尚麗佳1   齊增海2

( 1.精晶藥業(yè)股份有限公司 , 河北 邢臺(tái)   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(shí)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(yàn) ?？偨Y(jié)了傳 統(tǒng)的 、以模擬集中式結(jié)構(gòu)組成能源計(jì)量中心存在的問題 。提出了從現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量 、網(wǎng)絡(luò)傳輸 、數(shù)據(jù)庫(kù) 、運(yùn)營(yíng)等多方 面的改造經(jīng)驗(yàn) 。企業(yè)能源計(jì)量及管控系統(tǒng)采用數(shù)字化的改造 , 對(duì)企業(yè)數(shù)字化升級(jí)起到了基礎(chǔ)的推進(jìn)作用 。其意 義在于確保了數(shù)據(jù)的真實(shí)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(duì)企業(yè)全方面數(shù)字化產(chǎn)業(yè) 升級(jí)起到了結(jié)構(gòu)性建設(shè)和實(shí)踐的重大意義。

關(guān)鍵詞 : 能源計(jì)量; 能源中心; 數(shù)字化; 數(shù)字化能源管控; 數(shù)字化計(jì)量

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 : B          文章編號(hào) : 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(qiáng)工業(yè)信息化建設(shè) , 上馬了企業(yè)能源中心項(xiàng)目 ,  為工業(yè)企業(yè)信息化建 設(shè)起到了積極的推動(dòng)作用 。普遍采用的模式是將 現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算將數(shù)據(jù)傳到 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和報(bào)表運(yùn)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(kù)。 這種模式的優(yōu)點(diǎn)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集 、報(bào) 表運(yùn)算和數(shù)據(jù)展示 , 計(jì)量及傳輸工作由現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)。 但在應(yīng)用實(shí)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(diǎn)。

1.1    現(xiàn)場(chǎng)擅自改數(shù)現(xiàn)象

出于多種原因,比如成本核算指標(biāo)、上級(jí)的能源平衡要求等 , 使得現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員采用了修改參數(shù)或多種計(jì)數(shù)方法使上傳的數(shù)據(jù)達(dá)到好看 。這 樣不僅使能源中心的數(shù)據(jù)喪失真實(shí)性 ,  而且在個(gè)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(gè)問題的主要原因是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)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(duì) 能源平衡的要求過于片面 , 要求能源平衡達(dá)到很 高的要求 ,  比如 3%甚至要求達(dá)到 1% 。這種要求 嚴(yán)重脫離了科學(xué)依據(jù) , 形成了現(xiàn)場(chǎng)無法達(dá)到的指 標(biāo)和要求 , 造成現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員改數(shù)。

1.2    計(jì)量技術(shù)力量不足

國(guó)內(nèi)針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量的專業(yè)嚴(yán)重不足 , 新 畢業(yè)的學(xué)生無法很快承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工作,針對(duì)工 業(yè)企業(yè)計(jì)量的培訓(xùn)也相對(duì)較少,使企業(yè)計(jì)量技術(shù) 人員面對(duì)當(dāng)前繁雜的儀表問題,更多是依賴儀表 供應(yīng)商的手冊(cè) ,有些計(jì)量?jī)x表 ,在低價(jià)中標(biāo)采購(gòu)模式下 , 不能完全滿足計(jì)量要求。

1.3    標(biāo)準(zhǔn)的缺失

(1)  國(guó)內(nèi)針對(duì)計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn) ,  大多集中在了制 造環(huán)節(jié)和檢定環(huán)節(jié) 。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的應(yīng)用和儀表類 型選擇方面的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范嚴(yán)重缺失 , 使企業(yè)計(jì)量 技術(shù)人員面對(duì)繁雜的儀表類型無法應(yīng)對(duì) 。   (2)  由 于歷史原因 , 人們過度依賴國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) ,  對(duì)地方標(biāo) 準(zhǔn) 、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尤其對(duì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)始終缺乏信任 ,  這 是標(biāo)準(zhǔn)缺失的重要原因 。   (3)  企業(yè)對(duì)自主建立企 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或部門標(biāo)準(zhǔn)缺乏自信。

1.4    P1C編程難以完成復(fù)雜的計(jì)量運(yùn)算

傳統(tǒng)模擬儀表計(jì)量校準(zhǔn)工作量大 , 模擬信號(hào) 傳輸存在 D/A和 A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié) , 需要計(jì)量校準(zhǔn)。 由于企業(yè)的計(jì)量點(diǎn)眾多 、信號(hào)傳輸繁雜 ,  企業(yè)自 身無法承擔(dān)時(shí)只好采用放棄和回避方法 。DCs 和 PLC的計(jì)量運(yùn)算工作量同樣巨大 ,  無法完成密度 查表法 、IFC標(biāo)準(zhǔn)法等計(jì)量運(yùn)算 , 僅僅依賴系統(tǒng)廠 家的運(yùn)算模塊 , 無法完成計(jì)量檢定規(guī)程所要求的 運(yùn)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(hù)

由于企業(yè)自動(dòng)化程度不斷提高 ,  儀表維護(hù)力 量逐年減少 , 對(duì)系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)能力嚴(yán)重不足。 這就需要系統(tǒng)具有使用 、維護(hù)的簡(jiǎn)便性 ,  產(chǎn)品和 軟件的安裝和編程 ,  不依賴某個(gè)公司和某個(gè)人。 比如編程人員更換 、產(chǎn)品升級(jí)換代等問題發(fā)生 , 非專業(yè)人員就可以承擔(dān)起維護(hù)的職責(zé);  儀表的易 維護(hù)性 ,  比如避免調(diào)量程 、調(diào)零點(diǎn) 、保溫 、伴熱、 排污 、校準(zhǔn)等工作 。技術(shù)人員按照標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范安 裝即可完成日常維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)的工作。

2.2    安全性

系統(tǒng)不會(huì)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(huì)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(diǎn) , 避免系統(tǒng)性的癱瘓; 關(guān)鍵數(shù)據(jù)應(yīng)來自現(xiàn)場(chǎng)智能傳感器,而不是中間的 環(huán)節(jié) , 確保數(shù)據(jù)的真實(shí);  任何一個(gè)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(hù)和擴(kuò)充。

2.3    數(shù)據(jù)真實(shí)可信

(1)  計(jì)量數(shù)據(jù)能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)流量范圍和介質(zhì) 的特性變化 ,  確保數(shù)據(jù)能夠反映計(jì)量的相對(duì)準(zhǔn)確 和真實(shí)性 。避免現(xiàn)場(chǎng)常發(fā)生的堵塞 、冰凍 、超測(cè) 量范圍 、計(jì)量?jī)x表高溫等不正常工作狀況。

(2)  避免現(xiàn)場(chǎng)的無依據(jù)修改數(shù)據(jù) , 使用自動(dòng) 軟件監(jiān)督或其他手段 , 確保數(shù)據(jù)的真實(shí)。

(3)  避免無依據(jù) 、無校準(zhǔn)的編程工作 ,  對(duì)于 數(shù)據(jù)精度影響的編程 , 需按照計(jì)量器具管理的方 法進(jìn)行校準(zhǔn)和管理。

(4)  不會(huì)因?yàn)榫W(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(jí)

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(jì)及應(yīng)用效果

3.1    扁平化一體化

將現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)量?jī)x表定義為現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量單元 ,  每 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量單元采用一體化模式 ,  獨(dú)立完成現(xiàn)場(chǎng) 的計(jì)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(hào)范圍內(nèi)運(yùn)算 , 使流量測(cè)量范圍擴(kuò)展到了 30 :1 , 較傳統(tǒng)模擬模式 10 :1 的測(cè)量 范圍擴(kuò)大了三倍以上;  另外 一 體化模式將差壓、 壓力 、溫度 、累計(jì) 、通信等功能集成到了一個(gè)變 送器中 , 使現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的共享 , 包括變量報(bào)表 ,  歷史數(shù)據(jù) 等 ; 每個(gè)管理單元和與其相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)單元形成網(wǎng) 絡(luò)一體化結(jié)構(gòu) 。形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的一體化單元 , 完成一個(gè)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(jì)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(chǎng)計(jì)量單元和管理單元組成 ,  每個(gè) 單元不僅是能源管控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之一 ,  而且 也是將來企業(yè)智能數(shù)字化升級(jí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之 一 , 達(dá)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(biāo)準(zhǔn)化

現(xiàn)場(chǎng)一 體化單元符合國(guó)家 、省等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) , 所有現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x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(biāo)準(zhǔn)模式通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn) 換為標(biāo)準(zhǔn)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(gè)計(jì)量和控制點(diǎn)都 有獨(dú)立的 、規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)變量名稱 ,  并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 共享。

3.3    應(yīng)用場(chǎng)景

3.3.1   車間能源管理

車間級(jí)能源管理由每個(gè)車間的管理數(shù)據(jù)庫(kù)和 本車間相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表組成 ,  職責(zé)是管理和控制 本車間的能源計(jì)量數(shù)據(jù)和能源的平衡 ?，F(xiàn)場(chǎng)計(jì)量 儀表獨(dú)立完成計(jì)量任務(wù)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù);  現(xiàn)場(chǎng)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(kù)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的一 個(gè)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(fù)責(zé)企業(yè)級(jí)的能 源數(shù)據(jù)平衡實(shí)時(shí)控制和能源數(shù)據(jù)的平衡管理 。其 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)表通過網(wǎng)絡(luò)共享模式存在于網(wǎng)絡(luò)中。 由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)表來自各車間管理服務(wù)器的共 享平臺(tái) ,  從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)管理數(shù)據(jù)的快速高效 , 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 6 000 點(diǎn) ,  掃描速度小于 1.5 s。公司級(jí) 的核算數(shù)據(jù)直接于現(xiàn)場(chǎng)儀表通訊 ,  實(shí)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(fù)責(zé)企業(yè)各類數(shù)據(jù)的總調(diào)度 ,  同時(shí) 作為企業(yè)能源管控 、環(huán)保管控系統(tǒng)的備份 。實(shí)時(shí) 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(shí)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(chǎng)智能儀表和現(xiàn)場(chǎng)智能調(diào)節(jié)單元通訊 , 實(shí)施直接的管理權(quán)利 ,  實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的多重 冗余。

3.3.4    環(huán)保管理

針對(duì)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(chǎng)數(shù)據(jù)和管理單元都與網(wǎng)絡(luò)連接 ,  實(shí)現(xiàn)相互數(shù) 據(jù)的共享;  一體化:  現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量數(shù)據(jù)和能源控制實(shí) 現(xiàn)就地智能裝備的一體化 , 獨(dú)立完成自身的任務(wù) , 每個(gè)單元也實(shí)現(xiàn)了自身任務(wù)的獨(dú)立完成; 標(biāo)準(zhǔn)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(gè)良好的 基礎(chǔ)。

4.2    成本

由于實(shí)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(chǎng)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(chǎng)計(jì)量和現(xiàn)場(chǎng)控制 , 其免維護(hù)式的 設(shè)計(jì)使系統(tǒng)的維護(hù)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(kù)分割成了多 個(gè)小型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù) , 使建設(shè)難度和建設(shè)成本同樣 大幅度降低。

4.3    校準(zhǔn)及精度

與計(jì)量精度有關(guān)的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)智能儀表中全 部解決 。計(jì)量數(shù)據(jù)的傳輸全部采用數(shù)字化形式 , 所以對(duì)系統(tǒng)計(jì)量精度的校準(zhǔn)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(jì)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(shí)現(xiàn)了相互 冗余和相互監(jiān)督 ,  不會(huì)因?yàn)槿魏我粋€(gè)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享 ,  現(xiàn)場(chǎng)計(jì)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(gè)別部 門因?yàn)閭€(gè)人和局部利益對(duì)數(shù)據(jù)的修改。

由于全部計(jì)量和控制工作分布在了現(xiàn)場(chǎng)儀表 , 一旦受到網(wǎng)絡(luò)攻擊和網(wǎng)絡(luò)故障 , 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量數(shù)據(jù) 和能源控制不會(huì)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(shí)大幅度降低 了建設(shè)成本和維護(hù)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(jì)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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