集團(tuán)型裝備制造企業(yè)能源綜合管理系統(tǒng)研究

石伯明　王堅(jiān)

摘要：分析了我國(guó)裝備制造行業(yè)節(jié)能減排存在的問(wèn)題，指出構(gòu)建裝備制造企業(yè)能源綜合管理系統(tǒng)的必要性。按照集團(tuán)型裝備制造企業(yè)的能源綜合管理需求，提出了集團(tuán)型裝備制造企業(yè)能源綜合管理系統(tǒng)框架，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)能源計(jì)量數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)，對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其主要功能進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：裝備制造；集團(tuán)型企業(yè)；能源管理；物聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)架構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）14-0262-03

Abstract： Based on the analysis of the existing problems of energy saving and emission reduction in equipment manufacturing industry， the importance of constructing the integrated energy management for enterprises is presented. In terms of energy management demand required by equipment manufacturing group enterprises， a kind of integrated energy management system is proposed， in which Internet of Things technology is applied for energy data monitor. System networking architecture as well as the related functions is introduced.

Key words： equipment manufacturing； group enterprises； energy management； Internet of Things； system architecture

在資源與環(huán)境雙重約束的時(shí)代背景下，提升裝備制造業(yè)能源管理水平，實(shí)現(xiàn)能源消耗與污染物排放的精準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)是實(shí)現(xiàn)裝備制造企業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)的重要基礎(chǔ)[1-2]。通過(guò)對(duì)裝備制造業(yè)能源管理總體水平的分析，可以看出，我國(guó)裝備制造行業(yè)的能源管理模式仍處在粗放型階段，主要存在以下問(wèn)題[3-6]：

1）重點(diǎn)能耗設(shè)備缺乏動(dòng)態(tài)監(jiān)控。設(shè)備的能量數(shù)據(jù)采集仍采用人工方式進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性不強(qiáng)，無(wú)法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)情況及時(shí)調(diào)整能源的使用。

2）能源審計(jì)和技改工作缺乏科學(xué)的方法和工具支撐。能源審計(jì)工作主要依靠手工的信息分析與統(tǒng)計(jì)，需要大量的人工勞動(dòng)。無(wú)法有效排查企業(yè)在能源利用方面存在的問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)。

3）缺乏精細(xì)化的能源管理方法。主要關(guān)注制造過(guò)程本身的運(yùn)行，而淡化了能源消耗的分析和考量，加上現(xiàn)有復(fù)雜裝備更新速度快，出現(xiàn)了粗放的能源計(jì)量和管理現(xiàn)象；

4）難以發(fā)揮歷史能耗數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。對(duì)于裝備制造過(guò)程，歷史能耗數(shù)據(jù)是企業(yè)優(yōu)化產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝的寶貴財(cái)富。需要借助信息化手段，及時(shí)對(duì)企業(yè)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為企業(yè)節(jié)能減排的優(yōu)化措施提供依據(jù)。

為此，本文運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)，從集團(tuán)型裝備制造企業(yè)的能源管理實(shí)際需求出發(fā)，提出并研制了一種面向集團(tuán)運(yùn)營(yíng)模式的裝備制造企業(yè)能源綜合管理系統(tǒng)，可以為集團(tuán)型裝備制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)能源

管理精細(xì)化提供必要的信息化手段。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含集團(tuán)層、子公司層兩大部分，如圖1所示。集團(tuán)層主要匯總來(lái)自于子公司層的能源計(jì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行能源系統(tǒng)優(yōu)化決策，該層部署的功能模塊為能源系統(tǒng)優(yōu)化及輔助決策子系統(tǒng)；子公司層負(fù)責(zé)采集來(lái)自于生產(chǎn)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量數(shù)據(jù)，開(kāi)展能源管理日常業(yè)務(wù)工作，執(zhí)行能源系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃和管理，該層部署的功能模塊為可視化能源監(jiān)控平臺(tái)子系統(tǒng)和基礎(chǔ)能源管理子系統(tǒng)。

子公司層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵部分，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性保障。綜合考慮技術(shù)的先進(jìn)性、成熟性和可擴(kuò)展性等多種因素，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建子公司層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示。子公司層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自底向上分為感知層、監(jiān)控層和業(yè)務(wù)層。

感知層由現(xiàn)場(chǎng)儀表（包括多功能電能測(cè)量?jī)x、熱電偶及相應(yīng)模塊、流量計(jì)或水表等計(jì)量?jī)x表）組成。網(wǎng)絡(luò)基于短距離無(wú)線通信技術(shù)（Zigbee技術(shù)）和GSM通信網(wǎng)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是由大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（簇）、匯聚節(jié)點(diǎn)（簇頭）和GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的分布式系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)包括傳感器模塊、無(wú)線通信模塊、處理器模塊和能量供應(yīng)模塊。傳感器模塊負(fù)責(zé)對(duì)被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的能源計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行感知和A/D轉(zhuǎn)換；無(wú)線通信模塊通過(guò)射頻收發(fā)器（RFID），將能源計(jì)量數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)在匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合后，再通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)傳送給能源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。服務(wù)器采用冗余配置，一臺(tái)為主，一臺(tái)備用，并向能源數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器傳送歷史能源計(jì)量數(shù)據(jù)。

監(jiān)控層讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，提供重點(diǎn)能耗設(shè)備計(jì)量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該層包含多個(gè)操作站（HMI），對(duì)有關(guān)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備狀態(tài)顯示、操作畫(huà)面，參數(shù)設(shè)定、曲線分析、語(yǔ)音報(bào)警等功能。在操作站上還可進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)、報(bào)表查詢(xún)、報(bào)表打印等工作。

業(yè)務(wù)層實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)能源管理功能模塊。該層包含能源數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器。能源數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器作為能源歷史數(shù)據(jù)歸檔的重要設(shè)備，使用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)存儲(chǔ)長(zhǎng)時(shí)歸檔數(shù)據(jù)，向應(yīng)用服務(wù)器系統(tǒng)提供能源消耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行基礎(chǔ)能源管理應(yīng)用軟件。Web服務(wù)器為外網(wǎng)用戶提供Web服務(wù)，通過(guò)Web方式進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)、報(bào)表查詢(xún)、報(bào)表打印。另外，為保證系統(tǒng)安全性，應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行安全備份。

2系統(tǒng)功能構(gòu)成

系統(tǒng)功能框架如圖3所示。系統(tǒng)自底向上分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、可視化監(jiān)控層、基礎(chǔ)能源管理層、能源系統(tǒng)優(yōu)化及輔助決策層。采集層采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建計(jì)量系統(tǒng)，用于從現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)采集重點(diǎn)能耗計(jì)量數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層將實(shí)時(shí)計(jì)量數(shù)據(jù)通過(guò)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和組織；可視化監(jiān)控層提供重點(diǎn)能耗設(shè)備能量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；基礎(chǔ)能源管理層提供重點(diǎn)能耗設(shè)備的能源計(jì)量數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)，為能源管理的日常事務(wù)提供信息化手段；能源系統(tǒng)優(yōu)化及輔助決策層基于對(duì)歷史能源計(jì)量數(shù)據(jù)的分析，對(duì)能源系統(tǒng)的優(yōu)化改造做出決策。

在上述層次中，采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、可視化監(jiān)控層和基礎(chǔ)能源管理層部署在集團(tuán)的各個(gè)子公司，每個(gè)子公司設(shè)置一個(gè)能源調(diào)度中心，負(fù)責(zé)公司生產(chǎn)用能的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和基礎(chǔ)能源管理工作。能源系統(tǒng)優(yōu)化及輔助決策層部署在集團(tuán)總部，通過(guò)對(duì)來(lái)自各個(gè)子公司的能源計(jì)量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化分析，從集團(tuán)層面，提出能源系統(tǒng)的優(yōu)化改造方案。

3系統(tǒng)展示及應(yīng)用

系統(tǒng)已經(jīng)在某裝備制造企業(yè)集團(tuán)進(jìn)行了應(yīng)用。覆蓋了冶鑄、鍛造、熱處理和機(jī)械加工等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)重點(diǎn)能耗設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，整合了電、煤、汽、油、水在內(nèi)的多種能耗數(shù)據(jù)，圖4描述了鍋爐設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)界面。

按照不同部門(mén)和時(shí)間尺度，可以提供能源計(jì)量歷史數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)，為企業(yè)能源審計(jì)和監(jiān)督提供了科學(xué)化和精確化的管理手段，改變了傳統(tǒng)的以人工計(jì)算為主的分析模式，如圖5所示。將能源約束性指標(biāo)納入人員績(jī)效考核中，實(shí)現(xiàn)了班組能效實(shí)績(jī)管理，如圖6所示，該功能充分發(fā)揮了員工對(duì)節(jié)能減排理念的主觀能動(dòng)性，建立了設(shè)備用能、人員用能和管理方法相結(jié)合的能源管理體系。

4結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，面向集團(tuán)型裝備制造企業(yè)的能源綜合管理實(shí)際需求，構(gòu)建了一種滿足集團(tuán)型運(yùn)營(yíng)模式的裝備制造企業(yè)能源綜合管理系統(tǒng)，為裝備制造企業(yè)集團(tuán)的能源綜合管理業(yè)務(wù)提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)和管理平臺(tái)。通過(guò)系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了涵蓋集團(tuán)總部及其各個(gè)子公司的能源活動(dòng)的分散計(jì)量和集中管理，以及重點(diǎn)能耗設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，為企業(yè)能源的綜合利用提供了決策依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫興林，雷蕾，方杰.裝備制造業(yè)節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2012，25（2）：4-6.

[2] 張學(xué)軍.以節(jié)能減排引領(lǐng)我國(guó)裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的原則和路徑[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2011，6：121-122.

[3] 王鳳科.洛陽(yáng)市裝備制造業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策Ⅲ[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)： 社科版，2006，24（5）：88-90.

[4] 章柯.技能減排遭遇裝備制造“不給力”[J].廣西電業(yè)，2013（3）：5-7.

[5] 陳輝，劉賢堂，吳寶健.鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化與信息工程，2011（4）：20-23.

[6] 米川.能源管理系統(tǒng)應(yīng)用探究[J].東方電機(jī)，2013（3）：7-9.