西門子全集成能源管理解決方案

袁九正

（西門子（中國）有限公司 北京）

一、能源管理概念

隨著全球能源需求增加以及環(huán)境氣候變化，各個(gè)國家都對(duì)企業(yè)提出了節(jié)能減排的要求，并制定相應(yīng)法律法規(guī)予以監(jiān)督，從企業(yè)自身來看，能源短缺及價(jià)格上漲也迫使企業(yè)進(jìn)行節(jié)能增效。在這個(gè)過程中，許多問題困擾著企業(yè)管理者，怎樣清楚了解本企業(yè)目前能效狀況，節(jié)能減排采取哪些步驟，如何實(shí)施具體相關(guān)項(xiàng)目，除了常規(guī)采用變頻器、節(jié)能電機(jī)和節(jié)能元器件等單點(diǎn)節(jié)能方式，還要考慮如何系統(tǒng)化進(jìn)行能源管理，建立一個(gè)現(xiàn)代化綠色企業(yè)。要解決這些問題，首先要了解節(jié)能減排、能源管理體系和企業(yè)能源管理系統(tǒng)等概念。

1.節(jié)能減排

節(jié)能減排的目的一方面是為企業(yè)節(jié)省費(fèi)用，提高利潤，另一方面是幫助企業(yè)滿足國家能源法律法規(guī)，實(shí)際中，一般通過采用下列方法：①采用節(jié)能電機(jī)，提高電機(jī)效率；②采用變頻器，控制水泵、風(fēng)機(jī)等大轉(zhuǎn)矩設(shè)備和位能設(shè)備；③提高功率因數(shù)，燃料燃燒率；④進(jìn)行節(jié)能工藝改造等。

隨著企業(yè)信息化程度的提高，許多企業(yè)通過加強(qiáng)能源管理，優(yōu)化能源利用，提高節(jié)能減排水平，例如：①通過能源預(yù)測(cè)，合理安排能源采購及生產(chǎn)計(jì)劃；②基于對(duì)能效利用分析，找出企業(yè)節(jié)能減排的關(guān)鍵點(diǎn)；③基于能效考核，提高員工能源利用水平等。

2.能源管理體系

類似于ISO 9000的質(zhì)量認(rèn)證體系，能源管理認(rèn)證體系是對(duì)工廠、經(jīng)營設(shè)施或組織的能源管理建立一框架，以協(xié)助企業(yè)進(jìn)行能源管理、提高能源使用效率、減少成本支出及改善環(huán)境效益。目前很多國家和國際組織已經(jīng)建立了相應(yīng)能源管理體系（表1），2009年，中國提出基于GB/T 23331的能源管理體系指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，作為ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織重要一員，參與制定的ISO50001能源標(biāo)準(zhǔn)在2012年正式發(fā)布，目前已逐步要求企業(yè)按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行能源采購、管理、節(jié)能項(xiàng)目實(shí)施等。在能源管理體系定義中，定義了一個(gè)企業(yè)如何去基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)管理能源，如何實(shí)施及驗(yàn)證能源項(xiàng)目，并基于循環(huán)的原則逐步完善能源利用（圖1）。

3.能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)分析能效利用狀況，通過能源預(yù)測(cè)、能源統(tǒng)計(jì)等手段查找潛在節(jié)能點(diǎn)，優(yōu)化能源利用，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，該系統(tǒng)還要幫助企業(yè)符合國際能源管理體系。目前有很多廠家能夠提供比較成熟的解決方案及產(chǎn)品，內(nèi)容一般包括：①基于能源體系的行業(yè)法規(guī)、企業(yè)目標(biāo)等管理；②能源透明化，包括能源流監(jiān)控、能源消耗花費(fèi)統(tǒng)計(jì)；③能源應(yīng)用過程中一些業(yè)務(wù)流程管理，如質(zhì)量管理、用能管理等；④基于特定算法進(jìn)行能效分析，包括能源預(yù)測(cè)、能源平衡等高級(jí)分析；⑤方便的基于圖表、趨勢(shì)等結(jié)果展現(xiàn)顯示。

表1 各國和國際組織能源管理體系標(biāo)準(zhǔn)

節(jié)能減排、能源管理系統(tǒng)和能源管理體系三者之間關(guān)系見圖2。

圖1 能源管理體系標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

二、西門子公司TIP方案

西門子公司基于 PLC、WinCC、Powerrate、B.Data 等產(chǎn)品的全集成能管解決方案幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)能源高效利用。在數(shù)據(jù)采集層，基于控制器、控制儀表和WinCC，完成工廠水、電和氣等能源數(shù)據(jù)的采集；在控制層，基于Powerrate進(jìn)行需量控制，通過在PLC中集成能源消耗預(yù)測(cè)算法、定義設(shè)備能源消耗的優(yōu)先級(jí)，避免出現(xiàn)消耗峰值，降低需量值從而降低電能花費(fèi)；在管理層，基于B.Data進(jìn)行能源消耗成本的透明化、能源消耗的中長期預(yù)測(cè)、重點(diǎn)耗能設(shè)備能源消耗關(guān)鍵性能指標(biāo)分析等，幫助企業(yè)找出潛在的節(jié)能點(diǎn)。以下重點(diǎn)闡述Powerrate和B.Data兩個(gè)產(chǎn)品在控制層和管理層的功能和實(shí)現(xiàn)。

圖2 三者之間關(guān)系

1.數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控

西門子公司基于WinCC，對(duì)水、電和煤氣等的不同層級(jí)監(jiān)視畫面，以及全廠能源流監(jiān)控：全廠能源消耗信息的流程監(jiān)控，即能源流的在線監(jiān)控，根據(jù)工藝情況考慮不同層級(jí)：①全廠水、電和氣能源消耗流程圖；②重要工藝段能源流程圖（圖3）；③高耗能設(shè)備能源消耗圖。

圖3 工藝段能源監(jiān)控

2.需量控制

（1）需量管理概念。目前企業(yè)采用變壓器容量和需量兩種電費(fèi)計(jì)價(jià)方式，在需量計(jì)價(jià)方式中，E=（P1+P2）×P3，其中P1——電能消耗、P2——需量契約電費(fèi)、P3——功率因數(shù)決定系數(shù)。P1與企業(yè)生產(chǎn)能力相關(guān)，無法調(diào)整；P3根據(jù)行業(yè)特定功率因數(shù)，如行業(yè)為 0.9，若企業(yè)為 0.95，則 P3＜1，若企業(yè)為 0.85，則 P3＞1，相當(dāng)于懲罰性措施；對(duì)于P1和P3，企業(yè)在后期基本固定，因此降低電費(fèi)的關(guān)鍵是降低P2，如圖4通過削峰填谷，根本就是要避免出現(xiàn)15 min平均功率的峰值，最終降低需量值。

（2）Powerrate。如上文所述，必須遵守合同上規(guī)定的功率限值（對(duì)于功率，通常為 15 min的平均功率），否則可能產(chǎn)生較高的購買價(jià)格，甚至向公共事業(yè)支付罰款。SIMATIC WinCC Powerrate的負(fù)載管理周期性地執(zhí)行趨勢(shì)計(jì)算，在發(fā)現(xiàn)超出限值時(shí)，發(fā)布警告/報(bào)警消息，如有要求，可根據(jù)組態(tài)關(guān)閉負(fù)載耗電設(shè)備（圖5）。但是，當(dāng)超出限值時(shí)，將對(duì)當(dāng)前負(fù)載管理數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，以備后續(xù)分析。

圖4 用能過程降低峰值

圖5 Powerrate需量控制示例

3.能源管理

B.Data是WinCC選件，向用戶提供1個(gè)用于工業(yè)各部門的模塊化、獨(dú)立于行業(yè)的能源管理和企業(yè)信息系統(tǒng)；提供了1種可盈利的能源管理基礎(chǔ)，其降低能源成本，提高能源效率。最大優(yōu)點(diǎn)：①對(duì)能源生產(chǎn)和消耗設(shè)備的一致性能源和材料核算，整個(gè)公司營運(yùn)透明；②允許將能源成本分配，實(shí)現(xiàn)與記賬系統(tǒng)的過渡（如SAP R/3 CO）；③生成有效建議參數(shù)，提高發(fā)電設(shè)備和耗電設(shè)備效率；④通過與生產(chǎn)相關(guān)的負(fù)載和需求預(yù)測(cè)，提供規(guī)劃可靠性；⑤通過成本優(yōu)化的功率采購，給采購部門提供支持；⑥符合監(jiān)視和報(bào)告溫室氣體排放（CO2排放）的法律要求；⑦通過自動(dòng)跟蹤公司內(nèi)部和外部能源報(bào)告系統(tǒng)，降低工作量。

（1）簡單靈活的數(shù)據(jù)錄入接口。B.Data提供服務(wù)程序，系統(tǒng)能夠自動(dòng)加載WinCC提供的采集點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)能源管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的配置；提供OPC、FTP、ODBC和Matrix等數(shù)據(jù)采集方式；通過和WinCC的無縫集成，實(shí)現(xiàn)變量組態(tài)一致性。

（2）優(yōu)化可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。B.Data采用Oracle數(shù)據(jù)庫，定義 Datapoint、Generic Datapoint、Constant和 Derived Datapoint等多種數(shù)據(jù)類型，采用靈活數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，通過替代值、數(shù)據(jù)限制等保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)可靠，通過Summarization概念實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)的衍生，提高數(shù)據(jù)庫利用率。更重要的是，在Datapoint的定義中，其不僅僅是1個(gè)變量，以現(xiàn)場(chǎng)安裝儀表為模型，定義安裝地點(diǎn)、計(jì)量單位、最大值和最小值等描述。

（3）分層次數(shù)據(jù)計(jì)算。B.Data能源計(jì)算的基礎(chǔ)是分層次的三層處理，即Loop、MEVAS和Excel。Loop對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)作在線計(jì)算，包括數(shù)學(xué)處理、邏輯操作、比較操作、門限處理、定量分析和時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)處理等多種標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，同時(shí)為用戶編寫個(gè)性化處理函數(shù)提供接口，計(jì)算后數(shù)據(jù)可作為MEVAS的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫中。MEVAS基于數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過B.Data中提供的大量豐富的數(shù)據(jù)分析（豐富的報(bào)表系統(tǒng)）和能源處理公式（能源計(jì)算、能源預(yù)測(cè)）等，為用戶提供分析結(jié)果，作為能源報(bào)表各種性能值的基礎(chǔ)（圖6）。該數(shù)據(jù)可根據(jù)需要生成而不必進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，減少數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。分析報(bào)表以Excel格式顯示，以Mevas及Datapoint等數(shù)據(jù)，B.Data提供的各種查詢模板為基礎(chǔ)，兼容Excel圖表、宏等計(jì)算模式，生成用戶需要的報(bào)表。

圖6 B.Data中用于預(yù)測(cè)的MEVAS函數(shù)

（4）基礎(chǔ)模型定義。①能源介質(zhì)基礎(chǔ)信息。對(duì)能源介質(zhì)信息進(jìn)行管理，包括工廠產(chǎn)品與能源介質(zhì)、能源單價(jià)、折標(biāo)系數(shù)等相關(guān)信息，在產(chǎn)品中定義組態(tài)生產(chǎn)該產(chǎn)品需要的能源介質(zhì)，在能源介質(zhì)中定義了生產(chǎn)不同產(chǎn)品時(shí)的特性參數(shù)，為能源花費(fèi)計(jì)算、基于生產(chǎn)計(jì)劃的能源預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)信息。②測(cè)量點(diǎn)管理。能源管理中最基礎(chǔ)的信息管理是基于計(jì)量點(diǎn)的管理，所有數(shù)據(jù)分析也是基于該信息。在計(jì)量點(diǎn)中包含計(jì)量儀表基本信息管理和實(shí)際計(jì)量點(diǎn)的錄入等兩部分內(nèi)容，表示實(shí)際測(cè)量點(diǎn)，包含測(cè)量值、上下限、描述和單位等一些信息，這些值要參與能源分析計(jì)算。③消耗設(shè)備和花費(fèi)中心模型?；诨ㄙM(fèi)統(tǒng)計(jì)原則，將企業(yè)信息進(jìn)行編碼并建立模型，以便于進(jìn)行能源花費(fèi)的統(tǒng)計(jì)，包括工廠編碼、重要能源消耗中心編碼和花費(fèi)中心編碼等。④基于ISA95/88模型定義。定義設(shè)備、不同的花費(fèi)中心，基于ISA95/88模型，實(shí)現(xiàn)企業(yè)能源消耗與花費(fèi)的透明化。設(shè)計(jì)時(shí)考慮報(bào)表消耗的層級(jí)關(guān)系，在企業(yè)級(jí)、廠級(jí)、車間級(jí)、生產(chǎn)線和設(shè)備級(jí)等有其相應(yīng)的報(bào)表分析。

（5）文檔管理。B.Data中能夠在能源管理系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì)能源方針、能源法規(guī)、各能源職能部門的責(zé)任、會(huì)議紀(jì)要、工作總結(jié)、企業(yè)考核辦法和績效考核等，基于不同權(quán)限訪問。

（6）能源預(yù)測(cè)及能源成本分析。依靠B.Data提供的Profiles及Production Planning等工具，可很好實(shí)現(xiàn)能源預(yù)測(cè)（圖7）、能源成本分析、綠色能源控制和能源采購預(yù)算等。引入標(biāo)準(zhǔn)日、節(jié)假日、比率、消耗種類和產(chǎn)品類型等概念，分析不同車間、產(chǎn)品、時(shí)段和工段的能源需求。提供特定Mevas公式，測(cè)算不同種類能源消耗比例，保證綠色能源比例，滿足廢氣、廢水減排要求。

圖7 能源預(yù)測(cè)結(jié)果

（7）報(bào)表系統(tǒng)。B.Data提供強(qiáng)大的報(bào)表功能，采用模板（Template）、模塊 （Modules）和查詢范圍（Query Periods）的概念。在模板中，用戶定義報(bào)表界面（包括圖形分析、宏功能處理等），模塊為通過Mevas計(jì)算提供的各種數(shù)據(jù)組合（消耗分析、KPI分析和能源比較等），查詢范圍根據(jù)需要定義的數(shù)據(jù)分析時(shí)間段，其中B.Data中為模塊及查詢范圍定義了大量豐富模板，用戶可以方便實(shí)用。通過基于模板（Template），可自由靈活生成客戶所要求特定格式報(bào)告（導(dǎo)入Excel報(bào)表模板）；通過模塊（Modules），可利用系統(tǒng)提供的大量算法函數(shù)，實(shí)現(xiàn)能源分析。同時(shí)分析報(bào)告可基于預(yù)定義自動(dòng)生成、自動(dòng)打印和自動(dòng)發(fā)送到特定郵箱。圖8和圖9是基于峰值分析和CO2排放的模塊組態(tài)結(jié)果。

圖8 電能峰值統(tǒng)計(jì)分析

圖9 CO2排放分析

（8）趨勢(shì)功能。B.Data提供數(shù)據(jù)分析趨勢(shì)應(yīng)用程序，用戶可方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自定義的趨勢(shì)顯示（圖10），可靈活包含最大值、平均值和方差等多種計(jì)算值。

圖10 趨勢(shì)分析

（9）能源分析視圖（圖11）。實(shí)現(xiàn)B.Data系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)在畫面上實(shí)時(shí)顯示，用戶可了解不同區(qū)域、不同設(shè)備和不同能源的消耗情況等。通過IE可遠(yuǎn)程了解設(shè)備當(dāng)前單耗、能效等分析結(jié)果的實(shí)時(shí)跟蹤。

（10）基于動(dòng)態(tài)?；鶊D（Sankey diagram）的能源流。?；鶊D也叫桑基能量平衡圖，是一種特定類型的流程圖，圖中延伸分支的寬度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流量大小，通常應(yīng)用于能源、材料成分和金融等數(shù)據(jù)的可視化分析（圖12）。?；鶊D最明顯特征是始末端的分支寬度總各相等，即所有主支寬度的總和應(yīng)與所有分出去的分支寬度的總和相等，保持能量平衡。

（11）能源報(bào)警。對(duì)于一些重要的KPI分析，可基于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)行基于郵件方式的報(bào)警提示（圖13）。

圖11 重點(diǎn)設(shè)備能耗分析

圖12 基于?；鶊D能源流

圖13 能源報(bào)警

（12）能源項(xiàng)目節(jié)能評(píng)估?；谄髽I(yè)進(jìn)行的節(jié)能減排項(xiàng)目實(shí)施，對(duì)于節(jié)能項(xiàng)目效果進(jìn)行節(jié)能評(píng)估。通過預(yù)先定義和后期的評(píng)測(cè)，基于圖標(biāo)等形式顯示（圖14）。

（13）能源分析庫。B.Data中包含了眾多分析庫（圖15），幫助進(jìn)行能源分析。

（14）Web發(fā)布。B.Data既支持C/S模式，也支持B/S瀏覽模式，授權(quán)用戶通過IE方式進(jìn)行報(bào)表、趨勢(shì)和視圖等查詢，并可進(jìn)行手工數(shù)據(jù)錄入等操作，極大方便能源消耗信息化管理。

圖14 節(jié)能項(xiàng)目評(píng)測(cè)

三、西門子全集成能源管理特點(diǎn)

1.產(chǎn)品特點(diǎn)

基于B.Data的西門子能源管理解決方案，目前在國內(nèi)外許多工廠有使用案例，其主要優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）集成性。與西門子相關(guān)產(chǎn)品形成完善的全集成能源管理方案，智能的軟硬件通過識(shí)別、評(píng)估和實(shí)現(xiàn)等3個(gè)步驟，形成智能、高效的能源管理。

（2）可擴(kuò)展性?；贑/S和B/S的分布式架構(gòu)，靈活實(shí)現(xiàn)從1個(gè)工廠到1個(gè)集團(tuán)的系統(tǒng)配置，并可基于企業(yè)實(shí)際情況，分批實(shí)現(xiàn)能源項(xiàng)目改造。

（3）專業(yè)性。B.Data是西門子專注于能源管理的系統(tǒng)平臺(tái)，內(nèi)置大量能源預(yù)測(cè)和優(yōu)化分析的函數(shù)及模型，可為企業(yè)節(jié)能減排提供參考。

（4）簡單性。不同于以往通過高級(jí)語言編程實(shí)現(xiàn)管理平臺(tái)的思路，基于組態(tài)方式降低了能源項(xiàng)目的實(shí)施難度。

圖15 蒸汽分析

（5）完善性。對(duì)于能源優(yōu)化不是一次就能完善的，需要多次循環(huán)，組態(tài)的方式保證KPI修改及新算法快捷實(shí)現(xiàn)。

2.應(yīng)用特點(diǎn)

建立能源管理系統(tǒng)，能夠?yàn)槠髽I(yè)實(shí)現(xiàn)以下愿景。

（1）符合節(jié)能減排相關(guān)法律法規(guī)，隨著環(huán)保法推出，透明化和節(jié)能減排成為一種必然。

（2）基于能源報(bào)警，設(shè)備能效KPI指標(biāo)分析，從能效角度進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和管理，發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)備故障問題，提高其利用率。

（3）隨著能源價(jià)格市場(chǎng)化改革，基于消耗進(jìn)行能源價(jià)格談判成為必然，能源預(yù)測(cè)有助于降低能源采購成本，提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭力。