某钢铁厂的能源中心
某钢铁厂的能源中心
郑希湘
摘要介绍某钢铁厂的能源中心改扩建后设置的能源管理系统(EMS)和DCS的情况。该系统设计思想、系统构成、控制规模等方面均进入世界先进行列。配合主体工程的分步投产和旧系统的更新改造，整个系统历时7年多并已分步投产，系统运行稳定、可靠。该系统改进了能源管理的功能，为该厂减少能耗、降低成本做出了贡献。
关键词能源中心管理控制节能降成本
Energy center in a certain iron and steel works
Zheng Xixiang
(Chongqing Iron ＆Steel Designing Institute Chongqing 400013) Abstract The general description is given about the configuration of the Energy Management System(EMS)and Distributed Control System(DCS)of the energy center in a certain iron and steel works after its remolding. The system has attained advanced world level in the field of design idea, configuration and control scale etc. The whole system has been put into service step by step during 7 years with the commissioning
of the main system in different phases and the modification of the old system. The system operates smoothly and reliably. The function of energy management is improved, and energy consumption and the cost are reduced.
Key words energy center; management; control; energy saving; cost reducing
0 概述
钢铁企业是消耗能源的大户，在有的国家要占全国总能耗的15％，在我国也要占10％左右，因此如何搞好钢铁工业的能源管理，以达到节能增效的目的，是发展钢铁工业的重要任务之一。某钢厂三期工程能源中心的能源管理系统(简称EMS)，是在原有能源中心的基础上发展起来的，从原来一般的操作、控制、监视功能，改造、扩建成综合的能源管理监控系统，为我国钢铁工业采用先进的计算机网络系统管理能源走出可喜的一步。
该厂原有能源中心70年代从国外引进，由遥控、遥测、遥信(三遥)装置和常规仪表及一台计算机组成。它对全厂水道、电力、动力、环境等设备及管网运行参数进行监控，具有异常报警、能源介质潮流显示、电力需求预测、煤气柜柜位预测、环境数据采集等功能。随着该厂生产规模的发展，对能源管理要求的提高，原系统无法适应新的需要，于是在1990年开始考虑对原有系统进行改造，以满足主体工程扩建后的要求。该系统必须对扩建后的各种能源介质的全厂系统进行管理，并可分步实施，以有利于今后管理工作要求的提高和工艺生产车间的发展。因此决定引进90年代水平的德国西门子公司计算机网络系统的EMS。
1 EMS的监控对象
EMS是该厂全厂管理系统的一个子系统，它以全厂公用能源管网为对象，直接调度和监控全厂各种能源介质的供应和分配；监控各种水、电、煤气、氧、氮、氩、氢、蒸汽、压缩空气、重油以及环境等约40种参数；监控区域性变配电所、煤气混合站、煤气加压站、给水泵站、排水泵站、各种煤气柜和煤气放散系统，并对现场允许无人值守的能源站点进行三遥(直接为车间生产工艺过程服务的能源系统，由车间生产调度自行调配，EMS不介入管理)。
整个EMS分3个阶段实施，第1阶段已投入运行5年半，最后一部分也已投运1年多，系统运行实绩证明该系统性能可靠(迄今已经历过一些介质系统的异常情况和处理)，功能完善，使该厂的能源管理水平又上了一个台阶。
2 EMS的功能
2.1 支持调度管理功能
能源管理的要求，首先是保证生产，其次是避免浪费，再高一层是要求用好能源、降低成本和创造更高的利润。
钢厂的加热用能源，主要是回收的焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气，不足部分用煤和重油补充，这些能源介质可以相互替换，但是它们的供需都决定于工艺生产的安排。能源计划要求能源供需平衡，能源供需的长期计划(静态计划)由全厂管理系统(MIS)制定，EMS每天的日计划是按MIS系统下达的次日生产计划编制，调度根据计划可选用运转设备和介质种类。例如：让效率较高的设备长期工作，效率较低的设备调峰；以转炉煤气替换焦炉煤气(热值较高)。又如提高自备电厂的高炉煤气混烧比(最高可达60％)以节省动力煤。EMS的第1个支持功能是提供平衡计算和制定最合理的运作计划。
EMS的第2个支持功能是预测功能，根据最近的实测消耗情况，推测消耗的趋势。例如：预测电力耗量的近期趋势是否会超过预定的最大耗量，以避免受到电力系统的罚款；预测各用水大户自动补给新水的时间是否重叠，将该时间错开以避免给水泵的频繁启动所引起的电耗增加，减小干管压力波动；根据煤气柜柜位的变化趋势，决定用户供给何种介质最合适。EMS支持调度人员决定短时计划。
EMS的其他支持功能有收集和积累全厂能源消耗的数据，供调度人员分析单位产品的能耗、能源介质的利用情况及能源成分等等，以进一步提高能源管理水平。
EMS对重要的动力设备的运行时间留有记录，供制定设备检修计划时参考。
2.2 能源介质系统和设备监控
能源介质系统监视其供入量、各贮罐的贮量、贮量变化情况和各用户的消耗量，监视管网系统的压力。重油系统还监视管路有无漏泄。
设备监控主要是其启停、状态和测量值的三遥。另外是煤气的PID连续控制。
对于重要的或因误操作会造成严重后果的操作，EMS给出提示和内部连锁。
对厂区废气、废水达标排放进行监控，避免超标排放。
2.3 报警
因为调度人员监视的内容很多，EMS设有对系统运行异常的语言报警，提请工作人员注意该事态的发展。
对于设备的故障，按对生产运行的影响程度，分为轻、中、重3级，在CRT 上显示，还有3种不同频率的声音报警相对应。
对于无人值守的现场设有灾害报警，如：有人或动物非法侵入、火灾以及环境温度异常等报警。
2.4 报表
EMS设有生产报表和事件记录报表。
2.5 数据归档
EMS设有大容量的光盘数据库，以存储历史数据，避免了过去的不便于贮存保管和查阅的打印和记录纸方式。
2.6 信号采集
EMS采集的信号是为监控和调度工作服务的。不论输入还是输出都跨接在现场系统与EMS两个系统之间，因此必须严格隔离，而且EMS是上位系统，信号的技术条件要全系统一致，又因为各现场侧的控制系统建设进度前后错位，设备选型各异，所以该厂除了一个很小的信号采集点是采用通信方式外，其他均采用DI、DO、AI、AO、PI等方式采集信号，而且在各现场设信号交接箱以便维护管理。
信号的采集周期视介质的特点而定，该厂超高压电力系统中设有事故录波仪，所以对DI信号无特殊的快速采样要求，基本上按采集站设备而定，S5 115U、155U为10ms，115H为50ms，155H为20ms。对AI则按介质的物理量变化率而定，分别取1s、2s、3s、5s、10s、30s、60s。累计值输入为PI，其采样周期取决于EMS的计算需要，一般周期均较长，如对电力的电度取60s。
EMS的各种信号总共10500个，其中数字量输入(DI)45％、数字量输出(DO)27.4％、模拟量输入(AI)20％、模拟量输出(AO)0.6％、脉冲量输入(PI)7％。
2.7 技术计算(从略)
3 EMS的系统构成
3.1 EMS主系统
EMS是一个分布式中间数据库的计算机网络系统，系统硬件分成3级，由36个信息采集站分别组成7个子网络，各个网络通过服务工作站与主网络通信。主网上设9个过程工作站来实现各种功能。系统的构成见图1。
图1 EMS硬件系统构成示意图
CPS—彩色拷贝机服务站；OS—操作员站
(1)信息采集站
信息采集站采用SIMATICS5，它是EMS与现场输入/输出的界面，所有信号接口处设有各种保护措施。对于重要的站采用H型的S5(双主机型)，其他采用U 型的。每个站设CP143通信接口与服务工作站通信，采用光纤为通信介质的则增设光电转换器。
根据采集信号的数量和模拟量的数量，全系统选用155H或155U或115U型PLC(共36台)和远方扩展单元(共5台)。
(2)服务工作站(SWS)
服务工作站根据对工作可靠性要求的不同，有的场合采用双机备用，整个系统设11台服务工作站(SWS)，采用SNI-RM400 430型，14in(36cm)黑白显示器。
(3)用于控制站的过程工作站(PWS)
控制站按值班调度员的分工设置，分为水道、电力、动力、环保和计划管理，其中动力包括煤气、蒸汽、氧、氮、氩、压缩空气和重油。整个系统设8个控制站。过程工作站采用SNI-RW410型，19in(48cm)1280×1240彩显。
(4)用于历史数据库的工作站(DB)
历史数据库除贮存历史数据外还设有与MIS的通信接口，其工作站采用
SNI-RM400 430型，硬盘容量为2.1GB(镜像)，光盘库(ODL)存贮容量为20GB，由一个16槽驱动器驱动。
(5)用于系统开发的工作站(DEV)
该工作站为系统参数化和在线开发而设，并设有与其他车间通信的RS232
接口(备用)，该工作站为SNI-RW410型。
(6)用于大屏幕的工作站(LSMS)
该工作站为SNI-RM200型。
上述工作站是西门子标准产品，RM型的主频为150/75MHz，RW型的主频为100/50MHz，主存为64MB，硬盘为580MB，有光驱及软驱。
(7)网络系统
EMS设2级网络，上一级中央网络(CNW)沟通全部工作站，下一级共7个子网络用于服务工作站与数据采集站的通信。
EMS的管理对象覆盖整个厂区，地域很广，信号采集站设在能源站点内，采集的信号包括其周边零散的信号。每个服务工作站下的采集站组合按地域、建设进度、站点性质以及通信负载率等因数决定。该负载率一般要求不超过30％，现在实际运行在20％左右。
各子网络采用ISO/OSI开放系统协议。局域网开放系统参考模型1～4层符合国际标准：CSMA/CD、IEEE802.3、IEEE802.2、ISO8473网络层协议和ISO8073传输层。主干网采用TCP/IP协议。
网络在逻辑上是总线式，在物理上是星形的，每一网络设一个有源星形耦合器。
为了保证传送信息时间的正确性，设一套标准时钟系统以统一各个子网络的时间。
3.2 DCS
DCS的工作对象共30个，进行煤气混合站及混合加压站的流量和压力、防
喘振、入口阀、煤气放散塔以及煤气联网、蒸汽联网等控制，共计1100个信号，相应共引进43台西门子的DR24型多功能单元(带通信口的可编程调节器)。该装置有二种通信口，一为V.28点对点，另一为SIPART总线。SIPART总线最多可并联32个单元，传送操作状态、过程变量和各种参数，通信速率为9600b/s。通信协议为DIN66258A或B。系统由EMS中的COM(S5)子站与DCS通信。可以由控制站下达设定和操作指令，并显示现场回馈的数据和状态。
通过设在COM柜内的8个SIPART总线驱动器与43台DR24通信，另设一台SEQ(S5)以实现几个煤气站之间的联锁关系。
DCS的硬件关系如图2所示。
图2 DCS硬件系统示意图
系统的标准软件由西门子公司提供，应用软件由生产厂自行按工艺流程图和控制框图编制。
3.3 大屏幕显示屏
EMS的CRT上不能显示某一能源介质全厂系统的全貌，为便于值班人员在一旦出现涉及范围大的事件时，及时了解当时的系统情况，设置了“马赛克”的大屏幕显示屏，31.2m×2.5m(上海新光显示器厂供货)。大屏幕分成3个区，1区显示全厂供配电系统，2区显示全厂给排水系统，3区显示全厂煤气、蒸汽、重油、氧、氮、氩、压缩空气、环境参数等系统。屏幕上的灯光和数码管由每一区的一台工业微机管理，微机的信息来自EMS的LSMS工作站。系统见图3，其通信规约为3964R，接口为RS485，传输速率为9600b/s，数据位长8位，停止位1位，无校验。图示用的基本软件由制造厂提供，应用软件由用户自行编制。
图3 大屏幕显示屏系统构成示意图
3.4 语言报警装置
这是一台多媒体微机，可由用户录入96句语言，当事件出现时由工作站启动，每句重复播放3次。
3.5 3级声音报警
以3种不同频率的音响对应3种故障报警。
3.6 同期合闸装置
供遥控自备电厂与电力网并网合闸时使用。
4 EMS软件系统
EMS的软件开发平台从西门子公司引进，它由许多基本模块组成，模块具有编程接口，由用户按功能需要，用若干基本模块组合完成某一独立任务，它具有读参数化文件、信号处理、执行文件传输、计算等功能。
西门子提供的软件有PICS(过程信息控制系统)；Dataview图示编辑器(第3方软件)；MotifX应用集成软件库(第3方软件)；Oracle关系数据库系统(第3方软件)；UNIX操作系统；TCP/IP国际通信协议之一。
由于PICS中缺少一些符合我们专业习惯的功能，这部分补充程序由用户自己编制，各层次软件关系如图4。
图4 软件关系图
PICS是西门子公司开发的，它是通用的模块化的开放型软件包，包括基本的参数化处理、图示管理、曲线管理、归档管理、报表管理和网络通信管理等功能，示意图见图5。
图5 PICS软件系统构成示意图
图中现场映像服务器分布在各服务工作站，图示和曲线管理位于各过程工作站，历史数据库和报表等程序在数据库工作站，还有一些公用功能的程序由LSMS 工作站来处理。PICS对全部数据进行管理，各过程工作站按当前工作的需要随时由服务工作站传送数据。历史数据库则定时收取服务工作站的数据。
应用软件由生产厂编制。应用软件要求：界面简洁、直观，并照顾到工作人员的专业习惯；操作简便并有提示和警告；重要的、有风险的操作过程设内部条件闭锁和口令；报警准确清晰。
EMS的画面是多窗口的，在流程图下方是事件的文件窗口，右侧是功能窗，右下侧是操作窗。这种画面共107个，还有34个故障显示画面，20个EMS管理画面。曲线、棒形图可以按需组合。每帧画面最多可同时显示6根曲线，但其采样周期要相同，每帧画面最多可以有两种物理量单位。X轴的时间可以定义。曲线的超限线段设定为指定颜色(如：上限为红、下限为黄)。全系统共有385根曲线和139个棒形图。
报表共有12种，其打印分自动定时打印和手动选择打印。其中时报、日报、旬报、月报、年报、准点报、峰谷电量报的数据从数据库获得，瞬时报的数据从现场映像服务器取得。总共有1475个数据供使用者选用编组报表。
另外还有为输入设定值等工作用的报表和管理用的预测、平衡等计算结果的画面。这类报表和画面的数量很少。
5 系统的工程特点
作为管理系统是允许离线的，但是管理系统有其特殊性。
(1)系统信号的安全
管理系统的基础是信号，其中20％是模拟量信号，如果失真或丢失信号，系统的各种功能就成了虚设。因此，要求上万个信号尤其是计量信号正确完整，就必须方方面面认真对待。
在硬件上，对国内设备、电缆、接线端子以及配线、路由器等的选型、设计和施工上都严格要求，环环把关。
在EMS中，PI信号在进入系统前可以存在有一周存储能力的计数器中，服务工作站有一个月的存储能力，这些都是为了防止上位计算机停机时数据丢失。采用ISAM文件(硬盘上的数据文件)可以防止工作站停机时丢失数据。
对老系统的切换转移更是步步谨慎，一丝不苟，做到4000多个信号全部安全不停产切换。
(2)系统的安全
除前文所述的服务工作站、过程工作站和信号采集站的冗余方式外，在操作上设有系统管理员、专职工程师、值班长、值班员等4级授权，以保证系统软件的安全。
在各采集站设有UPS，在能源中心将设备分成4类，分别设UPS，以缩小UPS 发生故障时的影响范围。
即使EMS全部停机，还为最重要的70个信号设有指示记录仪，使调度人员仍能掌握基本情况，通过调度电话进行生产调度。
(3)要求一次投产成功
能源管理系统一旦投入运行，就不允许停机，没有一般工程的试生产期，因此每一个局部系统均提前调试好，经过模拟运行一个月以上才投入运行，真正做到了一次投产成功。
(4)要求很强的可扩展性
能源中心管理工作不断有新的需求，例如最近拟增加操作票的电子化，操作的自动核对以及音响核对等等。最近该厂在工艺流程上有新的变革，作为管理系统必须能适应这种情况，现在开放的EMS为此创造了方便条件.
(5)为下一代设备更新创造条件
随着企业生产的不断发展和计算机技术的不断提高，再过几年必然又要求设备更新，现在的EMS为此创造了方便条件。
6 结束语
EMS工程既是扩建又是设备更新改造，因此只好由中方自己负责，外商只负责供应硬件和基本软件。整个工程经各方面通力合作，第1步的主系统在1994年3月已全部投入运行，第3步主系统于1996年3月已全部投入运行。迄今情况很正常，一个新的系统已经融入大家的日常生产操作的习惯中。
管理的经济效益有几方面，容易看到的是人员的节省，能源调配的优化短时间内还难以量化，去年该厂的可比吨钢能耗已接近国际先进水平，比一般国内工厂低得多，能耗低的主要原因是由于生产工艺流程和能源回收装置的先进，但完善的能源管理工作功不可没。假设管理优化降低单位能耗为1％，加上人力上的节约，大约二年时间就可回收这次工程的全部投资。
综上所述，该厂能源中心的新系统提高了信息处理的速度，给调度工作以有力支持和更方便的监控，通过实践运行验证系统是成功、安全的，有很强的可扩展性，有显著的经济效益和社会效益。作为计算机管理系统，在实际运行中应不断进行优化。本工程的构思可供其他企业装备能源管理系统时参考。
(编辑沈黎颖)
郑希湘男 1930年生教授级高级工程师主要从事电气及传动方面的设计与研究。
郑希湘（重庆钢铁设计研究院重庆400013）