數字化在企業能源管控系統中的應用

尚麗佳1   齊增海2

( 1.精晶藥業股份有限公司 , 河北 邢臺   050011 ;2.石家莊高新區中正儀器儀表有限公司 , 河北 石家莊   050011)

摘要 : 根據企業的應用實踐 , 文章介紹了企業在能源管控系統改造應用中 , 采用數字化技術的經驗 。總結了傳 統的 、以模擬集中式結構組成能源計量中心存在的問題 。提出了從現場計量 、網絡傳輸 、數據庫 、運營等多方 面的改造經驗 。企業能源計量及管控系統采用數字化的改造 , 對企業數字化升級起到了基礎的推進作用 。其意 義在于確保了數據的真實性 、可靠性 、穩定性 , 并建立起了企業數字化的局部雛形 , 對企業全方面數字化產業 升級起到了結構性建設和實踐的重大意義。

關鍵詞 : 能源計量; 能源中心; 數字化; 數字化能源管控; 數字化計量

文獻標志碼 : B          文章編號 : 1002 -1183  (2021)  06 -0000 -00

1    傳統企業能源管控現狀及問題

近十幾年來 , 企業為了加強工業信息化建設 , 上馬了企業能源中心項目 ,  為工業企業信息化建 設起到了積極的推動作用 。普遍采用的模式是將 現場儀表的模擬數據通過電纜和橋架連接到了 DCS 和 PLC, 再通過 DCS 、PLC的計算將數據傳到 數據庫進行統計和報表運算 ,  或者直接將工藝控 制用的DCS 和 PLC中能源數據直接采集到數據庫。 這種模式的優點是建設周期短 、工作量少 、責任劃分比較清楚 。能源中心只負責數據的采集 、報 表運算和數據展示 , 計量及傳輸工作由現場負責。 但在應用實踐中也發現了諸多問題 ,  下面就能源 中心出現的問題總結以下幾點。

1.1    現場擅自改數現象

出于多種原因,比如成本核算指標、上級的能源平衡要求等 , 使得現場技術人員采用了修改參數或多種計數方法使上傳的數據達到好看 。這 樣不僅使能源中心的數據喪失真實性 ,  而且在個別企業也出現了小問題隱瞞造成大事故的現象。 造成這個問題的主要原因是對現場計量的工作監 督不足 , 缺乏有效的管理手段 。另外許多企業對 能源平衡的要求過于片面 , 要求能源平衡達到很 高的要求 ,  比如 3%甚至要求達到 1% 。這種要求 嚴重脫離了科學依據 , 形成了現場無法達到的指 標和要求 , 造成現場技術人員改數。

1.2    計量技術力量不足

國內針對工業現場計量的專業嚴重不足 , 新 畢業的學生無法很快承擔現場技術工作,針對工 業企業計量的培訓也相對較少,使企業計量技術 人員面對當前繁雜的儀表問題,更多是依賴儀表 供應商的手冊 ,有些計量儀表 ,在低價中標采購模式下 , 不能完全滿足計量要求。

1.3    標準的缺失

(1)  國內針對計量的標準 ,  大多集中在了制 造環節和檢定環節 。對現場復雜的應用和儀表類 型選擇方面的標準和規范嚴重缺失 , 使企業計量 技術人員面對繁雜的儀表類型無法應對 。   (2)  由 于歷史原因 , 人們過度依賴國家標準 ,  對地方標 準 、行業標準尤其對團體標準始終缺乏信任 ,  這 是標準缺失的重要原因 。   (3)  企業對自主建立企 業標準或部門標準缺乏自信。

1.4    P1C編程難以完成復雜的計量運算

傳統模擬儀表計量校準工作量大 , 模擬信號 傳輸存在 D/A和 A/D轉換環節 , 需要計量校準。 由于企業的計量點眾多 、信號傳輸繁雜 ,  企業自 身無法承擔時只好采用放棄和回避方法 。DCs 和 PLC的計量運算工作量同樣巨大 ,  無法完成密度 查表法 、IFC標準法等計量運算 , 僅僅依賴系統廠 家的運算模塊 , 無法完成計量檢定規程所要求的 運算精度 。在編程中 ,  不同的程序員的程序結果 往往差距較大。 

2    新需求

2.1    智能化和易維護

由于企業自動化程度不斷提高 ,  儀表維護力 量逐年減少 , 對系統的開發和維護能力嚴重不足。 這就需要系統具有使用 、維護的簡便性 ,  產品和 軟件的安裝和編程 ,  不依賴某個公司和某個人。 比如編程人員更換 、產品升級換代等問題發生 , 非專業人員就可以承擔起維護的職責;  儀表的易 維護性 ,  比如避免調量程 、調零點 、保溫 、伴熱、 排污 、校準等工作 。技術人員按照標準和規范安 裝即可完成日常維護和系統升級的工作。

2.2    安全性

系統不會因網絡攻擊 、人為因素 、某技術環 節的問題造成系統的癱瘓 。不會因網內和網外的 網絡破壞造成系統的整體癱瘓和關鍵數據的丟失; 系統內沒有數據的集中節點 , 避免系統性的癱瘓; 關鍵數據應來自現場智能傳感器,而不是中間的 環節 , 確保數據的真實;  任何一個崗位人員離開 或供應商的更替 ,  系統的軟硬件能夠得到有效的 維護和擴充。

2.3    數據真實可信

(1)  計量數據能夠適應現場流量范圍和介質 的特性變化 ,  確保數據能夠反映計量的相對準確 和真實性 。避免現場常發生的堵塞 、冰凍 、超測 量范圍 、計量儀表高溫等不正常工作狀況。

(2)  避免現場的無依據修改數據 , 使用自動 軟件監督或其他手段 , 確保數據的真實。

(3)  避免無依據 、無校準的編程工作 ,  對于 數據精度影響的編程 , 需按照計量器具管理的方 法進行校準和管理。

(4)  不會因為網絡病毒造成數據的惡意虛假。

2.4    適應企業數字化升級

能源管控系統是企業數字化的一部分 ,  應該 與企業數字化體系無縫連接。

3    數字化能源管控系統的設計及應用效果

3.1    扁平化一體化

將現場的計量儀表定義為現場計量單元 ,  每 個現場計量單元采用一體化模式 ,  獨立完成現場 的計量任務 ,  然后與網絡連接;  由于采用一體化 模式 , 淘汰了 AD/DA等損失精度的環節 , 數學模 型可以在很寬的信號范圍內運算 , 使流量測量范圍擴展到了 30 :1 , 較傳統模擬模式 10 :1 的測量 范圍擴大了三倍以上;  另外 一 體化模式將差壓、 壓力 、溫度 、累計 、通信等功能集成到了一個變 送器中 , 使現場工作量和成本降低了50%以上。

管理系統定義為管理單元 ,  每個單元完成自 己分管的管理任務 ,  同樣直接與網絡連接 ,  各單 元間實現網絡的共享 , 包括變量報表 ,  歷史數據 等 ; 每個管理單元和與其相關的現場單元形成網 絡一體化結構 。形成一個相對獨立的一體化單元 , 完成一個系統任務 。扁平化節約了傳統模擬系統 的橋架 、電纜 ,  也節約了集中計量采用的二次儀 表如 DCs 、PLC、流量積算儀等 , 使系統成本節約 60%以上。

系統由現場計量單元和管理單元組成 ,  每個 單元不僅是能源管控系統的網絡節點之一 ,  而且 也是將來企業智能數字化升級的網絡節點之 一 , 達到相互的兼容 。系統結構如圖 1 所示。

圖 1  系統結構圖

3.2    標準化

現場一 體化單元符合國家 、省等相關標準 , 所有現場計量儀表和智能調節閥的通信協議采用 M0DBUs 的模式 。原有非標準模式通過轉換器轉 換為標準模式再與網絡連接 。車間原有 PLC系統 均以 0PC形式與網絡連接 。每個計量和控制點都 有獨立的 、規范的網絡變量名稱 ,  并實現網絡 共享。

3.3    應用場景

3.3.1   車間能源管理

車間級能源管理由每個車間的管理數據庫和 本車間相應的現場儀表組成 ,  職責是管理和控制 本車間的能源計量數據和能源的平衡 。現場計量 儀表獨立完成計量任務并存儲數據;  現場控制儀表根據車間管理的給定值來自身控制相應能源參 數 , 車間管理單元的數據庫作為系統數據庫的一 個分單元 , 其數據被系統內其他管理單元共享。

3.3.2    企業能源管控

作為企業能源管理的核心 ,  負責企業級的能 源數據平衡實時控制和能源數據的平衡管理 。其 實時數據和報表通過網絡共享模式存在于網絡中。 由于實時數據和報表來自各車間管理服務器的共 享平臺 ,  從而實現企業級管理數據的快速高效 , 實時數據 6 000 點 ,  掃描速度小于 1.5 s。公司級 的核算數據直接于現場儀表通訊 ,  實現了能源數 據的相互監督。

3.3.3    能源大廳

能源大廳負責企業各類數據的總調度 ,  同時 作為企業能源管控 、環保管控系統的備份 。實時 數據來自各車間管理服務器和 0PC通信 ,  管理數 據來自各車間的能源管理。

由于實現了網絡變量共享 ,  能源大廳可以接 手各車間管理單元和能源管控單元的全部職能。 可直接與現場智能儀表和現場智能調節單元通訊 , 實施直接的管理權利 ,  實現了控制系統的多重 冗余。

3.3.4    環保管理

針對于環保數據 ,  其職能和技術模式和能源 管理一致。

3.3.5    與原有系統兼容

車間原有 PLC通過 0PC模式與網絡連接 , 根 據權限能源管理單元可參與到 PLC控制之中。

4    解決的問題

4.1    建立起企業數字化基本架構

通過數字化能源管控系統的建立 ,  形成了初 步的企業數字化的架構和規范 , 其核心為扁平化: 現場數據和管理單元都與網絡連接 ,  實現相互數 據的共享;  一體化:  現場計量數據和能源控制實 現就地智能裝備的一體化 , 獨立完成自身的任務 , 每個單元也實現了自身任務的獨立完成; 標準化: 一體化能源系統架構的建立 , 形成了企業未來數 字化的雛形 ,  為企業數字化建設打下一個良好的 基礎。

4.2    成本

由于實現了扁平式的網絡化 ,  節約了電纜、 橋架 、集中 PLC以及現場儀表的組合安裝 ,  較傳統集中式的能源中心 ,  節約建設成本超過 50%。 一體化式的現場計量和現場控制 , 其免維護式的 設計使系統的維護成本降低 80% 。分布式的管理 單元 , 將傳統的集中式的大型數據庫分割成了多 個小型實時數據庫 , 使建設難度和建設成本同樣 大幅度降低。

4.3    校準及精度

與計量精度有關的數據在現場智能儀表中全 部解決 。計量數據的傳輸全部采用數字化形式 , 所以對系統計量精度的校準工作節約了 80% ,  而 且避免了數據傳輸精度問題以及二次計算的工作。 4.4    安全

系統結構為分布式結構 ,  各單元實現了相互 冗余和相互監督 ,  不會因為任何一個環節出現問 題造成系統性的癱瘓。

扁平化結構實現了數據的共享 ,  現場計量單 元的數據和參數受到了網絡的監督 ,  避免個別部 門因為個人和局部利益對數據的修改。

由于全部計量和控制工作分布在了現場儀表 , 一旦受到網絡攻擊和網絡故障 , 對現場計量數據 和能源控制不會受到災難性威脅。

5    總結

采用了數字化的能源管控系統 ,  解決了傳統 能源中心存在的諸多技術問題 ,  同時大幅度降低 了建設成本和維護成本;  數字化的能源管控系統 為企業建立起了數字化計量 、控制和管理體系 , 為企業數字化管理打下了 良好的基礎和數字化 模板。

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