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)展有著至關重要的作用。

關鍵詞:能源管理 能源因素 系統(tǒng)設計 系統(tǒng)架構

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節(jié)能減排工作的控制對象。水泥生產對能驚的依賴度很高，其能源消費占生產戚本費用比例達40%-60%，占全同能源消耗總量的7%-8%。建設集中統(tǒng)一的能源管理系統(tǒng)，可以實現對能源數據進行在線采集、計算、分析及處理，從而對能源物料平衡、調度與優(yōu)化、能源設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，達到提高能源使用效率的作用，對實現水泥企業(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，構建一個較好的能跟管理系統(tǒng)成為絕大多數水泥企業(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)能標準體系編制通則》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)展低碳經濟、實現綠色生產指明了方向。其主要功能是通過在企業(yè)范圍內建立能源管理體系，椎動企業(yè)資源綜合利用、發(fā)展循環(huán)經濟，實現企業(yè)清潔生產，并以技術開發(fā)與創(chuàng)新保持企業(yè)持續(xù)改進，終使企業(yè)達到降低成本、節(jié)能減排，打造綠色生產企業(yè)的目標。

2 水泥生產工藝中的能源消耗

水泥生產是一項大型的復雜的生產過程，其中包含眾多的生產環(huán)節(jié)，在水泥生產的各個主要生產環(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環(huán)節(jié)。水泥生產綜合能耗的構成，分別包括了原料破碎及均化、制備生料、對生料進行均化、預熱分解、燒制熟料、水泥粉磨、水泥的包裝的能耗以及其他能耗。水泥綜合能耗的構成如圖1。

3 能源因素識別

  能源管理系統(tǒng)應用是以降低能源、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），而基礎是能源因素的識別和分析。 能源因素與企業(yè)生產工藝密切相關。依據生產工藝特點，識別各生產環(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。影響水泥生產能耗的能源因素主要存在以下生產環(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)、輥壓機預粉磨系統(tǒng)、輥磨終粉磨系統(tǒng)）、水泥成品的細度等；

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

另外，電力無功損耗、能源種類、質量和配比及能源調度的合理性也是影響水泥生產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、信息化技術建立能源管理系統(tǒng)，對可控能源因素進行分析、采集、加工、處理，實現從能源因素采集、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、科學化管理。從而使能源設備、能源計劃、能源平衡、能源實績、能源預測有機結合起來，使之能修運用數據處理與分析技術，進行離線生產分析與管理。有效利用能源、降低能源消耗、提高環(huán)境質量，達到節(jié)能降耗、提升企業(yè)整體能源管理水平的目的。實現能源協(xié)調控制管理、能源、實績分析管理、能源指標計劃管理、能量平衡運行管理、在線預測分析等功能。能源管理系統(tǒng)主要功能見圖2。

5 能源管理系統(tǒng)方案設計

目前，能源管理系統(tǒng)的設計和應用研發(fā)，已由專家系統(tǒng)轉型為結合基于模型的控制方向發(fā)展。在實現自動化操作的同時，完成對操作的優(yōu)化。通過完善能源管理系統(tǒng)的應用程序和數據庫端，實現系統(tǒng)對能源信息數據的分析、管理和控制。

5.1設計原則

（1）規(guī)范能源管理系統(tǒng)的自動化系統(tǒng)設計：

（2）實現對能源系統(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、調度和平衡指揮系統(tǒng)．節(jié)約能源和降低生產消耗；

（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能力。

5.2 設計內容

能源管理系統(tǒng)的基礎功能是對數據的采集、分類、匯總，對大量的能源信息數據進行處理，通過能源管理系統(tǒng)加以規(guī)劃、預測、分析，能源數據（包括統(tǒng)計數據和預測數據）被實時集中和報告，給出能源消耗的統(tǒng)計結果、預測結果及能源消耗的發(fā)展趨勢。

以數據查詢表、數據比例圖、歷史曲線圖及預測趨勢圖等直觀的方式，快速的反應到顯示屏上。顯示能源量在各個工位的分布情況，據此提供給企業(yè)*或管理部門進行協(xié)調計劃、管理控制。促進企業(yè)節(jié)能降耗，能源、管理科學化。實現能源協(xié)調控制管理、能源、實績分析管理、能源指標計劃管理、能量平衡運行管理、在線預測分析等。能源管理系統(tǒng)設計內容涵蓋以下子系統(tǒng)：

(1）能源管理網絡系統(tǒng)及軟硬件平臺系統(tǒng)；

(2）能源系統(tǒng)各站點數據采集系統(tǒng)；

(3）設備冗余、安全檢測系統(tǒng)；

(4）數據存儲及分析系統(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

典型能源管理系統(tǒng)架構包括用戶層、表現層、應用層、數據層、網絡通訊層、遠程數據采集層六級物理結構（如圖3所示）。

基于基礎自動化向信息化建設發(fā)展的原則，結合網絡通訊、實時數據庫和Client/Server技術及SCADA綜合管理平臺軟件，建立一套符合水泥企業(yè)管理應用功能的、以SCADA系統(tǒng)為核心的能源管理系統(tǒng)，實現在線的數據監(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實時數據服務器功能，并與關系數據庫建立通訊，通過在線數據采集實現動態(tài)流程圖、參數表、趨勢曲線等監(jiān)控功能。

作為一種體系結構,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器端來完成，減輕了整個系統(tǒng)信息傳遞的負擔。

在客戶機端，用戶根據自己的定義與需求，使用客戶端的應用程序，完成自己的操作。然后由客戶端應用程序向服務器端發(fā)送請求。通過服務器端的應用程序對來自不同客戶端的所提交的請求進行響應。此時根據服務器配置的不同和服務器端應用程序設計的不同，可以進行不同的處理模式。 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器端之間的響應速度，對于數據與命令傳邊更加快速與及時。

6.2 數據采集

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

信息采集是異構數據庫的數據集成過程，異構數據集成過程實施分為兩步：先進行生產能耗裝置實時能源數據采集，即設計分布式控制系統(tǒng)（DCS）、FCS、可編程控制器（PLC）等自動化系統(tǒng)到實時數據庫的接口程序,將實時采集到的能源數據整合到實時數據庫中。這些數據主要包含了生產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。是異構數據集成，實現了自動數據的連接與共享，保持了數據的實時性。

其后，將收集的能源、消耗數據傳輸到能源管理系統(tǒng)中進行處理，使用戶可以直接通過界面對數據庫進行相應的操作。能源管理系統(tǒng)具備生產工藝流程能耗數據顯示、趨勢預測和能源信息分析等功能。可隨時按類別和時間對數據庫中的能源數據進行查詢和調用。

6.3 通訊網絡

采用工業(yè)級以太網交換機．建立分區(qū)域的冗余環(huán)網。實時環(huán)工業(yè)以太網交換機專有Real- time RingTM技術，實現快速容錯環(huán)網冗余，具有端口配置、端口鏡像、優(yōu)先級劃分等高等級網管功能，保證信息交換的實時性和準確性。環(huán)與環(huán)之間采用耦合拓撲結構進行連接，從而建立高可靠專有的能源數據采集通訊網絡。

6.4 能源管控

能服管控是一個集數據歸納分析、過程監(jiān)控、能源管理、調度平衡及分析優(yōu)化為一體的計算機信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)將采集的數據進行歸納、分析和整理，結合生產計劃數據，進行能源管理工作。包括能源實統(tǒng)分析管理、能源質量管理、能源平衡管理、能源預測分析、能源系統(tǒng)運行支持管理（包括任務單管理和潮流分析）等。

系統(tǒng)由I/O數據服務器、Oracle關系數據庫服務器、Web服務器和工作站組成。I/O數據服務器負責原始計量數據的實時采集、歷史壓縮存儲、二次計算和為監(jiān)控困面提供實時數據；Oracle數據庫服務器負責計量統(tǒng)計數據的收集和存儲，作為能源計量統(tǒng)計管理數據庫；Web服務器將的實時數據檢測畫面和動態(tài)曲線以網頁的形式在企業(yè)網上發(fā)布，供相關部門網上在線查閱，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據監(jiān)控與管理系統(tǒng)軟件，對計量數據進行分析處理、設備管理、權限分配等。

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、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數據化管理，監(jiān)測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、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、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、重大能耗設備的能源利用情況等進行能耗統(tǒng)計、同環(huán)比分析、能源成本分析、用能預測、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)能評估提供基礎數據和支持。

7.1 系統(tǒng)結構

7.2 應用場所

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、化學原料以及機電設備、電器產品、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、報警等情況進行實時的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠實時的監(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

展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規(guī)劃。通過各種運行參數狀態(tài)下用電效能的對比分析，找出較佳運行模式。根據較佳運行模式調整負載，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、生產工藝/工段時間、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業(yè)用能統(tǒng)計、同比、環(huán)比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統(tǒng)計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

7.3.5 產品/產值單耗

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

7.3.6 績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區(qū)域、產線、工段等進行日、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進行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內部能效水平和節(jié)能潛力。

7.3.7 能耗預測

通過對企業(yè)生產工藝、生產設備等的能耗使用情況進行分析，建立能耗計算模型，根據人工智能算法對數據和模型進行修正，對未來企業(yè)能耗趨勢進行預測分析，為節(jié)能提供有效的決策依據。

7.3.8 運行監(jiān)測

系統(tǒng)對區(qū)域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監(jiān)測重點設備及工藝運行狀態(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據，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。

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、設備運行情況、運維情況等進行多方面的統(tǒng)計分析，讓用戶多方面了解系統(tǒng)的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發(fā)現設備異常，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)測設備和系統(tǒng)運行，對通訊失敗、數據異常、定額超限、工藝參數異常越限、設備異?；蚬收线M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、用能預測、運行監(jiān)視、異常報警等。

7.4 現場設備選型

 8 結語

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。信息管理和網絡通訊平臺是能源管理系統(tǒng)的核心，而基礎是能源因素的識別、數據采集和評價。能源管理系統(tǒng)通過對能耗數據分析、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)的生產能耗。能源管理系統(tǒng)應用于水泥企業(yè)生產，可有效提高水泥生產企業(yè)能源利用效率，減少水泥的生產成本，提高水泥企業(yè)競爭力。水泥生產企業(yè)不但增加了經濟效益，同時促進了循環(huán)經濟的發(fā)展。企業(yè)實施應用能源管理系統(tǒng)，實現企業(yè)效益與社會效益的和諧統(tǒng)一，既是企業(yè)社會責任，更是企業(yè)自身發(fā)展的內在需求。 

參考文獻

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

[2]安科瑞企業(yè)微電網設計與選型手冊.2020.06版.