重型裝備制造企業(yè)能源管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李小萌，王 堅，戴毅茹

（同濟大學 CIMS研究中心，上海 201804）

0 引言

企業(yè)能源消費過程包括能源的購入、轉(zhuǎn)化、儲存、使用、回收和放散幾大過程。能源管理系統(tǒng)EMS（Energy Management System）是企業(yè)信息化系統(tǒng)的一個重要組成部分。企業(yè)能源管理系統(tǒng)就是在生產(chǎn)過程中對電、煤氣、天然氣等能耗數(shù)據(jù)進行采集、存儲、查詢、統(tǒng)計和分析，提供企業(yè)能耗統(tǒng)計、能源消耗計劃等管理。

重型裝備制造企業(yè)是一家大型鍛鑄件制造企業(yè)，生產(chǎn)流程包括冶鑄，鍛造，熱處理，機加工等。能源消耗十分巨大，節(jié)能潛力很可觀。在企業(yè)開展以節(jié)能減排為目標的能源管理工作，將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。本文以重型裝備制造企業(yè)的節(jié)能減排為需求，介紹了重型裝備制造企業(yè)能源管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。該能源管理系統(tǒng)主要對能源介質(zhì)、能耗設(shè)備、計量設(shè)備、計量數(shù)據(jù)、能耗統(tǒng)計、能源消耗預測進行管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計思想

（1）能源消耗統(tǒng)計。本系統(tǒng)以能耗設(shè)備為統(tǒng)計單位，對能耗設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可以實現(xiàn)車間、能源介質(zhì)、設(shè)備等統(tǒng)計對象在任意（年、季、月、日）時間單位內(nèi)的能耗統(tǒng)計，進行圖表和表格輸出。搭建好數(shù)據(jù)庫后，建立部門車間、能源介質(zhì)、設(shè)備，計量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)表，并創(chuàng)建表與表之間的關(guān)系。然后通過編寫程序進行能源介質(zhì)、設(shè)備、計量數(shù)據(jù)的查詢、增刪改等操作，并進行能耗統(tǒng)計。所有操作都是通過觸發(fā)控件事件，在事件里按不同條件情況寫好查詢語句和操作步驟，然后在數(shù)據(jù)庫執(zhí)行查詢計算，增刪改等操作，并在界面上展示出來。C#和SQL Server數(shù)據(jù)庫的交互通過ADO.NET實現(xiàn)。

（2）能源消耗預測。在能耗統(tǒng)計基礎(chǔ)上可以進行能源消耗預測，能源消耗預測是基于歷年各個產(chǎn)品的產(chǎn)量和當年的能源消耗量來進行的，給定預測年份各個產(chǎn)品的產(chǎn)量，采用最小二乘法，即可得到該預測年份的能源消耗預測值。

矩陣A為6×5維度的由a11～a65組成，即為往年各個產(chǎn)品數(shù)量矩陣，矩陣B為6×1維度的由b1～b6組成，即為往年總能耗矩陣。矩陣X為5×1維度的由x1～x5組成，x1～x5為產(chǎn)品一到產(chǎn)品五在預測年份（如2013年）的產(chǎn)品單耗，通過矩陣計算求出矩陣X，得到x1～x5的值。矩陣P為1×5維度的由p1～p5組成，p1到p5為產(chǎn)品一到產(chǎn)品五在預測年份的產(chǎn)品數(shù)量，預測年份的總能耗為E：

表1 能源消耗預測

E=p1x1+p2x2+p3x3+p4x4+p5x5。矩陣計算如下：

AX=B，ATAX=ATB，X=（ATA）-1ATB，E=PX

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的總體架構(gòu)由應用層、模型層和數(shù)據(jù)層組成。應用層包括能耗統(tǒng)計及圖表輸出以及能源消耗預測。模型層為應用層提供各類計算模型，包括支持能耗統(tǒng)計的設(shè)備能耗統(tǒng)計模型、車間能耗統(tǒng)計模型、介質(zhì)能耗統(tǒng)計模型和支持能耗預測的最小二乘法預測模型。數(shù)據(jù)層為模型層和應用層提供制造設(shè)備參數(shù)及基礎(chǔ)能耗數(shù)據(jù)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)包括：①能源計量設(shè)備，如煤氣表、天然氣表等，經(jīng)由通信接口將數(shù)據(jù)輸出至現(xiàn)場總線；②數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，有現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸電纜、交換機等，將采集到的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線輸出到數(shù)據(jù)庫服務器；③能源管理系統(tǒng)客戶端，連接到以太網(wǎng)內(nèi)部的客戶端訪問基礎(chǔ)能源消耗數(shù)據(jù)庫服務器。

2 系統(tǒng)功能

本軟件功能模塊如下：①能源介質(zhì)管理。本系統(tǒng)涉及到的能源介質(zhì)有煤氣、天然氣。按能源介質(zhì)形態(tài)（固、液、氣）對能源介質(zhì)進行查詢及增刪改等；②設(shè)備管理。按部門、設(shè)備類型、能源介質(zhì)、使用狀況等對設(shè)備進行查詢，及增刪改等，設(shè)備信息導出Excel表格；③計量數(shù)據(jù)管理。按能耗設(shè)備對計量數(shù)據(jù)進行查詢等管理；④計量設(shè)備管理。包括計量設(shè)備檔案管理、檢定管理和維修管理。按計量設(shè)備等級對計量設(shè)備進行查詢，增刪改等；按計量設(shè)備對檢定記錄和維修記錄進行查詢，增刪改等；⑤能源消耗統(tǒng)計。對車間、設(shè)備、介質(zhì)等不同統(tǒng)計對象類型進行能耗統(tǒng)計分析。按部門、能源介質(zhì)等不同分類選擇統(tǒng)計對象，按照統(tǒng)計類型（年、季、月、日），選擇統(tǒng)計時間段，即可繪出所選對象在該時間段內(nèi)的能耗值，用圖表和表格顯示統(tǒng)計結(jié)果，并導出到Excel；⑥能源消耗預測。根據(jù)往年的各個產(chǎn)品數(shù)量和當年的能耗總量，給定預測年份各個產(chǎn)品數(shù)量，對該預測年份的能源消耗總量進行預測，預測結(jié)果用圖表表示，同時顯示歷史數(shù)據(jù)和預測值。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

重型裝備制造企業(yè)能源綜合管理系統(tǒng)采用客戶端/服務器端（C/S）模式，在.NET框架內(nèi)，運用Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境，使用C#語言開發(fā)。數(shù)據(jù)庫使用Microsoft的SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫。C#程序與數(shù)據(jù)庫連接部分采用ADO.NET技術(shù)實現(xiàn)。

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

首先創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，詳見表2。然后創(chuàng)建系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)表，其中計量數(shù)據(jù)表是按照能源介質(zhì)建表的，即分為天然氣計量數(shù)據(jù)表和煤氣計量數(shù)據(jù)表，計量數(shù)據(jù)是按小時采集的。表與表之間通過外鍵連接，可以實現(xiàn)級聯(lián)更新和刪除。各個表之間的外鍵連接關(guān)系如數(shù)據(jù)表關(guān)系詳見圖3。

表2 創(chuàng)建數(shù)據(jù)表

圖3 數(shù)據(jù)表關(guān)系圖

3.2 同步更新數(shù)據(jù)庫

計量數(shù)據(jù)表設(shè)計好后，可以通過主界面 “系統(tǒng)”菜單里的 “更新數(shù)據(jù)庫”選項來將重型裝備制造企業(yè)能源消耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)同步到本軟件數(shù)據(jù)庫。此功能通過ADO.NET技術(shù)實現(xiàn)。本軟件同時連接到重型裝備制造企業(yè)數(shù)據(jù)庫和本軟件數(shù)據(jù)庫，從重型裝備制造企業(yè)數(shù)據(jù)庫選擇出計量數(shù)據(jù)插入到本軟件數(shù)據(jù)庫相應數(shù)據(jù)表里面。

3.3 計量數(shù)據(jù)管理

更新本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫后，就可以選擇計量數(shù)據(jù)管理模塊，在左邊樹狀導航窗體里面按車間列出能耗設(shè)備，單擊選擇某個能耗設(shè)備，就可以查看對應的所有計量數(shù)據(jù)。還可以進行 “查詢”操作，查詢該設(shè)備一段時間內(nèi)的計量數(shù)據(jù)。

3.4 能耗統(tǒng)計

能耗統(tǒng)計就是基于計量數(shù)據(jù)來進行的。打開能耗統(tǒng)計功能模塊，選擇統(tǒng)計類型（年、季、月、日），然后在統(tǒng)計時間下拉框里勾選多個（年、季、月、日）時間點，再在統(tǒng)計對象里勾選多個（車間、能源介質(zhì)、設(shè)備類型等類型）統(tǒng)計對象，雙擊 “繪圖”，即可出現(xiàn)統(tǒng)計結(jié)果的圖表和表格。圖表包括直線圖、柱形圖、餅圖、散點圖、條形圖和面積圖。雙擊某個圖還可以單獨顯示該圖。能耗統(tǒng)計的實現(xiàn)就是通過用戶選擇的統(tǒng)計類型、統(tǒng)計對象、統(tǒng)計時間等不同條件，分別編寫數(shù)據(jù)庫查詢語句，對查詢結(jié)果進行計算得到統(tǒng)計值，以圖表和表格的形式呈現(xiàn)給用戶?？梢赃x擇圖例，3D，網(wǎng)格線等豐富的界面元素使得圖表更生動。

圖4 能耗統(tǒng)計結(jié)果

3.5 能源消耗預測

能源消耗預測是基于往年的各個產(chǎn)品數(shù)量和當年的能耗總量，通過給定要預測年份的各個產(chǎn)品數(shù)量，采用最小二乘法算法，來預測該年份的能耗總量的。因此，要進行能源消耗預測，用戶首先要輸入各個產(chǎn)品的數(shù)量，得到預測年份各個產(chǎn)品數(shù)量矩陣P，然后指定預測年份，選擇 “最小二乘法預測”，即可顯示預測結(jié)果圖表，得到能耗預測值。能源消耗預測所進行的矩陣計算，由Matrix類實現(xiàn)，該類有矩陣相乘，矩陣求逆等實現(xiàn)方法。從數(shù)據(jù)庫中查詢出歷年各個產(chǎn)品數(shù)量和當年的總能耗，得到往年各個產(chǎn)品數(shù)量矩陣A和對應往年總能耗矩陣B，通過Matrix類進行矩陣計算，求出預測年份各個產(chǎn)品單耗矩陣X。預測年份的總能耗為E=PX。

4 結(jié)束語

大型制造企業(yè)須借助能源管理系統(tǒng)來進行信息化管理。通過能耗設(shè)備管理，能源計量設(shè)備管理能耗統(tǒng)計，能源消耗預測等多種形式，使企業(yè)管理者對企業(yè)能源消耗過程及未來走向有準確把握，可詳細了解各個生產(chǎn)部門車間甚至每臺能耗設(shè)備的能源消耗情況，能夠方便制定各個部門車間能耗計劃任務，明確各個部門車間的職責，促進企業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。

[1]姜黎萍.寶鋼集團能源中心系統(tǒng)工程建設(shè)[J].冶金自動化，2012，2.

[2]顧海濤，王書保，盧毅，楊凱.企業(yè)信息化能源管理系統(tǒng)的應用與企業(yè)節(jié)能[J].電力需求側(cè)管理，2006，7.

[3]周湘梅，劉立波.能源管理體系的建立與運行[M].中國標準出版社，2009.

[4]龍惟定，白瑋.能源管理與節(jié)能[M].中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[5]方夢祥，金滔，周勁松.能源與環(huán)境系統(tǒng)工程概論[M].中國電力出版社，2009.