一种水泥企业能源信息集成管理系统

摘要

本发明涉及一种水泥企业能源信息集成管理系统，包括煤、电、水三种能源数据采集网络、能源管理服务器、能源优化服务器和能源数据内网发布。能源数据采集网络通过光纤收发器与DCS系统相连用于煤、电、水三种能源数据的采集、传输。能源管理服务器与DCS系统通过工业以太网进行数据互联，获取各种能源相关数据，进行各类能源数据管理。能源优化服务器利用OPC Client读取DCS OPC Server中的相关能源数据经过优化运算后将结果再通过OPC Client写入DCS系统中，实现对生产过程的能源优化。本发明利用原有水泥企业DCS系统提供的以太网接口模件和OPC Server将以上四部分有机地集成于一体，具有易集成、低成本等优点，实现了水泥企业能源数据的采集、存储、分析和管理。

说明书

技术领域

本发明涉及水泥生产过程能源管理领域，尤其是涉及水泥企业能源信息采 集网络、水泥生产过程能源优化调度与管理。

背景技术

新型干法水泥生产通常以“一窑三磨”为主体，组成不同的工艺区域，同 时还有相应的原料、中间物料储存库及输送设备，如图1所示。整个生产过程 中需要消耗大量的煤作为燃料完成熟料煅烧，消耗大量的电能以驱动大型粉磨 设备完成生料、煤和水泥成品的粉磨，熟料生产能耗约占水泥生产总能耗的7～ 8成，各大型高压电机用电量约占水泥生产电耗的65%。

目前，水泥企业的能源信息管理系统一般存在如下问题：

（1）缺乏对电、水能源介质消耗数据的采集及管理。企业现有电功率表准 确度低，且存在电功率到电能的计算，误差极大；水表一般采用老式指针式水 表，准确度低且需要人工抄表。电能和水的监测设备落后，无法实现电、水能 源介质消耗数据的在线采集与管理。

（2）水泥企业各生产车间能源信息独立，缺乏各生产车间能源信息的共享。

（3）缺乏对水泥生产过程能源的优化调度。由于各生产车间独立核算，导 致现行生产管理系统以各生产单元能源消耗最低为目标，生料磨、煤磨经常因 为生产过剩而导致频繁地启停，造成大量的能源浪费。

因此，需要根据水泥生产过程特点，研究和实施水泥生产过程能源信息采 集与优化调度综合集成系统，实现水泥企业能源数据的采集、存储、显示、共 享与实时调度。该系统对于提高水泥企业能源管理水平、降低水泥企业能耗具 有重要的意义。

现有水泥企业集散控制系统（DCS）支持多种工业接口和通讯标准，如工 业以太网接口、Modbus和Profibus现场总线接口、OPC工业标准通讯协议等， 使水泥企业通讯网络具有可扩展性。水泥企业能源采集网络是在原有水泥企业 集散控制系统网络的基础上进行扩展，使得该能源采集网络具有易集成、低成 本等优点。因此，有必要开发一种基于水泥企业集散控制系统的能源采集与管 理系统。

发明内容

针对当前水泥企业能源信息采集与利用的不足，本发明要解决的技术问题 是提供一种基于原有水泥企业集散控制系统的能源采集网络和优化调度系统， 实现水泥企业能源信息采集、共享、管理与优化调度的综合集成应用。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种水泥企业能源信息集成 管理系统，包括DCS系统及其提供的以太网模件、OPC接口，还包括

煤、电、水三种能源数据的采集网络：煤粉消耗数据采集仪表通过DCS的 I/O数据采集卡与DCS系统相连，电、水能源数据采集仪表通过能源采集光纤 环网与DCS系统相连，用于煤、电、水三种能源数据的采集和传输；

能源管理服务器：与DCS系统通过工业以太网进行数据互联，用于获取各 种能源数据，计算各生产环节能效，并存储各能源数据，进行历史数据查询、 统计、趋势显示和能效对标；

能源优化服务器：用于利用能源优化调度模型实现生料和煤粉生产过程能 源的动态优化调度；

查询终端：为一个或多个，通过B/S网络结构与所述能源优化服务器、能 源管理服务器相连，用于查询能源实时数据及统计报表。

所述煤粉消耗数据采集仪表为煤粉计量装置，煤粉消耗数据由DCS系统从 现场中读取。

所述电、水能源数据采集仪表为各车间安装的数字水表和数字电表。

所述能源管理服务器将企业现场实时数据信息存储到后台数据库系统，再 进行按时间或生产班次统计、分析并根据需要绘制各种趋势曲线，实现历史数 据的查询和统计。

所述能源管理服务器将采集到的实时能源数据与国家标准、省级标准、行 业内部标准进行对比。

所述能源优化服务器建立生产过程能源动态模型，利用OPC Client读取 DCS OPC Server中的相关能源数据，经过优化运算后将结果再通过OPC Client 写入DCS系统中，实现对生产过程的能源优化。

所述能源优化服务器中的调度算法包括：

1）目标函数

动态价格响应优化问题的目标就是使原料生产的利润最大，即生产成本C_T最小；将计划期记作T，将其平均分为若干时段Δt，目标函数可表示为：

$\min C_T=\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}(C_E^t+C_M^t+C_{\mathrm{Rs}}^t+C_{\mathrm{In}}^t)---\left(10\right)$

式中：

—用电成本；

—生产过程中的成本，称为加工成本，为固定成本，对目标函数不产生 影响；

—启动生产的成本；

—零件的存储成本，为固定成本，对目标函数不产生影响；

用电成本可根据以下公式计算得出：

$C_E^t={\pi }^t{D}_N^t---\left(11\right)$

式中：

π^t—第t个时间段内的电价；

—时间段t内磨机消耗的电量；

磨机在时间段t内电能消耗与时间段t内磨机的产量相关；磨机电耗表示为时间段t内磨机的产量n^t的函数生产电耗在正常工作范 围内，与加入物料量近似为线性关系，其数学表达式为：

$D_N^t=a\times n^t+b---\left(12\right)$

式中：

a，b—为曲线拟合的系数；

n^t—时间段t内磨机的产量；

每当磨机重新投入生产时，都会有额外的成本消耗，将这部分成本的消耗 记为启动成本其计算公式为：

$C_{\mathrm{Rs}}^t={\beta }_s\times (u^t-u^{t-1})---\left(13\right)$

式中：

β_s—启动过程中所消耗的固定成本，比如维护成本或空转成本；

u^t—t时段生料磨的启停状态，当u^t=1时，表示处于生产过程中；u^t=0时， 表示处于停止状态；

2）决策变量：为时间段t内磨机的产量。

3）约束条件

a.产量约束：

$\underset{‾}{N}\le n^t\le \stackrel{\_}{N}---\left(14\right)$

其中和分别t时段内磨机产量的下限和上限；

b.存储约束：

缓冲仓的存储数量不能超过其存储能力的最大限度，其约束条件为:

$\underset{‾}{S}\le S\le \bar{S}---\left(15\right)$

其中和分别t时段内缓冲仓存储能力的上限和下限；

c.存货平衡约束：

缓冲仓的存量要满足未来每小时的熟料生产对原料的需求量其表达式 为：

$S^t=S^{t-1}+n^t-N_D^t---\left(16\right)$

其中S^t为t时段缓冲仓的存储量，S^t-1为t-1时段缓冲仓的存储量，n^t为t时 段内磨机产量，为t时段熟料生产对原料的需求量

d.始末库存约束：

为了保证能够满足超出预测的需求，缓冲仓应保证一定的存货剩余，其约 束条件为:

S^O-S^T≤ε     (17)

其中S^O和S^T分别为计划期始末的库存量，ε为计划期始末库存量之差的允 许最大值；

该式表明，计划期内的对原料需求量都是由同时期生产的产品满足的，综 合考虑每个时段的存货平衡约束得到计划期T内的平衡约束为：

$|\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}{n}^t-\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}{N}_D^t|\le ϵ---\left(18\right)$

如果需求量与预期情况有较大偏差，需要重新设立最优模型，将重新考虑 的那段时间启动的存货量设为S^O。

本发明具有以下优点及有益效果：

（1）能够完成水泥生产各环节煤、电、水能源数据的精确采集、存储、分 析与对标管理，为水泥企业能源优化调度的实施提供了能源数据基础；

（2）能够通过在线滚动能源优化调度实现生料和煤粉生产成本最低化；

（3）能够实现能源数据的内网发布，使能源使用状况透明化，便于产品生 产和能源调度管理；

（4）利用原有水泥集散控制系统提供的网络接口，实现了能源信息采集网 络、能源优化服务器和能源数据内网发布的有机集成，降低了企业能源网络的 开发成本。

附图说明

图1新型干法水泥生产工艺流程；

图2水泥企业能源信息集成系统结构图；

图3水泥企业能源信息集成系统网络架构图；

图4生料和煤粉生产过程能源优化服务器结构与功能图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明一种水泥企业能源信息集成管理系统包括能源信息采集网络、能源 管理服务器、能源优化服务器和Web Server，该系统的网络架构图如附图3所示。 其硬件主要包括支持Modbus通讯协议的智能电表、智能水表、串口设备联网服 务器、光纤收发器、水泥DCS控制系统、能源管理中心服务器、Web Server、 查询终端，软件主要包括能源数据分析与管理软件、SQL Server2005、OPC  Server、OPC Client。

所述能源信息采集网络包括支持Modbus通讯协议的智能电表、智能水表、 串口设备联网服务器、光纤收发器以及原有的企业DCS生产数据采集系统。

煤、电、水能源数据采集按采集网络的不同分为煤粉消耗信息采集方式和 电、水能源信息采集方式。煤粉消耗信息采集基于原有企业DCS系统。水泥企 业煤粉消耗有两个部分，一部分是回转窑窑头喷煤，另一部分是分解炉炉底喷 煤，两部分的喂煤量都是采用转子秤在线计量，数据通过DCS的I/O数据采集 卡将煤粉消耗数据上传至DCS控制器。能源管理中心服务器通过工业以太网与 DCS控制器相连，能源数据最终存储在能源管理中心服务器中。电能和用水量 的采集网络由支持Modbus通讯协议的智能电表、智能水表、串口设备联网服务 器、光纤收发器、水泥DCS控制系统组成。采集终端接受电表和水表数据信号， 并进行数据处理，通过Modbus与串口设备联网服务器相连，串口设备联网服务 器通过光纤相连，形成冗余的能源采集光纤环网，光纤环网通过光纤收发器与 DCS控制的以太网通讯模件相连，形成电、水能源信息采集网络。电、水能源 数据最终通过工业以太网上传并存储在能源管理中心服务器中。本采集网络实 现了所有用电设备电能信息和用水量的实时采集与监控，可以为企业用电和用 水的精确管理提供数据支持；可以及时发现计量装置故障和异常情况，提高现 场设备的管理水平；可以实现远程抄表功能，减少抄表的时间成本和人力成本， 提高抄表的准确性和工作效率。本采集网络基于原DCS架构，可减少绝大部分 采集系统硬件的投资成本，并可进一步减少施工（网络架设与硬件安放）与维 护的成本与工作量。

所述能源管理服务器硬件包括连接于工业以太网的计算机，软件采用SQL  Server2005和能源分析与管理软件。能源管理服务器通过工业以太网和DCS系 统相连，将能源采集网络采集到的煤、电、水三种能源数据存储于SQL Server 历史数据库中。煤和水的使用点相对集中（煤粉消耗主要在回转窑窑头喷煤、 分解炉炉底喷煤，水消耗主要在余热发电锅炉和预热器增湿塔），采用集中存储 方式。电能消耗分布广、采集点多，故电能存储采用按工序分类方法，按工序 分类的电能存储如表1所示。

表1按工序分类的电能存储表

煤、电和水三种能源介质可按小时、班次、日、月、年进行查询和统计分 析，实现不同操作和管理人员的绩效考核。也可以根据不同查询对象、不同查 询区间进行汇总计算并以曲线、饼图、柱状图和表格的形式显示。

能源管理中心汇总所有生产过程数据，将各时间段能源介质消耗量与产品 产量进行实时统计计算，并将各时间段的煤、电和水三种能源介质消耗量与国 家标准、省级标准和行业内部标准对比。通过能效对标可以及时、准确掌握企 业能源利用现状。

所述能源优化服务器的架构如附图4所示。原有水泥DCS系统提供OPC  Server，允许全部DCS系统变量进行第三方读写。OPC Client读取OPC Server 数据送入能源优化服务器。能源优化服务器通过在线滚动能源优化调度算法计 算生产过程控制量并通过OPC的写功能写入DCS系统实现生料和煤粉生产成本 最低化。能源优化服务器具有如下功能：过程数据采集、显示、生料和煤粉生 产过程能源动态优化计算与设备运行状态建议功能，参数设定功能。

所述在线滚动能源优化调度算法是采用需求侧响应技术，将该问题转化为 生产周期内的动态价格响应优化问题，对磨机的当前电价的动态响应行为建立 模型，并进行模拟分析，在给定生产计划、检修计划、系统当前状态的前提下， 确定满足生产能源需求的最佳分配方案，可以节省生料生产及煤粉制备的电能 使用成本，提高能源使用效率。在水泥熟料实际生产过程中，生料磨和煤磨的 产能往往大于熟料生产所消耗的生料及煤粉，因此生料磨与水泥窑之间设有生 料仓，同样煤磨与水泥窑之间设有煤粉仓作为缓冲仓。缓冲仓的存在使得磨机 负荷可以在满足熟料生产对原料的需要时根据电价或电网负荷的变化进行调 整，使单位产品的能源成本最低。以下是该能源优化算法的核心部分：

1）目标函数

动态价格响应优化问题的目标就是使原料生产的利润最大，即生产成本C_T最小；将计划期记作T，将其平均分为若干时段Δt，目标函数可表示为：

$\min C_T=\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}(C_E^t+C_M^t+C_{\mathrm{Rs}}^t+C_{\mathrm{In}}^t)---\left(19\right)$

式中：

—用电成本；

—生产过程中的成本，称为加工成本，为固定成本，对目标函数不产生 影响；

—启动生产的成本；

—零件的存储成本，为固定成本，对目标函数不产生影响；

用电成本可根据以下公式计算得出：

$C_E^t={\pi }^t{D}_N^t---\left(20\right)$

式中：

π^t—第t个时间段内的电价；

—时间段t内磨机消耗的电量；

磨机在时间段t内电能消耗与时间段t内磨机的产量相关；磨机电耗表示为时间段t内磨机的产量n^t的函数生产电耗在正常工作范 围内，与加入物料量近似为线性关系，其数学表达式为：

$D_N^t=a\times n^t+b---\left(21\right)$

式中：

a，b—为曲线拟合的系数；

n^t—时间段t内磨机的产量；

每当磨机重新投入生产时，都会有额外的成本消耗，将这部分成本的消耗 记为启动成本其计算公式为：

$C_{\mathrm{Rs}}^t={\beta }_s\times (u^t-u^{t-1})---\left(22\right)$

式中：

β_s—启动过程中所消耗的固定成本，比如维护成本或空转成本；

u^t—t时段生料磨的启停状态，当u^t=1时，表示处于生产过程中；u^t=0时， 表示处于停止状态；

2）决策变量：为时间段t内磨机的产量。

3）约束条件

a.产量约束：

$\underset{‾}{N}\le n^t\le \stackrel{\_}{N}---\left(23\right)$

其中和分别t时段内磨机产量的下限和上限；

b.存储约束：

缓冲仓的存储数量不能超过其存储能力的最大限度，其约束条件为:

$\underset{‾}{S}\le S\le \bar{S}---\left(24\right)$

其中和分别t时段内缓冲仓存储能力的上限和下限；

c.存货平衡约束：

缓冲仓的存量要满足未来每小时的熟料生产对原料的需求量其表达式 为：

$S^t=S^{t-1}+n^t-N_D^t---\left(25\right)$

其中S^t为t时段缓冲仓的存储量，S^t-1为t-1时段缓冲仓的存储量，n^t为t时 段内磨机产量，为t时段熟料生产对原料的需求量

d.始末库存约束：

为了保证能够满足超出预测的需求，缓冲仓应保证一定的存货剩余，其约 束条件为:

SO-ST≤ε    (26)

其中S^O和S^T分别为计划期始末的库存量，ε为计划期始末库存量之差的允 许最大值；

该式表明，计划期内的对原料需求量都是由同时期生产的产品满足的，综 合考虑每个时段的存货平衡约束得到计划期T内的平衡约束为：

$|\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}{n}^t-\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}{N}_D^t|\le ϵ---\left(27\right)$

如果需求量与预期情况有较大偏差，需要重新设立最优模型，将重新考虑 的那段时间启动的存货量设为S^O。

所述能源数据网络发布是通过Web Server和工业以太网实现能源数据网络 发布。能源管理中心的分析和统计数据通过Web Server将实时数据、历史数据 生成动态页面以图文形式实时刷新，内网网络节点查询终端可通过浏览器实时 查询和检索。