数字化在企业能源管控系统中的应用

尚丽佳1   齐增海2

( 1.精晶药业股份有限公司 , 河北 邢台   050011 ;2.石家庄高新区中正仪器仪表有限公司 , 河北 石家庄   050011)

摘要 : 根据企业的应用实践 , 文章介绍了企业在能源管控系统改造应用中 , 采用数字化技术的经验 。总结了传 统的 、以模拟集中式结构组成能源计量中心存在的问题 。提出了从现场计量 、网络传输 、数据库 、运营等多方 面的改造经验 。企业能源计量及管控系统采用数字化的改造 , 对企业数字化升级起到了基础的推进作用 。其意 义在于确保了数据的真实性 、可靠性 、稳定性 , 并建立起了企业数字化的局部雏形 , 对企业全方面数字化产业 升级起到了结构性建设和实践的重大意义。

关键词 : 能源计量; 能源中心; 数字化; 数字化能源管控; 数字化计量

文献标志码 : B          文章编号 : 1002 -1183  (2021)  06 -0000 -00

1    传统企业能源管控现状及问题

近十几年来 , 企业为了加强工业信息化建设 , 上马了企业能源中心项目 ,  为工业企业信息化建 设起到了积极的推动作用 。普遍采用的模式是将 现场仪表的模拟数据通过电缆和桥架连接到了 DCS 和 PLC, 再通过 DCS 、PLC的计算将数据传到 数据库进行统计和报表运算 ,  或者直接将工艺控 制用的DCS 和 PLC中能源数据直接采集到数据库。 这种模式的优点是建设周期短 、工作量少 、责任划分比较清楚 。能源中心只负责数据的采集 、报 表运算和数据展示 , 计量及传输工作由现场负责。 但在应用实践中也发现了诸多问题 ,  下面就能源 中心出现的问题总结以下几点。

1.1    现场擅自改数现象

出于多种原因,比如成本核算指标、上级的能源平衡要求等 , 使得现场技术人员采用了修改参数或多种计数方法使上传的数据达到好看 。这 样不仅使能源中心的数据丧失真实性 ,  而且在个别企业也出现了小问题隐瞒造成大事故的现象。 造成这个问题的主要原因是对现场计量的工作监 督不足 , 缺乏有效的管理手段 。另外许多企业对 能源平衡的要求过于片面 , 要求能源平衡达到很 高的要求 ,  比如 3%甚至要求达到 1% 。这种要求 严重脱离了科学依据 , 形成了现场无法达到的指 标和要求 , 造成现场技术人员改数。

1.2    计量技术力量不足

国内针对工业现场计量的专业严重不足 , 新 毕业的学生无法很快承担现场技术工作,针对工 业企业计量的培训也相对较少,使企业计量技术 人员面对当前繁杂的仪表问题,更多是依赖仪表 供应商的手册 ,有些计量仪表 ,在低价中标采购模式下 , 不能完全满足计量要求。

1.3    标准的缺失

(1)  国内针对计量的标准 ,  大多集中在了制 造环节和检定环节 。对现场复杂的应用和仪表类 型选择方面的标准和规范严重缺失 , 使企业计量 技术人员面对繁杂的仪表类型无法应对 。   (2)  由 于历史原因 , 人们过度依赖国家标准 ,  对地方标 准 、行业标准尤其对团体标准始终缺乏信任 ,  这 是标准缺失的重要原因 。   (3)  企业对自主建立企 业标准或部门标准缺乏自信。

1.4    P1C编程难以完成复杂的计量运算

传统模拟仪表计量校准工作量大 , 模拟信号 传输存在 D/A和 A/D转换环节 , 需要计量校准。 由于企业的计量点众多 、信号传输繁杂 ,  企业自 身无法承担时只好采用放弃和回避方法 。DCs 和 PLC的计量运算工作量同样巨大 ,  无法完成密度 查表法 、IFC标准法等计量运算 , 仅仅依赖系统厂 家的运算模块 , 无法完成计量检定规程所要求的 运算精度 。在编程中 ,  不同的程序员的程序结果 往往差距较大。 

2    新需求

2.1    智能化和易维护

由于企业自动化程度不断提高 ,  仪表维护力 量逐年减少 , 对系统的开发和维护能力严重不足。 这就需要系统具有使用 、维护的简便性 ,  产品和 软件的安装和编程 ,  不依赖某个公司和某个人。 比如编程人员更换 、产品升级换代等问题发生 , 非专业人员就可以承担起维护的职责;  仪表的易 维护性 ,  比如避免调量程 、调零点 、保温 、伴热、 排污 、校准等工作 。技术人员按照标准和规范安 装即可完成日常维护和系统升级的工作。

2.2    安全性

系统不会因网络攻击 、人为因素 、某技术环 节的问题造成系统的瘫痪 。不会因网内和网外的 网络破坏造成系统的整体瘫痪和关键数据的丢失; 系统内没有数据的集中节点 , 避免系统性的瘫痪; 关键数据应来自现场智能传感器,而不是中间的 环节 , 确保数据的真实;  任何一个岗位人员离开 或供应商的更替 ,  系统的软硬件能够得到有效的 维护和扩充。

2.3    数据真实可信

(1)  计量数据能够适应现场流量范围和介质 的特性变化 ,  确保数据能够反映计量的相对准确 和真实性 。避免现场常发生的堵塞 、冰冻 、超测 量范围 、计量仪表高温等不正常工作状况。

(2)  避免现场的无依据修改数据 , 使用自动 软件监督或其他手段 , 确保数据的真实。

(3)  避免无依据 、无校准的编程工作 ,  对于 数据精度影响的编程 , 需按照计量器具管理的方 法进行校准和管理。

(4)  不会因为网络病毒造成数据的恶意虚假。

2.4    适应企业数字化升级

能源管控系统是企业数字化的一部分 ,  应该 与企业数字化体系无缝连接。

3    数字化能源管控系统的设计及应用效果

3.1    扁平化一体化

将现场的计量仪表定义为现场计量单元 ,  每 个现场计量单元采用一体化模式 ,  独立完成现场 的计量任务 ,  然后与网络连接;  由于采用一体化 模式 , 淘汰了 AD/DA等损失精度的环节 , 数学模 型可以在很宽的信号范围内运算 , 使流量测量范围扩展到了 30 :1 , 较传统模拟模式 10 :1 的测量 范围扩大了三倍以上;  另外 一 体化模式将差压、 压力 、温度 、累计 、通信等功能集成到了一个变 送器中 , 使现场工作量和成本降低了50%以上。

管理系统定义为管理单元 ,  每个单元完成自 己分管的管理任务 ,  同样直接与网络连接 ,  各单 元间实现网络的共享 , 包括变量报表 ,  历史数据 等 ; 每个管理单元和与其相关的现场单元形成网 络一体化结构 。形成一个相对独立的一体化单元 , 完成一个系统任务 。扁平化节约了传统模拟系统 的桥架 、电缆 ,  也节约了集中计量采用的二次仪 表如 DCs 、PLC、流量积算仪等 , 使系统成本节约 60%以上。

系统由现场计量单元和管理单元组成 ,  每个 单元不仅是能源管控系统的网络节点之一 ,  而且 也是将来企业智能数字化升级的网络节点之 一 , 达到相互的兼容 。系统结构如图 1 所示。

图 1  系统结构图

3.2    标准化

现场一 体化单元符合国家 、省等相关标准 , 所有现场计量仪表和智能调节阀的通信协议采用 M0DBUs 的模式 。原有非标准模式通过转换器转 换为标准模式再与网络连接 。车间原有 PLC系统 均以 0PC形式与网络连接 。每个计量和控制点都 有独立的 、规范的网络变量名称 ,  并实现网络 共享。

3.3    应用场景

3.3.1   车间能源管理

车间级能源管理由每个车间的管理数据库和 本车间相应的现场仪表组成 ,  职责是管理和控制 本车间的能源计量数据和能源的平衡 。现场计量 仪表独立完成计量任务并存储数据;  现场控制仪表根据车间管理的给定值来自身控制相应能源参 数 , 车间管理单元的数据库作为系统数据库的一 个分单元 , 其数据被系统内其他管理单元共享。

3.3.2    企业能源管控

作为企业能源管理的核心 ,  负责企业级的能 源数据平衡实时控制和能源数据的平衡管理 。其 实时数据和报表通过网络共享模式存在于网络中。 由于实时数据和报表来自各车间管理服务器的共 享平台 ,  从而实现企业级管理数据的快速高效 , 实时数据 6 000 点 ,  扫描速度小于 1.5 s。公司级 的核算数据直接于现场仪表通讯 ,  实现了能源数 据的相互监督。

3.3.3    能源大厅

能源大厅负责企业各类数据的总调度 ,  同时 作为企业能源管控 、环保管控系统的备份 。实时 数据来自各车间管理服务器和 0PC通信 ,  管理数 据来自各车间的能源管理。

由于实现了网络变量共享 ,  能源大厅可以接 手各车间管理单元和能源管控单元的全部职能。 可直接与现场智能仪表和现场智能调节单元通讯 , 实施直接的管理权利 ,  实现了控制系统的多重 冗余。

3.3.4    环保管理

针对于环保数据 ,  其职能和技术模式和能源 管理一致。

3.3.5    与原有系统兼容

车间原有 PLC通过 0PC模式与网络连接 , 根 据权限能源管理单元可参与到 PLC控制之中。

4    解决的问题

4.1    建立起企业数字化基本架构

通过数字化能源管控系统的建立 ,  形成了初 步的企业数字化的架构和规范 , 其核心为扁平化: 现场数据和管理单元都与网络连接 ,  实现相互数 据的共享;  一体化:  现场计量数据和能源控制实 现就地智能装备的一体化 , 独立完成自身的任务 , 每个单元也实现了自身任务的独立完成; 标准化: 一体化能源系统架构的建立 , 形成了企业未来数 字化的雏形 ,  为企业数字化建设打下一个良好的 基础。

4.2    成本

由于实现了扁平式的网络化 ,  节约了电缆、 桥架 、集中 PLC以及现场仪表的组合安装 ,  较传统集中式的能源中心 ,  节约建设成本超过 50%。 一体化式的现场计量和现场控制 , 其免维护式的 设计使系统的维护成本降低 80% 。分布式的管理 单元 , 将传统的集中式的大型数据库分割成了多 个小型实时数据库 , 使建设难度和建设成本同样 大幅度降低。

4.3    校准及精度

与计量精度有关的数据在现场智能仪表中全 部解决 。计量数据的传输全部采用数字化形式 , 所以对系统计量精度的校准工作节约了 80% ,  而 且避免了数据传输精度问题以及二次计算的工作。 4.4    安全

系统结构为分布式结构 ,  各单元实现了相互 冗余和相互监督 ,  不会因为任何一个环节出现问 题造成系统性的瘫痪。

扁平化结构实现了数据的共享 ,  现场计量单 元的数据和参数受到了网络的监督 ,  避免个别部 门因为个人和局部利益对数据的修改。

由于全部计量和控制工作分布在了现场仪表 , 一旦受到网络攻击和网络故障 , 对现场计量数据 和能源控制不会受到灾难性威胁。

5    总结

采用了数字化的能源管控系统 ,  解决了传统 能源中心存在的诸多技术问题 ,  同时大幅度降低 了建设成本和维护成本;  数字化的能源管控系统 为企业建立起了数字化计量 、控制和管理体系 , 为企业数字化管理打下了 良好的基础和数字化 模板。

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