尚麗佳1 齊增海2
( 1.精晶藥業(yè)股份有限公司 , 河北 邢臺 050011 ;2.石家莊高新區(qū)中正儀器儀表有限公司 , 河北 石家莊 050011)
摘要 : 根據(jù)企業(yè)的應(yīng)用實踐 , 文章介紹了企業(yè)在能源管控系統(tǒng)改造應(yīng)用中 , 采用數(shù)字化技術(shù)的經(jīng)驗 ?？偨Y(jié)了傳 統(tǒng)的 、以模擬集中式結(jié)構(gòu)組成能源計量中心存在的問題 。提出了從現(xiàn)場計量 、網(wǎng)絡(luò)傳輸 、數(shù)據(jù)庫 、運營等多方 面的改造經(jīng)驗 。企業(yè)能源計量及管控系統(tǒng)采用數(shù)字化的改造 , 對企業(yè)數(shù)字化升級起到了基礎(chǔ)的推進作用 。其意 義在于確保了數(shù)據(jù)的真實性 、可靠性 、穩(wěn)定性 , 并建立起了企業(yè)數(shù)字化的局部雛形 , 對企業(yè)全方面數(shù)字化產(chǎn)業(yè) 升級起到了結(jié)構(gòu)性建設(shè)和實踐的重大意義。
關(guān)鍵詞 : 能源計量; 能源中心; 數(shù)字化; 數(shù)字化能源管控; 數(shù)字化計量
文獻標志碼 : B 文章編號 : 1002 -1183 (2021) 06 -0000 -00
1 傳統(tǒng)企業(yè)能源管控現(xiàn)狀及問題
近十幾年來 , 企業(yè)為了加強工業(yè)信息化建設(shè) , 上馬了企業(yè)能源中心項目 , 為工業(yè)企業(yè)信息化建 設(shè)起到了積極的推動作用 。普遍采用的模式是將 現(xiàn)場儀表的模擬數(shù)據(jù)通過電纜和橋架連接到了 DCS 和 PLC, 再通過 DCS 、PLC的計算將數(shù)據(jù)傳到 數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)計和報表運算 , 或者直接將工藝控 制用的DCS 和 PLC中能源數(shù)據(jù)直接采集到數(shù)據(jù)庫。 這種模式的優(yōu)點是建設(shè)周期短 、工作量少 、責(zé)任劃分比較清楚 。能源中心只負責(zé)數(shù)據(jù)的采集 、報 表運算和數(shù)據(jù)展示 , 計量及傳輸工作由現(xiàn)場負責(zé)。 但在應(yīng)用實踐中也發(fā)現(xiàn)了諸多問題 , 下面就能源 中心出現(xiàn)的問題總結(jié)以下幾點。
1.1 現(xiàn)場擅自改數(shù)現(xiàn)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(xiàn)場技術(shù)人員采用了修改參數(shù)或多種計數(shù)方法使上傳的數(shù)據(jù)達到好看 。這 樣不僅使能源中心的數(shù)據(jù)喪失真實性 , 而且在個別企業(yè)也出現(xiàn)了小問題隱瞞造成大事故的現(xiàn)象。 造成這個問題的主要原因是對現(xiàn)場計量的工作監(jiān) 督不足 , 缺乏有效的管理手段 。另外許多企業(yè)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(xué)依據(jù) , 形成了現(xiàn)場無法達到的指 標和要求 , 造成現(xiàn)場技術(shù)人員改數(shù)。
1.2 計量技術(shù)力量不足
國內(nèi)針對工業(yè)現(xiàn)場計量的專業(yè)嚴重不足 , 新 畢業(yè)的學(xué)生無法很快承擔(dān)現(xiàn)場技術(shù)工作,針對工 業(yè)企業(yè)計量的培訓(xùn)也相對較少,使企業(yè)計量技術(shù) 人員面對當(dāng)前繁雜的儀表問題,更多是依賴儀表 供應(yīng)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(nèi)針對計量的標準 , 大多集中在了制 造環(huán)節(jié)和檢定環(huán)節(jié) 。對現(xiàn)場復(fù)雜的應(yīng)用和儀表類 型選擇方面的標準和規(guī)范嚴重缺失 , 使企業(yè)計量 技術(shù)人員面對繁雜的儀表類型無法應(yīng)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(yè)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(yè)對自主建立企 業(yè)標準或部門標準缺乏自信。
1.4 P1C編程難以完成復(fù)雜的計量運算
傳統(tǒng)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(zhuǎn)換環(huán)節(jié) , 需要計量校準。 由于企業(yè)的計量點眾多 、信號傳輸繁雜 , 企業(yè)自 身無法承擔(dān)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(tǒng)廠 家的運算模塊 , 無法完成計量檢定規(guī)程所要求的 運算精度 。在編程中 , 不同的程序員的程序結(jié)果 往往差距較大。
2 新需求
2.1 智能化和易維護
由于企業(yè)自動化程度不斷提高 , 儀表維護力 量逐年減少 , 對系統(tǒng)的開發(fā)和維護能力嚴重不足。 這就需要系統(tǒng)具有使用 、維護的簡便性 , 產(chǎn)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(chǎn)品升級換代等問題發(fā)生 , 非專業(yè)人員就可以承擔(dān)起維護的職責(zé); 儀表的易 維護性 , 比如避免調(diào)量程 、調(diào)零點 、保溫 、伴熱、 排污 、校準等工作 。技術(shù)人員按照標準和規(guī)范安 裝即可完成日常維護和系統(tǒng)升級的工作。
2.2 安全性
系統(tǒng)不會因網(wǎng)絡(luò)攻擊 、人為因素 、某技術(shù)環(huán) 節(jié)的問題造成系統(tǒng)的癱瘓 。不會因網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)外的 網(wǎng)絡(luò)破壞造成系統(tǒng)的整體癱瘓和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的丟失; 系統(tǒng)內(nèi)沒有數(shù)據(jù)的集中節(jié)點 , 避免系統(tǒng)性的癱瘓; 關(guān)鍵數(shù)據(jù)應(yīng)來自現(xiàn)場智能傳感器,而不是中間的 環(huán)節(jié) , 確保數(shù)據(jù)的真實; 任何一個崗位人員離開 或供應(yīng)商的更替 , 系統(tǒng)的軟硬件能夠得到有效的 維護和擴充。
2.3 數(shù)據(jù)真實可信
(1) 計量數(shù)據(jù)能夠適應(yīng)現(xiàn)場流量范圍和介質(zhì) 的特性變化 , 確保數(shù)據(jù)能夠反映計量的相對準確 和真實性 。避免現(xiàn)場常發(fā)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(xiàn)場的無依據(jù)修改數(shù)據(jù) , 使用自動 軟件監(jiān)督或其他手段 , 確保數(shù)據(jù)的真實。
(3) 避免無依據(jù) 、無校準的編程工作 , 對于 數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)病毒造成數(shù)據(jù)的惡意虛假。
2.4 適應(yīng)企業(yè)數(shù)字化升級
能源管控系統(tǒng)是企業(yè)數(shù)字化的一部分 , 應(yīng)該 與企業(yè)數(shù)字化體系無縫連接。
3 數(shù)字化能源管控系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用效果
3.1 扁平化一體化
將現(xiàn)場的計量儀表定義為現(xiàn)場計量單元 , 每 個現(xiàn)場計量單元采用一體化模式 , 獨立完成現(xiàn)場 的計量任務(wù) , 然后與網(wǎng)絡(luò)連接; 由于采用一體化 模式 , 淘汰了 AD/DA等損失精度的環(huán)節(jié) , 數(shù)學(xué)模 型可以在很寬的信號范圍內(nèi)運算 , 使流量測量范圍擴展到了 30 :1 , 較傳統(tǒng)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(xiàn)場工作量和成本降低了50%以上。
管理系統(tǒng)定義為管理單元 , 每個單元完成自 己分管的管理任務(wù) , 同樣直接與網(wǎng)絡(luò)連接 , 各單 元間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的共享 , 包括變量報表 , 歷史數(shù)據(jù) 等 ; 每個管理單元和與其相關(guān)的現(xiàn)場單元形成網(wǎng) 絡(luò)一體化結(jié)構(gòu) 。形成一個相對獨立的一體化單元 , 完成一個系統(tǒng)任務(wù) 。扁平化節(jié)約了傳統(tǒng)模擬系統(tǒng) 的橋架 、電纜 , 也節(jié)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(tǒng)成本節(jié)約 60%以上。
系統(tǒng)由現(xiàn)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(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之一 , 而且 也是將來企業(yè)智能數(shù)字化升級的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之 一 , 達到相互的兼容 。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.2 標準化
現(xiàn)場一 體化單元符合國家 、省等相關(guān)標準 , 所有現(xiàn)場計量儀表和智能調(diào)節(jié)閥的通信協(xié)議采用 M0DBUs 的模式 。原有非標準模式通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn) 換為標準模式再與網(wǎng)絡(luò)連接 。車間原有 PLC系統(tǒng) 均以 0PC形式與網(wǎng)絡(luò)連接 。每個計量和控制點都 有獨立的 、規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)變量名稱 , 并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 共享。
3.3 應(yīng)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(shù)據(jù)庫和 本車間相應(yīng)的現(xiàn)場儀表組成 , 職責(zé)是管理和控制 本車間的能源計量數(shù)據(jù)和能源的平衡 ?，F(xiàn)場計量 儀表獨立完成計量任務(wù)并存儲數(shù)據(jù); 現(xiàn)場控制儀表根據(jù)車間管理的給定值來自身控制相應(yīng)能源參 數(shù) , 車間管理單元的數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的一 個分單元 , 其數(shù)據(jù)被系統(tǒng)內(nèi)其他管理單元共享。
3.3.2 企業(yè)能源管控
作為企業(yè)能源管理的核心 , 負責(zé)企業(yè)級的能 源數(shù)據(jù)平衡實時控制和能源數(shù)據(jù)的平衡管理 。其 實時數(shù)據(jù)和報表通過網(wǎng)絡(luò)共享模式存在于網(wǎng)絡(luò)中。 由于實時數(shù)據(jù)和報表來自各車間管理服務(wù)器的共 享平臺 , 從而實現(xiàn)企業(yè)級管理數(shù)據(jù)的快速高效 , 實時數(shù)據(jù) 6 000 點 , 掃描速度小于 1.5 s。公司級 的核算數(shù)據(jù)直接于現(xiàn)場儀表通訊 , 實現(xiàn)了能源數(shù) 據(jù)的相互監(jiān)督。
3.3.3 能源大廳
能源大廳負責(zé)企業(yè)各類數(shù)據(jù)的總調(diào)度 , 同時 作為企業(yè)能源管控 、環(huán)保管控系統(tǒng)的備份 。實時 數(shù)據(jù)來自各車間管理服務(wù)器和 0PC通信 , 管理數(shù) 據(jù)來自各車間的能源管理。
由于實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)場智能儀表和現(xiàn)場智能調(diào)節(jié)單元通訊 , 實施直接的管理權(quán)利 , 實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的多重 冗余。
3.3.4 環(huán)保管理
針對于環(huán)保數(shù)據(jù) , 其職能和技術(shù)模式和能源 管理一致。
3.3.5 與原有系統(tǒng)兼容
車間原有 PLC通過 0PC模式與網(wǎng)絡(luò)連接 , 根 據(jù)權(quán)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(yè)數(shù)字化基本架構(gòu)
通過數(shù)字化能源管控系統(tǒng)的建立 , 形成了初 步的企業(yè)數(shù)字化的架構(gòu)和規(guī)范 , 其核心為扁平化: 現(xiàn)場數(shù)據(jù)和管理單元都與網(wǎng)絡(luò)連接 , 實現(xiàn)相互數(shù) 據(jù)的共享; 一體化: 現(xiàn)場計量數(shù)據(jù)和能源控制實 現(xiàn)就地智能裝備的一體化 , 獨立完成自身的任務(wù) , 每個單元也實現(xiàn)了自身任務(wù)的獨立完成; 標準化: 一體化能源系統(tǒng)架構(gòu)的建立 , 形成了企業(yè)未來數(shù) 字化的雛形 , 為企業(yè)數(shù)字化建設(shè)打下一個良好的 基礎(chǔ)。
4.2 成本
由于實現(xiàn)了扁平式的網(wǎng)絡(luò)化 , 節(jié)約了電纜、 橋架 、集中 PLC以及現(xiàn)場儀表的組合安裝 , 較傳統(tǒng)集中式的能源中心 , 節(jié)約建設(shè)成本超過 50%。 一體化式的現(xiàn)場計量和現(xiàn)場控制 , 其免維護式的 設(shè)計使系統(tǒng)的維護成本降低 80% 。分布式的管理 單元 , 將傳統(tǒng)的集中式的大型數(shù)據(jù)庫分割成了多 個小型實時數(shù)據(jù)庫 , 使建設(shè)難度和建設(shè)成本同樣 大幅度降低。
4.3 校準及精度
與計量精度有關(guān)的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場智能儀表中全 部解決 。計量數(shù)據(jù)的傳輸全部采用數(shù)字化形式 , 所以對系統(tǒng)計量精度的校準工作節(jié)約了 80% , 而 且避免了數(shù)據(jù)傳輸精度問題以及二次計算的工作。 4.4 安全
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為分布式結(jié)構(gòu) , 各單元實現(xiàn)了相互 冗余和相互監(jiān)督 , 不會因為任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問 題造成系統(tǒng)性的癱瘓。
扁平化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享 , 現(xiàn)場計量單 元的數(shù)據(jù)和參數(shù)受到了網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)督 , 避免個別部 門因為個人和局部利益對數(shù)據(jù)的修改。
由于全部計量和控制工作分布在了現(xiàn)場儀表 , 一旦受到網(wǎng)絡(luò)攻擊和網(wǎng)絡(luò)故障 , 對現(xiàn)場計量數(shù)據(jù) 和能源控制不會受到災(zāi)難性威脅。
5 總結(jié)
采用了數(shù)字化的能源管控系統(tǒng) , 解決了傳統(tǒng) 能源中心存在的諸多技術(shù)問題 , 同時大幅度降低 了建設(shè)成本和維護成本; 數(shù)字化的能源管控系統(tǒng) 為企業(yè)建立起了數(shù)字化計量 、控制和管理體系 , 為企業(yè)數(shù)字化管理打下了 良好的基礎(chǔ)和數(shù)字化 模板。
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