紫金桥实时数据库系统构建玻璃工厂能源管理信息系统

1需求分析

建材工业属典型的资源和能源依赖性工业，特别是传统的建材行业，如水泥、玻璃、陶瓷等，其产品的生产和运输更是能源的消耗大户，而对于水泥、平板玻璃等产能处于“潜在过剩”状态的传统建材产品，已被国家列入建材行业调整产业结构、产品结构、降低高能耗产品的行业规划。在这些行业推行能源管理体系，开展能源的有效管理、提高能源的利用效率，并实施必要的认证，已成为调整产业结构、产品结构、逐步淘汰高能耗产品的一种手段。
建材属典型的高耗能行业，能源成本往往达到全部成本的50%以上，而据德国节能研究部门的研究结论，通过加强企业的能源管理可为企业减少15%~20%的能源消耗，节约能源即节约成本，因此有效实施能源管理、提高能源利用率，一方面节约了能源、保护了环境；另一方面也使企业降低成本、提高了产品的市场竞争力。
另外，建材产品中水泥、建筑卫生陶瓷、平板玻璃、铝合金建筑型材都已建立了单位产品能耗限额标准，分别为GB16780-2007《水泥单位产品能源消耗限额》、GB21252-2007《建筑卫生陶瓷单位产品能源消耗限额》、GB21340-2008《平板玻璃单位产品能源消耗限额》、GB21351-2008《铝合金建筑型材单位产品能源消耗限额》，这些标准都是强制性的，相应企业必须执行。因此实施能源管理体系认证，也是贯彻和落实《中华人民共和国标准化法》的一种措施。
能源管理信息系统建设必要性

为加快推进工业化和信息化深度融合，促进工业企业能源管理水平和能源利用效率提升，依据《工业企业能源管理中心建设示范项目财政补助资金管理暂行办法》（财建〔2009〕647号），工信部就组织申报2013年工业企业能源管理中心建设示范项目的高耗能企业提供财政补助资金。
项目申报范围如下所示：
2013年重点支持石化、化工、有色、钢铁、建材等重点行业和工业园区企业能源管理中心建设示范项目。主要内容包括：

1.企业能源管理中心
采用信息化、自动化技术，集成企业能源系统数据采集、处理和分析、控制和调度、平衡预测和能源管理等功能，降低重要能源介质放散，提高能源介质的回收和梯级利用水平，实现多能源介质协同平衡与优化利用的企业能源管控系统；
2.系统优化和节能信息化改造
采用先进成熟的节能减排技术成果，对主要耗能工艺、装备进行系统优化和节能改造，提高能源利用效率，降低能源介质和物料消耗等。。
3.智能化、节能环保产品（设备）改造更新
利用信息化技术推动落后高耗能机电产品（设备）的改造更新，加快智能化、节能环保产品（装备）的推广应用，提升产品（设备）的能源利用效率，降低能源介质消耗。利用信息化技术推动落后高耗能机电产品（设备）的改造更新，加快智能化、节能环保产品（装备）的推广应用，提升产品（设备）的能源利用效率，降低能源介质消耗。
系统建设目的和目标

通过中心建设，合理规划和完善网络，奠定信息化系统网络基础；
通过能源管理系统的建立，实现能源数据的自动收集、集中管控、集中平衡，降低能耗，提高能源的利用率；
将现有的计质量数据接入中心平台，为能源调度提供数据支持。构建能管中心平台，实现能源的集中管控；
情况允许的话，建立能管中心大屏系统，提升甲方对外形象。
系统建设内容

能耗监测与管理方面
利用原有的过程控制设备及改造厂内能源计量管理模式，实现各类能源数据的分散采集、集中管理、数据统计和分析能耗情况，评估各项节能设备和措施的相关影响，发布信息给相关管理和运营人员，结合节能措施建立更有依据、更有效果的节能体系。此能源管理系统已在某玻璃有限公司节能改造项目成功应用，减少并限制了不合理消耗，帮助企业实现持续节能并改善了环境。每年可为企业节约百万元的能源消耗。
生产工艺监控方面
建设生产工艺信息化系统，采取分步实施，首先建立各工作站，包括(1)调度、(2)原料、(3)熔化、(4)锡槽温度、(5)退火、(6)冷端切割、(7)质检、(8)采装等工作站，系统的起始点在调度，负责客户需求与生产计划匹配，各工作站的数据尽量实现完全自动采集，尽量减少人工干预。数据采集范围包括物流数据、工艺参数、化验数据采集。第一阶段实现取消工艺卡的目标；第二阶段完成报表系统建立，实现工艺记录的计算机存档和统计报表的自动生成；第三阶段在数据采集系统基础上建立和完善控制模型。
（1）PLC、DCS和仪表监控系统数据自动采集
（2）工艺信息显示与管理系统
模拟工艺卡片的功能，查询和显示自动采集的工艺信息，录入本工序的相关信息。
（3）生产历史数据查询分析系统。
功能设计

系统分三个层次：
数据的采集

数据的采集概括为下述3种方式：
(1)自动从PLC、DCS和仪表采集
(2)自动从现有信息系统或数据库中采集
(3)人工输入
根据生产工艺和能源介质消耗工艺流程划分，这些数据从以下环节采集：
生产工艺包括但不局限于：原料的配比数据采集，熔化温度、压力等数据采集，锡槽温度数据采集，退火温度及主传动速度数据采集，冷端切割、分片数据采集，质检数据采集，采装数据采集；
能源消耗数据包括但不局限于：玻璃工厂内的生产车间、动力车间、配料（原料）车间、行政办公楼区域单位的水、电、煤、原料等。
信息的传递

将采集到的工艺和能耗信息传送到工艺管理系统和能源管理系统。
信息的处理和存储

将采集上来的生产工艺数据和能耗数据进行加工处理，实现数据实时在线压缩存储，并生成历史数据库；基于生产和能耗数据平台，进行统计分析，实现生产实时监控，能耗在线监测及生产能调度等；使用户掌握水、电、燃气、原料供给等能源动力系统的能源消耗状况，计算和分析各种设备能耗情况，监控各个运营环节的能耗异常，评估各项节能设备和措施的相关影响，并通过把各种能耗报表、数据曲线、分析结果等发布给相关管理和运营人员。
2生产能耗数据采集和能源管理系统设计

紫金桥实时数据库系统（RealDB）是一个用于过程工业实时信息管理的系统软件，它能用于工厂生产数据的自动采集、存储、处理分析和监视。RealDB可在线存储每个工艺过程点的多年数据，提供了清晰、精确的操作情况画面，是Real-UIP的核心部分。
2.1系统逻辑架构图


2.2实时数据库系统基本功能架构



2.3能源管理系统功能应用及功能架构

制造业企业自动化、信息化一般分为过程控制系统（PCS）、制造执行系统（MES）、企业资源管理系统（ERP）等三个层次。能源管控系统与企业信息化的关系图如下图。


2.4数据采集

玻璃厂DCS/PLC应用现状：现场控制系统主要采用西门子S7 300系列和GE新华DCS系统，在保证控制系统的正常工作情况下，根据具体的情况可以通过通讯口、服务、控制系统软件部分接口等方式来设计接口软件、驱动程序等。
数据采集是实时数据库的重要组成部分，它负责将现场数据实时传送给数据库，将操作数据下送到现场，是数据库服务器与生产控制系统连接的桥梁。如果没有稳定、高效、丰富的数据采集接口，实时数据库和能源管理信息系统应用只能是空中楼阁。
作为成熟的实时数据库产品，紫金桥实时数据库可以连接绝大部分DCS设备和PLC，支持OPC通讯方式（包括非标准的OPC通讯方式）――主要是基于 DCOM的远程通讯、DDE通讯方式――主要是NETDDE，支持一些DCS的专用通讯卡方式并且支持一些老系统的并口数据采集。
为了可靠的采集现场数据，在DCS工程师站或上位机附近设立前置数采机，前置数采机实时采集DCS工程师站或上位机生产数据，并将生产数据传送给信息中心实时数据库服务器。当发生网络通信故障或服务器端故障时，数采机可以将数据缓存起来，待故障恢复时将暂存的数据转存到中心服务器。数采服务器可以做为信息中心数据的备份，同时也可以作为装置进一步功能扩展之用。
1、DCS系统采集方式：

前置数采机通过以太网远程采集工程师站的OPC Server数据到前置数采机，需要在工程师站配置DCOM服务，包括OPC Server和 OPCEnum。前置数采机和实时数据库服务器之间通过串口通讯，为了延长通讯距离增加串口服务器。
2.PLC控制系统上位机（Modbus TCP Server）采集

上位机配置ModBus Server，前置数采机通过以太网ModBus驱动采集PLC上位机的数据，前置数采机和实时数据库服务器之间通过串口通讯，为了延长通讯距离增加串口服务器。
3.PLC控制系统上位机（OPC Server）采集
   
置数采机通过以太网远程采集上位机的OPC Server数据到前置数采机，需要在上位机配置DCOM服务，包括OPC Server和 OPCEnum。前置数采机和实时数据库服务器之间通过串口通讯，为了延长通讯距离增加串口服务器。
4.PLC控制系统上位机（无OPC Server）采集：

通过串口与上位机通信，需要在PLC上位机中安装紫金桥远程IO数采程序。紫金桥远程IO数采程序是紫金桥公司特意为这种安全采集而开发的，程序本身很小，经过了严格的测试，不会对系统构成任何威胁。紫金桥远程IO数采程序在PLC上位机采集到数据后，通过上位机的网口将数据传输到前置数采机。前置数采机和实时数据库服务器之间通过串口通讯，为了延长通讯距离增加串口服务器。
2.5能源管理系统设计方案

2.5.1能源管理系统网络结构

能源管理系统从网络结构上分为 3个子系统：
（1）能源监测系统；（2）能源信息网络；（3）能源监管平台
本系统可针对玻璃工厂内的生产车间、动力车间、配料（原料）车间、行政办公楼区域单位的水、电、煤、原料等进行实时监测与计量，使用户掌握水、电、燃气、原料供给等能源动力系统的能源消耗状况，计算和分析各种设备能耗情况，监控各个运营环节的能耗异常，评估各项节能设备和措施的相关影响，并通过把各种能耗报表、数据曲线、分析结果等发布给相关管理和运营人员。
2.5.2能源监测系统

以部门为单位分别对其所属区域内的水、电、煤、汽等进行计量、数据采集和统计，并将数据存储在本单位的管理数据存储服务器上，此方式便于对各部门能耗成本考核。
动力车间包括 35kV开闭站、400V变电站、空压站、油料站等，其各自配有独立的 PLC等控制系统，可能缺少对电能、水量、油量等的计量点，因此，本系统需在相关部位增设新的传感器及仪表，并利用各自原有的监控系统完成数据采集，这样既保证了原有系统的正常运行又完善了所需的能源数据采集。其数据流程方式如下图 所示。

生产车间（熔化车间）是玻璃厂制造、加工及成品的重要单位，其包括窑炉自动化控制系统、退火窑自控系统、电加热控制系统、成品监测及包装流水线控制系统等；这些系统已具备了相关能耗数据的计量采集，通过 OPC技术只需将数据转存到本单位能源数据存储服务器上即可。数据存储流程图如下图所示。

配料（原料）车间是将石英砂和其他原料按照配比进行称重混合，然后提供给生产车间，其配备一套独立的 PLC控制系统，此系统中包含各原料的重量累计，自控设备的电力消耗统计、水量的累计等数据。通过 OPC技术将这些数据转存到本单位能源数据存储服务器上，直接为能源管理系统提供必要的数据。
办公行政区域除了对其水、电等信息数据的采集，其还肩负着使用计算机将无法使用设备计量的数据录入到能源数据存储服务器中，起到了完善整个能源数据采集的重要作用。

2.5.3通讯网络及功能

本系统可采用标准的工业以太网光纤环网通讯，首先需完善各单位（车间、部门）的网络，利用原有的控制系统网络和办公局域网及新增的网络设备，所有各单位局部网络通过光纤环网链接，构建专属的能源管理通讯网，使之数据能路路通达，通讯网络不仅实现能源数据自动采集与计量，而且还具有支持标准的 MODBUS、PROFIBUS、DLT-645等多种规约，通过 ODBC、OPC、DDE等格式与其他系统进行数据共享。
2.5.4能源监管平台

(1)实时数据库模式

能耗数据的自动采集方式及通讯功能，可以完成对各项能耗参数的实时采集监测，这只是实现精细化管理的第一步。对数据的归类存储是整个系统的关键，根据用户需求采用了分布式实时数据库管理模式，即以部门单位为基础，分别建立能源数据存储服务器，在此服务器上形成本单位完整的实时数据库平台。实时数据库分别按照各种能源，如电、水、煤、汽等建立数据表，将实时采集来的数据以时间为索引进行存储。此后，各单位的能源数据存储服务器再将数据库中的数据以复制的方式传递到能源管理中心的数据服务器中，这样提高了系统数据库的可靠性，降低了投资成本，一旦有哪个服务器损坏，数据库都能得到完整的恢复。
(2)监管平台功能

能耗数据的汇总、统计、分析、对比等直观功能是通过对中心实时数据服务器的数据库加以二次开发利用得到展现。而这些结果是对目标的管理，辅助企业领导人制定考核、管理方案及决策。如下图所示。


本系统在中心控制室设置了一台能源管理监控操作员站，并配以定制的能源管理软件，实现以下功能：
1）能源数据的实时计量浏览
实时数据库提供各类能耗计量点的实时数据查询（包括计量点的位置、仪表型号、用电类型等）、比较；可打印 72h内的用能情况报告，发现用能忙点时产生报警。
2）能源消耗统计分析
软件按照能源类型、部门单位等类别对能耗进行分类分项统计分析，包括逐日、逐月、逐年的能耗数据分析；计算企业产值综合能耗，将各类能耗数据按照标准折标为等价值。
3）成本分摊及能耗对标
实施对标管理，界定和分析各车间单位用能成本，分析各车间的相关耗能费用，以量化的方式进行对标。
4）用能趋势预测与节能效果分析
主要目的是比较已制定节能目标和效果分析，可选一定时间段的单能耗趋势统计分析，及引入能源消耗影响的因素建立数学模型，即可给出预测的并限制不合理消耗，帮助企业实现持续节能和改善能源消耗量；分析计算企业技术改造前后的能源消了环境。
5）用户权限安全管理
管理软件系统中的设置功能，可根据系统管理员的指定设定用户类别、操作员的角色及使用权限，保证系统不非法越权使用。
6）B/S浏览
可通过 WEB方式，在不同单位部门公示与审计能耗情况，方便各部门浏览查询。
3.生产管理及能源管理功能

3.1生产工况

维护和管理标准的实时采集的玻璃工艺信息，包括标准的建立、修改，实际数据的修改、维护和归档管理等。
3.2工艺卡片

生成、显示和打印各种工艺卡，包括脱硫工艺记录、熔化检测记录、冷端生产记录、工艺记录卡、工艺质量数据记录等。
3.3调度信息

动态、实时显示各工序/环节当前生产状态和调度信息，主要包括一线、二线各个工段的生产状态。
3.4查询与分析

在WEB环境下查询当前和历史生产与工艺信息，进行生产与工艺的统计和分析，包括生产情况、生产改判情况、生产异常情况和材料消耗情况的日报、旬报、月报、季报、年报等。
3.5能源管理与成本核算

基于采集的物料消耗与水电气等能源消耗数据，生成能源消耗数统计分析报表，并可实现柱状图和饼图对比，供生产管理人员实时进行能源调度决策；并将统计的成本相关数据转储到财务管理系统和ERP系统中，供做成本核算。
4．能源管理系统功能概述
能源中心根据生产工艺要求，一般设置流量（气体、蒸汽、液体流量计）、压力、温度、电力、动力等专业调度台，完成主要数据监视、技术分析、日报、月报、年报统计报表输出等功能以实现为完成生产指导制定运行方案等功能。
5．能源管理系统实现的功能
5.1、数据采集系统功能
将全厂的能源数据通过有线或无线方式采集进入中心系统，供数据监视、报警、数据分析、数据计算、数据统计等用。
5.2、监控系统功能
通过能源管理中心显示界面，监控流量、压力、温度、电能等数据。实现能源生产潮流监视、系统故障报警和分析。作为能源的生产指挥控制中心，将负责日常的能源生产调度，保证主作业线正常有序的生产，并在突发事件期间实施能源应急调度策略，确保能源供应的安全稳定，达到节能增效。
5.3、能源管理功能
将采集的数据进行归纳、分析和整理，结合生产计划的数据，进行能源管理工作，包括能源实绩分析管理、能源质量管理、能源成本费用管理、能源平衡管理、能源预测分析等。形成能源管理报表。