能源管理系统分析

钢铁企业能源管理系统（EMS）设计方案

（基于高端RTU产品实现先进的系统架构）

美国SIXNET公司北京代表处 （SIXNET Direct Factory Rep – Beijing ）

一、概述

能源管理系统（Energy management system，简称EMS）是钢铁企业信息化系统的一个重要组成部分，在能源数据进行采集、加工、分析，处理以实现对能源设备、能源实绩、能源计划、能源平衡、能源预测等方面发挥着重要的作用。

在企业信息化系统的架构中，把能源管理作为MES的一个基本应用构件，作为大型企业自动化和信息化的重要组成部分，如图示：

能源介质种类主要包括：高炉煤气（BFG）、焦炉煤气（COG）、转炉煤气（LDG）、天然气（NG）、氧气（O2）、氮气（N2）、氩气（Ar）、压缩空气（Air）、蒸汽、氢气（H2）、采暖热网、生活水、工业净环水、工业浊环水、浓盐水、除盐水、酚氰水、软化水、电力等。

能源介质信息包括：压力、流量、温度、煤气热值、供水品质（水质）、阀门开闭、调节阀开度、开关信号、动力设备运行状态、主生产线设备的运行状态等。

环保信息包括：环保设备的运行情况、外排水中主要污染物的浓度、流量、主要废气排放点的外排放废气中烟（粉）尘、SO2、NOx、CO2 等污染因子的浓度和流量、污染物排放总量、大气质量指标、厂区视频检测、厂界噪音。

二、方案设计 1、 系统架构

典型能源系统架构包括能源调度管理中心、通讯网络、远程数据采集单元等三级物理结构（如图示）。

基于基础自动化向信息化建设发展的原则，并分析比较了实时数据库和SCADA软件的技术特点，本方案以SCADA系统为核心构建能源管理系统，结合网络通讯、数据库产品和技术建立一套先进的、符合钢铁企业管理应用功能的能源管理系统。

系统建立

能源中心：

以SCADA软件为核心，建立I/O Server实时数据服务器，实现在线的数据监视、工艺操作和实时的能源管理功能；基于数据库技术开发具有模型背景的能源管理功能并对外提供接口。 通讯网络：

采用工业级以太网交换机，建立分区域的冗余环网，环与环之间采用耦合拓扑结构进行连接，从而建立高可靠专有的能源数据采集通讯网络。 数据采集：

RTU产品为核心，通过信号采集、通讯、协议转换等技术手段，将能源介质参数的采集与生产控制系统隔离，提供连续、真实、可靠的数据依据。 2、 系统数据流图

能源中由心I/O数据服务器、Oracle关系数据库服务器、Web服务器和工作站组成。I/O数据服务器负责原始计量数据的实时采集、历史压缩存储、二次计算和为监控画面提供实时数据；Oracle数据库服务器负责计量统计数据的收集和存储，作为能源（物资）计量统计管理数据库；工作站上运行计量数据监控与管理系统软件，对计量数据进行分析处理、设备管

理、权限分配、报表打印以及调阅等；Web服务器负责将指定的实时数据监测画面和动态曲线以网页的形式在公司网上发布，供其他部门网上在线查阅，并提供系统与用户的各种人机界面。

根据能源管理系统功能需求及实际各部门业务流程规定，EMS数据流图可用下图表示：

3、 系统功能

EMS的监控系统分为4个子系统，即供配电系统、动力系统、给排水系统和环保系统。 其中动力系统包括燃气系统、蒸汽系统、氧氮氩系统，给排水系统包括化学水、工业水和生活水。

①、数据的实时采集与监控

通过建立可靠的数据采集系统（SCADA系统）对能源潮流数据（如电流、电压、压力、 温度、流量、环境数据等）、设备状态（如开、停、阀门开度、报警信号等）等进行采 集；提供过程监视、操作控制、实时调整等画面,过程曲线及信息显示等辅助界面、大 屏幕等完成能源中心管辖范围的能源设备状态及潮流的监视功能；提供过程控制和实时 调整,参数设定窗口等实现控制功能；并对信息进行归档。 ②、基础数据管理

包括介质参数管理、维护单位管理、计量设备管理、测点耗量关系、用户权限设置、以及其他需人工录入的参数管理界面。 ③、能源管理功能

将采集的数据进行归纳、分析和整理，结合生产计划和检修计划的数据，实现基础能源 管理功能，包括能源实绩分析管理、能源计划管理、运行支持管理、能源质量管理、能 源平衡管理、在线预测分析等。 ④、环境监测与保护

对环保设备运行状态的监测，对水、烟气等排放进行监测、分析和管理。

4、 基本配置

能源管理系统基于以太网的数据通信技术，采用C/S 和B/S 混合系统架构方式。典型的配置和设备组成如下： 能源中心 序号

名称

实时数据服务器 数据库服务器

描述

SCADA I/O Server 关系数据库应用 网络时钟发布 数据备份

按动力、电力、水道/环境和管理等子功能配置 依规模配置 网络打印机

对电源、通讯、信号进行防雷

数量

备注

应用服务器 Web发布等 磁盘阵列 调度员操作站 大屏幕显示系统 打印机 防雷装置

GPS 服务器

UPS电源

操作系统（服务器） Windows 2003 Server 操作系统（操作站） Windows XP Professional 数据库软件

Oracle

SCADA软件 CitectSCADA（Full License） SCADA软件 CitectSCADA（Display Clients）

远程采集单元软件 中心站交换机 环网型交换机 系统安全装置

系统配置及编程软件 工业管理级以太网交换机 用于区域冗余环网 防火墙等

VT-MIPM RTU

网络系统和辅助设备

远程数据采集系统 RTU/Gateway

三、主要产品技术描述 1、SCADA软件

采用国际主流的SCADA软件建立I/O Server实时数据服务器功能，通过在线的数据采集实现动态流程图、参数表、趋势曲线等监控功能，并与关系数据库建立通讯。

技术特点如下：

— 软件体系采用真正的客户/服务器（C/S）体系结构；

— 能够完全做到实时数据服务器以及趋势、报警、报表和文件等功能模块的冗余； — I/O通讯冗余，主通讯中断时自动切换到旁路；

— 支持在线组态，即在不影响操作的情况下，允许全部或部分应用程序进行修改； — 支持ODBC、OPC、API、DDE等标准数据交换方式；

— 网络通讯采用标准的NetBIOS，支持IPX/SPX、TCP/IP等协议； — 支持多种关系型数据，包括Oracle、SQL Server、dBASE等。

— 系统通过设置不同级别的用户操作权限而防止越权操作保护系统的安全。

2、远程数据采集单元—MIPM RTU

远程数据采集单元采用美国SIXNET公司MIPM系列RTU产品。

SIXNET高端RTU产品（IPM级）具有32位处理器、大容量存储空间，不但提供标准串口（RS232/RS485）通讯和IEC61131-3标准编程功能。还提供以太网通讯端口，并具有嵌入式功能，可支持高级编程和网络通讯应用程序，例如Web Server、Internet访问、高级C/C++编程及专有通讯协议的定制等，是最新一代控制器产品。同时具有多种国际工控产品质量认证，提供高可靠品质应用。其产品主要技术特点为：

①、同时提供多种通讯端口：以适应分散应用和本地的不同通讯要求。 ②、提供大容量程序和数据存储空间：适合就地运算和大量数据安全存储。 ③、更高的适应恶劣环境应用：工作环境温度为-40 ~ 70ºC、国际品质认证等。

3、工业以太网交换机

网络系统中的工业以太网交换机采用美国SIXNET公司产品。

SIXNET近30余年的工业自动化产品设计、制造经验，使其充分了解各种工业场合的应用需求。并将其成熟的工业自动化产品设计理念注入工业以太网交换机产品中，能够真正经受各种恶劣工业环境的长期考验。

SIXNET工业以太网交换机具有卓越的工业品质，低功耗、无风扇电路设计、宽范围工作环境温度（- 40℃ - 85 ℃）、美国军标MIL-STD-1275防浪涌保护以及严格的国际质量认证（包括危险场所2区防爆认证、DNV船级社认证）等特性确保在各种恶劣工业环境现场

长期稳定、可靠、安全使用。

实现快速容错环网SIXNET实时环工业以太网交换机专有Real-time RingTM 技术，

冗余，并具有端口配置、端口镜像、优先级划分等高级网管功能，可保证信息交换的实时性和确定性，支持Modbus方式监测网络运行状态，可以方便地进行故障诊断、报告和定位。尤其适合如 PLC，DCS，SCADA自动化监控系统构建100/1000Mbps工业冗余环网。

四、高端产品应用技术

EMS系统采集的信号分散在工厂的各个角落，许多能源计量参数已纳入原有生产控制系统，能源数据的采集将面临繁杂的通讯协议和接口。采用新一代的自动化产品（RTU/Gateway），构筑分布式的数据采集系统，将能源介质参数的采集与生产控制系统隔离，提供连续、真实、可靠的数据依据。RTU/Gateway产品是对传统PLC系统在远传和分布式应用的产品补充，提供更强的数据处理和通讯能力，从而构建新一代能源管理系统的架构。

MIPM RTU预集成了PLC、记录仪、流量计算机、通讯网关等多种功能，其高端产品应用技术如下：

1、预集成的数据记录功能

MIPM RTU预集成了数据记录（Datalogging）功能。作为系统工具软件（I/O Tool Kit）选项之一的Sixlog软件，提供了工程向导型配置应用，无需编程。

SIXNET的Datalogging功能具有以下优点： — 可按时间、事件等方式启动数据记录 — 时间间隔可设置（10毫秒–49天） — 大容量、非易失数据存储（16M） — 同一控制器支持多个Datalog配置 — 服务器/客户机式双向数据恢复方式 — 工程向导型配置界面，无需编程 — 多种通用软件浏览的历史数据文件 — 支持数据记录冗余服务器功能

数据记录可用于实现SOE功能，用于记录故障报警事件发生的时间顺序；可以实现重要能源计量数据的备份，防止因为通讯网络故障等原因导致这些重要数据的丢失；同时保证贴有时间标签的能源采集数据的完整性。 RTU取代无纸记录仪，提供更灵活、更安全的数据备份功能！

2、RTU的数据补传和调用功能

利用数据记录（Datalogging）功能，RTU把数据加上精确的时间标签存储在非易失的存储器中。然后按照用户定义的时间表或在发生特定事件（例如远程传输故障恢复后）时把记录的历史数据传送到一个或多个中心控制站，从RTU传送上来的数据包括控制站地址、时间标签、纪录序列号等识别数据。多个站点传送上来的数据堆入输入数据缓存，等待顺序处理。

补传的数据可存储到ASCII文件（.csv）中，可方便地被SCADA软件和数据库调用，完成数据回填。每站点的数据分别保存在不同的文件中，用户可以按周期配置进行文件更新。

同时，CitectSCADA软件专为SIXNET数据记录功能开发了数据记录服务器驱动，可以直接调用RTU内记录的历史数据并恢复到趋势文件中。

3、建立先进的系统通讯机制

传统控制系统（包括DCS/PLC）的通讯机制是主、从方式，既轮巡通讯。这是在专有布线结构下工控领域所遵循的通讯原则。而RTU产品具有服务器/客户机式的通讯能力。在客户机方式下，RTU作为主站，可主动向控制中心发起通信，这种模式常常用做“例外报告”。

RTU作为客户机可实时地报告事件的发生，实现快速报警响应。这种“例外报告”机制可减少传统轮询系统中的通信负荷与等待时间。在大型SCADA系统中，I/O响应时间是决定系统品质的重要因素，你的系统越大，这种分布式客户机结构的好处就越明显。

主站轮巡与“例外报告” 相结合是先进SCADA系统的通讯机制！

4、嵌入式技术的应用

作为真正的开放式自动化产品，MIPM RTU提供了嵌入式开发能力，使用IADK开发工具包可以编译和调试自己专有的应用程序，然后在控制器和RTU中运行。IADK提供访问I/O寄存器的库函数，具有读写控制器 I/O寄存器和通讯端口的最高访问能力。

嵌入式技术的应用，有利于快速开发专有的通讯驱动，使用户与我们享有同等的开发能力！

5、高端以太网通讯特性

IP安全特性（防火墙保护）：MIPM RTU可嵌入防火墙保护功能，防止系统受到非授权访问的能力，使用其安全规则向导配置基于IP地址、IP端口、IP表等限制访问规则；

SNMP网络管理：支持AT,ICMP,IP,System,TCP,UDP等MIB组功能，可建立信息管理网络软件的通信，MIPM RTU具有SNMP网络管理能力；

PPP 通讯协议：通过串口链路透传IP数据包，将串行连接转换为以太网通讯连接。