流程工业能源管理的新思路，这是德国的经验

2022-08-31

流程工业的节能任务往往通过优化流程来实现——能源管理体系拓宽了人们在工业节能减排方面的视野，尤其是能源管理概况是能源管理的一种新思路本文将通过 4 个应用示例向您展示具有集成能源管理配置文件的现场设备的优势。

本文发表于《流程工业》2022年06期

“能源管理新思路”

文/Karl-Heinz 博士、Würger 博士

作者 Karl-Heinz 是德国汉诺威应用科技大学的过程信息学和自动化技术教授，同时也是 Würger 系的基础设施系统应用工程师

如果您查看前 10 名能源密集型德国企业，您会发现其中 5 个属于流程工业，尤其是化学工业。为了节约能源，化工行业实施了一系列措施，从优化蒸汽分配和热回收到简化流程操作和流程规划，例如通过优化流程来适应原材料质量差异导致的生产波动。

借助 Namur 工作表 NA140，在自动记录能耗数据方面也取得了良好进展。 NA140 解决了以下问题：（1） 过程信息管理系统（PIMS）；（2） 基于数据的单个单元评估；（3） 与更多评估系统的接口。例如，由监测传热系数以确定换热器的结垢情况。

（简称 tEnMS）为人们提供了更多的扩展空间，尤其是 （）。此能源管理配置文件指定 IO 设备节能的方式。因此，IO 设备需要具有标准化的能源接口，通过该接口可以将综合能源测量点的测量结果提供给人们，如图 1 所示。此外，还应考虑电气设施的能源消耗。例如，稳定能源消耗以避免高峰负荷，并以有针对性的方式关闭和打开电力消费者以在计划的关闭期间（例如在晚上或周末）节省能源。然而，许多过程系统连续运行数月甚至数年，通常是因为它们无法自行关闭。对于属于基础设施技术的设备，例如风扇、加热装置或制冷装置，情况有所不同。目前可以限时关机以稳定负载。

图 1 通过自动化系统收集能源数据的典型数据流

典型的 tEnMS 可以位于 EMS（制造执行系统层）的自动化级别，用于存储、评估和显示能源数据。但是，tEnMS 还需要在 EMS（制造执行系统层）之下的系统层。在此，测量设备记录能量数据。能源数据的预处理、缩放和提供由PLC进行，能源数据通过工业通信系统传输，如图2所示。

图 2 使用 Profi 和 OPCUA 服务器自动提供能源数据

能源管理计划

原则上，可以建立单独或集成的能源管理层。单独的能源管理层可以记录能源数据，而不会干扰自动化解决方案的现有层结构。但是，这需要一个单独的基础架构层来启动和运行。相比之下，综合能源管理层有更多的选择，尤其是可以使用现有自动化系统的基础设施层。能源管理配置文件是集成能源管理层的一个示例，虽然只有电力——这一变量被定义为能源管理配置方案的能源测量，但支持的设备制造商可以传递任何自定义能源数据。这使得测量压力或温度等非电量作为所需变量成为可能。

通过能源管理配置方案的通信是非循环通信框架内基于命令的实现。命令包括从控制器（通常是 PLC）到设备的请求和从设备返回到控制器的响应。至此，能源管理配置方案制定了以下4点命令：

1.在计划中的少于 1 小时的短期停工期间（例如生产中断）。在这种情况下，节能措施应该只影响重启时间短的用电设施，以免影响工厂的连续生产。

2. 计划停机数小时或数天（例如晚上或周末）。在这种情况下，节能措施也会影响启动时间较长的用电设施。

3. 在不可预见的停机情况下（例如由于上游或下游系统故障）节省能源。由于这种停车时间不详，请先转到上面的第 1 点。如果停车时间更长，您可以切换到上面的第 2 点。

4. 测量能耗。在这里，测量的能量值由功能设备记录，并以统一的形式提供给用户。这种能力对流程工业具有重要意义。

如何获取能源数据

在现有技术的基础上，我们已经可以从智能现场设备获取能源数据，未来将有可能使用以太网APL。变送器提供的测量值也与能源管理有关。但是，现场大量发射机的测量数据需要大量的人工干预。

如果现场设备配备符合PE Type 2的能源管理配置方案，情况就完全不同了。配置方案包含GSD文件，即现场设备的描述文件。 GSD 包含有关设备提供哪些能量测量的信息。这意味着自动化系统知道哪些测量传感器正在提供哪些能量数据，并以何种格式清楚地记录数据并发送到 PLC。 PLC可以对OPCUA服务器进行自动代码生成和自动配置，在充分了解项目整体结构的前提下，可以在平衡组中自动分配测量点。

因此，收集能源数据需要以下工作步骤：

1.通过设备的GSD文件，自动识别可以提供能源数据的设备，并将能源数据导入工程工具中。

2. 为 PLC 自动生成程序代码，从传感器收集能量数据并使其在 PLC 的 OPCUA 服务器中可用。

3. 自动配置PLC中的OPCUA服务器。

由于工程工具具有自动化系统的结构信息工厂能耗管理，可以在tEnMS中自动生成平衡配置。由于能源数据是通过能源管理配置文件以标准化格式提供的，因此可以自动配置软件，以便在更高级别的系统中进一步处理数据。

如果现场设备具有集成的 OPCUA 服务器，也可以通过这种方式记录能源数据。数据通过网关提供给制造执行系统层，如有必要，使用 NOA 数据二极管。通过浏览 OPCUA 地址空间，可以识别所有提供能量数据的变送器。但是，目前还没有针对通过 OPC-UA 进行通信的发射器的标准化能量配置文件。因此，为了能够通过tEnMS浏览现场设备，需要先手动配置NOA数据二极管来获取能量数据。

结论

这三种解决方案各有优缺点。手动解决方案需要最多的工作，但已经可以基于现有技术（例如 Via 或 Hart）应用。 OPCUA 提供对能源数据的直接访问，无需与控制器或 PLC 通信。但是，在这种情况下，电能数据无法在 PLC 中导出以进行直接开关操作。此外，额外的 OPCUA 堆栈将比 Profi 配置文件具有更高的现场设备资源要求。

使用的好处是能源数据以标准化格式提供，可实现能源数据的自动代码生成和自动结构化。因此，具有集成配置文件的现场设备为轻松实施技术能源管理系统提供了良好的基础。

集成解决方案开辟了更多可能性，尤其是在那些使用自动化系统的现有基础架构中。