摘要: 水泥企業(yè)是我國高能耗行業(yè)之一，一直是政府推進(jìn)節(jié)能減排工作的控制對象。建立企業(yè)能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)從能源因素采集、過程監(jiān)控、能耗管理控制全過程的自動化、科學(xué)化管理。加大能源的合理化使用，減少能源消耗，對水泥企業(yè)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞:能源管理 能源因素 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)架構(gòu)

1 概述

水泥企業(yè)是我罔高能耗行業(yè)之一，一直是政府推進(jìn)節(jié)能減排工作的控制對象。水泥生產(chǎn)對能驚的依賴度很高，其能源消費占生產(chǎn)戚本費用比例達(dá)40%-60%，占全同能源消耗總量的7%-8%。建設(shè)集中統(tǒng)一的能源管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對能源數(shù)據(jù)進(jìn)行在線采集、計算、分析及處理，從而對能源物料平衡、調(diào)度與優(yōu)化、能源設(shè)備運行與管理等方面迸行優(yōu)化整合。加大能源的合理化使用，減少能源消耗，達(dá)到提高能源使用效率的作用，對實現(xiàn)水泥企業(yè)節(jié)能減排發(fā)揮著重要的作用。

對于水泥企業(yè)的發(fā)展，改造和升級現(xiàn)有的工藝水平，節(jié)能減排，減少能源的消耗，加大能源的合理化使用，構(gòu)建一個較好的能跟管理系統(tǒng)成為絕大多數(shù)水泥企業(yè)所共同面對的問題。

近幾年，我國發(fā)布了GB/T22336 2008《企業(yè)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系編制通則》和GB/T23331 -2009《能源管理體系要求》，為水泥行業(yè)建立能源管理體系、發(fā)展低碳經(jīng)濟、實現(xiàn)綠色生產(chǎn)指明了方向。其主要功能是通過在企業(yè)范圍內(nèi)建立能源管理體系，椎動企業(yè)資源綜合利用、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，實現(xiàn)企業(yè)清潔生產(chǎn)，并以技術(shù)開發(fā)與創(chuàng)新保持企業(yè)持續(xù)改進(jìn)，終使企業(yè)達(dá)到降低成本、節(jié)能減排，打造綠色生產(chǎn)企業(yè)的目標(biāo)。

2 水泥生產(chǎn)工藝中的能源消耗

水泥生產(chǎn)是一項大型的復(fù)雜的生產(chǎn)過程，其中包含眾多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在水泥生產(chǎn)的各個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，綜合能耗由兩部分組成。一個是水泥的綜合煤耗，另一個是水泥的綜合電耗。能源消耗的起始環(huán)節(jié)是原料入廠，過程為整個水泥的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。水泥生產(chǎn)綜合能耗的構(gòu)成，分別包括了原料破碎及均化、制備生料、對生料進(jìn)行均化、預(yù)熱分解、燒制熟料、水泥粉磨、水泥的包裝的能耗以及其他能耗。水泥綜合能耗的構(gòu)成如圖1。

3 能源因素識別

  能源管理系統(tǒng)應(yīng)用是以降低能源、悄耗、提高能源利用效率為目的，能源因素的識別、分析和控制是能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心。能源管理系統(tǒng)運行的主線是能源控制（運行過程控制），而基礎(chǔ)是能源因素的識別和分析。 能源因素與企業(yè)生產(chǎn)工藝密切相關(guān)。依據(jù)生產(chǎn)工藝特點，識別各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中影響能耗的能源因素，分析能源因素的影響程度，識別可控因素，對可控能源因素實施運行控制。影響水泥生產(chǎn)能耗的能源因素主要存在以下生產(chǎn)環(huán)節(jié)中：

(1）生料磨機生料制備過程中的能源因素：包括原料的易磨性、入磨原料粒度、入磨原料的水分，生料／燃料細(xì)度等；

(2）煤磨煤粉制備過程中的能源因素：包括燃煤的易磨性、人磨燃料粒度、入磨燃料的水分；

(3）回轉(zhuǎn)窯熟料燒成過程的能源因素：生料的易燒性、生料率值、人窯生料成分、入窯生料水分、燃料種類、燃料熱值、生產(chǎn)線規(guī)模；

(4）水泥粉磨過程中的能源因素：熟料性能、混合材的品種和摻加量、原料水分、磨機型式（球磨機系統(tǒng)、輥壓機預(yù)粉磨系統(tǒng)、輥磨終粉磨系統(tǒng)）、水泥成品的細(xì)度等；

(5）工藝設(shè)備及操作有關(guān)的能源因素：窯頭和窯尾燃燒器、窯尾預(yù)熱器分解爐系統(tǒng)、窯頭冷卻機運行操作水平，余熱回收、系統(tǒng)漏風(fēng)、裝備水平及設(shè)備戰(zhàn)障等。

另外，電力無功損耗、能源種類、質(zhì)量和配比及能源調(diào)度的合理性也是影響水泥生產(chǎn)能耗的主要能源因素。

4 能源管理系統(tǒng)功能

能源管理系統(tǒng)EMS(Energy management system）是企業(yè)信息化系統(tǒng)的重要組成部分，企業(yè)希望能夠采用自動化、信息化技術(shù)建立能源管理系統(tǒng)，對可控能源因素進(jìn)行分析、采集、加工、處理，實現(xiàn)從能源因素采集、過程監(jiān)控、能源消耗分析、能耗管理控制等全過程的自動化、科學(xué)化管理。從而使能源設(shè)備、能源計劃、能源平衡、能源實績、能源預(yù)測有機結(jié)合起來，使之能修運用數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線生產(chǎn)分析與管理。有效利用能源、降低能源消耗、提高環(huán)境質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能降耗、提升企業(yè)整體能源管理水平的目的。實現(xiàn)能源協(xié)調(diào)控制管理、能源、實績分析管理、能源指標(biāo)計劃管理、能量平衡運行管理、在線預(yù)測分析等功能。能源管理系統(tǒng)主要功能見圖2。

5 能源管理系統(tǒng)方案設(shè)計

目前，能源管理系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用研發(fā)，已由專家系統(tǒng)轉(zhuǎn)型為結(jié)合基于模型的控制方向發(fā)展。在實現(xiàn)自動化操作的同時，完成對操作的優(yōu)化。通過完善能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫端，實現(xiàn)系統(tǒng)對能源信息數(shù)據(jù)的分析、管理和控制。

5.1設(shè)計原則

（1）規(guī)范能源管理系統(tǒng)的自動化系統(tǒng)設(shè)計：

（2）實現(xiàn)對能源系統(tǒng)采用分散控制和集中管理；

（3）完善能源信息的采集、儲存、管理和利用；

（4）優(yōu)化能源管理流程．建立能源管理評價體系；

（5）建立能源、調(diào)度和平衡指揮系統(tǒng)．節(jié)約能源和降低生產(chǎn)消耗；

（6）加快能源系統(tǒng)的故障和異常處理，提高對全廠性能源事故的反應(yīng)能力。

5.2 設(shè)計內(nèi)容

能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能是對數(shù)據(jù)的采集、分類、匯總，對大量的能源信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過能源管理系統(tǒng)加以規(guī)劃、預(yù)測、分析，能源數(shù)據(jù)（包括統(tǒng)計數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)）被實時集中和報告，給出能源消耗的統(tǒng)計結(jié)果、預(yù)測結(jié)果及能源消耗的發(fā)展趨勢。

以數(shù)據(jù)查詢表、數(shù)據(jù)比例圖、歷史曲線圖及預(yù)測趨勢圖等直觀的方式，快速的反應(yīng)到顯示屏上。顯示能源量在各個工位的分布情況，據(jù)此提供給企業(yè)*或管理部門進(jìn)行協(xié)調(diào)計劃、管理控制。促進(jìn)企業(yè)節(jié)能降耗，能源、管理科學(xué)化。實現(xiàn)能源協(xié)調(diào)控制管理、能源、實績分析管理、能源指標(biāo)計劃管理、能量平衡運行管理、在線預(yù)測分析等。能源管理系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容涵蓋以下子系統(tǒng)：

(1）能源管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及軟硬件平臺系統(tǒng)；

(2）能源系統(tǒng)各站點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

(3）設(shè)備冗余、安全檢測系統(tǒng)；

(4）數(shù)據(jù)存儲及分析系統(tǒng)；

(5）人機界面及大屏幕顯示系統(tǒng)。

6 能源管理系統(tǒng)實施

6.1 系統(tǒng)架構(gòu)

典型能源管理系統(tǒng)架構(gòu)包括用戶層、表現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)通訊層、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集層六級物理結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。

基于基礎(chǔ)自動化向信息化建設(shè)發(fā)展的原則，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通訊、實時數(shù)據(jù)庫和Client/Server技術(shù)及SCADA綜合管理平臺軟件，建立一套符合水泥企業(yè)管理應(yīng)用功能的、以SCADA系統(tǒng)為核心的能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)在線的數(shù)據(jù)監(jiān)視、工藝操作和實時的能源管理功能并對外提供接口。采用SCADA軟件建立I/O Server實時數(shù)據(jù)服務(wù)器功能，并與關(guān)系數(shù)據(jù)庫建立通訊，通過在線數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)動態(tài)流程圖、參數(shù)表、趨勢曲線等監(jiān)控功能。

作為一種體系結(jié)構(gòu),具特點是通過能夠發(fā)揮雙邊非軟件環(huán)境的長處．把工作有序安排到客戶端和服務(wù)器端來完成，減輕了整個系統(tǒng)信息傳遞的負(fù)擔(dān)。

在客戶機端，用戶根據(jù)自己的定義與需求，使用客戶端的應(yīng)用程序，完成自己的操作。然后由客戶端應(yīng)用程序向服務(wù)器端發(fā)送請求。通過服務(wù)器端的應(yīng)用程序?qū)?/span>自不同客戶端的所提交的請求進(jìn)行響應(yīng)。此時根據(jù)服務(wù)器配置的不同和服務(wù)器端應(yīng)用程序設(shè)計的不同，可以進(jìn)行不同的處理模式。 允許同時處理多個客戶端方向所發(fā)送來的請求。大大地提高客戶端與服務(wù)器端之間的響應(yīng)速度，對于數(shù)據(jù)與命令傳邊更加快速與及時。

6.2 數(shù)據(jù)采集

構(gòu)建企業(yè)能源管理系統(tǒng)，先要考慮能源信息的采集工作，將水泥生產(chǎn)過程中大量繁雜的能源信 息數(shù)據(jù)，加以歸納和分類。將其對應(yīng)于不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，方便于我們的采集。然后，根據(jù)能耗分組表中所規(guī)劃的能源消耗點，將分布在各個車間和重要環(huán)節(jié)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時采集并處理，通過相關(guān)接口將這些數(shù)據(jù)保存到DCS控制系統(tǒng)中，供能源管理系統(tǒng)的使用。

信息采集是異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)集成過程，異構(gòu)數(shù)據(jù)集成過程實施分為兩步：先進(jìn)行生產(chǎn)能耗裝置實時能源數(shù)據(jù)采集，即設(shè)計分布式控制系統(tǒng)（DCS）、FCS、可編程控制器（PLC）等自動化系統(tǒng)到實時數(shù)據(jù)庫的接口程序,將實時采集到的能源數(shù)據(jù)整合到實時數(shù)據(jù)庫中。這些數(shù)據(jù)主要包含了生產(chǎn)線上反映能源的消耗 、能源的交換和能源的損耗信息，以及主要設(shè)備的電耗等。這些信息大部分通過OPC(OLE for Process Control）、DDE (Dynamic Data Exchange）等接口從DCS、FCS、PLC等自動化系統(tǒng)中直接獲得。是異構(gòu)數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)了自動數(shù)據(jù)的連接與共享，保持了數(shù)據(jù)的實時性。

其后，將收集的能源、消耗數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥茉垂芾硐到y(tǒng)中進(jìn)行處理，使用戶可以直接通過界面對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相應(yīng)的操作。能源管理系統(tǒng)具備生產(chǎn)工藝流程能耗數(shù)據(jù)顯示、趨勢預(yù)測和能源信息分析等功能。可隨時按類別和時間對數(shù)據(jù)庫中的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和調(diào)用。

6.3 通訊網(wǎng)絡(luò)

采用工業(yè)級以太網(wǎng)交換機．建立分區(qū)域的冗余環(huán)網(wǎng)。實時環(huán)工業(yè)以太網(wǎng)交換機專有Real- time RingTM技術(shù)，實現(xiàn)快速容錯環(huán)網(wǎng)冗余，具有端口配置、端口鏡像、優(yōu)先級劃分等高等級網(wǎng)管功能，保證信息交換的實時性和準(zhǔn)確性。環(huán)與環(huán)之間采用耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，從而建立高可靠專有的能源數(shù)據(jù)采集通訊網(wǎng)絡(luò)。

6.4 能源管控

能服管控是一個集數(shù)據(jù)歸納分析、過程監(jiān)控、能源管理、調(diào)度平衡及分析優(yōu)化為一體的計算機信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、分析和整理，結(jié)合生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)，進(jìn)行能源管理工作。包括能源實統(tǒng)分析管理、能源質(zhì)量管理、能源平衡管理、能源預(yù)測分析、能源系統(tǒng)運行支持管理（包括任務(wù)單管理和潮流分析）等。

系統(tǒng)由I/O數(shù)據(jù)服務(wù)器、Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器和工作站組成。I/O數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)原始計量數(shù)據(jù)的實時采集、歷史壓縮存儲、二次計算和為監(jiān)控困面提供實時數(shù)據(jù)；Oracle數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)計量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的收集和存儲，作為能源計量統(tǒng)計管理數(shù)據(jù)庫；Web服務(wù)器將的實時數(shù)據(jù)檢測畫面和動態(tài)曲線以網(wǎng)頁的形式在企業(yè)網(wǎng)上發(fā)布，供相關(guān)部門網(wǎng)上在線查閱，并提供系統(tǒng)與用戶的各種人機界而。工作站上運行計量數(shù)據(jù)監(jiān)控與管理系統(tǒng)軟件，對計量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、設(shè)備管理、權(quán)限分配等。

7 安科瑞企業(yè)能源管理系統(tǒng)介紹

安科瑞企業(yè)能源管理系統(tǒng)采用自動化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，監(jiān)測企業(yè)電、水、燃?xì)狻⒄羝皦嚎s空氣等各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質(zhì)量、產(chǎn)品能源單耗、各工序能耗、重大能耗設(shè)備的能源利用情況等進(jìn)行能耗統(tǒng)計、同環(huán)比分析、能源成本分析、用能預(yù)測、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和支持。

7.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

7.2 應(yīng)用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫(yī)藥、水泥、煤炭、物流、鐵路、航空工業(yè)、木材、化學(xué)原料以及機電設(shè)備、電器產(chǎn)品、工器具制造等。

7.3 系統(tǒng)功能

7.3.1 可視化展示

展示企業(yè)各類能耗總量、折標(biāo)值、能源成本、能源消耗趨勢、分項能耗占比、區(qū)域能源消耗對比,以及當(dāng)前天氣情況、污染情況，并三維展示企業(yè)重要工藝或工段的能源消耗動態(tài)。

7.3.2 實時監(jiān)控

對企業(yè)各點位的能源使用、報警等情況進(jìn)行實時的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠?qū)崟r的監(jiān)測各個點位的運作情況，同時能更快速有效的掌握點位的報警。

7.3.3 變壓器監(jiān)控

展示各電壓器的負(fù)載情況，從而可以為變壓器配備情況進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃。通過各種運行參數(shù)狀態(tài)下用電效能的對比分析，找出較佳運行模式。根據(jù)較佳運行模式調(diào)整負(fù)載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

7.3.4 用能統(tǒng)計

從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、生產(chǎn)工藝/工段時間、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對企業(yè)用能統(tǒng)計、同比、環(huán)比分析、實績分析，折標(biāo)對比、單位產(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)值能耗統(tǒng)計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調(diào)整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

7.3.5 產(chǎn)品/產(chǎn)值單耗

與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，通過產(chǎn)品產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品單耗中生成產(chǎn)品單耗趨勢圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析。以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

7.3.6 績效分析

對各類能源使用、消耗、轉(zhuǎn)換，按班組、區(qū)域、產(chǎn)線、工段等進(jìn)行日、周、月、年、時段績效統(tǒng)計按照能源計劃或定額制定的績效指標(biāo)進(jìn)行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內(nèi)部能效水平和節(jié)能潛力。

7.3.7 能耗預(yù)測

通過對企業(yè)生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備等的能耗使用情況進(jìn)行分析，建立能耗計算模型，根據(jù)人工智能算法對數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行修正，對未來企業(yè)能耗趨勢進(jìn)行預(yù)測分析，為節(jié)能提供有效的決策依據(jù)。

7.3.8 運行監(jiān)測

系統(tǒng)對區(qū)域、工段、設(shè)備能源消耗進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測重點設(shè)備及工藝運行狀態(tài)，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統(tǒng)一次運行監(jiān)視。可直接從動態(tài)監(jiān)測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數(shù)據(jù)，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關(guān)能源用量。

7.3.9 分析報告

以年、月、日對企業(yè)的能源利用情況、線路損耗情況、設(shè)備運行情況、運維情況等進(jìn)行多方面的統(tǒng)計分析，讓用戶多方面了解系統(tǒng)的運行情況，并為用戶提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，方便用戶發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節(jié)能潛力。

7.3.10 事件報警

持續(xù)監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)運行，對通訊失敗、數(shù)據(jù)異常、定額超限、工藝參數(shù)異常越限、設(shè)備異常或故障進(jìn)行報警，提醒企業(yè)注意和查找問題，并形成報警日志。

7.3.11 移動端支持

APP支持Android、iOS操作系統(tǒng)，方便用戶按能源分類、區(qū)域、車間、工序、班組、設(shè)備等不同維度掌握企業(yè)能源消耗、效率分析、同環(huán)比分析、能耗折標(biāo)、用能預(yù)測、運行監(jiān)視、異常報警等。

7.4 現(xiàn)場設(shè)備選型

 8 結(jié)語

能源管理系統(tǒng)以降低能源消耗、提高能源利用效率為目的。信息管理和網(wǎng)絡(luò)通訊平臺是能源管理系統(tǒng)的核心，而基礎(chǔ)是能源因素的識別、數(shù)據(jù)采集和評價。能源管理系統(tǒng)通過對能耗數(shù)據(jù)分析、配以合理的節(jié)能策略及能耗監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地降低企業(yè)的生產(chǎn)能耗。能源管理系統(tǒng)應(yīng)用于水泥企業(yè)生產(chǎn)，可有效提高水泥生產(chǎn)企業(yè)能源利用效率，減少水泥的生產(chǎn)成本，提高水泥企業(yè)競爭力。水泥生產(chǎn)企業(yè)不但增加了經(jīng)濟效益，同時促進(jìn)了循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。企業(yè)實施應(yīng)用能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)企業(yè)效益與社會效益的和諧統(tǒng)一，既是企業(yè)社會責(zé)任，更是企業(yè)自身發(fā)展的內(nèi)在需求。 

參考文獻(xiàn)

[1]孫景楊，孫國洪.水泥生產(chǎn)企業(yè)能源管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與選型手冊.2020.06版.