造纸企业全厂能量系统优化信息平台的设计与开发--控制网

造纸企业全厂能量系统优化信息平台的设计与开发
企业: 日期:2009-11-05
领域:仪器仪表 点击数:1010

  摘要:MEOP是造纸企业信息化与节能技术集成的重要成果,该系统是MES框架下的能源管理系统(EMS,Energy Management System),本文介绍了MEOP(Mill Energy Optimization Platform)设计的硬件和软件结构,着重分析与描述了该系统的功能,MEOP的应用使企业决策人员、管理人员、工艺人员、调度人员、操作人员使用相同系统,实现能源规划——能源调度——能源消耗的协调统一。

  关键词: MES;EMS;能量系统优化 

  造纸企业典型的信息系统为PCS(Process Control System)/MES(Manufacture Executive System) /ERP(Enterprise Resource System)三层结构[1],其中,PCS层是制浆造纸过程生产自动化基础控制系统,大中型造纸企业将其作为制浆造纸生产线的“标准配置”;而ERP及管理信息系统是企业管理的重要工具和手段,也已在国内大中型造纸企业普遍应用;作为承上启下的制造执行系统MES层,则很少有国内造纸企业实施该类项目。目前,MES的实施仍处于探索阶段,因此,MES已成为当前造纸企业信息化的重点和难点。

  造纸行业作为国家发改委“十一五”期间重点监管的九大高耗能行业之一,面临前所未有的节能压力,许多造纸企业试图探索运用信息化手段解决造纸工业当前节能降耗的问题。基于MES层框架的能源管理系统(EMS,Energy Management System)可以有效集成企业PCS层“孤岛”运行的DCS中能量系统数据,分析企业能量系统运行状态,优化调度能量系统,是运用信息化手段帮助企业节能降耗的有效手段。

  根据广州造纸集团有限公司对生产过程能量系统管理的需求,华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室在造纸企业能源管理系统(EMS)基础上开发了全厂能量系统优化信息平台(MEOP, Mill Energy Optimization Platform),用于实时监控全厂能量系统运行状态、分析能源利用状况、诊断能量系统节能潜力、优化能量系统运行工艺,实现企业能量系统全局优化运行,提高企业能源利用效率。

  1 设计的原则

  制浆造纸工业属于流程工业,企业生产是流水性昼夜连续作业,由多个工艺单元(如制浆生产线,造纸生产线,碱(酸)回收系统,热电站及废水处理站等)按一定的顺序组合而成,生产过程的物流和能量流连续,生产工艺和方法复杂,联动性很强,但要求工艺流程和产品稳定;生产过程涉及各种物理及化学过程,机理复杂、数据信息量大、处理难度较大;生产节奏性强,连续性和均衡性要求高,并且在生产过程控制和设备控制的自动化方面要求很高;设备投资、更新、改造和维修的管理与决策比较复杂,对库存和污染物也有特殊要求。因此,作为MES的重要组成部分,造纸企业造纸企业全厂能量系统优化信息平台的设计与开发要遵循以下原则:

  1)安全的原则。MEOP需要集成热电厂、制浆、造纸和污水处理等生产线的DCS中的数据,MEOP运行时必须确保不影响各生产线DCS的运行,以免造成重大生产事故。

  2)标准化的原则。MEOP是MES层能源管理的子系统,在造纸企业信息系统中起到承上启下的作用。必须遵照ISA(International Federation of National Standardizing Associations)的MES相关标准和MESA(Manufacturing Execution System Association International)的MES相关标准设计开发,以实现信息系统的功能扩展及与第三方信息系统的对接[2]。

  3)开放的原则。MEOP不仅需要集成PCS层的数据,还需要对外发布信息以及与ERP能管理信息系统进行通讯,因此,需要遵循现场总线、以太网和B2MML等典型相关协议进行设计。

  4)实用的原则。MEOP为集成和优化企业能量系统,需要针对热电厂的操作人员、企业中心调度人员、工艺人员和生产管理人员的不同需求,设计不同的监控、分析和优化界面,MEOP的界面设计必须简洁和实用,人机交互界面针对性强,提高上述人员的有效合作共同挖掘节能潜力,提高企业能效水平。

  2 MEOP硬件结构

  MEOP基于MES中能源管理系统基本结构和功能的基础上,结合“三环节”能量流结构模型与优化技术,实现对制浆造纸企业能量系统信息的采集、分析、监控、优化等功能,MEOP将大大提高企业能量系统信息的透明化和标准化,为企业管理和生产调度决策提供可靠依据,是企业降低生产成本的有效工具。

  该系统架构采用C/S和B/S混合模式。核心服务器由实时数据库服务器、关系数据库服务器和Web数据库服务器组成,C/S模式用于支持工艺人员和生产管理人员远程访问MEOP,B/S模式用于支持中心调度室调度人员和热电厂操作人员即时监控和操控系统以及响应报警事件等。MEOP具有与底层控制系统通讯的标准接口,如OPC、DDE、Modbus、 ProfiBus等;还可基于以太网同时与ERP系统通过OLE、ODBC、COM等方式进行数据传输。如图1所示。

  造纸企业能量系统优化信息平台与制浆造纸厂中的DCS、PLC等进行通讯,采集发电厂、制浆车间、抄纸车间、能量流数据。根据ISA和MESA的相关标准,MEOP不直接与现场传感器或变送器通讯,所有现场数据均来自于控制器以上的系统中。

  MEOP拥有多个操作终端,便于生产管理人员与该系统交互,如进行在线查询、在线分析、下达调度指令和打印报告等。另外,MEOP也可将关键数据通过以太网传送到ERP中,并接收来自ERP的指令数据,便于企业决策者对企业能源的调控与管理。

  3 MOEP软件结构[3]

  MEOP针对制浆造纸企业特点进行设计开发,为企业实现能流调度及全局优化提供决策支持,MEOP可以系统、科学、准确、实时地调度生产能量配给,减少人为调度的主观性和局限性,使企业能量调度达到全局优化,减少能源浪费和减少污染物的排放。MEOP将大大提高企业能流信息的透明度和信息的标准化,为企业管理和生产调度决策提供可靠依据,是企业降低生产成本的有力工具。造纸企业能量系统优化信息平台软件结构如图2所示。

  该系统主体部分采用美国通用电气(GE)公司MES智能平台软件搭建,数据库分别由实时数据库、关系数据库、Web数据库和功能模型库组成[4]。关系数据库通过实时数据库与过程控制层相连,MEOP通过B2MML与管理层ERP进行通讯连接,客户端可完成数据分析及比较、数据显示及报告、能流信息优化和能流调度计划及决策支持等功能,这些功能由功能模型库中的模型计算后实现。

  4 MEOP功能

  MEOP是华南理工大学在制浆造纸企业信息系统集成与优化技术方面的重要研究成果,适合典型造纸企业能量系统优化调度管理,可实现造纸企业能量流、物料流、信息流的集成和优化。造纸企业能量系统优化信息平台(MEOP)将系统、科学、准确、实时地调度生产能量配给,优化热电厂运行,减少人为调度的主观性和局限性,使企业能量调度达到全局优化,减少能源浪费和减少污染物的排放,其具体功能如下:

  1)数据集成功能。MEOP通过实时数据库(RTD)集成制浆造纸厂中过程控制系统、SCADA、现场能流测量数据和操作人员手工输入的能流数据,将这些数据分类为电网子系统数据、蒸汽管网子系统数据、浆料管网子系统数据和水管网子系统数据等,存储到关系数据库,用于归档、显示和发送到ERP中。

  2)信息监控及调度功能。MEOP操作终端可以显示关键工序中的关键数据,如盘磨机的电流、新鲜蒸汽进入烘缸的压力、热电厂锅炉压力、温度、汽轮发电机抽气温度等等,如图3所示。这些数据往往会在一定的范围内波动,MEOP可以根据这些变量的相互关系组织画面,将这些变量实时显示在操作终端上或发送到ERP。该功能是实现企业信息化和生产过程透明化的关键步骤之一,避免关键数据局限于某“信息孤岛”,通过对能源系统集中监控,可大幅度提高能源系统劳动生产率。

  运用系统在线监控功能,可实现能源调度指挥、充分利用二次能源、保证企业能源生产、转换和消耗的平衡,可以减少能源浪费,确保系统经济合理运行。在能源系统异常和事故时,系统通过集中监控提供实时数据,利于调度及时、快速和准确的处理,把能源系统故障所造成的影响控制在最低限度,确保能源系统稳定运行。

  持续稳定的能源供应是工业生产的重要保证,而能源实时调度与监控则是保证能源供应的必要手段。能源供应通常是指供水、供汽、供电几个重要环节,能源实时调度模块可以在线监控生产企业所有能源(水、电、汽)消耗实时数据,并同时可以追溯能源的历史消耗数据,如各主要供水、供电、供汽管线的日累积值、月累积值、年累积值,以及对供汽压力和供汽温度的监控。

  3)数据分析功能。基于MEOP强大的能源生产信息数据库,运用先进的数据处理与分析技术,实现能源系统的离线生产分析与管理功能,包括能源生产管理统计报表、平衡分析、质量管理、绩效管理、预测分析等功能。同时对能源负荷进行分析,为整个纸厂和每个工段精确、恰当地定义能耗目标值,同时停机负荷以及停机时间也被定义,如图4所示。

  数据分析功能中的过程画面、过程曲线提供各能源介质的历史趋势曲线、各区域的能源使用平衡点的上下限,实现对能源的质量、工序能耗和运行管理的前端控制和评估,从而为能源管理的持续改进提供方向。

  通过曲线分析各条能源供应(供电、供水、供汽)线路的消耗数据,可方便快捷地分析出能源供应的峰谷时期,结合当时的生产情况可以尽量减少能源供应的峰谷差,削峰填谷,提高能源供应的效率和可靠性。KPI(Key Performance Indicator)分析是企业生产管理手段之一。通过关键能耗指标对比,管理或调度人员可以快速而容易地发现有关的事件和趋势,并将能耗的配给需要关注的指标上。因此,KPI 通常由各种原始数据、报告或图表以不同的方式组合而成。

  4)信息的优化功能。过程数据的离线和实时在线优化为调度能流提供必要的手段,主要通过建立“三环节”优化控制模型,对全厂能流的转化环节、利用环节和回收环节进行分析和优化;利用标准过程能流和物流模型对车间级和工序级进行分析和优化;对各子系统进行分析,并及时给出能量利用效率,判断能量利用状态,给出综合分析意见,作为现场控制依据,如图5所示。

  电厂优化运行根据企业运行中实际对电、低压蒸汽和中压蒸汽等二次能源的实时需求,及时指导电厂调度人员,调节锅炉负荷分配、调节汽轮机抽气量,使热电厂在满足正常生产的条件下更经济地运行。

  5)能源规划功能。MEOP能源规划功能可以制定能源管理的长期规划;依据生产计划,制定能源平衡计划;指导能源介质的采购(电力、液氧、水),保证能源供应;制定能源生产旬计划(例如发电、煤气等),保障生产安全合理进行;根据数据采集获得数据,预测能源产、供趋势,调度各种能源生产、分配,监控各种异常情况,及时给出调整措施,给出统计分析和平衡分析报表,为能源优化提供数据支持。

  6)Web发布功能。Web功能可以让管理人员通过Internet 来监控操作能源转化、能源利用和能源回收过程。Web浏览器支持用于英特网公共安全机制,例如路由器、防火墙和代理服务器。由于Web浏览器采用标准的HTTP协议,所以不需要任何专门的防火墙管理。Web发布功能可以实现远程操作和监控、有事件驱动快速更新、远程诊断和故障排除、与管理系统的客户机相集成,并可以在办公室中存取生产实时数据。

  4 项目实施后的成果

  MEOP是造纸企业信息化与节能减排技术集成的重要成果,将造纸企业能量系统“三环节” 模型作为企业能量系统优化信息平台的全局优化模型,实现了能量系统局部优化与全局优化的统一。在满足生产需要的条件下,预测二次能源使用负荷,根据各台锅炉和汽轮机特性优化电厂运行方式,提高电厂能效利用率,提高电厂运行调节的响应速度。将国内外造纸行业先进能耗数据作为比较分析企业能量利用状况基础对标数据,动态分析和比较生产线之间、生产线与国内外同类先进生产线之间能源利用效率,使企业决策人员、管理人员、工艺人员、调度人员使用相同系统,实现能源规划——能源调度——能源消耗的协调统一。MEOP的成功实施将可为广州造纸集团有限公司节约能源消耗5%左右。

  参考文献:

  【1】 李继庚,刘焕彬,等.造纸工业现代集成过程系统应用研究[J].中国造纸,2003年 04期 :35-37.

  【2】 王志新,金寿松.制造执行系统MES及应用[M].北京:中国电力出版社,2006.

  【3】 李继庚,刘焕彬.造纸企业节能关键共性技术[J].造纸科学与技术,2008年第27卷第6期:22-25

 

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