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1、需求分析
建材工業(yè)屬典型的資源和能源依賴性工業(yè)，特別是傳統(tǒng)的建材行業(yè)，如水泥、玻璃、陶瓷等，其產品的生產和運輸更是能源的消耗大戶，而對于水泥、平板玻璃等產能處于“潛在過剩”狀態(tài)的傳統(tǒng)建材產品，已被國家列入建材行業(yè)調整產業(yè)結構、產品結構、降低高能耗產品的行業(yè)規(guī)劃。在這些行業(yè)推行能源管理體系，開展能源的有效管理、提高能源的利用效率，并實施必要的認證，已成為調整產業(yè)結構、產品結構、逐步淘汰高能耗產品的一種手段。
建材屬典型的高耗能行業(yè)，能源成本往往達到全部成本的50%以上，而據德國節(jié)能研究部門的研究結論，通過加強企業(yè)的能源管理可為企業(yè)減少15%~20%的能源消耗，節(jié)約能源即節(jié)約成本，因此有效實施能源管理、提高能源利用率，一方面節(jié)約了能源、保護了環(huán)境；另一方面也使企業(yè)降低成本、提高了產品的市場競爭力。
另外，建材產品中水泥、建筑衛(wèi)生陶瓷、平板玻璃、鋁合金建筑型材都已建立了單位產品能耗限額標準，分別為GB16780-2007《水泥單位產品能源消耗限額》、GB21252-2007《建筑衛(wèi)生陶瓷單位產品能源消耗限額》、GB21340-2008《平板玻璃單位產品能源消耗限額》、GB21351-2008《鋁合金建筑型材單位產品能源消耗限額》，這些標準都是強制性的，相應企業(yè)必須執(zhí)行。因此實施能源管理體系認證，也是貫徹和落實《中華人民共和國標準化法》的一種措施。
1.1 能源管理信息系統(tǒng)建設必要性
為加快推進工業(yè)化和信息化深度融合，促進工業(yè)企業(yè)能源管理水平和能源利用效率提升，依據《工業(yè)企業(yè)能源管理中心建設示范項目財政補助資金管理暫行辦法》（財建〔2009〕647號），工信部就組織申報2013年工業(yè)企業(yè)能源管理中心建設示范項目的高耗能企業(yè)提供財政補助資金。
項目申報范圍如下所示：
2013年重點支持石化、化工、有色、鋼鐵、建材等重點行業(yè)和工業(yè)園區(qū)企業(yè)能源管理中心建設示范項目。主要內容包括：
1.企業(yè)能源管理中心
采用信息化、自動化技術，集成企業(yè)能源系統(tǒng)數據采集、處理和分析、控制和調度、平衡預測和能源管理等功能，降低重要能源介質放散，提高能源介質的回收和梯級利用水平，實現(xiàn)多能源介質協(xié)同平衡與優(yōu)化利用的企業(yè)能源管控系統(tǒng)；
2.系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能信息化改造
采用先進成熟的節(jié)能減排技術成果，對主要耗能工藝、裝備進行系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能改造，提高能源利用效率，降低能源介質和物料消耗等。
3.智能化、節(jié)能環(huán)保產品（設備）改造更新
利用信息化技術推動落后高耗能機電產品（設備）的改造更新，加快智能化、節(jié)能環(huán)保產品（裝備）的推廣應用，提升產品（設備）的能源利用效率，降低能源介質消耗。
1.1.1 系統(tǒng)建設目的和目標
通過中心建設，合理規(guī)劃和完善網絡，奠定信息化系統(tǒng)網絡基礎；
通過能源管理系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)能源數據的自動收集、集中管控、集中平衡，降低能耗,提高能源的利用率；
將現(xiàn)有的計質量數據接入中心平臺，為能源調度提供數據支持。構建能管中心平臺，實現(xiàn)能源的集中管控；
情況允許的話，建立能管中心大屏系統(tǒng)，提升甲方對外形象。
1.1.2 系統(tǒng)建設內容
能耗監(jiān)測與管理方面
利用原有的過程控制設備及改造廠內能源計量管理模式，實現(xiàn)各類能源數據的分散采集、集中管理、數據統(tǒng)計和分析能耗情況，評估各項節(jié)能設備和措施的相關影響，發(fā)布信息給相關管理和運營人員，結合節(jié)能措施建立更有依據、更有效果的節(jié)能體系。此能源管理系統(tǒng)已在某玻璃有限公司節(jié)能改造項目成功應用，減少并限制了不合理消耗，幫助企業(yè)實現(xiàn)持續(xù)節(jié)能并改善了環(huán)境。每年可為企業(yè)節(jié)約百萬元的能源消耗。
生產工藝監(jiān)控方面
建設生產工藝信息化系統(tǒng)，采取分步實施，首先建立各工作站，包括(1)調度、(2)原料、(3)熔化、(4)錫槽溫度、(5)退火、(6)冷端切割、(7)質檢、(8)采裝等工作站，系統(tǒng)的起始點在調度，負責客戶需求與生產計劃匹配，各工作站的數據盡量實現(xiàn)完全自動采集，盡量減少人工干預。數據采集范圍包括物流數據、工藝參數、化驗數據采集。第一階段實現(xiàn)取消工藝卡的目標；第二階段完成報表系統(tǒng)建立，實現(xiàn)工藝記錄的計算機存檔和統(tǒng)計報表的自動生成；第三階段在數據采集系統(tǒng)基礎上建立和完善控制模型。
（1）PLC、DCS和儀表監(jiān)控系統(tǒng)數據自動采集
（2）工藝信息顯示與管理系統(tǒng)
模擬工藝卡片的功能，查詢和顯示自動采集的工藝信息，錄入本工序的相關信息。
（3）生產歷史數據查詢分析系統(tǒng)。
1.2 功能設計
系統(tǒng)分三個層次：
1.2.1 數據的采集
數據的采集概括為下述3種方式：
(1)自動從PLC、DCS和儀表采集
(2)自動從現(xiàn)有信息系統(tǒng)或數據庫中采集
(3)人工輸入
根據生產工藝和能源介質消耗工藝流程劃分，這些數據從以下環(huán)節(jié)采集：
生產工藝包括但不局限于：原料的配比數據采集，熔化溫度、壓力等數據采集，錫槽溫度數據采集，退火溫度及主傳動速度數據采集，冷端切割、分片數據采集，質檢數據采集，采裝數據采集；
能源消耗數據包括但不局限于：玻璃工廠內的生產車間、動力車間、配料（原料）車間、行政辦公樓區(qū)域單位的水、電、煤、原料等。
1.2.2 信息的傳遞
將采集到的工藝和能耗信息傳送到工藝管理系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)。
1.2.3 信息的處理和存儲
將采集上來的生產工藝數據和能耗數據進行加工處理，實現(xiàn)數據實時在線壓縮存儲，并生成歷史數據庫；基于生產和能耗數據平臺，進行統(tǒng)計分析，實現(xiàn)生產實時監(jiān)控，能耗在線監(jiān)測及生產能調度等；使用戶掌握水、電、燃氣、原料供給等能源動力系統(tǒng)的能源消耗狀況，計算和分析各種設備能耗情況，監(jiān)控各個運營環(huán)節(jié)的能耗異常，評估各項節(jié)能設備和措施的相關影響，并通過把各種能耗報表、數據曲線、分析結果等發(fā)布給相關管理和運營人員。
2生產能耗數據采集和能源管理系統(tǒng)設計
紫金橋實時數據庫系統(tǒng)（RealDB）是一個用于過程工業(yè)實時信息管理的系統(tǒng)軟件，它能用于工廠生產數據的自動采集、存儲、處理分析和監(jiān)視。RealDB可在線存儲每個工藝過程點的多年數據，提供了清晰、精確的操作情況畫面，是Real-UIP的核心部分。
2.1系統(tǒng)邏輯架構圖
2.2實時數據庫系統(tǒng)基本功能架構
2.3能源管理系統(tǒng)功能應用及功能架構
制造業(yè)企業(yè)自動化、信息化一般分為過程控制系統(tǒng)（PCS）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）等三個層次。能源管控系統(tǒng)與企業(yè)信息化的關系圖如下圖：
2.4數據采集
玻璃廠DCS/PLC應用現(xiàn)狀：現(xiàn)場控制系統(tǒng)主要采用西門子S7 300系列和GE新華DCS系統(tǒng)，在保證控制系統(tǒng)的正常工作情況下，根據具體的情況可以通過通訊口、服務、控制系統(tǒng)軟件部分接口等方式來設計接口軟件、驅動程序等。
數據采集是實時數據庫的重要組成部分，它負責將現(xiàn)場數據實時傳送給數據庫，將操作數據下送到現(xiàn)場，是數據庫服務器與生產控制系統(tǒng)連接的橋梁。如果沒有穩(wěn)定、高效、豐富的數據采集接口，實時數據庫和能源管理信息系統(tǒng)應用只能是空中樓閣。
作為成熟的實時數據庫產品，紫金橋實時數據庫可以連接絕大部分DCS設備和PLC，支持OPC通訊方式（包括非標準的OPC通訊方式）――主要是基于 DCOM的遠程通訊、DDE通訊方式――主要是NETDDE，支持一些DCS的專用通訊卡方式并且支持一些老系統(tǒng)的并口數據采集。
為了可靠的采集現(xiàn)場數據，在DCS工程師站或上位機附近設立前置數采機，前置數采機實時采集DCS工程師站或上位機生產數據，并將生產數據傳送給信息中心實時數據庫服務器。當發(fā)生網絡通信故障或服務器端故障時，數采機可以將數據緩存起來，待故障恢復時將暫存的數據轉存到中心服務器。數采服務器可以做為信息中心數據的備份，同時也可以作為裝置進一步功能擴展之用。
1.DCS系統(tǒng)采集方式：
前置數采機通過以太網遠程采集工程師站的OPC Server數據到前置數采機，需要在工程師站配置DCOM服務，包括OPC Server和 OPCEnum。前置數采機和實時數據庫服務器之間通過串口通訊，為了延長通訊距離增加串口服務器。
2.PLC控制系統(tǒng)上位機（Modbus TCP Server）采集：
PLC上位機配置ModBus Server，前置數采機通過以太網ModBus驅動采集PLC上位機的數據，前置數采機和實時數據庫服務器之間通過串口通訊，為了延長通訊距離增加串口服務器。
3.PLC控制系統(tǒng)上位機（OPC Server）采集：
前置數采機通過以太網遠程采集上位機的OPC Server數據到前置數采機，需要在上位機配置DCOM服務，包括OPC Server和 OPCEnum。前置數采機和實時數據庫服務器之間通過串口通訊，為了延長通訊距離增加串口服務器。
4.PLC控制系統(tǒng)上位機（無OPC Server）采集：
通過串口與上位機通信，需要在PLC上位機中安裝紫金橋遠程IO數采程序。紫金橋遠程IO數采程序是紫金橋公司特意為這種安全采集而開發(fā)的，程序本身很小，經過了嚴格的測試，不會對系統(tǒng)構成任何威脅。紫金橋遠程IO數采程序在PLC上位機采集到數據后，通過上位機的網口將數據傳輸到前置數采機。前置數采機和實時數據庫服務器之間通過串口通訊，為了延長通訊距離增加串口服務器。
2.5能源管理系統(tǒng)設計方案
2.5.1能源管理系統(tǒng)網絡結構
能源管理系統(tǒng)從網絡結構上分為 3個子系統(tǒng)：
（1）能源監(jiān)測系統(tǒng)；（2）能源信息網絡；（3）能源監(jiān)管平臺
本系統(tǒng)可針對玻璃工廠內的生產車間、動力車間、配料（原料）車間、行政辦公樓區(qū)域單位的水、電、煤、原料等進行實時監(jiān)測與計量，使用戶掌握水、電、燃氣、原料供給等能源動力系統(tǒng)的能源消耗狀況，計算和分析各種設備能耗情況，監(jiān)控各個運營環(huán)節(jié)的能耗異常，評估各項節(jié)能設備和措施的相關影響，并通過把各種能耗報表、數據曲線、分析結果等發(fā)布給相關管理和運營人員。
2.5.2能源監(jiān)測系統(tǒng)
以部門為單位分別對其所屬區(qū)域內的水、電、煤、汽等進行計量、數據采集和統(tǒng)計，并將數據存儲在本單位的管理數據存儲服務器上，此方式便于對各部門能耗成本考核。
動力車間包括 35kV開閉站、400V變電站、空壓站、油料站等，其各自配有獨立的 PLC等控制系統(tǒng)，可能缺少對電能、水量、油量等的計量點，因此，本系統(tǒng)需在相關部位增設新的傳感器及儀表，并利用各自原有的監(jiān)控系統(tǒng)完成數據采集，這樣既保證了原有系統(tǒng)的正常運行又完善了所需的能源數據采集。其數據流程方式如下圖 所示：
生產車間（熔化車間）是玻璃廠制造、加工及成品的重要單位，其包括窯爐自動化控制系統(tǒng)、退火窯自控系統(tǒng)、電加熱控制系統(tǒng)、成品監(jiān)測及包裝流水線控制系統(tǒng)等；這些系統(tǒng)已具備了相關能耗數據的計量采集，通過 OPC技術只需將數據轉存到本單位能源數據存儲服務器上即可。數據存儲流程圖如下圖所示：
配料（原料）車間是將石英砂和其他原料按照配比進行稱重混合，然后提供給生產車間，其配備一套獨立的 PLC控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)中包含各原料的重量累計，自控設備的電力消耗統(tǒng)計、水量的累計等數據。通過 OPC技術將這些數據轉存到本單位能源數據存儲服務器上，直接為能源管理系統(tǒng)提供必要的數據。
辦公行政區(qū)域除了對其水、電等信息數據的采集，其還肩負著使用計算機將無法使用設備計量的數據錄入到能源數據存儲服務器中，起到了完善整個能源數據采集的重要作用。
2.5.3通訊網絡及功能
本系統(tǒng)可采用標準的工業(yè)以太網光纖環(huán)網通訊，首先需完善各單位（車間、部門）的網絡，利用原有的控制系統(tǒng)網絡和辦公局域網及新增的網絡設備，所有各單位局部網絡通過光纖環(huán)網鏈接，構建專屬的能源管理通訊網，使之數據能路路通達，通訊網絡不僅實現(xiàn)能源數據自動采集與計量，而且還具有支持標準的 MODBUS、PROFIBUS、DLT-645等多種規(guī)約，通過 ODBC、OPC、DDE等格式與其他系統(tǒng)進行數據共享。
2.5.4能源監(jiān)管平臺
(1)實時數據庫模式
能耗數據的自動采集方式及通訊功能，可以完成對各項能耗參數的實時采集監(jiān)測，這只是實現(xiàn)精細化管理的第一步。對數據的歸類存儲是整個系統(tǒng)的關鍵，根據用戶需求采用了分布式實時數據庫管理模式，即以部門單位為基礎，分別建立能源數據存儲服務器，在此服務器上形成本單位完整的實時數據庫平臺。實時數據庫分別按照各種能源，如電、水、煤、汽等建立數據表，將實時采集來的數據以時間為索引進行存儲。此后，各單位的能源數據存儲服務器再將數據庫中的數據以復制的方式傳遞到能源管理中心的數據服務器中，這樣提高了系統(tǒng)數據庫的可靠性，降低了投資成本，一旦有哪個服務器損壞，數據庫都能得到完整的恢復。
(2)監(jiān)管平臺功能
能耗數據的匯總、統(tǒng)計、分析、對比等直觀功能是通過對中心實時數據服務器的數據庫加以二次開發(fā)利用得到展現(xiàn)。而這些結果是對目標的管理，輔助企業(yè)領導人制定考核、管理方案及決策。如下圖所示：
本系統(tǒng)在中心控制室設置了一臺能源管理監(jiān)控操作員站，并配以定制的能源管理軟件，實現(xiàn)以下功能：
1）能源數據的實時計量瀏覽
實時數據庫提供各類能耗計量點的實時數據查詢（包括計量點的位置、儀表型號、用電類型等）、比較；可打印 72h內的用能情況報告，發(fā)現(xiàn)用能忙點時產生報警。
2）能源消耗統(tǒng)計分析
軟件按照能源類型、部門單位等類別對能耗進行分類分項統(tǒng)計分析，包括逐日、逐月、逐年的能耗數據分析；計算企業(yè)產值綜合能耗，將各類能耗數據按照標準折標為等價值。
3）成本分攤及能耗對標
實施對標管理，界定和分析各車間單位用能成本，分析各車間的相關耗能費用，以量化的方式進行對標。
4）用能趨勢預測與節(jié)能效果分析
主要目的是比較已制定節(jié)能目標和效果分析，可選一定時間段的單能耗趨勢統(tǒng)計分析，及引入能源消耗影響的因素建立數學模型，即可給出預測的并限制不合理消耗，幫助企業(yè)實現(xiàn)持續(xù)節(jié)能和改善能源消耗量；分析計算企業(yè)技術改造前后的能源消了環(huán)境。
5）用戶權限安全管理
管理軟件系統(tǒng)中的設置功能，可根據系統(tǒng)管理員的指定設定用戶類別、操作員的角色及使用權限，保證系統(tǒng)不非法越權使用。
6）B/S瀏覽
可通過 WEB方式，在不同單位部門公示與審計能耗情況，方便各部門瀏覽查詢。
3.生產管理及能源管理功能
3.1生產工況
維護和管理標準的實時采集的玻璃工藝信息，包括標準的建立、修改，實際數據的修改、維護和歸檔管理等。
3.2工藝卡片
生成、顯示和打印各種工藝卡，包括脫硫工藝記錄、熔化檢測記錄、冷端生產記錄、工藝記錄卡、工藝質量數據記錄等。
3.3調度信息
動態(tài)、實時顯示各工序/環(huán)節(jié)當前生產狀態(tài)和調度信息，主要包括一線、二線各個工段的生產狀態(tài)。
3.4查詢與分析
在WEB環(huán)境下查詢當前和歷史生產與工藝信息，進行生產與工藝的統(tǒng)計和分析，包括生產情況、生產改判情況、生產異常情況和材料消耗情況的日報、旬報、月報、季報、年報等。
3.5能源管理與成本核算
基于采集的物料消耗與水電氣等能源消耗數據，生成能源消耗數統(tǒng)計分析報表，并可實現(xiàn)柱狀圖和餅圖對比，供生產管理人員實時進行能源調度決策；并將統(tǒng)計的成本相關數據轉儲到財務管理系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)中，供做成本核算。
4．能源管理系統(tǒng)功能概述
能源中心根據生產工藝要求，一般設置流量（氣體、蒸汽、液體流量計）、壓力、溫度、電力、動力等專業(yè)調度臺，完成主要數據監(jiān)視、技術分析、日報、月報、年報統(tǒng)計報表輸出等功能以實現(xiàn)為完成生產指導制定運行方案等功能。
5．能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)的功能
5.1、數據采集系統(tǒng)功能
將全廠的能源數據通過有線或無線方式采集進入中心系統(tǒng)，供數據監(jiān)視、報警、數據分析、數據計算、數據統(tǒng)計等用。
5.2、監(jiān)控系統(tǒng)功能
通過能源管理中心顯示界面，監(jiān)控流量、壓力、溫度、電能等數據。實現(xiàn)能源生產潮流監(jiān)視、系統(tǒng)故障報警和分析。作為能源的生產指揮控制中心，將負責日常的能源生產調度，保證主作業(yè)線正常有序的生產，并在突發(fā)事件期間實施能源應急調度策略，確保能源供應的安全穩(wěn)定，達到節(jié)能增效。
5.3、能源管理功能
將采集的數據進行歸納、分析和整理，結合生產計劃的數據，進行能源管理工作，包括能源實績分析管理、能源質量管理、能源成本費用管理、能源平衡管理、能源預測分析，形成能源管理報表。
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