一種水泥企業(yè)能源信息集成管理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水泥生產(chǎn)過程能源管理領(lǐng)域，尤其是涉及水泥企業(yè)能源信息采集網(wǎng) 絡(luò)、水泥生產(chǎn)過程能源優(yōu)化調(diào)度與管理。
【背景技術(shù)】
[0002] 新型干法水泥生產(chǎn)通常以"一窯三磨"為主體，組成不同的工藝區(qū)域，同時(shí)還有相 應(yīng)的原料、中間物料儲(chǔ)存庫及輸送設(shè)備，如圖1所示。整個(gè)生產(chǎn)過程中需要消耗大量的煤作 為燃料完成熟料煅燒，消耗大量的電能以驅(qū)動(dòng)大型粉磨設(shè)備完成生料、煤和水泥成品的粉 磨,熟料生產(chǎn)能耗約占水泥生產(chǎn)總能耗的7~8成，各大型高壓電機(jī)用電量約占水泥生產(chǎn)電 耗的65%。
[0003] 目前，水泥企業(yè)的能源信息管理系統(tǒng)一般存在如下問題：
[0004] (1)缺乏對(duì)電、水能源介質(zhì)消耗數(shù)據(jù)的采集及管理。企業(yè)現(xiàn)有電功率表準(zhǔn)確度低， 且存在電功率到電能的計(jì)算，誤差極大；水表一般采用老式指針式水表，準(zhǔn)確度低且需要人 工抄表。電能和水的監(jiān)測(cè)設(shè)備落后，無法實(shí)現(xiàn)電、水能源介質(zhì)消耗數(shù)據(jù)的在線采集與管理。
[0005] (2)水泥企業(yè)各生產(chǎn)車間能源信息獨(dú)立，缺乏各生產(chǎn)車間能源信息的共享。
[0006] (3)缺乏對(duì)水泥生產(chǎn)過程能源的優(yōu)化調(diào)度。由于各生產(chǎn)車間獨(dú)立核算，導(dǎo)致現(xiàn)行生 產(chǎn)管理系統(tǒng)以各生產(chǎn)單元能源消耗最低為目標(biāo)，生料磨、煤磨經(jīng)常因?yàn)樯a(chǎn)過剩而導(dǎo)致頻 繁地啟停，造成大量的能源浪費(fèi)。
[0007] 因此，需要根據(jù)水泥生產(chǎn)過程特點(diǎn)，研究和實(shí)施水泥生產(chǎn)過程能源信息采集與優(yōu) 化調(diào)度綜合集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水泥企業(yè)能源數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示、共享與實(shí)時(shí)調(diào)度。該系統(tǒng) 對(duì)于提高水泥企業(yè)能源管理水平、降低水泥企業(yè)能耗具有重要的意義。
[0008] 現(xiàn)有水泥企業(yè)集散控制系統(tǒng)（DCS)支持多種工業(yè)接口和通訊標(biāo)準(zhǔn)，如工業(yè)以太網(wǎng) 接口、Modbus和Prof ibus現(xiàn)場(chǎng)總線接口、OPC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議等，使水泥企業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)具 有可擴(kuò)展性。水泥企業(yè)能源采集網(wǎng)絡(luò)是在原有水泥企業(yè)集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò) 展，使得該能源采集網(wǎng)絡(luò)具有易集成、低成本等優(yōu)點(diǎn)。因此，有必要開發(fā)一種基于水泥企業(yè) 集散控制系統(tǒng)的能源采集與管理系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)當(dāng)前水泥企業(yè)能源信息采集與利用的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供 一種基于原有水泥企業(yè)集散控制系統(tǒng)的能源采集網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水泥企業(yè)能源 信息采集、共享、管理與優(yōu)化調(diào)度的綜合集成應(yīng)用。
[0010] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種水泥企業(yè)能源信息集成管理系 統(tǒng)，包括DCS系統(tǒng)及其提供的以太網(wǎng)模件、OPC接口，還包括
[0011] 煤、電、水三種能源數(shù)據(jù)的采集網(wǎng)絡(luò)：煤粉消耗數(shù)據(jù)采集儀表通過DCS的I/O數(shù)據(jù) 采集卡與DCS系統(tǒng)相連，電、水能源數(shù)據(jù)采集儀表通過能源采集光纖環(huán)網(wǎng)與DCS系統(tǒng)相連， 用于煤、電、水三種能源數(shù)據(jù)的采集和傳輸；
[0012] 能源管理服務(wù)器：與DCS系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)，用于獲取各種能源 數(shù)據(jù)，計(jì)算各生產(chǎn)環(huán)節(jié)能效，并存儲(chǔ)各能源數(shù)據(jù)，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)顯示和能效 對(duì)標(biāo)；
[0013] 能源優(yōu)化服務(wù)器：用于利用能源優(yōu)化調(diào)度模型實(shí)現(xiàn)生料和煤粉生產(chǎn)過程能源的動(dòng) 態(tài)優(yōu)化調(diào)度；
[0014] 查詢終端：為一個(gè)或多個(gè)，通過B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與所述能源優(yōu)化服務(wù)器、能源管理服 務(wù)器相連，用于查詢能源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)報(bào)表。
[0015] 所述煤粉消耗數(shù)據(jù)采集儀表為煤粉計(jì)量裝置，煤粉消耗數(shù)據(jù)由DCS系統(tǒng)從現(xiàn)場(chǎng)中 讀取。
[0016] 所述電、水能源數(shù)據(jù)采集儀表為各車間安裝的數(shù)字水表和數(shù)字電表。
[0017] 所述能源管理服務(wù)器將企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，再進(jìn)行按 時(shí)間或生產(chǎn)班次統(tǒng)計(jì)、分析并根據(jù)需要繪制各種趨勢(shì)曲線，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計(jì)。
[0018] 所述能源管理服務(wù)器將采集到的實(shí)時(shí)能源數(shù)據(jù)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、省級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)內(nèi)部 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比。
[0019] 所述能源優(yōu)化服務(wù)器建立生產(chǎn)過程能源動(dòng)態(tài)模型，利用OPC Client讀取DCS OPC Server中的相關(guān)能源數(shù)據(jù)，經(jīng)過優(yōu)化運(yùn)算后將結(jié)果再通過OPC Client寫入DCS系統(tǒng)中，實(shí) 現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的能源優(yōu)化。
[0020] 所述能源優(yōu)化服務(wù)器中的調(diào)度算法包括：
[0021] 1)目標(biāo)函數(shù)
[0022] 動(dòng)態(tài)價(jià)格響應(yīng)優(yōu)化問題的目標(biāo)就是使原料生廣的利潤(rùn)最大，即生廣成本Ct最小； 將計(jì)劃期記作T，將其平均分為若干時(shí)段At，目標(biāo)函數(shù)可表示為：
[0023]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種水泥企業(yè)能源信息集成管理系統(tǒng)，包括DCS系統(tǒng)及其提供的以太網(wǎng)模件、OPC接 口，其特征在于，還包括 煤、電、水三種能源數(shù)據(jù)的采集網(wǎng)絡(luò)：煤粉消耗數(shù)據(jù)采集儀表通過DCS的I/O數(shù)據(jù)采集 卡與DCS系統(tǒng)相連，電、水能源數(shù)據(jù)采集儀表通過能源采集光纖環(huán)網(wǎng)與DCS系統(tǒng)相連，用于 煤、電、水三種能源數(shù)據(jù)的采集和傳輸； 能源管理服務(wù)器：與DCS系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)，用于獲取各種能源數(shù) 據(jù)，計(jì)算各生產(chǎn)環(huán)節(jié)能效，并存儲(chǔ)各能源數(shù)據(jù)，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)顯示和能效對(duì) 標(biāo)； 能源優(yōu)化服務(wù)器：用于利用能源優(yōu)化調(diào)度模型實(shí)現(xiàn)生料和煤粉生產(chǎn)過程能源的動(dòng)態(tài)優(yōu) 化調(diào)度； 查詢終端：為一個(gè)或多個(gè)，通過B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與所述能源優(yōu)化服務(wù)器、能源管理服務(wù)器 相連，用于查詢能源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)報(bào)表。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水泥企業(yè)能源信息集成管理系統(tǒng)，其特征在于，所述煤 粉消耗數(shù)據(jù)采集儀表為煤粉計(jì)量裝置，煤粉消耗數(shù)據(jù)由DCS系統(tǒng)從現(xiàn)場(chǎng)中讀取。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水泥企業(yè)能源信息集成管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電、 水能源數(shù)據(jù)采集儀表為各車間安裝的數(shù)字水表和數(shù)字電表。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水泥企業(yè)能源信息集成管理系統(tǒng)，其特征在于，所述能 源管理服務(wù)器將企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，再進(jìn)行按時(shí)間或生產(chǎn)班次 統(tǒng)計(jì)、分析并根據(jù)需要繪制各種趨勢(shì)曲線，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計(jì)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水泥企業(yè)能源信息集成管理系統(tǒng)，其特征在于，所述能 源管理服務(wù)器將采集到的實(shí)時(shí)能源數(shù)據(jù)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、省級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水泥企業(yè)能源信息集成管理系統(tǒng)，其特征在于，所述能 源優(yōu)化服務(wù)器建立生產(chǎn)過程能源動(dòng)態(tài)模型，利用OPC Client讀取DCS OPC Server中的相 關(guān)能源數(shù)據(jù)，經(jīng)過優(yōu)化運(yùn)算后將結(jié)果再通過OPC Client寫入DCS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程 的能源優(yōu)化。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水泥企業(yè)能源信息集成管理系統(tǒng)，其特征在于，所述能 源優(yōu)化服務(wù)器中的調(diào)度算法包括： 1)目標(biāo)函數(shù) 動(dòng)態(tài)價(jià)格響應(yīng)優(yōu)化問題的目標(biāo)就是使原料生產(chǎn)的利潤(rùn)最大，即生產(chǎn)成本Ct最??；將計(jì) 劃期記作T，將其平均分為若干時(shí)段At，目標(biāo)函數(shù)可表示為： 式中：
C1e 一用電成本； 一生產(chǎn)過程中的成本，稱為加工成本，為固定成本，對(duì)目標(biāo)函數(shù)不產(chǎn)生影響； G-啟動(dòng)生產(chǎn)的成本； 一零件的存儲(chǔ)成本，為固定成本，對(duì)目標(biāo)函數(shù)不產(chǎn)生影響； 用電成本q Ce = KtDth, (2) 式中： JIt一第t個(gè)時(shí)間段內(nèi)的電價(jià)； ^一時(shí)間段t內(nèi)磨機(jī)消耗的電量； 磨機(jī)在時(shí)間段t內(nèi)電能消耗1?與時(shí)間段t內(nèi)磨機(jī)的產(chǎn)量相關(guān)；磨機(jī)電耗ZZv表示為時(shí) 間段t內(nèi)磨機(jī)的產(chǎn)量nt的函數(shù)I); = F1Of);生產(chǎn)電耗在正常工作范圍內(nèi)，與加入物料 量近似為線性關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： Dr', = α χι? 十 h (3) 式中： a，b-為曲線擬合的系數(shù)； Iit一時(shí)間段t內(nèi)磨機(jī)的產(chǎn)量； 每當(dāng)磨機(jī)重新投入生產(chǎn)時(shí)，都會(huì)有額外的成本消耗，將這部分成本的消耗記為啟動(dòng)成 本，其計(jì)算公式為： Ctlis=PMut-It1) ⑷ 式中： β s-啟動(dòng)過程中所消耗的固定成本，比如維護(hù)成本或空轉(zhuǎn)成本； Ut-t時(shí)段生料磨的啟停狀態(tài)，當(dāng)Ut=I時(shí),表示處于生產(chǎn)過程中；Ut=O時(shí),表示處于停止 狀態(tài)； 2) 決策變量：為時(shí)間段t內(nèi)磨機(jī)的產(chǎn)量。 3) 約束條件 a. 產(chǎn)量約束： N<nf<N (5) 其中I和斤分別t時(shí)段內(nèi)磨機(jī)產(chǎn)量的下限和上限； b. 存儲(chǔ)約束： 緩沖倉的存儲(chǔ)數(shù)量不能超過其存儲(chǔ)能力的最大限度，其約束條件為： S<S<S (6) 其中孓和S分別t時(shí)段內(nèi)緩沖倉存儲(chǔ)能力的上限和下限； C.存貨平衡約束： 緩沖倉的存量要滿足未來每小時(shí)的熟料生產(chǎn)對(duì)原料的需求量<，其表達(dá)式為： St=StSnt-NtD (7) 其中St為t時(shí)段緩沖倉的存儲(chǔ)量，Sw為t-l時(shí)段緩沖倉的存儲(chǔ)量，Iit為t時(shí)段內(nèi)磨機(jī) 產(chǎn)量，為t時(shí)段熟料生產(chǎn)對(duì)原料的需求量; d.始末庫存約束： 為了保證能夠滿足超出預(yù)測(cè)的需求，緩沖倉應(yīng)保證一定的存貨剩余，其約束條件為： S0-St^ ε (8) 其中#和St分別為計(jì)劃期始末的庫存量，ε為計(jì)劃期始末庫存量之差的允許最大值； 該式表明，計(jì)劃期內(nèi)的對(duì)原料需求量都是由同時(shí)期生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足的，綜合考慮每個(gè) 時(shí)段的存貨平衡約束得到計(jì)劃期T內(nèi)的平衡約束為：
如果需求量與預(yù)期情況有較大偏差，需要重新設(shè)立最優(yōu)模型，將重新考慮的那段時(shí)間 啟動(dòng)的存貨量設(shè)為S°。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種水泥企業(yè)能源信息集成管理系統(tǒng)，包括煤、電、水三種能源數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、能源管理服務(wù)器、能源優(yōu)化服務(wù)器和能源數(shù)據(jù)內(nèi)網(wǎng)發(fā)布。能源數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)通過光纖收發(fā)器與DCS系統(tǒng)相連用于煤、電、水三種能源數(shù)據(jù)的采集、傳輸。能源管理服務(wù)器與DCS系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)，獲取各種能源相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行各類能源數(shù)據(jù)管理。能源優(yōu)化服務(wù)器利用OPC Client讀取DCS OPC Server中的相關(guān)能源數(shù)據(jù)經(jīng)過優(yōu)化運(yùn)算后將結(jié)果再通過OPC Client寫入DCS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的能源優(yōu)化。本發(fā)明利用原有水泥企業(yè)DCS系統(tǒng)提供的以太網(wǎng)接口模件和OPC Server將以上四部分有機(jī)地集成于一體，具有易集成、低成本等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了水泥企業(yè)能源數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析和管理。
【IPC分類】G06Q50-04, G06Q10-04, G05B19-418
【公開號(hào)】CN104636815
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310572692
【發(fā)明人】于海斌, 劉釗, 王卓, 苑明哲, 李鶴鵬
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2013年11月15日