能源管理系统集成技术研究

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摘要：本文通过介绍宁波钢铁有限公司能源管理系统的框架结构以及各个部分的功能，概括了能源管理系统中系统集成技术的实现，同时总结了能源管理系统实施过程需要注意的事项。

Abstract：In this paper, the realization of the system integration technology in the energy management system has been summarized by introducing the structural framework and functions of each part of the energy management system of Ningbo Iron & Steel Co.Things on which attention has to be paid during the implementation of energy management system are also summarized.

关键词：能源管理系统 EMS 系统集成

Key word: Energy Management System EMS System integration technology

中图分类号：F206文献标识码： A

0 引言

众所周知，钢铁企业一直是典型的能耗大户，在当今提倡节能降耗、低碳经济的时代，能耗是一个备受世人关注的问题。国务院最近提出了淘汰钢铁企业落后产能的计划，而且指标明确，措施严厉；同时征收碳税的计划也在紧锣密鼓的进行，所以钢铁企业能耗的高低关乎一个钢铁企业的生死存亡。我国国民经济总能耗中，约10 %消耗在钢铁生产中，达2~2.5亿多吨标煤/年，节能潜力是很大的。另一方面，在国内现代大型钢铁联合企业生产成本中，节能较差的其能耗占生产总成本的30~40 % ，吨钢综合能耗高达900公斤标煤/吨钢，吨钢耗水8~9吨，焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)放散率高至10~20 %，转炉煤气(LDG)回收率仅为60~70 Nm3/吨钢。而在国内外一些拥有能源管理系统的大型钢铁厂中，由于高度集中的进行遥控、遥测操作、动态平衡调整和事故处理，大大提高了钢铁厂二次能源的利用率，能耗可降低至总成本的21~23 %，吨钢综合能耗降至≤700公斤标煤/吨钢，COG、BFG放散率0 %，LDG回收率为110Nm3/吨钢。在钢铁厂建立能源管理系统，能够对能源介质的加工、调整、输送，进行集中在线控制、管理，充分利用钢铁厂的二次能源，大大降低钢铁生产过程中的能源消耗，使吨钢综合能耗大大降低。所以一个现代化的钢铁企业建立一套有效的能源管理系统是钢铁企业经营管理从粗放式到精细化的关键的一步，是实现节能降耗、降低成本、提高效益的必要措施。

能源管理系统，即Energy Management System（下称EMS）的建立，不仅对能源的统一调度、优化煤气平衡、减少煤气放散、提高环保质量、降低吨钢能耗和提高劳动生产率有重要作用，而且对于事故预案的制定和执行、事故原因的快速分析和及时判断处理、能源供需的合理调整和平衡以及在客观信息基础上的能源实绩分析、能源计划编制、能源质量管理、能源系统的预测等都是十分有效的。EMS系统功能框架图如下：

图1EMS系统功能框架图

1 EMS组成框架

一般钢铁企业信息化建设会将信息系统与控制系统分为四级：其中L4为企业资源计划系统(ERP- Enterprise Resourse Planning)；L3为分厂(车间)生产制造执行系统(MES)；L2为过程控制系统PCS(Process Control System)；L1为基础自动化系统，其中L4的ERP负责企业的经营决策和生产规划；L3的MES负责企业生产调度和系统过程优化；L2及L1负责生产过程控制。

由于能源管理系统关系到全公司的能源介质管理和各分厂能源成本分析，与各个分厂都有联系，所以设计就把L2、L3综合到一起，形成综合的能源管理系统，而整个能源管理系统中又包含在线能源管理系统和离线管理系统，其中在线管理系统和基础自动化系统进行信号交接，采样现场的各种生产工序过程信号；供生产、能源调度人员进行监视生产运行状况和生产调度、能源调度；取自现场的信号同时在线管理系统中进行定时归档，并形成报表，离线管理系统每日到在线管理系统中读取相应的数据，然后归档到数据库中供各个用户调用；离线管理系统对各种能源介质数据进行统计并通过防火墙和ERP系统进行连接，系统框图如图2：

图2EMS系统功能框架图

2能源管理系统硬件、软件构成

2.1能源管理系统硬件构成

由于现在的PLC系统基本上都可以实现工业因特网通讯，所以宁波钢铁能源管理系统采用用光纤链路组成的工业以太网和中央以太网混合的结构。整个网络都是100M的速度。

中央以太网设置两台Cisco公司的Catalyst 2950交换机来担当核心交换任务，用于连接实时数据服务器、操作站、技术管理站、数据库服务器、应用服务器。总降变电所综保自动化系统的通讯服务器和区域变电所综保自动化系统的通讯服务器也连在中央以太网上。

共有以下设备将直接挂在中央以太网上：

4台数据采集服务器（原设计，现在已经增加到7台数据服务器，其中1台专门用于数据归档管理）。

1台应用服务器（离线管理系统，用来对数据的查询）。

1台数据库服务器（离线管理系统）。

1台工程师操作站 （用于更新信号采集站程序）。

动力系统的3台操作站（用于动力调度人员监视动力能源介质使用情况以及对动力供应设备进行运行方式变换的操作）。

电力系统的2台操作站（用于电力调度人员监视电力负荷情况以及对供电设备方式进行变换的操作）。

给排水系统的2台操作站（用于给排水调度人员监视各循环水站运转情况以及对部分循环水站运行方式变换的操作）。

总值班长的1台操作站（用值班调度长监控各能源介质使用情况）。

巡检班的3台操作站（用于巡检人员监视能源介质输送设备运转情况）。

管理用计算机4台 （用于管理人员对离线能源管理系统的数据进行查询）。

GPS服务器（用于同步各计算机的时间）。

网络打印机 （用于打印各种各种能源介质使用情况报表）。

工业以太网采用西门子工业级交换机OSM，用于连接所有现场设备（PLC、通讯计算机）、能中实时数据服务器。制氧PC机服务器也连在工业以太网上，并从制氧DCS取得数据和设备状态。EMS网络结构示意图见图3：

操作站采用HP Compaq Business Desktop d530 立卧可转换微型立式台式机, Intel Pentium 4, CPU 2.4G, 内存：512M RAM, 硬盘：40G，21”CRT。

数据服务器采用COMPAQ ML570R02 X2.8-2M 2P PRC 机架式服务器，2CPU，Intel Xeon MP 2.8G处理器，集成1MB三级缓存。3G RAM, 硬盘：72G×4。

应用服务器采用COMPAQ ML570R02 X2.8-2M 2P PRC 机架式服务器，2CPU，Intel Xeon MP 2.8G处理器，集成1MB三级缓存。5G RAM, 硬盘：72G×4。

数据库服务器采用COMPAQ ML570R02 X2.8-2M 2P PRC 机架式服务器，2CPU，Intel Xeon MP 2.8G处理器，集成1MB三级缓存。5G RAM, 硬盘：72G×8。

2.1能源管理系统软件构成

2.1.1系统软件：

1） PLC组态软件：Step7 V5.4;

2） 画面组态软件：Citect V5.42

Plant2business

3） 数据库： Oracle9i（25用户）

Oracle9i Application Server for WIN2000

Oracle Internet Developer Suite

Oracle9i Programer

Oracle9i Partition

4） 编程软件： MS

2.1.2 软件结构如下图：

图4软件结构图

3能源管理系统功能分担

3.1 数据采集站

根据地理分布的特点，整个系统的信号分布在全厂各个角落，利用现场采集站，远程I/O站、通讯等手段收集数据。供配电部分通过变电所的综保自动化系统交换数据, 通讯协议为DNP3.0 For Ethernet。与焦化厂的通讯是通过网关与PLC交换数据，通讯协议为OPC。焦化侧为OPC Server，EMS侧为OPC Client。制氧厂DCS是通过福克斯波罗提供的PC机服务器交换数据。通讯协议为OPC。制氧侧为OPC Server，EMS侧为OPC Client。其余采集站采用PLC来完成数据的采集。除数据的采集外，PLC还完成联锁控制、顺序控制、时序控制、闭环回路控制、算术运算、接口通讯、数据处理等功能。

3.2 实时数据服务器

四台实时数据服务器分别挂在两个Cisco Catalyst 2950交换机上。在功能上实时数据服务器分为两组。每组一台为主，一台备用。第一组用于供配电系统， 第二组用于动力和水系统，第三组用于五丰塘新厂区。在实时数据采集服务器上装有Windows 2000/2003 Server中文版、Citect 15000 点I/O Server FULL许可证、Plant2Business Server 许可证(无限点)和Oracle Connector（数据库连接器）。这些服务器完成与现场所有的PLC设备的通讯，进行数据采集。在这些服务器内完成中间量计算、累积量计算、趋势、报警、数据短时归档、向数据库站传送数据等功能，并保存有信息记录、操作记录。数据保存的时间为1个月。对于需要长时归档的数据，送到数据库站。

3.3 操作站

在控制室大厅配有8台Citect显示客户机，作为整个系统的操作站，对有关的能源数据和设备进行监控。这8台操作站分为电力系统2台、水道系统2台、动力系统3台、总调1台。在操作站上装有Windows 2000 Professional 中文版和Citect 15000 点显示客户机许可证。这些操作站完成潮流监视、设备状态显示、操作画面，信息显示、实时曲线、参数设定、语音报警等功能。在操作站上还可进行数据查询、报表查询、报表打印等工作。

3.4 应用服务器

在应用服务器上装有Windows 2000 Advanced Server 中文版和Microsoft 中文版。在该服务器上运行有管理类的应用软件。包括数据查询、报表查询和打印、预测等应用软件。该服务器还作为Web Server用。在技术组、计划组和巡检组的终端上可通过Web方式浏览过程画面和过程曲线，并可进行数据查询、报表查询、报表打印。

3.5 数据库服务器

数据库服务器采用ORACLE数据库用以存储长时归档数据，在数据库服务器上安装有Oracle 9i 数据库(25用户) 。该服务器完成数据的长时归档、数据压缩、数据备份、与ERP的数据交换。与ERP的数据交换采用中冠的DI Client。归档数据从实时数据服务器送到数据库服务器。在实时数据服务器内对数据先进行初步运算和整理。如对流量的积算、电量的累积等。

3.6 技术组、计划组、巡检组计算机

技术组、计划组、巡检组计算机上运行有操作站上同样的软件，但不允许进行设备操作。主要用于完成潮流监视、设备运行状态监视、曲线查询、数据查询、统计报表查询和打印等功能。

4 结论

由于PLC系统的发展，现在各种PLC系统都具有因特网通讯功能，所以使得企业级能源管理系统集成及生产制造执行系统集成等变得容易实现，各个分厂的控制系统挂到统一的工业因特网上，用光纤链路组成一个大型的环网，由专门的数据采集站进行信号采集，统一管理。同时由于计算机硬件及相关数据管理软件的快速发展，使得大型联合企业生产过程中上万点的现场信号能够迅速方便高效的进行管理。

但是，大型网络的建立就意味着巨大的网络风险，在建立环网的时候要格外注意设置网络断点，否则将会产生严重的网络风暴，导致网络中所有的通讯受到影响，从而影响到各个生产工序的状态监视，有可能导致严重的后果。还有就是网络中任何一台计算机中毒都会导致病毒迅速扩散，蔓延到整个网络。所以在这种大型系统集成实施过程中，要格外重视两点：一）在组网的时候要注意避免网络中不小心组成了小的环网，导致网络通讯中断，在大网闭环的时候注意设置断点；二）各个操作及管理站的计算机要避免使用各种外来存储介质，防止计算机中毒；同时，有条件的话，将计算机安装杀毒软件并定期更新病毒库。

参考文献

[1] 西门子公司《STEP 7 V5.4 编程手册》2007年8月版

[2] 悉雅特有限公司 《CITECT组态培训手册 V5.4》 2002年4月版

[3] 悉雅特有限公司 《CitectSCADA5.5技术概要(中文版)》

[4] 悉雅特有限公司 《Plant2Business 技术概要(中文)》

[5] 黄河等编著 《Oracle 9i for Windows NT/2000 数据库培训教程》（基础篇）清华大学出版社 2002年9月

[6] 汤涛 等编著 《.NET企业级应用程序开发教程》 清华大学出版社 2005年9月

[7] 高远飙 刘仁金 《ERP与MES集成技术及其应用研究》 来源：万方数据

[8] 上海宝信软件股份有限公司 《宁波钢铁有限公司全厂能源管理中心软件基本设计书》 2003年10月