重型裝備制造企業(yè)能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李小萌，王 堅(jiān)，戴毅茹

（同濟(jì)大學(xué) CIMS研究中心，上海 201804）

0 引言

企業(yè)能源消費(fèi)過(guò)程包括能源的購(gòu)入、轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存、使用、回收和放散幾大過(guò)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(gè)重要組成部分。企業(yè)能源管理系統(tǒng)就是在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)電、煤氣、天然氣等能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)和分析，提供企業(yè)能耗統(tǒng)計(jì)、能源消耗計(jì)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(jī)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(biāo)的能源管理工作，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)。該能源管理系統(tǒng)主要對(duì)能源介質(zhì)、能耗設(shè)備、計(jì)量設(shè)備、計(jì)量數(shù)據(jù)、能耗統(tǒng)計(jì)、能源消耗預(yù)測(cè)進(jìn)行管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

（1）能源消耗統(tǒng)計(jì)。本系統(tǒng)以能耗設(shè)備為統(tǒng)計(jì)單位，對(duì)能耗設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以實(shí)現(xiàn)車間、能源介質(zhì)、設(shè)備等統(tǒng)計(jì)對(duì)象在任意（年、季、月、日）時(shí)間單位內(nèi)的能耗統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行圖表和表格輸出。搭建好數(shù)據(jù)庫(kù)后，建立部門車間、能源介質(zhì)、設(shè)備，計(jì)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(guò)編寫程序進(jìn)行能源介質(zhì)、設(shè)備、計(jì)量數(shù)據(jù)的查詢、增刪改等操作，并進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)。所有操作都是通過(guò)觸發(fā)控件事件，在事件里按不同條件情況寫好查詢語(yǔ)句和操作步驟，然后在數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行查詢計(jì)算，增刪改等操作，并在界面上展示出來(lái)。C#和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的交互通過(guò)ADO.NET實(shí)現(xiàn)。

（2）能源消耗預(yù)測(cè)。在能耗統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上可以進(jìn)行能源消耗預(yù)測(cè)，能源消耗預(yù)測(cè)是基于歷年各個(gè)產(chǎn)品的產(chǎn)量和當(dāng)年的能源消耗量來(lái)進(jìn)行的，給定預(yù)測(cè)年份各個(gè)產(chǎn)品的產(chǎn)量，采用最小二乘法，即可得到該預(yù)測(cè)年份的能源消耗預(yù)測(cè)值。

矩陣A為6×5維度的由a11～a65組成，即為往年各個(gè)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(yù)測(cè)年份（如2013年）的產(chǎn)品單耗，通過(guò)矩陣計(jì)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(yù)測(cè)年份的產(chǎn)品數(shù)量，預(yù)測(cè)年份的總能耗為E：

表1 能源消耗預(yù)測(cè)

E=p1x1+p2x2+p3x3+p4x4+p5x5。矩陣計(jì)算如下：

AX=B，ATAX=ATB，X=（ATA）-1ATB，E=PX

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體架構(gòu)由應(yīng)用層、模型層和數(shù)據(jù)層組成。應(yīng)用層包括能耗統(tǒng)計(jì)及圖表輸出以及能源消耗預(yù)測(cè)。模型層為應(yīng)用層提供各類計(jì)算模型，包括支持能耗統(tǒng)計(jì)的設(shè)備能耗統(tǒng)計(jì)模型、車間能耗統(tǒng)計(jì)模型、介質(zhì)能耗統(tǒng)計(jì)模型和支持能耗預(yù)測(cè)的最小二乘法預(yù)測(cè)模型。數(shù)據(jù)層為模型層和應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：①能源計(jì)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(chǎng)總線；②數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸電纜、交換機(jī)等，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線輸出到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)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(wèn)基礎(chǔ)能源消耗數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)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(duì)能源介質(zhì)進(jìn)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(duì)設(shè)備進(jìn)行查詢，及增刪改等，設(shè)備信息導(dǎo)出Excel表格；③計(jì)量數(shù)據(jù)管理。按能耗設(shè)備對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢等管理；④計(jì)量設(shè)備管理。包括計(jì)量設(shè)備檔案管理、檢定管理和維修管理。按計(jì)量設(shè)備等級(jí)對(duì)計(jì)量設(shè)備進(jìn)行查詢，增刪改等；按計(jì)量設(shè)備對(duì)檢定記錄和維修記錄進(jìn)行查詢，增刪改等；⑤能源消耗統(tǒng)計(jì)。對(duì)車間、設(shè)備、介質(zhì)等不同統(tǒng)計(jì)對(duì)象類型進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)分析。按部門、能源介質(zhì)等不同分類選擇統(tǒng)計(jì)對(duì)象，按照統(tǒng)計(jì)類型（年、季、月、日），選擇統(tǒng)計(jì)時(shí)間段，即可繪出所選對(duì)象在該時(shí)間段內(nèi)的能耗值，用圖表和表格顯示統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并導(dǎo)出到Excel；⑥能源消耗預(yù)測(cè)。根據(jù)往年的各個(gè)產(chǎn)品數(shù)量和當(dāng)年的能耗總量，給定預(yù)測(cè)年份各個(gè)產(chǎn)品數(shù)量，對(duì)該預(yù)測(cè)年份的能源消耗總量進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果用圖表表示，同時(shí)顯示歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)值。

3 系統(tǒng)實(shí)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(wù)器端（C/S）模式，在.NET框架內(nèi)，運(yùn)用Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境，使用C#語(yǔ)言開發(fā)。數(shù)據(jù)庫(kù)使用Microsoft的SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)。C#程序與數(shù)據(jù)庫(kù)連接部分采用ADO.NET技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

首先創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，詳見表2。然后創(chuàng)建系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)表，其中計(jì)量數(shù)據(jù)表是按照能源介質(zhì)建表的，即分為天然氣計(jì)量數(shù)據(jù)表和煤氣計(jì)量數(shù)據(jù)表，計(jì)量數(shù)據(jù)是按小時(shí)采集的。表與表之間通過(guò)外鍵連接，可以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)更新和刪除。各個(gè)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(kù)

計(jì)量數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)好后，可以通過(guò)主界面 “系統(tǒng)”菜單里的 “更新數(shù)據(jù)庫(kù)”選項(xiàng)來(lái)將重型裝備制造企業(yè)能源消耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)同步到本軟件數(shù)據(jù)庫(kù)。此功能通過(guò)ADO.NET技術(shù)實(shí)現(xiàn)。本軟件同時(shí)連接到重型裝備制造企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和本軟件數(shù)據(jù)庫(kù)，從重型裝備制造企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)選擇出計(jì)量數(shù)據(jù)插入到本軟件數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)數(shù)據(jù)表里面。

3.3 計(jì)量數(shù)據(jù)管理

更新本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)后，就可以選擇計(jì)量數(shù)據(jù)管理模塊，在左邊樹狀導(dǎo)航窗體里面按車間列出能耗設(shè)備，單擊選擇某個(gè)能耗設(shè)備，就可以查看對(duì)應(yīng)的所有計(jì)量數(shù)據(jù)。還可以進(jìn)行 “查詢”操作，查詢?cè)撛O(shè)備一段時(shí)間內(nèi)的計(jì)量數(shù)據(jù)。

3.4 能耗統(tǒng)計(jì)

能耗統(tǒng)計(jì)就是基于計(jì)量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行的。打開能耗統(tǒng)計(jì)功能模塊，選擇統(tǒng)計(jì)類型（年、季、月、日），然后在統(tǒng)計(jì)時(shí)間下拉框里勾選多個(gè)（年、季、月、日）時(shí)間點(diǎn)，再在統(tǒng)計(jì)對(duì)象里勾選多個(gè)（車間、能源介質(zhì)、設(shè)備類型等類型）統(tǒng)計(jì)對(duì)象，雙擊 “繪圖”，即可出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的圖表和表格。圖表包括直線圖、柱形圖、餅圖、散點(diǎn)圖、條形圖和面積圖。雙擊某個(gè)圖還可以單獨(dú)顯示該圖。能耗統(tǒng)計(jì)的實(shí)現(xiàn)就是通過(guò)用戶選擇的統(tǒng)計(jì)類型、統(tǒng)計(jì)對(duì)象、統(tǒng)計(jì)時(shí)間等不同條件，分別編寫數(shù)據(jù)庫(kù)查詢語(yǔ)句，對(duì)查詢結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得到統(tǒng)計(jì)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(dòng)。

圖4 能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.5 能源消耗預(yù)測(cè)

能源消耗預(yù)測(cè)是基于往年的各個(gè)產(chǎn)品數(shù)量和當(dāng)年的能耗總量，通過(guò)給定要預(yù)測(cè)年份的各個(gè)產(chǎn)品數(shù)量，采用最小二乘法算法，來(lái)預(yù)測(cè)該年份的能耗總量的。因此，要進(jìn)行能源消耗預(yù)測(cè)，用戶首先要輸入各個(gè)產(chǎn)品的數(shù)量，得到預(yù)測(cè)年份各個(gè)產(chǎn)品數(shù)量矩陣P，然后指定預(yù)測(cè)年份，選擇 “最小二乘法預(yù)測(cè)”，即可顯示預(yù)測(cè)結(jié)果圖表，得到能耗預(yù)測(cè)值。能源消耗預(yù)測(cè)所進(jìn)行的矩陣計(jì)算，由Matrix類實(shí)現(xiàn)，該類有矩陣相乘，矩陣求逆等實(shí)現(xiàn)方法。從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢出歷年各個(gè)產(chǎn)品數(shù)量和當(dāng)年的總能耗，得到往年各個(gè)產(chǎn)品數(shù)量矩陣A和對(duì)應(yīng)往年總能耗矩陣B，通過(guò)Matrix類進(jìn)行矩陣計(jì)算，求出預(yù)測(cè)年份各個(gè)產(chǎn)品單耗矩陣X。預(yù)測(cè)年份的總能耗為E=PX。

4 結(jié)束語(yǔ)

大型制造企業(yè)須借助能源管理系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行信息化管理。通過(guò)能耗設(shè)備管理，能源計(jì)量設(shè)備管理能耗統(tǒng)計(jì)，能源消耗預(yù)測(cè)等多種形式，使企業(yè)管理者對(duì)企業(yè)能源消耗過(guò)程及未來(lái)走向有準(zhǔn)確把握，可詳細(xì)了解各個(gè)生產(chǎn)部門車間甚至每臺(tái)能耗設(shè)備的能源消耗情況，能夠方便制定各個(gè)部門車間能耗計(jì)劃任務(wù)，明確各個(gè)部門車間的職責(zé)，促進(jìn)企業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。

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