马 健，董园园

（1.河钢集团唐山不锈钢有限责任公司，河北 063105；2.唐钢国际工程技术有限公司河北 063000）

0 引言

节能降耗是企业的生存之本，企业日常运营需树立“降低能耗,杜绝浪费,提高效益”的节能意识，利用现代化的管理手段对能源介质进行科学管控，可有效降低企业能源使用成本，实现企业效益的最大化。传统的人工抄录数据可能出现能源数据虚报、漏报等现象，能源管理易出现偏差，通过能源数据自动采集系统，对能源计量数据自动采集、统计，可以实现对能源数据和能源使用情况进行有效管控，从而使数据统计做到了及时、准确、完整、有效，杜绝人工抄数等形式出现的数据不准、不全、滞后的现象。

本文介绍唐钢不锈钢公司（简称不锈钢公司）构建能源数据采集系统的重要意义以及系统构建过程，详细介绍了能源数据采集系统的硬件构成和软件功能，并对系统投运后企业节能成效和能源数据管理成效进行了分析总结。

1 构建能源数据采集系统的必要性

不锈钢公司是一所年产300万吨钢材的国有企业，现有主生产线包括：一座2 000 m3容积高炉、一台132 m2烧结机、一台265 m2烧结机、三座100 t转炉，三座100 tLF精炼炉、一座RH炉、3台板坯连铸机以及一条1580热轧生产线。随着国内钢铁市场竞争形势日益严峻，节能降耗成了企业降本增效的重要手段。节能降耗需要科学有效的能源管理为支撑，需要科学计量数据作为基础保障。因此，构建实时能源数据采集系统迫在眉睫。

实时能源数据采集系统是钢铁企业能源管理中心建设的重要支撑，主要是通过计算机系统对企业的电、水、燃气、热力介质和动力介质等能源介质数据进行实时采集。通过对数据的整理、统计和展示，可以对全公司的能源介质使用情况进行管理和监督，对动态掌握全公司能源使用状况、优化能源使用结构，减少煤气放散、降低吨钢能耗、提高劳动生产率和能源管理水平将起到十分显著的促进作用，因而是十分必要的。

2 能源数据采集系统的构成及功能

能源数据采集系统主要是由实时能源数据库服务器、数据采集串口转换器、现场计量仪表、通讯协议和数据采集应用软件等构成，系统具有时能源数据查询和展示功能。

2.1 实时能源数据库

能源数据的特点是实时性强，尤其是结算仪表，对数据的及时性和准确率都有较高的要求。能源历史数据量大，每个测点的存储一般都是秒级，按照5秒每个的频率，每年单个测点需存储20万个数据，不锈钢的能源数据存在5000个测点，则一年数据存储量高达10亿。另外能源数据多种多样，需使用多种表达方式综合展示数据。经过多方考察和比对，我们选用了PI实时数据库和Oracle关系型数据库。

PI实时数据库采用键值对的方式存储数据，key值为时间，value为数据，数据结构更加清晰。每块仪表采取独立存储数据，互不影响；对数据存储进行二次压缩，能够做到200小时数据仅占据4G磁盘存储空间[1]，使能源历史数据得以长期存储，甚至可以查看几年间的能源趋势走向，更有利于能源数据管理；多样式高效展示数据形式，既能够对现有曲线趋势数据进行瞬时量查询，又可以通过报表形式进行能源的周期性统计，形式灵活多变。

Oracle关系型数据库通过灵活的SQL查询和廉价的维护成本，使得存储系统配置数据时得心应手，只需在数据库中将配置改变，系统重启后即可实现“一处修改，处处变换”。所以能源采集系统的所有配置数据，均放在Oracle的数据库当中。

2.2 数据采集串口转换器

无论是计量水、电、煤气，还是压空、氮气、氧气等介质，其计量仪表基本都是由单片机构成，一般会在其内部设置串口通讯模块，可以通过RS485通讯接口与仪表进行交互。众所周知，目前局域网通讯是最快捷、简便的形式，几乎每个公司都有内部局域网，用以通讯和数据传输。如何将仪表和内网连接起来，用以采集相关的仪表数据呢？基于TCP/IP及串口数据流传输的串口转换器应运而生，它不但能起到桥梁作用，将RS485通讯数据转换为TCP数据，而且通过数据转换，也实现了隔离病毒，保护仪表的效果。

通过串口转换器的方案[2]，可以将现场就近的几个计量仪表的数据集中起来进行传输，最大限度地利用现有网络的布线，减少设备投资成本。由于工厂早期安装的仪表设备均有串口通讯，通过这种解决方案，无需过早淘汰原有设备，最大限度提高现有设备利用率，进而节约设备投资。

一个串口转换器作为服务器时，能够与多个串口设备（仪表）进行连接，通过与每台设备通讯，将串口数据流进行筛分和处理。通过RS485通讯接口转换为TCP数据，实现了远程主机与现场仪表的实时互动。仪表数据采集示意图如图1所示。

2.3 通讯协议

Modbus是工业中经常用到的一种通讯协议，能源计量仪表一般均支持Modbus RTU,它通过主机发送的广播报文，根据其自身地址，选择性地接收Modbus报文。当地址、数据长度、CRC、效验均满足要求时，对报文数据进行解析，根据其任务要求查询内存数据，并将数据打包成报文形式发送给主机。其报文格式为地址码、功能码、数据区、CRC效验码，例如01 03 07 C6 00 02 25 42这个报文的意思就是主机需要地址为1的能源仪表，提供寄存器地址07C6和07C7的数据。丛机返回01 03 04 00 00 CB 43 EC F2，其报文含义为地址为1的能源仪表返回4个字节数据0000CB43，按照正确顺序解码后得到406的数值，此值即为仪表显示屏显示的数据值。

2.4 能源数据采集

当硬件设备全部安装到位后，即进入软件编写与调试阶段，数据采集是采用的远程服务集中采集模式。程序启动后，会先从Oracle数据库中提取相应配置数据，包括采集方式、仪表类型、仪表地址、寄存器地址等相关信息；数据经过编码后得到Modbus形式的字符串数据，然后与相应IP地址的串口转换器进行Socket通讯，串口转换器收到数据后通过RS485通讯接口向连接的仪表进行广播；对应地址的仪表收到信息后反馈相应字符串数据，数据通过串口转换器由程序接收，程序对其进行相关解码，得到需要采集的实时数据,并写到PI实时数据库中。数据采集流程如图2所示。

2.5 数据展示

充分利用PI实时数据库的相关软件，即可实现所需的数据展示，提供数据展示工具，可方便查询实时数据，查看历史趋势，对比分析各能源数据问题，可在windows各个版本使用，界面友好，修改便捷，形式灵活。

使用内嵌PI组件Excel报表，可分别制作水、电、气等能源报表，统计班、天、周、月、年的能源介质使用情况。Excel报表特点为查询和编辑方便：一键式查询所录入时间的报表数据，在Excel表格中瞬间展现相应数据；编辑报表时，在相应表格位置录入相关参数即可，使报表编辑更加灵活方便。Excel报表提取能源数据如图3所示。

图3 Excel报表提取能源数据

使用ProssBook软件，经过画面编辑，连接变量后，即生成项目文件，其内部支持VBA，能够进行编程，使得内容更加灵活方便，ProcessBook展现能源数据如图4所示。

图4 ProcessBook展现能源数据

3 实施效果

能源数据采集系统的投运，使能源管理更加科学高效，有效降低企业能源使用成本，促进了企业节能减排工作向更高层次转变。

能源数据采集系统可分别制作水、电、气等能源介质报表；按时间可查询所录入的报表数据，查看历史趋势，对比分析各能源数据问题；可通过ProssBook软件生成项目文件，展现能源数据。

2020年不锈钢公司各能源介质消耗情况与2018年相比较：吨钢电耗由477 kwh/t降低到460 kwh/t，降低3.6%；热电发电量提高20 kwh/t，增加幅度约为14%；用水降低0.75 t/t钢，降低幅度约为20%。

4 结语

利用现代化的能源管理手段对公司能源介质进行管控，使不锈钢公司能源管理水平显著提高，实现了对公司能源数据和能源使用情况的有效管控。能源数据的采集统计做到了及时、准确、完整、有效，杜绝了人工抄数等形式出现的数据不准、不全、滞后的现象。

系统投运后，公司能源管理和绩效考核有了数据支撑和保障。公司各能源介质消耗不同程度有所降低，提高了能源管控的时效性，显著提高了企业的经济效益和社会效益。