能源管理的新思路

文/ Karl-Heinz Niemann博士 Andreas Würger博士

流程工業(yè)的節(jié)能任務(wù)常常通過對(duì)工藝的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)——能源管理系統(tǒng)在工業(yè)節(jié)能減排方面為人們開闊了視野，尤其是能源管理配置文件Profienergy更是能源管理的新思路。本文將通過4個(gè)應(yīng)用實(shí)例向您展示具有集成能源管理配置文件的現(xiàn)場設(shè)備的優(yōu)勢所在。

如果查看一下德國能耗最高的前10名，您就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中有5個(gè)屬于流程工業(yè)，尤其是化學(xué)工業(yè)。為了節(jié)約能源，化工行業(yè)已經(jīng)實(shí)施了一系列措施，從優(yōu)化蒸汽分配和熱回收，到精簡工藝操作以及工藝規(guī)劃，例如通過優(yōu)化工藝以適應(yīng)原材料質(zhì)量差異帶來的生產(chǎn)波動(dòng)。

得益于Namur工作表NA 140，人們在能源消耗的數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄方面也取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。NA 140解決了如下問題：（1）過程信息管理系統(tǒng)（PIMS）；（2） 基于數(shù)據(jù)的單個(gè)機(jī)組評(píng)估；（3） 更多評(píng)估系統(tǒng)的銜接問題。例如，通過監(jiān)測傳熱系數(shù)來確定換熱器的結(jié)垢情況。

能耗技術(shù)管理層（簡稱 tEnMS）為人們提供了更多的可擴(kuò)展空間，尤其是能源管理配置文件（Profienergy for Profinet）。該能源管理配置文件規(guī)定了IO 設(shè)備節(jié)能的方法。因此，IO 設(shè)備要具有標(biāo)準(zhǔn)化的能源接口，通過這些接口，可向人們提供來自集成能源測量點(diǎn)的測量值，如圖1所示。

圖1 通過自動(dòng)化系統(tǒng)采集能源數(shù)據(jù)的典型數(shù)據(jù)流

此外，也要考慮到用電設(shè)施的能源消耗。例如，穩(wěn)定能耗以避免出現(xiàn)峰值負(fù)荷，在有計(jì)劃的停車期間（例如在夜間或周末）有針對(duì)性地關(guān)停和開啟用電設(shè)施以節(jié)約能源。然而，許多工藝系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年而不間斷，通常原因是自身無法關(guān)閉，對(duì)于那些屬于基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的電器，例如風(fēng)扇、發(fā)熱裝置或冷凍裝置來說，情況就不同了，這些設(shè)備目前已經(jīng)可以在有限的時(shí)間內(nèi)關(guān)停以穩(wěn)定負(fù)載。

一個(gè)典型的 tEnMS 可以位于EMS（制造執(zhí)行系統(tǒng)層）的自動(dòng)化層級(jí)中，這里是能源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、評(píng)估和顯示的地方。但是，tEnMS 還需要EMS（制造執(zhí)行系統(tǒng)層）以下的系統(tǒng)層。在這里，測量設(shè)備記錄了能源數(shù)據(jù)。 能源數(shù)據(jù)的預(yù)處理、縮放和提供是通過PLC進(jìn)行的，能源數(shù)據(jù)通過工業(yè)通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，如圖2所示。

圖2 使用Profienergy和OPC UA服務(wù)器自動(dòng)提供能源數(shù)據(jù)

能源管理方案

原則上，可以建立一個(gè)單獨(dú)的或集成的能源管理層。單獨(dú)的能源管理層可以單據(jù)記錄能源數(shù)據(jù)，而不會(huì)干擾自動(dòng)化解決方案的現(xiàn)有層結(jié)構(gòu)。然而，這需要建立和運(yùn)行一個(gè)單獨(dú)的基礎(chǔ)設(shè)施層。

相比之下，集成的能源管理層具有更多的選擇空間，尤其是可以使用現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施層。 Profinet 的 Profienergy 能源管理配置文件就是一個(gè)集成能源管理層的案例，盡管只有電量——這一個(gè)變量被定義為能源管理配置方案的能源測量值，但支持 Profienergy 的設(shè)備制造商可以通過 Profienergy，將任何自定義的能源數(shù)據(jù)作為所需要的變量，這使得測量非電量成為可能，例如壓力或溫度。

通過 Profienergy 能源管理配置方案進(jìn)行的通信，是在非循環(huán)通信的框架內(nèi)基于命令的實(shí)現(xiàn)。命令由Profinet 控制器（通常是 PLC）向設(shè)備發(fā)出的請(qǐng)求和從設(shè)備返回到控制器的響應(yīng)組成。到目前為止，已經(jīng)為能源管理配置方案制定了以下4點(diǎn)命令：

1.在不到1h的有計(jì)劃的短期停車期間（如生產(chǎn)中斷）。在這種情況下，節(jié)能措施應(yīng)該只影響重啟時(shí)間短的用電設(shè)施，以免影響工廠的連續(xù)生產(chǎn)。

2.計(jì)劃的停機(jī)時(shí)間長達(dá)數(shù)小時(shí)或數(shù)天（如夜間或周末）。這種情況下，節(jié)能措施也會(huì)影響起動(dòng)時(shí)間較長的用電設(shè)施。

3.在不可預(yù)見的停車情況下節(jié)能（如由于上游或下游系統(tǒng)的故障引起的停車）。由于該種停車的持續(xù)時(shí)間未知，因此首先進(jìn)入上述第1點(diǎn)。如果停車會(huì)持續(xù)更長時(shí)間，則可切換上述至第2點(diǎn)。

4.測量能耗。在這里，測量的能源值由具有 Profienergy 功能的設(shè)備記錄，并以統(tǒng)一的形式提供給用戶。此功能對(duì)流程工業(yè)意義重大。

如何獲取能源數(shù)據(jù)

在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們已經(jīng)可以從智能現(xiàn)場設(shè)備中獲取能源數(shù)據(jù)，而未來使用以太網(wǎng) APL也將成為可能。變送器提供的測量值也與能源管理有關(guān)。然而，現(xiàn)場大量變送器的測量數(shù)據(jù)，需要大量的人工干預(yù)。

如果現(xiàn)場設(shè)備配備了符合PE實(shí)體類型2的能源管理配置方案Profienergy，情況就完全不同了。配置方案中包含GSD文件，GSD是現(xiàn)場設(shè)備的描述文件。GSD包含有關(guān)設(shè)備提供哪些能源測量信息。這意味著自動(dòng)化系統(tǒng)知道哪些測量傳感器正在提供哪些能源數(shù)據(jù)，并清晰記錄這些數(shù)據(jù)以何種格式，通過 Profienergy送達(dá)到PLC中。可對(duì)PLC執(zhí)行OPC UA服務(wù)器的自動(dòng)代碼生成和自動(dòng)配置，在充分了解工程整體結(jié)構(gòu)的前提下，可以自動(dòng)在平衡組中分配測量點(diǎn)。

因此，通過 Profienergy采集能源數(shù)據(jù)需要以下工作步驟：

1.通過設(shè)備的 GSD 文件，自動(dòng)識(shí)別可以提供能源數(shù)據(jù)的設(shè)備，并將能源數(shù)據(jù)導(dǎo)入到工程工具中。

2.為了 PLC 自動(dòng)生成程序代碼，從傳感器收集能源數(shù)據(jù)，并使其在 PLC中的OPC UA 服務(wù)器中可用。

3.在PLC 中自動(dòng)配置 OPC UA 服務(wù)器。

因?yàn)楣こ坦ぞ呔哂杏嘘P(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息，因此可以在 tEnMS 中自動(dòng)生成平衡組態(tài)。由于能源數(shù)據(jù)是通過能源管理配置文件以標(biāo)準(zhǔn)化格式提供的，因此可以對(duì)軟件進(jìn)行自動(dòng)配置，以便在更高層級(jí)系統(tǒng)中進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)。

如果現(xiàn)場設(shè)備具有一個(gè)集成的OPC UA服務(wù)器，能源數(shù)據(jù)也可以通過這種方式記錄。數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)提供給制造執(zhí)行系統(tǒng)層，如果有必要，還可以使用 NOA 數(shù)據(jù)二極管。通過瀏覽 OPC UA 地址空間，可以識(shí)別所有提供能源數(shù)據(jù)的變送器。但是，目前還沒有針對(duì)通過OPC-UA進(jìn)行通信的變送器的標(biāo)準(zhǔn)化能源配置文件。因此，為了能夠通過 tEnMS瀏覽現(xiàn)場設(shè)備，首先需要手動(dòng)配置 NOA 數(shù)據(jù)二極管以獲取能源數(shù)據(jù)。

結(jié)語

這3種解決方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。手動(dòng)解決方案需要做的工作最多，但目前已經(jīng)可以基于現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用（例如通過 Profibus PA 或 Hart）。 OPC UA 可以直接訪問能源數(shù)據(jù)，而無需與控制器或 PLC通信。然而，在這種情況下，能源數(shù)據(jù)在PLC中是不可以導(dǎo)出而實(shí)現(xiàn)直接的開關(guān)操作的。此外，額外的OPC UA 堆棧的現(xiàn)場設(shè)備資源需求將高于 Profienergy 配置文件。

使用 Profienergy的好處是，能源數(shù)據(jù)是以標(biāo)準(zhǔn)化格式提供的，這使得能源數(shù)據(jù)的自動(dòng)代碼生成和自動(dòng)結(jié)構(gòu)化成為可能。因此，具有集成 Profienergy 配置文件的現(xiàn)場設(shè)備為輕松實(shí)施技術(shù)能源管理系統(tǒng)提供了良好的基礎(chǔ)。

集成解決方案開辟了更多的可能性，特別是在那些現(xiàn)有的使用自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施中。