棒線材生產線智能化能源成本分析管理系統的研究及應用

張勇利

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003）

0 引言

節能降碳是當前我國經濟和社會發展的主題，是國家經濟可持續發展的基本要求。軋鋼生產線成本中的能源成本占了很大比例，降低生產過程中的能源消耗既滿足國家對鋼鐵生產低碳的要求，又可降低生產成本，提高效益，有效提升企業競爭力。新型棒線材生產線全線自動化程度較高，采用PLC 控制，可對全線能源使用情況實現實時數據采集、記錄及存儲，建立智能化能源成本分析系統，利用現代化的管理手段對能源介質進行科學管控，有效降低企業能源成本，實現企業效益最大化。

1 技術方案的研究及應用

智能化能源成本分析管理系統主要的服務對象為生產過程中所涉及到的水、電、氣等各種能源介質，由數據監控管理層、數據處理層和數據采集傳輸層三部分組成。

1.1 數據采集傳輸層

數據采集傳輸層的主要功能是與底層子站點進行通信，獲取并存儲這些子站點所采集到的現場數據，采用遠程服務集中采集模式。程序啟動后，從Oracle 數據庫中提取相應配置數據，包括采集方式、IP 地址和寄存器地址等相關信息[1]。數據經過編碼后，與相應IP 地址的PLC 進行Socket 通訊。

現場計量儀表為數據采集最底層的感知層，現場使用的傳感設備主要包括智能電表、流量傳感器、溫度傳感器和流量計等。數據采集串口轉換器和通訊協議組成了傳輸層，依托網絡基礎設施，對收集到的數據信息進行安全、可靠的傳輸。

1.2 數據處理層

數據處理層是能源管理方法的核心，其架構從下到上分別為運行環境層、實時平臺支撐層和基礎能源管理應用層。運行環境層為上層軟件的運行提供了底層運行環境，實時平臺為上層基礎能源管理的應用提供了通用、一體化的平臺支撐。管理應用層按需求收集能源數據，并通過科學的計算方法得到準確的數據。

數據庫與各單體設備的通訊是以服務器發送請求和設備自主發送兩種方式進行數據采集。

1）服務器發送請求：每天交接班時刻，服務器發送類型代碼為“1”的請求電文至PLC1（電能計量PLC）和PLC3（主軋線PLC），PLC1 和主軋線PLC3 分別將電、水、煤氣和氮氣等計量數據及請求代碼發送至服務器，信息交互方式如圖1-1 所示。

圖1 能耗請求示意圖

2）單體設備自主發送請求：固熔爐、1 號電退火爐、1 號臺車爐和2 號臺車爐等離線單體設備，在其啟、停時刻分別發送觸發信號至PLC1，PLC1 根據信號來源賦予相應代碼，并將計量數據及代碼發送至能源服務器，信息交互方式如圖1-2 所示。

數據處理層將所有收集到的計量基礎數據存儲在R1E 表中后，根據各請求代碼做相應處理，可得到班組、鋼種、批次號和停車等不同情況下的能源消耗實際情況數據。

1.3 數據監控管理層

數據監控管理層的功能總體上分為兩大部分：監控功能和管理功能。監控功能主要對能源消耗過程數據監控，管理者能夠實時監控生產線各種能源瞬時及累積消耗情況。管理功能為核心功能，主要包括實績管理和計劃管理兩個模塊。

1.3.1 實績管理

實績管理模塊對來自數據處理層所存儲的各種能源數據進行分類、匯總和計算，基于Visual studio 開發的交互界面能夠提供能源數據的綜合查詢、展示和維護管理等功能，并以Excel 報表形式導出。

1.3.1.1 區間累積能耗統計

區間積累能耗用于對任意時間段內的總能耗進行統計，輸入時間區間就可以統計出全部能源消耗數據，從而掌握全生產線總體能源消耗情況。此外，選擇不同班組、時間段，可以掌握該時間段內各班組能源累計消耗總體情況。

1.3.1.2 分類能耗統計

分類能耗統計可以按照班組、鋼種、規格和軋批號分別顯示，并導出數據，內容涉及軋制時長、計劃質量、軋制質量、MES 稱重質量及各類能源消耗。

1）類型選擇班組時，界面顯示時間段內班組的當班噸鋼能耗。

2）類型選擇軋批號時，界面顯示時間段內以軋批號為大類的各產品噸鋼能耗。同時，可以在鋼種和規格文本框內錄入需要查詢的具體信息，界面將以軋批號為大類顯示所查詢鋼種、規格的各類產品噸鋼能耗。這些數據也作為標準消耗的基礎數據。

3）類型選擇鋼種時，在鋼種和規格文本框內錄入需要查詢的具體信息，界面將顯示時間段內以鋼種、規格為大類的產品噸鋼能耗，該功能適合于軋制量小的產品能源統計。

1.3.1.3 產品標準能耗計算

標準能耗是產品能源成本分析的基本依據。產品標準能耗計算功能依托能源消耗基礎數據，對不同軋批號、鋼種和規格產品的總能源消耗歷史數據，按照總平均值、歷史最好值和月平均值等類別進行計算，得到產品的標準能耗，并作為能源成本的對標指標及管理依據。界面設有刪除、插入和保存功能，可實時對數據動態調整、動態優化[2]。

1.3.1.4 班組批次對標績效

班組批次對標績效界面用于對當班生產的各批次產品能耗情況進行統計和對標。通過設置查詢時間、班組和班次，搜索出符合條件的相關產品及對應的實際能源消耗數據，通過與對應產品的標準能耗對比，可快速找出班組生產能源成本的偏差，為成本計算、能源消耗管理及生產計劃的安排提供了數據支撐。

1.3.1.5 退火能耗統計

退火爐能耗統計能夠自動統計計算電退火爐、煤氣退火爐的每爐能源消耗，自動記錄啟停爐時間、班組、班次、退火時長及退火能耗。崗位人員在界面錄入退火數量、盤卷代碼后，可自動計算出噸鋼能耗。

1.3.2 計劃管理

能源計劃執行跟蹤是計劃管理的重要組成部分。計劃管理從公司MES 系統收到生產計劃，結合歷史能源單耗和相關計算模型對工序的能源需求進行預測。軋制完成后，將計劃值與實際完成情況進行對比分析，確定二者的偏差，進而修正下一次的生產計劃設定值，為后續計劃編排提供指導，充分發揮能源成本預測在生產計劃中的指導作用。同時，通過二者間的偏差可以查詢不同工序各種能源介質的偏差量，進而查找出造成能耗偏差的異常因素，并采取對應措施消除偏差。

2 應用效果

智能化能源成本分析管理系統依托軋線自動化系統及工業網絡，對生產過程中各工序、各機組分散的能源數據進行科學采樣、自動準確讀取、可靠網絡傳輸、集中存儲、監控和智能統計分析。應用智能化能源成本分析管理系統后，有效降低了企業能源成本，能源管理水平顯著提高。

1）提高能源分析效率：運用智能化能源成本分析管理系統取代人工抄表和手動計算報表的工作模式，能源基礎數據更準確、更及時和更全面，能夠滿足現代鋼鐵生產對能源數據實時快速性采集、大數據量統計分析的要求。報表配置工具自動處理后，可以按時、按設定格式記錄在指定表格中，各專業可按需查詢和導出，免去時效影響，提高了各專業協調配合的效率。

2）滿足能源成本分析需求：基于數據處理層，可以對全部產品按規格、鋼種、批次和工藝等進行統計，確保能源統計分析更具體、更準確，能夠滿足全部產品的成本統計需求。

3）指導節能：將行業先進水平和歷史最優水平的能源數據與實際能源消耗數據對標，可以發現不合理的用能設備或工藝，明確節能方向，有針對性地采取相應措施，使能源成本管理更加精準、細化。

4）智能化能源成本分析管理系統能夠對能源設備、能源實績和能源預測等進行全方位監控、管理，可為生產全過程實現節能、降碳和環保目標提供科學手段，促進企業實現節能降碳目標，提高企業經濟效益。