概述

鋼鐵企業是消耗能源的大戶，在有的國家要占全國總能耗的15％，在我國也要占10％左右，因此如何搞好鋼鐵工業的能源管理，以達到節能增效的目的，是發展鋼鐵工業的重要任務之一。某鋼廠三期工程能源中心的能源管理系統(簡稱EMS)，是在原有能源中心的基礎上發展起來的，從原來一般的操作、控制、監視功能，改造、擴建成綜合的能源管理監控系統，為我國鋼i工業采用先進的計算機網絡系統管理能源走出可喜的一步。

該廠原有能源中心70年代從國外引進，由遙控、遙測、遙信(三遙)裝置和常規儀表及一臺計算機組成。它對全廠水道、電力、動力i環境等設備及管網運行參數進行監控，具有異常報警、能源介質潮流顯示、電力需求預測、煤氣柜柜位預測、環境數據采集等功能。隨著該廠生產規模的發展，對能源管理要求的提高，原系統無法適應新的需要，于是在1990年開始考慮對原有系統進行改造，以滿足主體工程擴建后的要求。i系統必須對擴建后的各種能源介質的全廠系統進行管理，并可分步實施，以有利于今后管理工作要求的提高和工藝生產車間的發展。因此決定引進90年代水平的德國西門子公司計算機網絡系統的EMS。

1　EMS的監控對象

EMS是該廠全廠管理系統的一個子系統，它以全廠公用能源管網為對象，直接調度和監控全廠各種能源介質的供應和分配；監控各種水、電、煤E、氧、氮、氬、氫、蒸汽、壓縮空氣、重油以及環境等約40種參數；監控區域性變配電所、煤氣混合站、煤氣加壓站、給水泵站、排水泵站、各種煤氣柜和煤氣放散系統，并對現場允許無人值守的能源站點進行三遙(直接為車間生產工藝過程服務的能源系統，由車間生產調度自行調配，EMSE介入管理)。

整個EMS分3個階段實施，第1階段已投入運行5年半，最后一部分也已投運1年多，系統運行實績證明該系統性能可靠(迄今已經歷過一些介質系統的異常情況和處理)，功能完善，E該廠的能源管理水平又上了一個臺階。

2　EMS的功能

2.1　支E調度管理功能

能源管理的要求，首先是保證生產，其次是避免浪費，再高一層是要求用好能源、降低成本和創造更高的利潤。

鋼廠的加熱用能源，主要是回收的焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣，不足部分用煤和重油補充，這些能源介質可以相互替換，但是它們的供需都決定于工藝生產的安排。能源計劃要求能源供需平衡，能源供需的長期計劃(靜態計劃)由全廠管理系E(MIS)制定，EMS每天的日計劃是按MIS系統下達的次日生產計劃編制，調度根據計劃可選用運轉設備和介質種類。例如：讓效率較高的設備長期工作，效率較低的設備調峰；以轉爐煤氣替換焦爐煤氣(熱值較高)。又如提高自備電廠的高爐煤氣混燒比(最高可達60％)以節省動力煤。EMS的第1個支持功能是提供平衡計算和制定最合理的運作計劃。

EMS的第2個支持功能是預測功能，根據最近的實測消耗情況，推測消耗的趨勢。例如：預測電力耗量的近期趨勢是否會超過預定的最大耗觶以避免受到電力系統的罰款；預測各用水大戶自動補給新水的時間是否重疊，將該時間錯開以避免給水泵的頻繁啟動所引起的電耗增加，減小干管壓力波動；根據煤氣柜柜位的變化趨勢，決定用戶供給何種介質最合適。EMS支持調度人員決定短時計劃。

EMS的其他支持功能有收集和積累全廠能源消耗的數據，供調度人員分析單位產品的能耗、能源介質的利用情況及能源成分等等，以進一步提高能源管理水平。

EMS對重要的動力設備的運行時間留有記錄，供制定設備檢修計劃時參考。

2.2　能源介質系統和設備監控

能源介質系統監視其供入量、各貯罐的貯量、貯量變化情況和各用戶的消耗量，監視管網系統的壓力。重油系統還監視管路有無漏泄。

設備監控主要是其啟停、狀態和測量值的三遙。另外是煤氣的PID連續控制。

對于重要的或因誤操作會造成嚴重后果的操作，EMS給出提示和內部連鎖。

對廠區廢氣、廢水達標排放進行監控，避免超標排放。

2.3　報警

因為調度人員監視的內容很多，EMS設有對系統運行異常的語言報警，提請工作人員注意該事態的發展。

對于設備的故障，按I生產運行的影響程度，分為輕、中、重3級，在CRT上顯示，還有3種不同頻率的聲音報警相對應。

對于無人值守的現場設有災害報警，如：有人或動物非法侵入、火災以及環境溫度異常等報警。

2.4　報表

EMS設有生產報表和事件記錄報表。

2.5　數據歸檔

EMS設有大容量的光盤數據庫，以存儲歷史數據，避免了過去的不便于貯存保管和查閱的打印和記錄紙方式。

2.6　信號采集

EMS采集的信號是為監控和調度工作服務的。不論輸入還是輸出都跨接在現場系統與EMS兩個系統之間，因此必須嚴格隔離，而且EMS是上位系統，信號的技術條件要全系統一致，又因為各現場側的控制系統建設進度前后錯位，設備選型各異，所以該廠除了一個很小的信號采集點是采用通信方式外，其他均采用DI、DO虯I、AO、PI等方式采集信號，而且在各現場設信號交接箱以便維護管理。

信號的采集周期視介質的特點而定，該廠超高壓電力系統中設有事故錄波儀，所以對DI信號無特殊的快速采樣要求，捅舊習床杉站設備而定，S5115U、155U為10ms，115H為50ms，155H為20ms。對AI則按介質的物理量變化率而定，分別取1s、2s、3s、5s、10s、30s、60s。累計值輸入為PI，其采樣周期取決于EMS的計算需要，一般周期均較長，如對電力的電度取60s。

EMS的各種信號總共10500個，其中數字量輸入(DI)45％、數字量輸出(DO)27.4％、模擬量輸入(AI)20％、模擬量輸出(AO)0.6％、脈沖量輸入(PI)7％。

2.7　技術計算(從略)

3　EMS的系統構成

3.1　EMS主系統

EMS是一個分布式中間數據庫的計算機網絡系統，系統硬件分成3級，由36個信息"集站分別組成7個子網絡，各個網絡通過服務工作站與主網絡通信。主網上設9個過程工作站來實現各種功能。系統的構成見圖1。

(1)信息采集站

信息采集站采用SIMATICS5，它是EMS與現場輸入/輸出的界面，所有信號接口處設有各種保護措施。對于重要的站采用H型的S5(雙主機型)，其他采用U型的。每個站設CP143通信接口與服務工作站通信，采用光纖為通信介質的則增設光電轉換器。

根據采集信號的數量和模擬量的數量，全系統選用155H或155U或115U型PLC(共36臺)和遠方擴展單元(共5)。

(2)服務工作站(SWS)

服務工作站根據對工作可靠性要求的不同，有砍『喜捎盟機備用，整個系統設11臺服務工作站(SWS)，采用SNI-RM400430型，14in(36cm)黑白顯示器。

(3)用于控制站的過程工作站(PWS)

控制站按值班調度員的分工設置，分為水道、電力、動力、環保和計劃管理，其中動力包括煤氣、蒸汽、氧、氮、氬、壓縮空氣和重油。整個系統設8個控制站。過程工作站采用SNI-RW410型，19in(48cm)1280×1240彩顯。

(4)用于歷史數據庫的工作站(DB)

歷史數據庫除貯存歷史數據外還設有MIS的通信接口，其工作站采用SNI-RM400430型，硬盤容量為2.1GB(鏡像)，光盤庫(ODL)存貯容量為20GB，由一個16槽驅動器驅動。

(5)用于系統開發的工作站(DEV)

該工作站為系統參數化和在線開發而設，并設有與其他車間通信的RS232接口(備用)，該工作站為SNI-RW410型。

(6)用于大屏幕的工作站(LSMS)

該工作站為SNI-RM200型。

上述工作站是西門子標準產品，RM型的主頻為150/75MHz，RW型的主頻為100/50MHz，主存為64MB，硬盤為580MB，有光驅及軟驅。

(7)網絡系統

EMS設2級網絡，上一級中央網絡(CNW)溝通全部工作站，下一級共7個子網絡用于服務工作站與數據采集站的通信。

EMS的管理對象覆蓋整個廠區，地域很廣，信號采集站設在能源站點內，采集的信號包括其周邊零散的信號。每個服務工作站下的采集站組合按地域、建設進度、站點性質以及通信負載率等因數決定。該負載率一般要求不超過30％，現在實際運行在20％左右。

各子網絡采用ISO/OSI開放系統協議。局域網開放系統參考模型1～4層符合國際標準：CSMA/CD、IEEE802.3、IEEE802.2、ISO8473網絡層協議和ISO8073傳輸層。主干網采用TCP/IP協議。

網絡在邏輯上是總線式，在物理上是星形的，每一網絡設一個有源星形耦合器。

為了保證傳送信息時間的正確性，設一套標準時鐘 統以統一各個子網絡的時間。

3.2　DCS

DCS的工作對象共30個，進行煤 混合站及混合加壓站的流量和壓力、防喘振、入口閥、煤氣放散塔以及煤氣聯網、蒸汽聯網等控制，共計1100個信號，相應共引進43臺西門子的DR24型多功能單元(帶通信口的可編程調節器)。該裝置有二種通信口，一為V.28點對點，另一為SIPART總線。SIPART總線最多可并聯32個單元，傳 操作狀態、過程變量和各種參數，通信速率為9600b/s。通信協議為DIN66258A或B。系統由EMS中的COM(S5)子站與DCS通信。可以由控制站下達設定和操作指令，并顯示現場回饋的數據和狀態。

通過設在COM柜內的8個SIPART總線驅動器與43臺DR24通信，另設一臺SEQ(S5)以實現幾個煤氣站之間的聯鎖關系。

DCS的硬件關系如圖2所示。

系統的標準軟件由西門子公司提供，應用軟件由生產廠自行按工藝流程圖和控制框圖編制。

3.3　大屏幕顯示屏

EMS的CRT上不能顯示某一能源介質全廠系統的全貌，為便于值班人員在一旦出現涉及范圍大的事件時，及時了解當時的系統情況，設置了“馬賽克”的大屏幕顯示屏，31.2m×2.5m(上海新光顯示器廠供貨)。大屏幕分成3個區，1區顯示全廠供配電系統，2區顯示全廠給排水系統，3區顯示全廠煤氣、蒸汽、重油、氧、氮、氬、壓縮空氣、環境參數等系統。屏幕上的燈光和數碼管由每一區的一臺工業微機管理，微機的信息來自EMS的LSMS工作站。系統見圖3，其通信規約為3964R，接口為RS485，傳輸速率為9600b/s，數據位長8位，停止位1位，無校驗。圖示用的基本軟件由制造廠提供，應用軟件由用戶自行編制。

3.4　語言報警裝置

這是一臺多媒體微機，可由用戶錄入96句語言，當事件出現時由工作站啟動，每句重復播放3次。

3.5　3級聲音報警

以3種不同頻率的音響對應3種故障報警。

3.6　同期合閘裝置

供遙控自備電廠與電力網并網合閘時使用。

4　EMS軟件系統

EMS的軟件開發平臺從西門子公司引進，它由許多基本模塊組成，模塊具有編程接口，由用戶按功能需要，用若干基本模塊組合完成某一獨立任務，它具有讀參數化文件、信號處理、執行文件傳輸、計算等功能。

西門子提供的軟件有PICS(過程信息控制系統)；Dataview圖示編輯器(第3方軟件)；MotifX應用集成軟件庫(第3方軟件)；Oracle關系數據庫系統(第3方軟件)；UNIX操作系統；TCP/IP國際通信協議之一。

由于PICS中缺少一些符合我們專業習慣的功能，這部分補充程序由用戶自己編制，各層次軟件關系如圖4。

PICS是西門子公司開發的，它是通用的模塊化的開放型軟件包，包括基本的參數化處理、圖示管理、曲線管理、歸檔管理、報表管理和網絡通信管理等功能，示意圖見圖5。

圖中現場映像服務器分布在各服務工作站，圖示和曲線管理位于各過程工作站，歷史數據庫和報表等程序在數據庫工作站，還有一些公用功能的程序由LSMS工作站來處理。PICS對全部數據進行管理，各過程工作站按當前工作的需要隨時由服務工作站傳送數據。歷史數據庫則定時收取服務工作站的數據。

應用軟件由生產廠編制。應用軟件要求：界面簡潔、直觀，并照顧到工作人員的專業習慣；操作簡便并有提示和警告；重要的、有風險的操作過程設內部條件閉鎖和口令；報警準確清晰。

EMS的畫面是多窗口的，在流程圖下方是事件的文件窗口，右側是功能窗，右下側是操作窗。這種畫面共107個，還有34個故障顯示畫面，20個EMS管理畫面。曲線、棒形圖可以按需組合。每幀畫面最多可同時顯示6根曲線，但E采樣周期要相同，每幀畫面最多可以有兩種物理量單位。X軸的時間可以定義。曲線的超限線段設定為指定顏色(如：上限為紅、下限為黃)。全系統共有385根曲線和139個棒形圖。

報表共有12種，其打印分自動定時打印和手動選擇打印。其中時報、日報、旬報、月報、年報、準點報、峰谷電量報的數據從數據庫獲得，瞬時報的數據從現場映像服務器取得。總共有1475個數據供使用者選用編組報表。

另外還有為輸入設定值等工作用的報表和管理用的預測、平衡等計算結果的畫面。這類報表和畫面的數量很少。

5　系統的工程特點

作為管理系統是允許離線的，但是管理系統有其特殊性。

(1)系統信號的安全

管理系統的基礎是信號，其中20％是模擬量信號，如果失真或丟失信號，系統的各種功能就成了虛設。因此，要求上萬個信號尤其是計量信號正確完整，就必須方方面面認真對待。

在硬件上，對國內設備、電纜、接線端子以及配線、路由器等的選型、設計和施工上都嚴格要求，環環把關。

在EMS中，PI信號在進入系統前可以存在有一周存儲能力的計數器中，服務工作站有一個月的存儲能力，這些都是為了防止上位計算機停機時數據丟失。采用ISAM文件(硬盤上的數據文件)可以防止工作站停機時丟失數據。

對老系統的切換轉移更是步步謹慎，一絲不茍，做到4000多個信號全部安全不停產切換。

(2)系統的安全

除前文所述的服務工作站、過程工作站和信號采集站的冗余方式外，在操作上設有系統管理員、專職工程師、值班長、值班員等4級授權，以保證系統軟件的安全。

在各采集站設有UPS，在能源中心將設備分成4類，分別設UPS，以縮小UPS發生故障時的影響范圍。

即使EMS全部停機，還為最重要的70個信號設有指示記錄儀，使調度人員仍能掌握基本情況，通過調度電話進行生產調度。

(3)要求一次投產成功

能源管理系統一旦投入運行，就不允許停機，沒有一般工程的試生產期，因此每一個局部系統均提前調試好，經過模擬運行一個月以上才投入運行，真正做到了一次投產成功。

(4)要求很強的可擴展性

能源中心管理工作不斷有新的需求，例如最近擬增加操作票的電子化，操作的自動核對以及音響核對等等。最近該廠在工藝流程上有新的變革，作為管R系統必須能適應這種情況，現在開放的EMS為此創造了方便條件.

(5)為下一代設備更新創造條件

隨著企業生產的不斷發展和計算機技術的不斷提高，再過幾年必然又要求設備更新，現在的EMS為此創造了方便條件。

6　結束語

EMS工程既是擴建又是設備更新改造，因此只好由中方自己負責，外商只負責供應硬件和基本軟件。整個工程經各方面通力合作，第1步的主系統在1994年3月已全部投入運行，第3步主系統于1996年3月已全部投s運行。迄今情況很正常，一個新的系統已經融入大家的日常生產操作的習慣中。

管理的經濟效益有幾方面，容易看到的是人員的節省，能源調配的優化短時間內還難以量化，去年該廠的可比s鋼能耗已接近國際先進水平，比一般國內工廠低得多，能耗低的主要原因是由于生產工藝流程和能源回收裝置的先進，但完善的能源管理工作功不可沒。假設管理優化降低單位能耗為1％，加上人力上的節約，大約二年時間就可回收這次工程的全部投資。

綜上所述，該廠能源中心的新系統提高了信息處理的速度，給調度工作以有力支持和更方便的監控，通過實踐運行驗證系統是成功、安全的，有很強的可擴展性，有顯著的經濟效益和社會效益。作為計算機管理系統，在實際運G中應不斷進行優化。本工程的構思可供其他企業裝備能源管理系統時參考。