基于數據采集網關的工廠能源管理系統(tǒng)

李金明，田博，李咚

隨著全球能源供應的趨緊，各種能源價格均呈現出了不斷上升的趨勢，能耗成本在企業(yè)生產經營成本中的占比不斷增加。水泥生產企業(yè)是典型的高耗能企業(yè)，企業(yè)能源費用在生產總成本中的占比高達50%～70%[1]，在水泥企業(yè)中建立高效的能源管理系統(tǒng)，對企業(yè)的能源消耗進行在線監(jiān)控和信息化管理，對降低單位水泥產品的能源消耗，提高水泥企業(yè)的經濟效益具有重要意義。

1 能源管理系統(tǒng)概述

能源管理系統(tǒng)是一種基于以太網絡、計算機等信息技術的現代化能源管理平臺，由軟件、硬件、多個基礎通信網絡構成，可對企業(yè)能耗數據進行采集、存儲、查詢和統(tǒng)計分析，制訂企業(yè)用電計劃，提供能耗核算及決策支持，實現企業(yè)節(jié)能績效的科學管理和能源效率的持續(xù)改進。目前，國內大多數水泥企業(yè)的能源管理依然以人工采集數據為主，自動化、信息化程度較低。企業(yè)的集散控制系統(tǒng)DCS、用電計量系統(tǒng)、經營管理的ERP系統(tǒng)等各自獨立運行，信息共享程度不高。

某水泥廠在建廠之初并沒有規(guī)劃能源管理系統(tǒng)，隨著企業(yè)生產規(guī)模的擴大，僅依靠手工抄表方式統(tǒng)計水泥生產中各電力室的電量數據的弊端逐漸顯現：原始數據不精確、效率低，不利于數據制表統(tǒng)計分析；難以準確統(tǒng)計分析獲得能夠反映各車間能效水平的單位產量水泥用電量，以及能夠反映班組能效水平的各班組單位產量電耗等指標。為有效解決以上問題，合理運用能源，該企業(yè)決定盡快建立全廠能源管理系統(tǒng)。該企業(yè)DCS系統(tǒng)已經處于基本滿負荷運行的狀態(tài)，無更多空間處理電量能源數據，故決定重新敷設光纖，建立全廠能源數據采集專用網絡，并在各電力室新增數據采集網關，設置專門能源管理數據服務器，組建工廠能源管理系統(tǒng)。

2 能源數據采集

目前電力系統(tǒng)常用的多功能電量表一般都集成有RS485接口，支持ModbusRTU通訊協議，通過RS485接口，即可將已運行在工廠配電系統(tǒng)中的多功能電量表數據采集到數據服務器，進行電量數據處理。結合各電氣室配電設備分布情況，我們在每個電力室新增Modbus RTU轉Modbus TCP協議網關，采集各電力室內各臺多功能計量表的電量數據。先由中控室安裝有專用SCADA監(jiān)控軟件的數據處理服務器，通過工業(yè)以太網，直接讀取每個電力室協議網關的電量數據，再經數據處理服務器進行深層次統(tǒng)計分析處理，最后通過Web服務器發(fā)布到工廠辦公網絡，作為生產管理決策層進行生產調度和決策的依據。

新組建的全廠能源數據采集專用網絡示意圖見圖1。

3 ES-30X系列網關及測控分析軟件介紹

本文僅以此項目所使用的ES-30X系列網關進行舉例說明。如圖1所示，每個電力室設置一臺或多臺ES-30X系列網關，網關的串口端設置為Modbus RTU主站模式，通過屏蔽雙絞線串接至各臺配電柜多功能電量表的RS485接口端子上。網關的以太網端設置為Modbus TCP客戶端模式，通過網線連接到光纖轉換器的網口上，最終形成基于Modbus TCP協議的1號石灰石破碎、2號石灰石破碎、原料調配、生料系統(tǒng)、燒成系統(tǒng)、1號水泥磨、2號水泥磨、礦渣輥磨、水泥包裝及總降配電站以太環(huán)網結構的全廠能源數據管理網。通過以太網，中控室的數據管理服務器可直接讀取各電力室協議網關的電量數據。

圖1 新組建的全廠能源數據采集專用網絡示意圖

3.1 通訊協議及數據網關

Modbus通訊協議是Modicon公司于1979年發(fā)布的，是全球最早用于工業(yè)現場的總線規(guī)約，是目前廣泛應用于工業(yè)控制領域的通用通訊協議，其在PLC、智能儀表、變頻器等許多智能設備中都有應用。它支持多種電氣接口，可以在多種介質上傳送，具有抗干擾性強、幀格式簡單、標準開放等諸多優(yōu)點。Modbus TCP協議則是在Modbus RTU協議上加了一個MBAP報文頭形成的，因為TCP協議是基于可靠連接的服務，不再需要RTU協議中的CRC校驗碼，所以在Modbus TCP協議中沒有CRC校驗碼，Modbus TCP協議通過以太網方式進行數據傳輸，通訊速度更快。

ES-30X系列網關能實現以太網（Modbus TCP）設備與串口（Modbus RTU/ASC II）設備的互聯與數據轉換，在以太網端，它能實現10/100M自適應，支持級聯，支持環(huán)網，支持服務器或客戶端模式，具有從站ID映射功能，并且報文請求自動路由到串口。在串口端，它支持Modbus主站或從站模式，支持RS485或RS232，通過中繼器可延長傳輸距離，并最多可擴展連接127個從站設備。對應此網關，開發(fā)有簡單實用的配置軟件，調試功能強大。ES-30X系列網關具有以下優(yōu)點：

（1）布線簡單，施工方便，成本低，效率高。

（2）以太網的傳輸速率高，數據實時傳輸性強，可靠性高。

（3）開放互聯，安全機制完善。

（4）具有靈活的拓撲架構和可擴展性。

以太網（Modbus TCP）主站通過ES-30X系列網關連接多臺串口（Modbus RTU）從站設備的網絡配置示意圖見圖2。

圖2 以太網（Modbus TCP）主站通過ES-30X系列網關連接多臺串口（ModbusRTU）從站設備的網絡配置示意圖

3.2 測控分析軟件

本文僅以此項目所使用的紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件進行舉例說明。紫金橋監(jiān)控組態(tài)（SCADA）軟件是由紫金橋公司開發(fā)通用工業(yè)組態(tài)軟件。此軟件已廣泛應用于石化、冶金、建材、電力、水利等多個行業(yè)和領域的過程控制、監(jiān)測管理、企業(yè)管理、資源計劃等系統(tǒng)中。它支持分布式服務器與分布式客戶端，具有強大的數據庫處理功能，具有豐富的IO驅動接口，具有強大的報表系統(tǒng)，數據可以無縫嵌入到Excel，支持Web發(fā)布功能。

4 能源管理系統(tǒng)運行效果

經過現場網絡施工、ES-30X系列網關調試和紫金橋監(jiān)控軟件的編程開發(fā)測試，該廠能源管理系統(tǒng)正式投入運行，實現了對水泥生產過程中的電量能源數據在線收集、實時傳輸和儲存監(jiān)控，為能源集中管理提供了有效的數據來源和分析預測技術手段；它采用表格、圖表等多種直觀圖示，可以對能源計劃、能源績效及綜合電耗等數據進行對標和分析比較。

能源管理系統(tǒng)車間電量統(tǒng)計日報見圖3，月報見圖4，能源管理系統(tǒng)車間電量統(tǒng)計分析見圖5。

圖3 能源管理系統(tǒng)車間電量統(tǒng)計日報

圖4 能源管理系統(tǒng)車間電量統(tǒng)計月報

圖5 能源管理系統(tǒng)車間電量統(tǒng)計分析

能源管理系統(tǒng)投入運行三年以來，該廠基于能源管理系統(tǒng)數據分析，經管理改進及生產調度優(yōu)化，將電能數據與生產數據深度結合，主要取得了以下幾方面的成果：

（1）實時計算電能損耗，基本達到能源合理利用與在線平衡調度要求，能源利用率大幅提高，噸熟料綜合能耗平均下降3%左右。

（2）降低了用電成本，提高了用電效益，由于“峰、谷、平”時間段的用電負荷可以通過在線進行調度，在日用電負荷總量不變的情況下，高峰時間段用電負荷至少下降了3%。

（3）實現了企業(yè)內部能源信息數據的自動收集，并能生成各種電子報表與分析圖表，省去了原人力以紙質文件重復抄報帶來的人工資源與紙張資源的消耗，降低了企業(yè)管理成本、人力成本，提高了企業(yè)運營效率。