能源管理系統(tǒng)在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用

景 婧

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003）

軋鋼廠智能化升級(jí)改造后，全線配備自動(dòng)化L1、L2 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全面的數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控?；贠racle 關(guān)系數(shù)據(jù)庫和Visual studio 軟件平臺(tái)的軋線過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)，為能源管理系統(tǒng)的建立提供了硬件支持。根據(jù)廠里實(shí)際情況，現(xiàn)自主開發(fā)了能源管理系統(tǒng)，通過科學(xué)的數(shù)據(jù)采樣、準(zhǔn)確的自動(dòng)讀取、可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸智能統(tǒng)計(jì)分析建立完善的能源管理平臺(tái)，提高了企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，促進(jìn)了節(jié)能增效，為企業(yè)指導(dǎo)生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理提供有力的技術(shù)和信息保障。

1 存在問題

能源管理系統(tǒng)建立前，軋鋼廠能源計(jì)量體系包括22 塊電能表、8 塊水流量計(jì)、4 個(gè)煤氣流量計(jì)以及氮?dú)?、蒸汽、壓縮空氣等若干公司管網(wǎng)結(jié)算表，其能源計(jì)量與分析存在數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)處理與信息發(fā)布不及時(shí)等問題，具體體現(xiàn)在：

1）數(shù)據(jù)采集方面。自1992 年建廠以來，一直采用交接班時(shí)刻進(jìn)行人工抄表模式，這一方法效率低，只能提供各能源介質(zhì)的班消耗量，對(duì)于某些特殊時(shí)刻和特殊設(shè)備的消耗量不能做精確統(tǒng)計(jì)；由于每班抄表時(shí)間不統(tǒng)一，容易出現(xiàn)能源數(shù)據(jù)虛報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象，使得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性無法保證。

2）數(shù)據(jù)分析方面。每月對(duì)電、煤氣、水等能源介質(zhì)的使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成的報(bào)告均是基于人工抄表所采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源缺乏準(zhǔn)確性和全面性；鑒于有限的數(shù)據(jù)量，只能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步、籠統(tǒng)的分析，廠內(nèi)產(chǎn)品品種多，規(guī)格有Φ5.5～Φ120 mm 不等，鋼種多達(dá)百余種，能源成本相差較大；對(duì)于批量少、班中多次倒規(guī)格的情形，無法得到鋼種產(chǎn)品詳細(xì)的能源信息，使得這類產(chǎn)品的能源成本一項(xiàng)成為空白，只能依靠經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行估算。

3）信息發(fā)布方面。延遲性和非連續(xù)性都是人工發(fā)布能效信息的主要問題。目前，各類報(bào)表均由人工填寫、計(jì)算，其中生產(chǎn)日?qǐng)?bào)表由生產(chǎn)科根據(jù)前一天軋制的三個(gè)班組的熱軋記錄表情況計(jì)算出各產(chǎn)品產(chǎn)量、作業(yè)效率等，報(bào)表在第二天才以O(shè)A 的形式下發(fā)給相關(guān)人員，如果遇到雙休日或長(zhǎng)假，只能等到節(jié)后第一個(gè)工作日才能出報(bào)表，時(shí)效性受到極大影響。

因此，構(gòu)建信息化能源管理系統(tǒng)，利用現(xiàn)代化的管理手段對(duì)能源介質(zhì)進(jìn)行科學(xué)管控，有效降低企業(yè)能源使用成本，實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益的最大化迫在眉睫。

2 能源管理系統(tǒng)的建立

信息化能源管理系統(tǒng)主要的服務(wù)對(duì)象為生產(chǎn)過程中所涉及到的水、電、氣等各種能源介質(zhì)，該系統(tǒng)由管理層、處理層和采集層三部分組成，如圖1 所示。數(shù)據(jù)采集層主要由現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x器儀表、串口轉(zhuǎn)換器、通訊協(xié)議、服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成。

圖1 信息化能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層的主要功能是與底層計(jì)量?jī)x器儀表進(jìn)行通信，獲取并存儲(chǔ)采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。程序啟動(dòng)后，從數(shù)據(jù)庫中提取通訊配置信息，經(jīng)編碼后與相應(yīng)IP 地址的PLC 進(jìn)行Socket 通訊[1]。廠內(nèi)電能表多是早期安裝的單RS-485 串口電能表，而服務(wù)器為以太網(wǎng)口，不能與電表直接進(jìn)行信息交互。因此將全廠電能表數(shù)據(jù)通過RS-485 通訊協(xié)議集中采集至串口轉(zhuǎn)換器后進(jìn)行傳輸。然后利用串口轉(zhuǎn)換器將通訊方式轉(zhuǎn)換為Modbus TCP 采集至電表PLC 中。加熱爐煤氣流量為加熱爐燃燒控制的參數(shù)，通過對(duì)其瞬時(shí)值累積計(jì)算得到煤氣消耗量，同理可得到理濁環(huán)水流量等能源參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理層

能源數(shù)據(jù)處理層是能源管理系統(tǒng)的核心，其按需求收集能源數(shù)據(jù)，并通過科學(xué)的計(jì)算方法得出準(zhǔn)確、及時(shí)的數(shù)據(jù)。管理系統(tǒng)制定了各種常規(guī)報(bào)表，包括能源日?qǐng)?bào)表、生產(chǎn)日?qǐng)?bào)表、熱軋班報(bào)表等來綜合體現(xiàn)企業(yè)能源消耗情況。

2.2.1 數(shù)據(jù)請(qǐng)求及發(fā)送

數(shù)據(jù)庫與各單體設(shè)備的通訊以管理系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求和設(shè)備自主發(fā)送請(qǐng)求兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。梳理各專業(yè)對(duì)能源的需求，共有以下幾類：

1）在每天0 點(diǎn)、8 點(diǎn)及16 點(diǎn)交接班時(shí)刻，系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求至電表PLC 和主軋線PLC，請(qǐng)求代碼為“1”，隨后電表PLC 和主軋線PLC 分別將電、水、煤氣、氮?dú)獾扔?jì)量數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫。加熱爐出爐的鋼坯批次號(hào)和鋼種進(jìn)行更換時(shí)，分別發(fā)送請(qǐng)求代碼“2”和“4”。

2）固熔爐、電退火爐、1 號(hào)臺(tái)車爐、2 號(hào)臺(tái)車爐在設(shè)備啟、停時(shí)刻觸發(fā)電表PLC，其可直接將計(jì)量數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)，不需要請(qǐng)求電文。

3）對(duì)于主軋線啟、停則由主軋線PLC 發(fā)送啟、停觸發(fā)事件給管理系統(tǒng)，然后系統(tǒng)再將相應(yīng)請(qǐng)求代碼發(fā)送給電表PLC 和主軋線PLC，進(jìn)而獲得計(jì)量數(shù)據(jù)。

收集到的各請(qǐng)求代碼下的數(shù)據(jù)如圖2 所示，對(duì)于代碼Request_type=“1”“2”“4”數(shù)據(jù)，在接收到電文時(shí)刻，將其與最近時(shí)刻收到的同代碼電文作差便得到了不同班組、鋼種和軋批號(hào)生產(chǎn)時(shí)的能源消耗情況。其余各設(shè)備未收到停止電文時(shí)，查找最近一次的啟動(dòng)信號(hào)，從而得到每爐鋼、軋線檢查調(diào)整、檢修等時(shí)刻的能源消耗，記錄在Res_Electricity 表中待用。

圖2 能源數(shù)據(jù)基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)表Res_Electricity 局部

2.2.2 報(bào)表配置

根據(jù)實(shí)際需求制作了各類報(bào)表，這些報(bào)表所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包括時(shí)間、組織結(jié)構(gòu)、能源介質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)。在每天交接班時(shí)刻系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成班報(bào)表Res_shift_wgt 和熱軋記錄表Res_roll_record，通過建立視圖，將生產(chǎn)信息Res_roll_record、Res_shift_wgt與能源信息Res_material 記錄表對(duì)接，可以得到各鋼種、批次、班組準(zhǔn)確的噸鋼能耗情況。同理，每天零點(diǎn)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成生產(chǎn)日?qǐng)?bào)表Res_daily_wgt、能源日?qǐng)?bào)表，通過視圖方式可得到當(dāng)天準(zhǔn)確的噸鋼能耗情況。

退火爐噸鋼熱處理能源消耗情況利用Res_Electricity 中請(qǐng)求類型來區(qū)分各爐體信息，在收到信息時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)處理并填寫在熱處理表格Res_fur_treatment 中，該表格詳細(xì)記錄了每爐次的點(diǎn)停爐時(shí)間、點(diǎn)停爐電耗、退火時(shí)長(zhǎng)及能源消耗情況。當(dāng)完成退火工序后，MES 系統(tǒng)發(fā)送退火實(shí)績(jī)，更新每卷/捆物料狀態(tài)，進(jìn)而系統(tǒng)可以結(jié)合熱處理表格完成噸鋼退火能耗情況。

2.3 數(shù)據(jù)管理層

能源管理層主要基于數(shù)據(jù)處理層來對(duì)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，從而得出具有指導(dǎo)意義的結(jié)論，其功能主要包括能耗分析和實(shí)績(jī)管理。

2.3.1 能耗分析

能耗分析模塊是能源管理的核心，其實(shí)質(zhì)就是分析企業(yè)能源消耗的特點(diǎn)，確定節(jié)能降本的方向。系統(tǒng)使用報(bào)表配置工具替代了傳統(tǒng)的人工抄表、制作報(bào)表的模式，并將采集得到的綜合數(shù)據(jù)在全廠范圍內(nèi)進(jìn)行能耗指標(biāo)的計(jì)算分析，通過與行業(yè)平均水平或廠內(nèi)歷史最優(yōu)水平進(jìn)行對(duì)比分析，能夠發(fā)現(xiàn)能耗指標(biāo)差距較大的環(huán)節(jié)，挖掘節(jié)能潛力。借助報(bào)表平臺(tái)，可以詳細(xì)、準(zhǔn)確地計(jì)算出全部鋼種、批次、班組啟停車間的能源消耗情況，進(jìn)而確定每一產(chǎn)品品種的能源成本，為成本核算提供可靠數(shù)據(jù)支撐[2]。各職能科室通過分析能源信息、參考?xì)v史實(shí)績(jī)、對(duì)比實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)的設(shè)定，確定各生產(chǎn)工序的能耗績(jī)效指標(biāo)。

2.3.2 實(shí)績(jī)管理

實(shí)績(jī)管理主要用于管理來自能源處理層所計(jì)算的各種能源介質(zhì)統(tǒng)計(jì)量，基于Visual studio 開發(fā)的交互界面，提供能源實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)的綜合查詢與維護(hù)管理?？梢詫?shí)現(xiàn)按鋼種、軋批號(hào)、工序及不同時(shí)間段的水、電、煤氣等能源數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與統(tǒng)計(jì)，并可以以報(bào)表形式或EXCEL 列表形式導(dǎo)出，或?qū)⑿畔⒁詧D表或者曲線形式表達(dá)出來。通過對(duì)比分析、查詢不同工序各種能源介質(zhì)的偏差量，進(jìn)而確定造成能耗偏差的機(jī)組、時(shí)段，而后通過優(yōu)化工藝和設(shè)備控制方式來消除偏差。

3 結(jié)語

能源管理系統(tǒng)的建立，取代了20 多年人工抄表的工作模式，自動(dòng)采集使得能源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、更及時(shí)、更全面。基于數(shù)據(jù)處理層可以對(duì)廠內(nèi)全部產(chǎn)品按規(guī)格、鋼種、批次、工藝等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，滿足了小批量產(chǎn)品的成本統(tǒng)計(jì)需求。報(bào)表自動(dòng)生成可實(shí)現(xiàn)按需查詢和導(dǎo)出，免去時(shí)效影響。此外，通過實(shí)績(jī)管理可以發(fā)現(xiàn)不合理的用能設(shè)備或工藝，明確節(jié)能方向，有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施，將能源管理由節(jié)能定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治?。利用信息化手段可不斷加?qiáng)能源的使用管理，提高能源使用效率，促進(jìn)節(jié)能增效，最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的提升。