APROL EnMon能源管理系統(tǒng)

1 能源管理正在成為工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)

資源從來都是稀缺的，在過去的數(shù)十年里，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展尤其在中國，對于能源的消耗卻是飛速的，而如何降低能耗，對于國際是能源戰(zhàn)略問題，對企業(yè)本身，則切實(shí)關(guān)系到企業(yè)的運(yùn)營成本、企業(yè)利潤的關(guān)鍵問題。

1.1 PDCA架構(gòu)

ISO50001能源管理系統(tǒng)架構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)兼容ISO9001、ISO14001等標(biāo)準(zhǔn)。PDCA，即Plan-Do-Check-Action的戴明循環(huán)，這包括了兩個(gè)大的PDCA循環(huán)過程，一個(gè)是對管理層，一個(gè)是技術(shù)面。

就技術(shù)面而言，其PDCA循環(huán)由以下幾個(gè)方面構(gòu)成：

（1）管理層

PLAN（計(jì)劃）：政策、目標(biāo)設(shè)定、資源定義；

DO（實(shí)施）：文檔記錄、競爭、意識、培訓(xùn)、溝通；

CHECK（檢查）：內(nèi)部審計(jì)、糾正/預(yù)防行為；

ACT（行動）：管理層復(fù)審。

（2）技術(shù)層

PLAN（計(jì)劃）：能源審查、能源基準(zhǔn)線、能源績效指標(biāo)；

DO（實(shí)施）：設(shè)計(jì)、運(yùn)營控制、能源采購；

CHECK（檢查）：監(jiān)控、測量和分析；

ACT（行動）：能源績效指標(biāo)審查。

PDCA是一個(gè)典型的管理方法，且廣泛應(yīng)用于工業(yè)工程領(lǐng)域。就最基本的自動控制原理而言，PDCA也是一個(gè)經(jīng)典閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即設(shè)定目標(biāo)、執(zhí)行、反饋、調(diào)節(jié)，自動化技術(shù)的思路與能源管理是完全一致的，也會有不同的自動化系統(tǒng)為能源管理制定方案，但是，在過去的很長一段時(shí)間里，我們在能源管理方面仍然存在著一些問題。

1.2 能源管理需求對自動化行業(yè)的挑戰(zhàn)

（1）無適合的系統(tǒng)可用

盡管有眾多的PLC、DCS、SCADA產(chǎn)品，但是，事實(shí)上，并沒有真正專業(yè)聚焦于能源管理本身的自動化系統(tǒng)，DCS本身聚焦于控制而其若僅僅為了監(jiān)控則顯得大材小用。成本也會為能源管理的實(shí)現(xiàn)帶來障礙，而利用PLC則顯然無法實(shí)現(xiàn)能源管理，因?yàn)檫@是對于信息化的更多需求而非對邏輯控制的需求。

（2）符合法規(guī)

能源管理所需的遵循ISO50001的方法與流程、標(biāo)準(zhǔn)等，在目前眾多系統(tǒng)里尚未有集成。

（3）出現(xiàn)偏差時(shí)快速行動

就目前而言，SCADA、DCS等若應(yīng)用于能源管理，則對實(shí)時(shí)性、開放性的結(jié)構(gòu)等提出了要求。

（4）成本問題

顯然，PLC、DCS、SCADA本身對于控制很擅長，但是，卻無法對目前的能源管理架構(gòu)適應(yīng)，也因?yàn)槔速M(fèi)了巨大的功能和性能，導(dǎo)致相對而言成本極高。

2 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

貝加萊APROL EnMon是基于ISO50001對于能源管理的需求而實(shí)現(xiàn)，并且，它具有非常大的靈活性，以簡單的方式實(shí)現(xiàn)對不同工廠、過程的能源管理系統(tǒng)構(gòu)建。

2.1 能源管理的基礎(chǔ)在于充分監(jiān)控

哪些能源可以被納入到EMS中呢？水、蒸汽、電能、壓縮空氣、高爐煤氣等，這些數(shù)據(jù)以何種方式來組織呢？或者哪些是要采集和計(jì)算的呢？

（1）能源管理的目標(biāo)設(shè)定

在對能源進(jìn)行監(jiān)控管理的基礎(chǔ)上，能源支出明顯減少；

能源信息化促使能源成本跟產(chǎn)品成本緊密聯(lián)系；

推動能源用戶的能源成本問責(zé)制（基于消耗量的成本核算）；

識別能源成本低廉的工程，同時(shí)找到能源節(jié)約的本質(zhì)；

通過監(jiān)視能源質(zhì)量減少系統(tǒng)設(shè)備停機(jī)時(shí)間；

通過對能源的計(jì)劃和預(yù)期的把握，避免非計(jì)劃停機(jī)；

使用能源消耗監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，決策電力配額申請；

為能耗設(shè)備、過程、部門、工廠或者企業(yè)提供能源消耗的報(bào)表和趨勢圖；

用最少的透支換取能源信息及對能源使用的分析結(jié)果。

（2）數(shù)據(jù)對象

采集數(shù)據(jù)按照以下幾種情況被系統(tǒng)分類：

能源供給狀態(tài)數(shù)據(jù)主要是滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測的需要，一般采集頻率較高，無需長時(shí)間保存歷史數(shù)據(jù)。例如蒸汽實(shí)時(shí)溫度、壓力等數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)主要完成企業(yè)對能源質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)調(diào)整能源供給質(zhì)量。一般情況下無需實(shí)時(shí)保存每一個(gè)數(shù)據(jù)。

能源供給整點(diǎn)數(shù)據(jù)是為滿足管理、計(jì)量用的資料，主要記錄整點(diǎn)時(shí)能源供給的狀態(tài)值或累加值。具有采集頻率低，時(shí)間精度要求高的特點(diǎn)，一般形成報(bào)表，作為績效考核、管理、結(jié)算的依據(jù)，數(shù)據(jù)需要存檔成歷史數(shù)據(jù)。

能源供給累加數(shù)據(jù)是一段時(shí)間內(nèi)能源供給值的累加，主要是為決策、核算提供資料依據(jù)，是企業(yè)管理層進(jìn)行領(lǐng)導(dǎo)決策、企業(yè)財(cái)務(wù)核算所關(guān)心的重要數(shù)據(jù)資料，應(yīng)存檔成歷史數(shù)據(jù)。

能源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集為上層能耗分析和能耗控制提供了基礎(chǔ)保證。應(yīng)該堅(jiān)持一個(gè)原則：對于能源的管理只有在充分監(jiān)控的基礎(chǔ)上才可能完成。

（3）數(shù)據(jù)采集的方式

對于數(shù)據(jù)的采集而言，必須考慮到最為開放的架構(gòu)設(shè)計(jì)，EnMon為能源相關(guān)數(shù)據(jù)的采集提供了多種方式：

智能的電表采用M-Bus的輸入；

在線的電力計(jì)量：通過電流/電壓互感器模塊、模擬量等采集能源相關(guān)數(shù)據(jù)；

通過總線的智能傳感器：Profibus DP、Ethernet/IP、Modbus-TCP等方式均可被采集至EnMon；

手動的數(shù)據(jù)輸入：對于那些無法通過自動采集方式的數(shù)據(jù)，也可以手動導(dǎo)入；

對于那些流量、水、蒸汽等的計(jì)算滿足國際標(biāo)準(zhǔn)；

流量測量滿足ISO 5167-2(噴嘴和文丘里噴嘴)、ISO 5167-3（文丘里管）標(biāo)準(zhǔn)，高精度通過使用牛頓法計(jì)算質(zhì)量流量率并考慮流速和雷諾數(shù)實(shí)現(xiàn)；

水和蒸汽的能源和流量計(jì)算負(fù)荷IAPWS-IF97標(biāo)準(zhǔn)，這樣就不需要使用昂貴的專用能源計(jì)算機(jī)，除非絕對需要校對證明。

2.2 能源的管理方法簡析

（1）通過負(fù)載管理調(diào)整能耗峰值控制負(fù)載

通過報(bào)表分析，可以避免產(chǎn)生峰值負(fù)載，防止因突然過載而導(dǎo)致的計(jì)劃外供應(yīng)中斷，從而為降低能源成本提供最佳支持，創(chuàng)建峰值負(fù)載的“最壞情況”分析有助于確定能源供應(yīng)商在合同中保證的能源供應(yīng)與系統(tǒng)在最壞情況下需求之間的關(guān)系，可以通過安排或轉(zhuǎn)移負(fù)載來改善能源的分配，通過設(shè)定的甩負(fù)荷方案來斷開負(fù)載避免產(chǎn)生峰值負(fù)載。

（2）電能測量與監(jiān)控確保電網(wǎng)可用性

監(jiān)控電源頻率（可實(shí)現(xiàn)0.01Hz電源頻率精度，防止單機(jī)運(yùn)行的電氣組件發(fā)生意外掉電）；

檢測不平衡；

檢測消耗避免無功負(fù)載。

3 EnMon能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

3.1 簡單的實(shí)現(xiàn)——開箱即用

自動化技術(shù)的未來發(fā)展，必然是要考慮到采購、實(shí)施、運(yùn)營的成本問題，若是初始成本、實(shí)施成本高的話，這個(gè)投入簡便初始投入小，也會因?yàn)槿粘５倪\(yùn)營、維護(hù)、升級的成本巨大而導(dǎo)致不經(jīng)濟(jì)，不同于機(jī)器的運(yùn)動控制、機(jī)器人或者多回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能源更多的意義是管理，所以必須簡單不能復(fù)雜。

APROL EnMon的設(shè)計(jì)在簡單這個(gè)思想上是非常值得肯定的，因?yàn)椋^往的自動化系統(tǒng)往往會設(shè)計(jì)復(fù)雜，而又欠缺靈活，事實(shí)上，這完全得益于今天的開放技術(shù)如C、C++等在軟件的模塊化與類操作方面所帶來的好處，并且，基于開放架構(gòu)的應(yīng)用可以集成眾多已有的、經(jīng)過驗(yàn)證的軟件代碼來實(shí)現(xiàn)新的系統(tǒng)開發(fā)，這樣成本低而又易于使用。

3.2 項(xiàng)目的實(shí)施簡單易用

對于EnMon的實(shí)施，其步驟僅為三步：

第一步：硬件配置

記錄能源數(shù)據(jù)的控制器是APROL EnMon的標(biāo)準(zhǔn)組件，硬件拓?fù)淇梢酝ㄟ^Automation Studio配置一個(gè)工程。

第二步：產(chǎn)生表格

在電子表格程序（如：Microsoft Excel）中定義測量點(diǎn)和相關(guān)的參數(shù)，同事分配所需的模板給傳感器，這些數(shù)據(jù)今后將用于自動生成記錄處理和歸檔能源數(shù)據(jù)的應(yīng)用程式。

第三步：配置驗(yàn)證與下載

自動驗(yàn)證程序的錯(cuò)誤，更正后即可下載到APROL EnMon的控制器和運(yùn)行/操作員計(jì)算機(jī)上。

簡單的幾步即可實(shí)現(xiàn)能源管理系統(tǒng)的實(shí)施，對于工廠而言，這將意味著它不同于傳統(tǒng)的DCS、SCADA那樣需要非常專業(yè)的具有資質(zhì)的項(xiàng)目工程師、非常長的實(shí)施和調(diào)試時(shí)間，對于小型工廠也可以自己在系統(tǒng)的指導(dǎo)書下實(shí)現(xiàn)能源管理系統(tǒng)。

3.3 操作人員也必須簡單

EnMon使用的是電子儀表盤的設(shè)計(jì)方式，如圖1所示，它以最為直觀的類似汽車儀表盤的設(shè)計(jì)方式體現(xiàn)能耗的狀態(tài)與變化。

圖1 EnMon顯示界面

3.4 時(shí)間費(fèi)率的設(shè)定簡單

APROL支持對不同費(fèi)率的輸入，既可基于一天中的時(shí)間（時(shí)間費(fèi)率），也可以按照15分鐘為一個(gè)塊在一天24小時(shí)中分配，還可以基于季節(jié)或者假日的方式進(jìn)行配置。

4 能源管理運(yùn)營過程

為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)級能源管理，必須為整個(gè)能源管理制定相關(guān)的測量與采集、發(fā)布形式與接口、分類、分析與趨勢顯示，以便為能源管理團(tuán)隊(duì)提供數(shù)據(jù)決策支持。

4.1 選擇能源測量點(diǎn)

EnMon允許在系統(tǒng)里選擇任何可用的能源測量點(diǎn)，分為區(qū)域、子區(qū)域及耗能單元，然后反映到主配電盤/子配電盤/耗能單元層級，為了便于評估，已記錄的能源數(shù)據(jù)也根據(jù)能源類型（介質(zhì)），成本單元和批次ID進(jìn)行了分組處理。

4.2 計(jì)量所需的層次結(jié)構(gòu)

必須確保能源不會被重復(fù)計(jì)算，可以通過分層、分區(qū)方案來實(shí)現(xiàn)。

4.3 視圖形式

表格：首選是按表格形式，它能防止任何信息的丟失；條狀圖；

餅狀圖。

4.4 趨勢顯示

趨勢圖視圖：平均值；

趨勢分析報(bào)告：時(shí)間序列趨勢；

線性圖：能耗單元狀態(tài)。

4.5 報(bào)表類

EnMon為能源管理提供按照不同方式所定制的報(bào)表：

計(jì)費(fèi)報(bào)表；

消耗報(bào)表；

批次報(bào)表；

成本單元報(bào)表；費(fèi)用報(bào)表。

4.6 分析能力

分析報(bào)表提供了對能源數(shù)據(jù)的初步處理，以便為更高的管理決策提供分析基礎(chǔ)：

EnPI（能源性能指示器）分析；

負(fù)載管理分析；

耗能單元狀態(tài)分析；

能源供應(yīng)商分析；

趨勢分析（趨勢服務(wù)器）；

無計(jì)量消耗；

價(jià)格分析。

4.7 其它

報(bào)警和趨勢系統(tǒng)；

商業(yè)智能系統(tǒng)；

企業(yè)資源計(jì)劃。

APROL EnMon的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了開放與靈活的特點(diǎn)，它可以為不同的工廠實(shí)現(xiàn)能源管理的系統(tǒng)快速構(gòu)建，以及基于此的能源管理架構(gòu)。