基于数据采集网关的工厂能源管理系统

李金明，田博，李咚

随着全球能源供应的趋紧，各种能源价格均呈现出了不断上升的趋势，能耗成本在企业生产经营成本中的占比不断增加。水泥生产企业是典型的高耗能企业，企业能源费用在生产总成本中的占比高达50%～70%[1]，在水泥企业中建立高效的能源管理系统，对企业的能源消耗进行在线监控和信息化管理，对降低单位水泥产品的能源消耗，提高水泥企业的经济效益具有重要意义。

1 能源管理系统概述

能源管理系统是一种基于以太网络、计算机等信息技术的现代化能源管理平台，由软件、硬件、多个基础通信网络构成，可对企业能耗数据进行采集、存储、查询和统计分析，制订企业用电计划，提供能耗核算及决策支持，实现企业节能绩效的科学管理和能源效率的持续改进。目前，国内大多数水泥企业的能源管理依然以人工采集数据为主，自动化、信息化程度较低。企业的集散控制系统DCS、用电计量系统、经营管理的ERP系统等各自独立运行，信息共享程度不高。

某水泥厂在建厂之初并没有规划能源管理系统，随着企业生产规模的扩大，仅依靠手工抄表方式统计水泥生产中各电力室的电量数据的弊端逐渐显现：原始数据不精确、效率低，不利于数据制表统计分析；难以准确统计分析获得能够反映各车间能效水平的单位产量水泥用电量，以及能够反映班组能效水平的各班组单位产量电耗等指标。为有效解决以上问题，合理运用能源，该企业决定尽快建立全厂能源管理系统。该企业DCS系统已经处于基本满负荷运行的状态，无更多空间处理电量能源数据，故决定重新敷设光纤，建立全厂能源数据采集专用网络，并在各电力室新增数据采集网关，设置专门能源管理数据服务器，组建工厂能源管理系统。

2 能源数据采集

目前电力系统常用的多功能电量表一般都集成有RS485接口，支持ModbusRTU通讯协议，通过RS485接口，即可将已运行在工厂配电系统中的多功能电量表数据采集到数据服务器，进行电量数据处理。结合各电气室配电设备分布情况，我们在每个电力室新增Modbus RTU转Modbus TCP协议网关，采集各电力室内各台多功能计量表的电量数据。先由中控室安装有专用SCADA监控软件的数据处理服务器，通过工业以太网，直接读取每个电力室协议网关的电量数据，再经数据处理服务器进行深层次统计分析处理，最后通过Web服务器发布到工厂办公网络，作为生产管理决策层进行生产调度和决策的依据。

新组建的全厂能源数据采集专用网络示意图见图1。

3 ES-30X系列网关及测控分析软件介绍

本文仅以此项目所使用的ES-30X系列网关进行举例说明。如图1所示，每个电力室设置一台或多台ES-30X系列网关，网关的串口端设置为Modbus RTU主站模式，通过屏蔽双绞线串接至各台配电柜多功能电量表的RS485接口端子上。网关的以太网端设置为Modbus TCP客户端模式，通过网线连接到光纤转换器的网口上，最终形成基于Modbus TCP协议的1号石灰石破碎、2号石灰石破碎、原料调配、生料系统、烧成系统、1号水泥磨、2号水泥磨、矿渣辊磨、水泥包装及总降配电站以太环网结构的全厂能源数据管理网。通过以太网，中控室的数据管理服务器可直接读取各电力室协议网关的电量数据。

图1 新组建的全厂能源数据采集专用网络示意图

3.1 通讯协议及数据网关

Modbus通讯协议是Modicon公司于1979年发布的，是全球最早用于工业现场的总线规约，是目前广泛应用于工业控制领域的通用通讯协议，其在PLC、智能仪表、变频器等许多智能设备中都有应用。它支持多种电气接口，可以在多种介质上传送，具有抗干扰性强、帧格式简单、标准开放等诸多优点。Modbus TCP协议则是在Modbus RTU协议上加了一个MBAP报文头形成的，因为TCP协议是基于可靠连接的服务，不再需要RTU协议中的CRC校验码，所以在Modbus TCP协议中没有CRC校验码，Modbus TCP协议通过以太网方式进行数据传输，通讯速度更快。

ES-30X系列网关能实现以太网（Modbus TCP）设备与串口（Modbus RTU/ASC II）设备的互联与数据转换，在以太网端，它能实现10/100M自适应，支持级联，支持环网，支持服务器或客户端模式，具有从站ID映射功能，并且报文请求自动路由到串口。在串口端，它支持Modbus主站或从站模式，支持RS485或RS232，通过中继器可延长传输距离，并最多可扩展连接127个从站设备。对应此网关，开发有简单实用的配置软件，调试功能强大。ES-30X系列网关具有以下优点：

（1）布线简单，施工方便，成本低，效率高。

（2）以太网的传输速率高，数据实时传输性强，可靠性高。

（3）开放互联，安全机制完善。

（4）具有灵活的拓扑架构和可扩展性。

以太网（Modbus TCP）主站通过ES-30X系列网关连接多台串口（Modbus RTU）从站设备的网络配置示意图见图2。

图2 以太网（Modbus TCP）主站通过ES-30X系列网关连接多台串口（ModbusRTU）从站设备的网络配置示意图

3.2 测控分析软件

本文仅以此项目所使用的紫金桥监控组态软件进行举例说明。紫金桥监控组态（SCADA）软件是由紫金桥公司开发通用工业组态软件。此软件已广泛应用于石化、冶金、建材、电力、水利等多个行业和领域的过程控制、监测管理、企业管理、资源计划等系统中。它支持分布式服务器与分布式客户端，具有强大的数据库处理功能，具有丰富的IO驱动接口，具有强大的报表系统，数据可以无缝嵌入到Excel，支持Web发布功能。

4 能源管理系统运行效果

经过现场网络施工、ES-30X系列网关调试和紫金桥监控软件的编程开发测试，该厂能源管理系统正式投入运行，实现了对水泥生产过程中的电量能源数据在线收集、实时传输和储存监控，为能源集中管理提供了有效的数据来源和分析预测技术手段；它采用表格、图表等多种直观图示，可以对能源计划、能源绩效及综合电耗等数据进行对标和分析比较。

能源管理系统车间电量统计日报见图3，月报见图4，能源管理系统车间电量统计分析见图5。

图3 能源管理系统车间电量统计日报

图4 能源管理系统车间电量统计月报

图5 能源管理系统车间电量统计分析

能源管理系统投入运行三年以来，该厂基于能源管理系统数据分析，经管理改进及生产调度优化，将电能数据与生产数据深度结合，主要取得了以下几方面的成果：

（1）实时计算电能损耗，基本达到能源合理利用与在线平衡调度要求，能源利用率大幅提高，吨熟料综合能耗平均下降3%左右。

（2）降低了用电成本，提高了用电效益，由于“峰、谷、平”时间段的用电负荷可以通过在线进行调度，在日用电负荷总量不变的情况下，高峰时间段用电负荷至少下降了3%。

（3）实现了企业内部能源信息数据的自动收集，并能生成各种电子报表与分析图表，省去了原人力以纸质文件重复抄报带来的人工资源与纸张资源的消耗，降低了企业管理成本、人力成本，提高了企业运营效率。