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GE Proficy 软件在烟草动力能源管控系统中的应用

供稿:GE 自动化&控制 2012/10/23 10:26:56

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  • 关键词: 能源 烟草 GE
  • 摘要:能源是生产的基本条件,动力能源系统的运行质量和管理水平直接影响产品质量和企业经济效益。现今,日益高企的能源价格带来企业运营成本不断上升,伴随企业发展的能源需求增长造成能耗逐年增加,环保要求与节能降耗指标对能源系统和设备的运行管理提出更加严格的要求,能源精细化管理需求使得传统的动力能源管理模式面临严峻的挑战。

一、项目概况及系统设计说明
1 项目概述
  能源是生产的基本条件,动力能源系统的运行质量和管理水平直接影响产品质量和企业经济效益。现今,日益高企的能源价格带来企业运营成本不断上升,伴随企业发展的能源需求增长造成能耗逐年增加,环保要求与节能降耗指标对能源系统和设备的运行管理提出更加严格的要求,能源精细化管理需求使得传统的动力能源管理模式面临严峻的挑战。
  芜湖卷烟厂“都宝”卷烟生产线动力能源管控系统充分响应了这种需求,广泛运用各种先进技术、设备和工程经验,在统一的管理平台上系统以“集中管理,全面监控,计量明确,高效可靠,节能降耗”为设计思路,采用分散控制、集中管理、综合监控的模式,在动力中心设置全厂能源管理中心,在各子系统控制室设置动力能源管理分站,实现对公用工程空压、锅炉、配电、制冷(水蓄冷)、空调、供油、给水、污水处理等子系统集成监控;建立分级计量体系和信息管理平台,实现能源计量远程监测、数据采集及综合管理,最终提高芜湖卷烟厂动力能源系统运行和管理的自动化水平及协调运作能力,更有效地应对现状和挑战,为企业生产和管理创造价值。
2 系统设计目标
2.1 提供优质的卷烟工艺环境
  包括水、电、汽、气供给以及空调在内的能源系统,是卷烟产品生产工艺流程的基本保证,即能源系统能够提供一个适应卷烟连续和优质生产的工艺环境, 并且随着《卷烟工艺规范》执行力度的不断加大,对工艺环境的要求也越来越高,从而对能源系统的要求也越来越高。实际生产过程中,能管系统通过各种方法和途径创造优质的工艺环境。
2.2 提高能源利用效率,降低能源消耗
  卷烟厂能源系统在提供一种形式能源的同时,其自身也是另外一种形式能源的消耗大户,为了节约能源及符合国家局卷烟清洁生产的要求,建立统一综合的能源管控系统,是工厂达到国家节能减排要求的重要手段。卷烟厂动力能源管理系统(简称能管系统)通过采用相关的技术和手段,达到节能的目的,如:能管系统对关键能源转换设备(如空压机)进行数据采集、统计、分析等处理,找到设备最佳的工作状态,通过准确控制,使设备在最佳状态运行,从而提高能源利用效率,降低能源消耗;同时能管系统通过加强对各个耗能单位和耗能设备进行能耗统计和分析,找出节能策略和方法,达到节能减耗的目标;同时,通过能管系统能源使用的计量考核,促进各个部门的合理的使用能源。
2.3 建立企业能源数据基础支撑平台
  能管系统通过合理的硬件配置和软件开发,搭建起厂级动力能源监控平台、管理数据平台,实现对底层数据的采集、分析、存储等功能,并对上开放数据接口,上级的MES 或ERP 系统可通过开放的通信协议或数据接口与本系统进行通信和数据交换,双方按照管理和生产的需要,本监控中心向上传输MES 所需的各种数据和报表、同时能够接受各种生产指令和工艺参数。
二、系统方案
1 系统构成与网络结构综述
  动力能源管控系统从主要内容上划分为动力能源信息管理系统、动力监控系统与能源计量系统三大系统。
  动力能源管控系统采用三层网络架构,即生产信息管理层、集中监控层、设备控制层。
 


 
  集中监控层采用千兆光纤工业以太环网作为主干网,SCADA 冗余服务器通过网卡,分别接入生产信息管理层与集中监控层,各操作员站、工程师站、实时历史数据服务器、管理数据库服务器、Web 服务器、管理工作站、通过接入交换机与SCADA 服务器通信。
  在动力中心设置一台空压系统PLC 主站,用于空压系统设备的数据采集及相关设备的控制,在动力中心与联合工房设置六个计量采集PLC 主站,用于能源计量系统设备的数据采集及相关设备的控制。
  设置约二十台交换机组成环网与SCADA 服务器通信,实现对公用工程自动给水系统、空调自控系统、制冷(水蓄冷)系统、锅炉自控系统、变配电系统、供油系统、污水处理系统等第三方完成的子系统的集成,以及实现空压系统群控及监控、能源计量监测子系统的远程监控、数据采集及管理。
2 生产信息管理层
2.1 生产信息管理层综述
  生产信息管理层主要由实时历史数据库服务器、管理数据库服务器、WEB 服务器、管理工作站和网络设备等组成。信息管理层采用10M/100M 自适应以太通讯网络(ETHERNET),所有的数据收集、分析、查询、存储等在这一层完成,并保证可稳定与企业及安徽中烟公司相关生产信息管理系统或MES 系统可靠接口及信息交互。
2.2 生产信息管理层主要设备功能
  2.2.1 实时历史数据库服务器
  用于SCADA 服务器采集数据的历史归档。

  2.2.2 管理数据库服务器
  用于管理数据库的数据存储及开发。

  2.2.3  WEB 服务器

  运行WEB 发布功能,作为WEB 服务器对外发布信息,通过B/S 架构使外围用户可以通过浏览网页的方式了解动力系统的运行状态及运行参数,需要的话也可通过WEB 发布方式向MES 提供数据
  2.2.4 管理工作站
  完成能源管理中心的信息管理工作,包括设备管理、设备运行、报警数据统计、工艺参数管理、能源计量、能耗分析、班组日常工作、系统维护等功能
  2.2.5 手持PDA 配备2 台手持PDA,用于动力能管信息管理系统中的设备管理子系统。
3 集中监控层
3.1 集中监控层综述
  集中监控层主要由各独立子系统的PLC、单机设备的PLC、操作员站、数据采集服务器、工程师站、打印机和网络设备组成。主干网采用工业以太网环网, 使用光纤作为连接介质。该层主要完成集中控制操作、状态监视、设备及各个子系统的数据采集功能。集中监控层作为运行人员监控动力系统运行的接口,在能管中心配置数台操作站,基本上所有的运行人员操作都在这一层,一般只在远程通讯发生故障时运行人员才会到设备现场的过程控制层去手动调节设备,向下通过工业以太网与过程控制层相连,实现数据采集和远控命令的下达。
  集中监控层网络采用千兆光纤将各子系统的主控PLC 和现场操作站通过工业以太网网络交换机联接成冗余环网,通过环网主交换机,两台互为冗余的I/O 服务器与各子系统通信,采集实时数据。中控室的操作员站、工程师站、Web 服务器、实施历史数据库服务器、管理数据库服务器、管理工作站采用标准的以太网通信,通过接入层交换机与I/O 服务器、数据库服务器交互信息,实现对现场的控制、操作及相关数据的查询。光纤环网模式既提高了数据传输速度,又规避了传统的电磁干扰,同时环网冗余提高了系统可靠性。
4 设备控制层
4.1 设备控制层综述
  设备控制层主要由PLC 控制柜、分布式I/O 从站、现场触摸屏、变频器、现场仪表等组成,由Profibus-DP 现场总线连接控制主站、现场I/O 站等,现场仪表使用Profibus-DP/PA 现场总线技术。
  各PLC 主控制器与现场设备之间选用PROFIBUS-DP 现场总线,连接系统现场触摸屏、变频器、软启动器等,数据通讯速率不低于500Kbps,最高可达12Mbps, 从而保证了系统数据采集的准确性和实时性。
  PRODFIBUS-DP 是一个功能强、开放式、坚固的总线系统,按照  IEC 61158 / EN 50170 进行的数据通信,保证无故障通信。系统完全标准化,保证连接部件的开放性符合其他制造厂家的标准,配置,启动和故障排除在网络的任何一点都可进行。这就意味着,可自由选择的通信链路,极其灵活、容易实现和改动,从而保证了系统数据采集的准确性和实时性。
4.2 设备控制层组成
  设备控制层主要包括各种检测仪表(流量计、温度计、远传水表等)、执行元器件(如阀门、电机等)、本地操作箱、远程I/O、现场触摸屏、PLC 控制柜等。
5 监控中心软件配置

5.1 配置:
  ? 监控中心操作员站(7 台):
iFIX iClient Runtime (M4 Part);

  ? 制冷/空压值班室操作员站:
iFIX iClient Runtime (M4 Part);

  ? 高配值班室操作员站:
iFIX iClient Runtime (M4 Part);

  ? 实时历史数据库服务器:
WINDOWS SERVER 2008 简体中文企业版;
Historian Enterprise Server 5000 Points (M4 Key);
Historian Client Connection Pack 5 Users (M4 Key);

  ? 管理数据库服务器:
WINDOWS SERVER 2008 简体中文企业版;
MICROSOFT SQL SERVER 2008 中文标准版;
冗余控制软件OAPRO

  ? WEB 服务器
WINDOWS SERVER 2008 简体中文企业版;
MICROSOFT SQL SERVER 2008 中文标准版
Proficy Portal Enterprise Edition Client Pack 10 Users Ver 3.0

  ? 工程师站
iFIX iClient Development (M4 Part);

FieldCare 智能现场设备管理系统
? 数采服务器(2 台)
WINDOWS SERVER 2008 简体中文企业版;
iFIX 5.0 Chinese Profsnl SCADA Pack Unlimited Development(含IGS 驱动);

5.2 系统监控平台软件简介
  系统监控软件采用了GE 的Proficy HMI/SCADA-IFIX 的监控软件,为动力能源管理中心监控系统提供了强大的工作平台,通过程序,操作员可以在自控系统内进行各项资料的取存及监控,是用户和现场控制器之间的主要操作接口。并利用iWebServer 通过WEB 服务器发布,客户端可以使用标准WEB 浏览器看到SCADA Server 上的监控画面和实时动态数据。
  监控中心软件系统采用模块化设计,包括系统安全管理功能、图形监控功能、数据管理功能、报警管理功能、系统运行监控、系统数据采集功能、系统冗余组态、能源数据管理等功能模块。
  系统软件各功能模块可以根据操作员站、管理站和工程师站对功能的不同要求任意组合,最终构成一个功能完整强大并且分布处理的统一系统。
 

监控软件系统功能树

5.3 管理系统软件简介
总体结构: 
 

  PLC 或数据采集网关从各个采集点搜集数据,逻辑上传给监控系统;监控系统整理数据,并把不同的数据传向管理系统的SQL Server 数据库的不同的表中;SQL Server 数据库再一次对数据进行处理,将数据用关系数据库的模型以表的形式存贮在数据库中;SQL Server 数据库中的数据不仅可以来源于监控系统,还可以通过网络,管理系统从其他的数据库系统中读取数据,或其他系统从管理系统中读取数据。而在每一台PC 机中,用户只要通过操作系统的IE 流览器,比较直观的查询到所需要的数据,生成报表、图形趋势、计算函数等,管理系统里以分用户权限进入,可根据不同的业务情况,进行不同的数据处理。
 

管理软件功能树

6 系统控制方式说明
控制系统具有自动、远程手动、现场手动功能
6.1 自动状态是监控层的上位机根据预先设定的指令和逻辑自动对设备进行远程控制。
6.2 远程手动是运行人员在监控上位机上手动对设备进行指令控制。无论在自动还是远程手动状态下,控制系统均能准确、可靠地完成设备的顺序启/停及各个执行机构的动作;同时在自动和远程手动状态下精确测量各个检测点的数据和各个设备、执行机构的状态。
6.3 现场手动是在设备现场的控制柜上能单独完成对设备的操作。
6.3.1 在现场手动状态下可完成各个单机设备手动操作功能,满足设备维修、调试的需要,以及在远程通讯发生突发故障时,通过现场手动维持设备的运行,保障动力供应的稳定。
6.3.2 设备现场配备监控触摸屏,通过现场触摸屏能实现远程监控所能实现的全部功能,在远程控制失效的情况下,完成对现场本地设备的参数显示和启停控制,代替远程监控,保证在发生远程中央监控失效的情况时各动力设备仍能正常运转。
7 系统接口设计
7.1、网络接口设计:信息管理层与集中监控层分属信息管理网和工业控制网,两网之间需严格设计安全隔离措施。

7.2、与其他系统的信息交互:系统考虑与芜湖卷烟厂、安徽中烟工业有限责任公司相关生产及信息管理系统的接口和信息交互功能,对于已完工在运行或在建的厂级和中烟公司生产及信息管理系统,能源管控系统与上述系统信息进行交互。对于厂级和中烟公司未建、但需要与之信息交互的系统,能源管控系统预留与相关系统的数据通讯接口,并确保具备信息交互功能。3、数据接口信息符合国际国内的开发规范,数据格式符合芜湖卷烟厂统一规范要求。
8 采用C/S(客户机/服务器)与B/S 相结合的架构模式。
  8.1  C/S 模式用于控制室内设多台操作员站,由操作人员负责监控整个动力系统的设备运转;B/S 模式用于系统提供WEB 发布功能同时与企业或安徽中烟上层信息系统对接,将数据上传给上层信息系统,上层信息系统所需的运算结果类数据、统计报表等均在动力中心本地进行运算统计,然后将结果上传给企业或安徽中烟上层信息系统。
  8.2 在接受企业及安徽中烟工业有限责任公司相关生产信息管理系统或MES 等上层信息系统查询的同时,提供WEB 发布功能,将动力能源类主要数据以WEB 形式对外公布,允许授权用户在全厂网络连接到的任何地方观察动力系统的过程、图形和数据,虽然数据库服务器和WEB 服务器物理上为2 台服务器,但本系统通过相应软硬件的配置,使其中1 台服务器在出现故障时,不影响数据的存储和发布功能,从而保证系统运行的稳定性。

  本系统采用RoseHA 双机冗余软件实现服务器的双机冗余运行控制。
 


  RoseHA 双机系统的两台服务器(主机)都与磁盘阵列(共享存储)系统直接连接,用户的操作系统、应用软件和RoseHA 高可用软件分别安装在两台主机上,数据库等共享数据存放在存储系统上,两台主机之间通过私用心跳网络连接。配置好的系统主机开始工作后,RoseHA 软件开始监控系统,通过私用网络传递的心跳信息,每台主机上的RoseHA 软件都可监控另一台主机的状态。当工作主机发生故障时,心跳信息就会产生变化,这种变化可以通过私用网络被RoseHA 软件捕捉。当捕捉到这种变化后RoseHA 就会控制系统进行主机切换,即备份机启动和工作主机一样的应用程序接管工作主机的工作(包括提供TCP/IP 网络服务、存储系统的存取等服务)并进行报警,提示管理人员对故障主机进行维修。当维修完毕后,可以根据RoseHA 的设定自动或手动再切换回来,也可以不切换,此时维修好的主机就作为备份机,双机系统继续工作。
  RoseHA 支持Active-Active 模式和Active-Standby 模式。用户可指定每台服务器的作用(active or standby),指定要监控的服务和硬件部分,定义指定的服务发生故障后要采取的进一步行动(如是否重新启动该服务、允许的最大启动时间等)。
  8.3 要求在向上层信息系统系统公开的同时保证安全,绝对不允许未经许可的用户侵入监控系统或超越访问权限越权操控,以保障动力设备运行安全。
9 轮循与维保计划
  通过监控管理系统的软件,优化各设备的运行顺序;根据运行时间,监控管理系统自动分析给出设备维保的计划,延长设备的使用寿命,保护投资。
10 信息安全措施
  能源管理系统的信息安全从网络安全、应用安全、数据安全等方面采取措施。
三、相关证明性材料
动力能源管控系统监控画面: 
 


空压监控系统: 
 


全厂能源计量系统: 
 


配电监控系统: 
 


制冷监控系统
 


供油监控系统
 


空调监控系统
 


污水处理系统
 


锅炉监控系统
 


供水监控系统
 

四、取得的成效
  安徽中烟工业有限责任公司芜湖卷烟厂动力能源管控系统设置在动力中心, 实现对动力设备的远程自动控制和监控,各类能源数据的采集和统计,并具有能源管理和车间生产信息管理功能。系统分两级管理,在动力中心设全厂能源管理中心,在各建筑物控制室设动力能源管理分站。
  动力能源管控系统的建设实现在统一的管理平台上对企业产能、用能进行统一管理,完善能源计量核算体系,对企业用能情况进行全面计量,设计实现全厂能源二级计量,计量点覆盖生产线(如:制丝线按梗线、丝线、CO2 线进行计量), 重点高能耗设备(如:HXD、主工艺风机、KLD 烘丝线、国产烘丝线、白肋线等)实现三级计量,生产、生活、运行、保养能耗分别计量。动力能源管控系统实现对给水、空调、制冷(水蓄冷)、锅炉、变配电、空压、供油、污水处理等各动力系统进行运行监测、能源计量、数据采集及统一调度管理,将各独立动力系统组合成一个有机的整体。在各子系统已经运用的节能技术、措施基础上(如锅炉烟气余热回收、冷凝水回收、中水回收、空压机压缩机冷却余热回收、制冷站水蓄冷、风机、水泵变频控制等),进一步强化能耗分析、评价功能,发现无效耗能点、减少能源浪费,优化系统运行策略;与管理考核挂钩,提高员工节能意识, 挖掘节能潜力。

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