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水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)解析論文
1前言
隨著全球能源供應(yīng)的日趨緊張，各種能源費用都呈上升趨勢，能耗成本在企業(yè)成本中所占比例越來越大。水泥企業(yè)是典型的高耗能企業(yè)，企業(yè)能源費用在生產(chǎn)總成本中占70%以上。因此，在水泥企業(yè)中建立高效的能源管理系統(tǒng)，對企業(yè)的能源消耗進(jìn)行在線監(jiān)控、對能源數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化管理，不斷調(diào)整水泥企業(yè)的生產(chǎn)方式和用能方式，以降低單位水泥產(chǎn)品的能源消耗，對水泥企業(yè)的經(jīng)營發(fā)展和提高經(jīng)濟(jì)效益具有極其重要的意義。
目前，國內(nèi)大多數(shù)水泥企業(yè)的能源管理依然以人工采集數(shù)據(jù)為主，自動化、信息化程度較差。企業(yè)的集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）、純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)、用電、用煤計量系統(tǒng)、經(jīng)營管理的ERP系統(tǒng)等各自獨立運行，信息共享程度不高。此外，由于水泥企業(yè)本身對能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用需求不明晰、建設(shè)目標(biāo)不明確，造成了盲目照搬照抄國內(nèi)大型企業(yè)能源管理系統(tǒng)的現(xiàn)象發(fā)生。
針對以上問題，本文提出一種利用OPC技術(shù)、基于NET的多層體系架構(gòu)技術(shù)構(gòu)建水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案采用OPC技術(shù)，在滿足系統(tǒng)對于各個硬件設(shè)備的基礎(chǔ)通信要求外，可實現(xiàn)系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)、企業(yè)余熱發(fā)電系統(tǒng)等第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和交互，方便為企業(yè)各種決策提供及時、全而、準(zhǔn)確、適用的信息；系統(tǒng)建設(shè)采用基于。NET的多層體系架構(gòu)技術(shù)，可以極大的提高系統(tǒng)的可重用性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。
2系統(tǒng)整體設(shè)計
2.1系統(tǒng)需求和設(shè)計原則
能源管理系統(tǒng)是一種基于網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)等先進(jìn)信息技術(shù)的現(xiàn)代化能源管理平臺，可對企業(yè)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、處理、統(tǒng)計、查詢和分析，提供企業(yè)用能計劃、能耗核算及決策支持，實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能績效的科學(xué)管理和能源效率的持續(xù)改進(jìn)。水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)由于能源使用方式、能源消耗種類、企業(yè)能源管理要求等方而與其他行業(yè)存在差異，因此，在進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計時，需要重點考慮以下方而：
�。�1）系統(tǒng)建設(shè)范圍需求。水泥企業(yè)是一個典型的高耗能企業(yè)，企業(yè)主要使用電和煤兩類能源。企業(yè)生產(chǎn)使用的各類電機(jī)消耗絕大部分電能，水泥熟料燒成的窯爐則消耗幾乎全部的煤，因此，企業(yè)能源管理系統(tǒng)的能源數(shù)據(jù)分為用煤數(shù)據(jù)和用電數(shù)據(jù)兩類。此外，企業(yè)用電，除了向當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)購電這一渠道以外，企業(yè)的水泥純低溫余熱發(fā)電電站也是企業(yè)用電的一個來源。
�。�2）系統(tǒng)建設(shè)成本需求。在水泥企業(yè)建設(shè)能源管理系統(tǒng)，雖然不存在信息系統(tǒng)建設(shè)資金不足和技術(shù)不成熟的問題，但是，若對廠區(qū)原有的信息化系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計開發(fā)，重復(fù)的系統(tǒng)建設(shè)費用和大量監(jiān)測終端購買支出無疑會極大的增加水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)的建設(shè)成本。從投入產(chǎn)出比的角度來看，這樣的系統(tǒng)建設(shè)方式也是不利于水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)大范圍的推廣應(yīng)用。因此，在進(jìn)行方案設(shè)計時，應(yīng)最大程度的挖掘原有信息化系統(tǒng)的效益點與價值點，選擇成熟、可靠的系統(tǒng)集成技術(shù)，使得原有的信息化系統(tǒng)為新的能源管理系統(tǒng)所用。
（3）系統(tǒng)功能需求。在系統(tǒng)功能設(shè)計上，應(yīng)圍繞水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)的建設(shè)目的，在充分實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲等數(shù)據(jù)管理基本功能的基礎(chǔ)上，重點對能源信息管理及能耗原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，開展多維度、深層次的能效分析和能效評估等功能的設(shè)計和開發(fā)。
�。�4）系統(tǒng)性能需求。由軟件、硬件、多個基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)，不僅需要完成企業(yè)能源數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理等功能，還需要完成企業(yè)的能效分析、診斷、評估等功能。因此，為保證系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，應(yīng)盡可能采用成熟的硬件產(chǎn)品和優(yōu)秀的軟件技術(shù)。
2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)選用微軟公司的Visual Studio 。NET作為開發(fā)平臺。系統(tǒng)總體上劃分為表現(xiàn)層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。
表現(xiàn)層主要負(fù)責(zé)企業(yè)用戶業(yè)務(wù)請求的輸入和最終業(yè)務(wù)結(jié)果的展現(xiàn)，不負(fù)責(zé)任何的業(yè)務(wù)解釋和處理，是系統(tǒng)的窗口。
系統(tǒng)的應(yīng)用層直接為表現(xiàn)層服務(wù)服務(wù)，其包含實際的業(yè)務(wù)邏輯，根據(jù)用戶請求的內(nèi)容與后臺的數(shù)據(jù)層進(jìn)行交互，并把最終的產(chǎn)生的結(jié)果返回給表現(xiàn)層。應(yīng)用層是系統(tǒng)的核心層，包含應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器等多類服務(wù)器。
數(shù)據(jù)層主要包含數(shù)據(jù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)現(xiàn)場能效數(shù)據(jù)的采集和上傳，數(shù)據(jù)服務(wù)器將上傳的能效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型存儲到特定的區(qū)域，并為應(yīng)用層提供包括數(shù)據(jù)檢索、訪問等服務(wù)。
采用三層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是各邏輯層既相互獨立又緊密聯(lián)系，任何一層的改動都不會影響到其它邏輯層的工作，非常有利于系統(tǒng)的擴(kuò)充。
2.2系統(tǒng)應(yīng)用部署方式
水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用部署方式因企業(yè)自身的基礎(chǔ)條件、建設(shè)資金以及能源管理需求的不同而有差異。對于中小規(guī)模的水泥企業(yè)，采用集中部署方式有利于系統(tǒng)的快速建設(shè)、快速投入運行、能源事件的快速處理；對于生產(chǎn)規(guī)模較大，以集團(tuán)化化運作的水泥企業(yè)，采用分散部署的方式，有利于實現(xiàn)各個子公司或各條生產(chǎn)線的能源統(tǒng)一管理。
3系統(tǒng)硬軟件設(shè)計
3.1系統(tǒng)硬軟件設(shè)計
�。�1）采集終端。系統(tǒng)的現(xiàn)場采集范圍主要分為兩部分：用電信息采集和用煤信息采集。對電的監(jiān)測，主要采用三相電能表、電能質(zhì)量分析儀、功率分析儀等儀器設(shè)備來實現(xiàn)。對企業(yè)用煤，則選用汽車電子衡和電子稱等計量設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。
�。�2）采集網(wǎng)絡(luò)。在整個系統(tǒng)中，采集網(wǎng)絡(luò)下連現(xiàn)場采集終端、上接企業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，是能源數(shù)據(jù)的上傳和控制信息的下達(dá)的通道。采集網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)一項關(guān)鍵組成部分。
由于水泥企業(yè)現(xiàn)場計量設(shè)備種類繁多、驅(qū)動程序各異。為獲取現(xiàn)場實時的能源信息，針對每個硬件開發(fā)一套采集軟件，無疑會加大系統(tǒng)的建設(shè)成本和增加系統(tǒng)的建設(shè)周期，這顯然是不符合系統(tǒng)的建設(shè)原則和要求的。
OPC（OLE for Process Control）是為解決基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用之間通訊而產(chǎn)生的一組技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。OPC為各類硬件設(shè)備和軟件開發(fā)者提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的接口，可以將底層硬件驅(qū)動程序和上層應(yīng)用程序的開發(fā)有效地分隔開，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)了不同設(shè)備協(xié)議間的數(shù)據(jù)互訪，不僅易于系統(tǒng)維護(hù)和升級，而且可以縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間。因此，利用OPC技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)采集網(wǎng)絡(luò)顯然是一個很好的選擇。
（3）系統(tǒng)服務(wù)器。系統(tǒng)服務(wù)器包括數(shù)據(jù)服務(wù)器（Data Sever）、應(yīng)用服務(wù)器（App sever）和WEB服務(wù)器（Web Server）。數(shù)據(jù)服務(wù)器用來存儲現(xiàn)場采集的能耗數(shù)據(jù)、終端的工作狀態(tài)、用能設(shè)備檔案信息，通過建立SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)管理，分為實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫三類。實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)存儲采集的能耗數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息，前者主要而向用戶對能耗的實時監(jiān)測，后者主要而向用戶的能效分析和能效診斷。生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫存儲有企業(yè)的設(shè)備管理信息和生產(chǎn)計劃信息。應(yīng)用服務(wù)器上運行著能源管理軟件，是最終為用戶提供各類服務(wù)的業(yè)務(wù)執(zhí)行區(qū)域，是系統(tǒng)服務(wù)器的核心。WEB服務(wù)器則用來發(fā)布企業(yè)的能源信息、績效考核信息等內(nèi)容。為節(jié)省系統(tǒng)建設(shè)成本，以上三類服務(wù)器可部署在同一臺硬件設(shè)備中。
3.2軟件系統(tǒng)設(shè)計
軟件系統(tǒng)包含采集軟件、數(shù)據(jù)庫和能源管理軟件。
�。�1）數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計
采集軟件主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場采集終端與數(shù)據(jù)服務(wù)器的通訊、能耗數(shù)據(jù)的實時采集和能耗數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳。采集軟件與采集網(wǎng)絡(luò)一起構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
其主要功能包含：①參數(shù)配置：對設(shè)備編碼、通信協(xié)議設(shè)定、數(shù)據(jù)采集頻率、終端數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)周期數(shù)據(jù)類型、報警閥值等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；②能耗實時監(jiān)測：對企業(yè)能源消耗（主要用電和用煤）進(jìn)行實時監(jiān)控，并將實時監(jiān)測的信息上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)庫中；③能源事件報警：根據(jù)用戶設(shè)定的能源計劃、能效指標(biāo)、設(shè)備效率報警閥值，對企業(yè)的異常能源事件和狀態(tài)及時發(fā)出報警，并將報警的時間和內(nèi)容上傳到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫中。
（2）數(shù)據(jù)庫軟件設(shè)計
數(shù)據(jù)庫軟件選用SQL Server 2008，其具有簡單而豐富的API接口，簡便且易使用，此外還具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和較高的性價比，適合水泥企業(yè)要求降低能源管理系統(tǒng)建設(shè)成本的要求。
�。�3）能源管理軟件設(shè)計
能源管理軟件采用基于面向?qū)ο蟮腣isualStudio。NET的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，可以充分發(fā)揮開發(fā)平臺的可視化設(shè)計開發(fā)工具箱、公共語言運行庫和龐大的公用代碼庫，快速構(gòu)建Windows應(yīng)用程序、Web應(yīng)用程序、Web服務(wù)和其它各種類型的應(yīng)用程序，縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間和難度。能源管理軟件的核心功能包括：①能耗統(tǒng)計：主要分為能源消費統(tǒng)計和產(chǎn)品能耗統(tǒng)計兩個部分內(nèi)容；②能效分析：以同比、環(huán)比、排名等方式，可實現(xiàn)對企業(yè)總體能耗、分項能耗、設(shè)備能耗進(jìn)行分析，分析時段可提供日分析、周分析、月度分析、季度分析、年度分析以及任意指定時段內(nèi)的數(shù)據(jù)分析。分析結(jié)果可以通過折線圖、柱狀圖、餅圖等多種表現(xiàn)方式予以展現(xiàn)。③用電負(fù)荷管理：主要分為企業(yè)用電負(fù)荷管理和負(fù)荷預(yù)測。主要根據(jù)大量用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，對企業(yè)的負(fù)荷進(jìn)行分類，通過用戶電力負(fù)荷預(yù)測模型，預(yù)測短期或中長期負(fù)荷變化。④用能決策：根據(jù)耗能設(shè)備日、月、季、年用能的變化規(guī)律，結(jié)合能效指標(biāo)和節(jié)能案例，系統(tǒng)診斷能源消耗、挖掘節(jié)能潛力并給出節(jié)能指導(dǎo)意見。
4結(jié)語
基于OPC技術(shù)構(gòu)建的采集網(wǎng)絡(luò)，不僅可以滿足系統(tǒng)對于企業(yè)電能數(shù)據(jù)實時采集的需求，還可以方便構(gòu)建與企業(yè)DCS系統(tǒng)以及水泥企業(yè)余熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享的接口，從而為企業(yè)實現(xiàn)全局性能耗分析、用能優(yōu)化控制提供了可能。采用基于。Net多層體系架構(gòu)技術(shù)開發(fā)的水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)，為水泥企業(yè)提供了一個數(shù)字化的能源管理的信息化平臺，可以實現(xiàn)對企業(yè)能耗數(shù)據(jù)管理、用能計劃管理、多維度能效分析、能效對標(biāo)管理、能效診斷和評估的功能。該設(shè)計方案，在滿足水泥企業(yè)能源管理建設(shè)需求和建設(shè)目標(biāo)的同時，可實現(xiàn)系統(tǒng)的快速建設(shè)，以及根據(jù)企業(yè)的能源管理需要，實現(xiàn)系統(tǒng)的良好擴(kuò)展。
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