监视 大厅里的四台终端作为c l i e n t 结点，从服务器中读取数据库的数据，建立监视画 面并对设备的运行状况实施监视；能源管理人员在管理终端通过能源基础管理软件 读取服务器中数据并进行处理，实现诸如计划、统计、分析等能源基础管理功能。 如图3 1 所示： 1 2 第二章系统实现方案 能源信息监视终端能源基础管理终端 数据采集机数据采集机数据采集机数据采集机 图3 1 系统层次划分 以下从数据采集网络、能源监视大厅及其配套设旌、服务器客户端配备三个方 面对系统硬件实现方案进行介绍： 1 建设数据采集网络，为能源监视、能源计量、能源基础管理提供准确可靠 的基础数据。本系统所需要的能源数据来源覆盖所有厂区，包括焦化厂、烧结厂、 炼铁厂、炼钢厂、一轧厂、二轧厂、冷轧厂、钢管厂及“能源中心”。根据能源采 集点分散及系统建成后实现集中管理的需求，数据采集网络采用环形网络与星形网 络相结合的混合网络结构。为新、旧两厂铺设光纤，分别建设工业以太网，两以太 网通过核心交换机接入数据库服务器所在的中心机房。星形网络以数据库服务器为 中心，终端有能源监视大厅客户端、能源管理客户端、设备处监视终端等。如图3 2 所示： 监视及管理层一 数据采集层 第三章系统实现方案 i 图3 2 数据采集网络示意图 终端数据通过散布各厂区的3 6 台数据采集机存储与转发进入工业环网，再经 过核心交换机传入实时数据库，完成数据的采集。该企业终端数据的来源方式分为 四种：p l c 、d c s 、原能源网采集站、手工录入。对不同方式的数据来源采取不同 的采集方式： p l c 中的数据通过数据采集机( i d a s ) 中所装w o n d e r w a r e 的i o s e r v e r 采集。 d c s 中的数据以o p c 的方式采集进入数据采集机。 对企业原华联能源网进行设备改造，通过加数据采集器，将原无线方式 改为有线方式进行数据采集。 对于需要现场输入的一些设备信息由现场人员从现场终端手工输入。 在数据采集网络的建设过程中，发现现有的仪表不能满足能源数据厂际计量 的需要。为了解决此问题，需要企业投入大量资金购买计量仪器仪表，完善计量 设施。如在供水方面，仅水表一项就投资1 0 0 多万元，对烧结、炼铁、炼钢、轧 钢工序所用工业水系统，安装了八十多块超声波流量计。通过以上措施，保证了 能源计量的可靠性，为数据采集可靠实现奠定了基础。 1 4 第二章系统实现方案 2 建设能源调度大厅系统，包括工业监视系统、调度电话系统。设置大屏 幕和供水、动力、燃气三个调度台及一工程师站。调度台的客户端上装有i n t o u c h 开发的监视程序，通过读取实时数据库数据，实现能源实时数据显示，为调度提 供技术支持。调度台客户端的配置为：5 1 2 m 内存、6 0 g 硬盘的研祥工控机。 大屏幕左右两侧各设八台工业电视，用于实时监视现场能源状况。 3 在中心机房设置数据库服务器、实时数据库服务器、应用服务器、g p s 时 间同步服务器、w 曲服务器。 硬件配置为：数据库服务器采用h pp r o l i a n td l 5 8 0g 4 ；应用服务器采用h p p r o l i a n td l 5 8 0g 4 ；w e b 服务器采用h pp r o l i a n td l 3 8 0g 4 ；实时数据库服务器采 用h pp r o l i a n td l 5 7 0 ( 3 4 ，双机热备。 3 2 软件方面 根据系统的定位及用户需求，本能源管理系统的功能主要有两个方面：l 、能 源实时信息监视2 、能源基础管理支持。分别采取了不同的方式进行实现，能源实 时信息监视的实现方案为利用组态软件通过读取实时数据库中的数据，在设计的能 源监视画面中完成诸如实时数据显示、实时趋势、历史趋势、报警等功能；能源基 础管理部分即通过编写管理软件实现。管理软件通过读取数据库数据，自动生成相 关报表，辅助能源管理人员完成能源计划管理、能源质量管理、能源实绩管理、能 源分析管理。如图3 3 所示： 第二章系统实现方案 3 2 1 能源实时信息监视功能 图3 - 3 系统功能模块划分 能源实时信息监视功能在能源监视大厅的客户端上实现。根据该企业的实际情 况设计用于监视的人机画面，完成实时数据显示、报警、趋势、以及在线平衡功能。 设计人机界面的层次结构如图3 4 所示： 图3 - 4 能源信息监视人机界面层次 1 6 第二章系统实现方案 实现的各项功能如下： 1 能源实时数据显示 能源调度大厅设大屏幕和三个调度台( 燃气、动力、供水) 和一个工程师站。 可实时显示各能源数据。监视画面是用组态软件i n t o u c h 开发的。i n t o u c h 通过 建立与实时数据库i n s o l 的数据连接，在监视画面中完成实时数据的显示。 2 报警 能源数据在i n t o u c h 中定义时设定了上限、下限、上上限、下下限，基于这 些信息和设备运行状态信号实现了故障报警。系统中根据数据优先级的不同设定 了重故障、中故障、轻故障三种形式的报警。重故障指重要数据点达到了上上限、 下下限或设备出现故障等情况，提供语音报警；中故障指数据点达到上、下限， 提供闪烁功能；轻故障指需要让调度员及时了解的一般性提示信息。个别重要的 数据点出现报警时，自动弹到相应画面，以提醒调度人员。 3 实时、历史趋势显示 对所有能源数据点实现了实时趋势显示，通过点击画面中的数据点，调度人 员可了解到当前数据的变化趋势，为可能出现的情况提丽作好准备；对所有能源 数据点可显示一段时间内的历史趋势。在历史趋势画面中手工选择时间段后，这 段时自j 内的数据将以曲线形式显示出来，从而辅助调度人员进行分析工作。 4 数据处理与归档 对能源数据进行处理，在每天固定的时间归档，自动生成能源过程数据的日 报表。也可以根据需要，选择生成每班的报表及周报表等。 5 数据查询和打印 实时数据主要存在i n s o l 实时数据库中，终端和应用服务器通过调用数据库 服务器实现数据查询功能。系统设有网络打印机，调度人员可手工选择对日报表 和报警信息进行打印。 6 能源在线平衡 在单一能源介质总画面中，实时显示该种介质总发生量、放散量、总的消耗量， 为调度人员进行能源在线平衡提供支持。 1 7 第二章系统实现方案 3 2 2 能源基础管理功能 在能源管理系统中，除了实时监视现场数据、仪表状态，进行实时调度之外， 对能源历史数据进行统计、分析也具有重要的意义。编制能源计划有利于指导能源 生产，在满足生产要求的情况下尽可能减少过量生产，减少放散；能源质量管理通 过对各种能源介质成分化验，保证能源供应质量，避免不必要的事故发生；能源实 绩管理通过对比分析可以了解到企业的用能效率是否提高，与兄弟企业的能耗指标 的差距等等；能源分析管理可以挖掘出企业在哪些环节具有较大的节能潜力，通过 技术改造，降低企业能耗水平。 1 能源计划管理 “能源中心”通过查询数据库，得到生产处的产品产量计划、设备处的设备 检修计划，再根据工序能耗信息的历史值，由软件自动完成能源计划的制定。“能 源中心”用户依据权限可以完成对计划进行修改、保存、查询等操作。然后由生 产处的相关人员对计划进行审核，合格则将计划确定并保存，不合格则继续修改， 直至生产处确认为止。 2 能源质量管理 能源质量管理主要对煤气和水质进行化学成分检测的管理。内容包括检测计 划的制定、介质质量标准管理、数据查询、质量报表制定与打印等功能。由“能 源中心”制定检测计划，传给技术中心，技术中心实施监测，并把结果反馈给“能 源中心”。如果结果合格则自动存档，如果不合格则由“能源中心”的质量管理 人员进行处理，并记录处理结果。 3 能源实绩管理 能源实绩管理包括能源生产实绩管理、工序能耗定额管理、能源平衡管理三 个模块。 能源生产实绩管理模块对原始采集数据经必要的计算处理后，按指定格式、 时间自动进行报表输出。报表种类主要包括小时报、日报、月报、年报。在工序 能耗定额管理中，系统根据采集数据自动算出工序能耗，形成工序能耗表，给出 工序能耗的计划推荐值，最后由人工进行调整、确认。能源平衡管理模块用于生 成能源平衡表，平衡表的数据来自公司e r p 系统和m e s 系统，包括成本数据、产 第二章系统实现方案 品产量数据、主要技术经济指标数据、各生产工序的能源使用计量数据及其它相 关数据。按照统计周期能源平衡表分为月报表和年报表。 4 能源分析管理 主要包括能源供需计划分析、能源供需实绩分析、吨钢综合能耗分析三个部 分。能源供需计划分析指系统提供两个时问段的计划之间、一个时间段内计划与 实绩之问的对比分析功能，目的是逐步提高能源计划编制的精度。能源供需实绩 分析指系统以曲线形式提供对不同时期供需实绩的对比分析功能，并对各工序多 种能源介质的单耗量进行实绩跟踪，为用户分析能源系统实际运行状况和能源使 用状况提供帮助。吨钢综合能源分析指系统对吨钢综合能耗进行实绩跟踪，以曲 线和表格形式显示跟踪结果，以助于提高公司整体能源利用水平。 3 3 管理方面 在建设本系统的过程中，“能源中心”优化能源管理业务流程，建立与能源管 理系统一致的能源管理体制；优化调度机制，提高调度工作效率。主要的措施有： 1 将“能源中心”能源管理室和能源综合管理室合并为综合管理室；增设能 源调度室，目的是提高能源计划编制和能源调度管理的工作效率。 科室的重组更加明确了不同科室的责任，提高工作效率。 2 调度由原来在“能源中心”办公改为在能源调度大厅办公，调度大厅里按 专业设置三个调度台( 供水、燃气、动力) 和一个工程师站。由于每个专业调度台都 可以看到其他专业的能源状况，通过对调度人员“一专多能”的培训，可以减少调 度人员配置，从而可为企业节省人工成本。 3 在“能源中心”综合管理室增设一名统计员，完善能源基本管理中的统计 工作。 4 完善能源基本管理的一些规章制度。 如在能源质量管理中，没有明确的能源监测计划，且原监测方法存在周期长、 监测结果滞后的缺点，通过本系统的建设，明确了能源监视计划的制定部门、内容、 业务流程等，从而提高了企业能源质量管理水平。 5 对相关人员进行培训，提高能源管理人员的业务水平。 1 9 第三章系统实现方案 对有关能源管理人员进行培训，使他们更加了解系统，从而有利于更好地发挥 系统的作用。 第四章系统设计与功能实现 第四章系统设计与功能实现 系统设计总体原则 1 充分考虑系统的可扩展性，在可预见的一段时期内，能够通过对本系统的 扩展，满足公司生产管理的变化对能源的监视、调度和管理的需要。 2 根据能源生产工艺要求和控制要求，采用当今成熟的新技术、新设备、新 成果，使系统具有适用性，可靠性和可维护性。 3 为了保证能源供需数据的j 下确和完整，达到能源供需平衡调度管理和能源 计量管理的目的，在系统的建设当中对能源计量给予足够的重视。 4 1 系统架构 本系统所要管理的能源介质分为燃气、动力、供水三大类，系统的架构如图4 1 所示。其中燃气系统包括的能源介质有高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、蒸汽( 包 括一、二期发电) ；动力系统包括氧、氮、氩、压缩空气；供水系统包括新水、浊 环水、净环水、软化水等。支撑系统包括数据采集网络及设备、服务器硬件设备以 及整个系统的软件等。能源管理和决策主要是指能源监视功能和能源基础管理的功 能。 图4 - 1 系统架构 2 l 第四章系统设计与功能实现 4 2 网络结构设计 本系统采用工业以太网和中央标准以太网的两层结构。工业以太网用于实现能 源数据采集。中央标准以太网用于连接操作站、技术管理站、实时数据库服务器、 数据库服务器、报警趋势服务器、应用服务器、工程师站、g p s 服务器、网络打印 机，以实现能源的集中管理。 在中央标准以太网中，经过以下分析，本系统采用了c s 的网络结构。 4 2 1 两层c s 结构分析 8 0 年代中后期，随着数据库技术和局域网技术的发展，客户机服务器结构 ( c l i e n t s