能源管理系统在水泥工厂的应用 本文以某公司新建粉磨站为研究对象，该公司建设...
能源管理系统在水泥工厂的应用
本文以某公司新建粉磨站为研究对象，该公司建设了两条100万吨/年绿色环保智能化水泥粉磨生产线。粉磨站建设范围从现有熟料散装库熟料输送廊道，至厂内成品水泥发运止；粉磨站总平面布置与厂区内原有一条熟料生产线统筹规划布置，满足各生产线总平面运输需要；供配电及自动化系统、消防系统等辅助生产设施。
能源管理系统基于以上主要能耗设施，进行了统一的软件架构设计与规划，保证能源消耗的计算准确度。系统以物联网技术和JavaEE技术为基础，通过OPC协议自动采集粉磨站生产和生活区下智能设备传输到DCS系统中的数据，对各产线设备的运行生产实时数据和历史数据进行整合计算与存储，生成综合电耗、峰谷平尖消耗、工艺电耗、碳排放计算等多维度报表及趋势图。
以此为基础，水泥企业可借助能源管理系统，提高能源监测效率，对高能耗设备、高能耗时段等进行摸底，对节能降耗、低碳化改造、提高企业经济效益都有好处，最终达到以下效果：
（1）满足集团层面的大规模统一部署，给企业的能源管理信息化水平带来质的飞跃，促进其数字化转型；
（2）基于灵活可扩展的平台，适应未来的变化，满足当前和持续不断新增的改造需求；
（3）统一能源监测与数据查询平台，数据接口统一，可对接其他信息化系统，促进数据联动；
（4）通过采集生产过程数据，支持实现产品规划、能源规划和能源消耗绩效的一体化控制；
（5）通过计算和分析各种工艺、技术和设备的能耗指标，评估各种生产设备和低碳化措施的相关影响，并发布基于日/月/年的各类能耗报告。
能源管理系统的架构与实现
▌网络架构设计与实现
在水泥生产现场，操作层与控制层采用工业以太网环网架构，通过网线与数据采集服务器连接到工业以太网交换机（Industrial Ethernet Switch）进行数据传输，通信速率＞10Mb/s，通信协议采用Modbus Tcp/IP或EthernetTcp/IP，距离超过80m的路径则采用多模光纤通信。DCS系统需留有与第三方的软硬件接口，接口采用OPC协议，并符合IEC61131-3的要求。通过工业以太网将智能设备与DCS控制器连接，数据采集系统再向DCS系统集中收集OPC UA协议格式的数据。
数据采集服务器进行数据定时归档，并储存在时序数据库所在的服务器，经过计算后的数据存储在关系数据库中，再由TomCat和Nginx的Web服务器分别发布后端和前端软件代码接口以读取数据库中的各种数据。系统采用B/S架构，客户端只需安装一个浏览器，管理人员就可以随时通过手机或者PC端浏览器登录查看能源管理系统的数据。系统总体网络架构见图1。
▌技术架构设计与实现
传统的软件应用常采用单体架构的模式进行开发，系统往往具有可扩展性差、可维护性差、耦合性高等缺点。本能源管理系统的软件代码开发采用当下最为流行的前后端分离架构，在该架构的开发模式下，前端用户界面仅需编写独立的客户端代码，后端也只需独立编写服务端代码并提供数据接口，前端即可通过A JAX请求访问到后端的数据，并将Model数据返回展示到前端视图中。
在此基础上传统的单体应用拆分成两个独立的应用：前端应用和后端应用，以JSON格式报文进行数据交互。前后端分离开发可以提升软件系统的适配性、响应速度和性能，并可以将部分异步耗时的请求与功能模块统一，提高系统实时的响应速率与现场人员的使用体验。
在该架构下，全部用户展示逻辑由前端的核心框架Vue.js实现，中间附加Nginx服务器负责负载均衡和正向代理读取到对应的后端服务器。后端主要实现语言为Java，负责能源管理系统各个模块的逻辑开发，开发完成后集中部署在一台服务器上。
在水泥生产过程中，为了监测设备、生产线以及整个系统的运行状态，在各个关键点都配有传感器以采集状态数据，这些源数据往往具有生产周期性强、数据源唯一、更新操作少等特点。针对采集频率较高的设备源数据，能源管理系统采用当前性能相对最佳的时序数据库influxDB来存储各个采集点的实时数据，至少可以满足粉磨站上万个采集点未来5～10年的设备数据存储需求；针对源数据分析、计算后的报表及趋势图等二次加工数据，采用关系型数据库MySQL和内存数据库Redis进行存储，保证数据的结构化信息得以保存，并能及时反馈给现场使用人员。能源管理系统的总体技术架构见图2。
以前后端分离的软件架构开发能源管理系统，有以下好处：
（1）适应性增强。在能源管理系统的开发过程中，除了常见的PC端操作外，业主后期在移动端和APP端还会有数据使用需求，在非前后端分离的情况下，需要各自开发一套前端软件，对于工程的实施和应用都会延长较大工期。事实上，对于这PC、移动和APP端而言，数据展示内容大多相似，区别仅在界面排版展示上逻辑的差异。前后端分离的软件架构下，数据控制器层掌握在后端手中，后端为了这些不同端的页面编写相同的处理逻辑，统一维护这些控制器，业主对于界面展示上有需要修改的地方，开发团队可以直接修改各自的前端，后端项目不需要做任何改动，对于后期能源管理系统的扩展性和适应性得以保留和增强。
（2）响应速度和性能提升。前端的主要功能是数据或图表显示，数据计算量不能太大，如果前端项目涉及大量的数据计算，那么当客户端向服务器请求数据时，会造成前端显示非常明显的滞后，影响用户体验效果。大量的数据计算放在后端项目中，前端可以大大减少浏览器解释语句的工作量，特别是对于移动客户端，做了这样的优化后，性能可以提高数倍。
（3）提高开发效率。前端只关注前端的展示，后台需要关注后台的数据操作和处理，避免了前端工程和后端工程的各种耦合，对于代码的阅读和维护也有很大的好处。
▌功能架构设计与实现
1、管理功能
水泥生产的总工艺流程较为复杂，能源数据采集范围较广，因此同时可能存在多种传输接口和网络协议。管理功能模块设计的目的是将现场各类电表、设备等设施进行结构化的管理与动态的数据采集，以达到合二为一的效果，使生产人员只需关注生产数据，设备维护人员只需关心设备数据。
针对现场的设备梳理，系统的软件架构方案中采用动态模块配置的方式，以模块形式分别完成服务器配置、电压室配置、数据点配置到工艺配置等，最终展示在现场工作人员的数据为采集点汇总计算后的工艺数据，以下简称计算点。计算点仅需首次使用时完成点位与电表的关联配置，后续使用无需关心底层的电表如何进行采集和计算。在工艺配置模块中，将底层电表绑定至指定计算点，系统会自动将采集到的数据统一定期汇总到数据存储模块中，由数据存储模块通知逻辑计算模块，定期进行数据批处理汇总出计算点数据。
这种以计算点为核心驱动的数据采集与计算的软件模式可以大大简化现场多数据源的繁杂配置方式，并根据不同的计算点种类触发相应的数据计算模块。这样一来，数据采集模块和数据计算模块之间的耦合程度降低，使程序的通用性更强，调试更方便，维护更简单。管理功能设计架构见图3。
2、用户功能
能源管理系统所要实现的目标是水泥生产能源消耗的无人化综合管理，因此用户功能上主要实现目标为现场数据的自动化存储、分析与展示，主要功能包括能源监控、电耗统计、能耗分析、报表统计和动态流程图五个模块。能源监控包括能源消耗监控、电表数据监控；电耗统计包括全厂电耗统计、工序电耗统计和停机统计；能耗分析包括工序能耗KPI对标分析、峰谷平用电分析和班组能耗分析；报表统计包括报表查询和报表导出；动态流程图包括点位配置和实时监控，具体用户功能设计架构见图4。
通过整合业主的管理与用户功能需求，进行系统设计、详细设计、编码，并现场进行服务器部署和压力测试以确保系统的稳定性、可靠性和性能，最终实现适用于水泥工厂的能源管理系统，见图5。
结束语
随着“双碳”和《中国制造2025》的提出，我国水泥行业急需转型升级，充分运用信息化手段改造自身，以使水泥行业更加智能化、绿色化。在此背景下，水泥企业能源管理系统的研发尤为重要，一套完整的能源管理系统可为企业管理层合理使用能源、检查能耗漏洞、制定降耗方案等多方面进行辅助。
（1）在充分了解水泥粉磨工艺的基础上，对粉磨站能源管理系统进行了需求分析，并完成了能源管理系统的总体设计，包括网络结构设计、总体功能架构和技术架构设计等。对系统的关键技术进行了深入研究，包括串行通信技术、OPC技术、Java技术、Vue.js和JQuery ElementUI等。
（2）根据粉磨站的能源结构和流向，选择粉磨站内的主要能耗设备作为监测点，然后详细设计了管理功能和用户功能等主要功能模块，并根据现场的设备采集频率设计了时序数据库与关系型数据库配合存储的海量数据持久化模块。
（3）进行了能源管理系统的软件开发，包括能源监测、用电统计、能耗分析、系统配置、报表统计、用户管理等模块。该能源管理系统成功应用于某水泥粉磨站，目前运行良好，为企业节省了人力和能源。
本文开发的水泥企业能源管理系统成功应用于工业现场，但仍有一些问题需要改进，如随着水泥企业数据量的逐年积累，如何保证网络查询速度不受影响，查询始终流畅。现有的能源管理系统仅收集、存储、计算和展示数据，不能正向预测和反向控制现场工况，后期可考虑对软件内容进一步的优化开发，使之能够拥有能耗预警和能耗建议等高级功能。希望经过不断优化，该系统能更加符合水泥企业的需求，得到更广泛的应用。
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