面向鋁材生產(chǎn)的實時能耗監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)

?

面向鋁材生產(chǎn)的實時能耗監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)

陀樹青1,陳文泗1,羅銘強1,梁 鵬2

(1.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司,佛山,528061;2.廣東技術(shù)師范學(xué)院計算機(jī)科學(xué)學(xué)院,廣州,510665)

0　引言

隨著工業(yè)4.0時代的到來，生產(chǎn)制造企業(yè)更多的考慮綠色生產(chǎn)和智能制造所帶來的變革，科學(xué)的設(shè)備節(jié)能維護(hù)制度是其中的重點問題之一。鋁型材生產(chǎn)企業(yè)是高能耗、半自動化生產(chǎn)企業(yè)，為了保證生產(chǎn)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運行，需要對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行及時的維護(hù)，然而傳統(tǒng)的方法是采用人工定期檢修的方法，需要工作人員走遍各個機(jī)組記錄儀表數(shù)據(jù)，不僅由于廠房面積過大不能及時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)（一天采集一次）。此外，設(shè)備的能耗告警閾值依賴于人工經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)定，而且為固定值，隨著生產(chǎn)時間的推移，設(shè)備的狀態(tài)也不斷改變從而導(dǎo)致生產(chǎn)能耗也發(fā)生改變，這時會導(dǎo)致誤警率增加而無法真實反映設(shè)備的正常生產(chǎn)能耗。

實時能耗監(jiān)測系統(tǒng)通過串口服務(wù)器讀取各個數(shù)字儀表的實時數(shù)據(jù)，集中顯示擠壓生產(chǎn)的用電量、電壓、電流、用量、溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)（間隔<3秒），可以實時地得到生產(chǎn)過程中的能耗數(shù)據(jù)，通過對一個時間周期內(nèi)的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到這個時間周期的能耗告警閾值，對生產(chǎn)中的能耗異常現(xiàn)象能夠及時發(fā)現(xiàn)并做出相應(yīng)的處理。然而這一方法存在嚴(yán)重的滯后性，隨著生產(chǎn)時間的不同、機(jī)組工作人員的不同、生產(chǎn)產(chǎn)品的不同，這種采用固定能耗告警閾值的方法會產(chǎn)生較大的誤差。文獻(xiàn)[7]利用回歸型支持向量機(jī)根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行能耗預(yù)測，與實際能耗值進(jìn)行比較的節(jié)能評估方法，可以有效地解決設(shè)備能耗閾值的動態(tài)變化問題。

并根據(jù)歷史能耗進(jìn)行能效趨勢分析與預(yù)測分析。在此基礎(chǔ)上，建立科學(xué)的設(shè)備節(jié)能維護(hù)制度，當(dāng)設(shè)備能效下降至一定閾值后，即啟動設(shè)備節(jié)能維護(hù)，如空調(diào)過濾網(wǎng)清洗、機(jī)器潤滑劑添加、磨損零部件更換等，避免設(shè)備低能效運行。

為此，本文提出一種面向鋁型材生產(chǎn)的實時能耗監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，不僅可以實時監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備的實時能耗，還可以檢測出生產(chǎn)中的設(shè)備異常能耗情況，并可以隨著時間推移，動態(tài)地改變能耗預(yù)警的閾值范圍。

圖1　總體工藝流程圖

圖2　工序能源消耗示意圖

1　鋁型材能耗工序分析

鋁型材生產(chǎn)工藝比較成熟，主要以鋁錠、鎂錠、硅錠為生產(chǎn)鋁合金的原料，采用熔鑄、擠壓、氧化著色和噴涂等生產(chǎn)工藝，加工生產(chǎn)各種規(guī)格的鋁型材。主要生產(chǎn)車間有：模具車間、熔鑄車間、擠壓車間、氧化電泳車間、噴涂車間和氟碳車間等?？傮w工藝流程如下圖1所示：

經(jīng)鋁鑄造機(jī)鑄成各種規(guī)格的鋁棒，鑄成的鋁棒經(jīng)均質(zhì)爐均熱處理，再由鋁棒鋸機(jī)鋸成各種規(guī)格的擠壓用鋁棒（中間產(chǎn)品），然后送擠壓車間作為擠壓車間的原料。

熔鑄車間生產(chǎn)的鋁棒送到擠壓車間，經(jīng)鋁棒加熱爐加熱到適當(dāng)溫度后進(jìn)入擠壓機(jī)擠壓成各種規(guī)格的鋁合金建筑型材或工業(yè)用鋁合金型材，擠壓車間生產(chǎn)出來的成品經(jīng)檢驗合格后包裝直接送工業(yè)用鋁合金型材成品倉庫；擠壓車間生產(chǎn)出來的半成品則分別送氧化電泳車間、氟碳車間和噴涂車間等作表面處理，檢驗合格后包裝送建筑用鋁合金型材成品倉庫。

鋁型材生產(chǎn)工藝中，主要消耗電、天然氣、水、柴油等能耗介質(zhì)，其中，熔鑄車間是天然氣消耗大戶，主要消耗在融化工段中，氧化電泳車間為用水大戶，主要消耗在多次水洗工段，而擠壓車間同時為用電和天然氣大戶，電主要消耗在擠壓工段，天然氣主要消耗在模具和鋁棒加熱。工序能源消耗示意圖如下圖2所示。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成分為網(wǎng)絡(luò)部署和系統(tǒng)功能兩部分。網(wǎng)絡(luò)部署采用雙環(huán)冗余網(wǎng)絡(luò)，保證通信的可靠性。數(shù)據(jù)中心主要部署前置服務(wù)器群集、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、報表服務(wù)器、接口服務(wù)器等。數(shù)字計量儀表可通過部署RS485網(wǎng)絡(luò)就近接入各車間局域網(wǎng)位置，再通過串口服務(wù)器實現(xiàn)RS485和以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)儀表與局域網(wǎng)的連接，傳輸過程中不需要無線網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)可靠、實時地傳送到數(shù)據(jù)中心。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署圖如圖3所示：前置服務(wù)器群集主要與現(xiàn)場計量儀表連接，實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的自動采集；

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的存儲，以及周期性的能耗統(tǒng)計匯總；

圖3　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署圖

應(yīng)用服務(wù)器主要響應(yīng)用戶請求，為用戶提供在線監(jiān)控和能效優(yōu)化分析功能；

報表服務(wù)器主要周期性的生成各種分析報表，并定時發(fā)送給相關(guān)用戶；

接口服務(wù)器主要為企業(yè)內(nèi)部或協(xié)作企業(yè)發(fā)布能源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和系統(tǒng)集成應(yīng)用。

系統(tǒng)功能有基礎(chǔ)管理、能源動力現(xiàn)場接口、能源數(shù)據(jù)計算存儲、能耗運行監(jiān)控、能源優(yōu)化管理、系統(tǒng)管理等功能模塊。

（1）基礎(chǔ)管理模塊主要實現(xiàn)對企業(yè)的設(shè)備系統(tǒng)、空間區(qū)域、表計等對象屬性進(jìn)行配置管理，建立企業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)模型；同時對能耗介質(zhì)、碳排放、能耗價格等屬性和計量轉(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行維護(hù)管理。

（2）能源動力現(xiàn)場接口主要在工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用中間件技術(shù)開發(fā)能源動力現(xiàn)場接口中間件，支持對Modbus、Profibus、DL/T645、OPC數(shù)據(jù)接口的協(xié)議解析，實現(xiàn)對能源計量儀表的自動采集。

（3）能源數(shù)據(jù)計算存儲主要從空間和時間維度進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總，同時根據(jù)能源平衡分析需要構(gòu)建虛擬計量，根據(jù)能效評估需要構(gòu)建能效指標(biāo)評估體系，并實現(xiàn)能源平衡分析計算和能效評估指標(biāo)計算。

（4）能耗運行監(jiān)控在能源數(shù)據(jù)自動采集的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對供電、供水、壓縮空氣、天然氣等現(xiàn)場動力系統(tǒng)的集中監(jiān)控，實現(xiàn)能耗預(yù)警和能耗異常告警管理。

（5）能源優(yōu)化管理主要通過報表分析、預(yù)測分析、平衡分析、多維分析等，支持能耗實績和計劃管理、能源質(zhì)量管理、節(jié)能考核管理、節(jié)能決策支持等功能。

（6）系統(tǒng)管理實現(xiàn)用戶管理以及用戶權(quán)限控制，系統(tǒng)操作日志審計等功能，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

3　生產(chǎn)設(shè)備能耗異常檢測

通過使用統(tǒng)計分析方法計算生產(chǎn)產(chǎn)品能耗的能耗異常置信區(qū)間，設(shè)某設(shè)備擠壓一噸鋁型材的預(yù)測耗電量為X1,X2,…Xn服從樣本分布(,)，和分別表示預(yù)測耗電量的樣本均值和樣本方差，則隨機(jī)變量，對于給定的置信度，則該生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)一噸鋁型材的預(yù)測耗電量均值的置信區(qū)間為。以實際生產(chǎn)中的一組擠壓能耗數(shù)據(jù)為例，某擠壓設(shè)備在2013.7月中5天的耗電量分別為345.24度/噸、343.82度/噸、354.05度/噸、346.44度/噸、353.26度/噸，則置信度為0.99的耗電量置信區(qū)間為：，，，則預(yù)測耗電量的置信區(qū)間為[348.56-9.77, 348.56+9.77]。如實際生產(chǎn)過程中的監(jiān)測耗電量超過該置信區(qū)間，則產(chǎn)生報警信號。

4　系統(tǒng)測試及討論

從系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中提取出一組實際生產(chǎn)中的擠壓能耗數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，再提取出另一部分?jǐn)?shù)據(jù)作為測試數(shù)據(jù)，用于判斷異常置信區(qū)間的有效性。提取的訓(xùn)練數(shù)據(jù)如表1所示：

表1　擠壓車間2011.1－2012.8每生產(chǎn)1噸鋁型材的耗電量

根據(jù)統(tǒng)計好的耗電量異常置信區(qū)間去判斷實際生產(chǎn)中的設(shè)備耗電量異常情況，從數(shù)據(jù)庫中選取其2012.10－2013.2每擠壓生產(chǎn)1噸鋁型材的耗電量為測試數(shù)據(jù)。并將新的數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)不斷更新耗電量異常置信區(qū)間，實現(xiàn)動態(tài)更新。圖4所示是置信度為99%的某擠壓機(jī)組能耗異常檢測結(jié)果圖，圖中可以看出,隨著后續(xù)數(shù)據(jù)的不斷加入，耗電量異常置信區(qū)間也隨之變化，此外，超出置信區(qū)域的異常點大部分均檢測出，只有少部分的異常點過于解決區(qū)間邊緣而沒有被檢測出，在實際生產(chǎn)中可以認(rèn)為是正常的波動范圍。

5　結(jié)論及未來工作

本文針對鋁型材生產(chǎn)過程中能耗較大，傳統(tǒng)人工采集能耗數(shù)據(jù)頻率低，采集速度慢等問題，提出了一種包括智能電表、智能天然氣表、串口服務(wù)器、交換機(jī)以及監(jiān)控服務(wù)器，智能電表和智能天然氣表等構(gòu)成的面向鋁型材生產(chǎn)的實時能耗監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署使用基于MODBUS協(xié)議的串口通訊方式將生產(chǎn)現(xiàn)場電表、燃?xì)獗砼c交換機(jī)相連接，并通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，實現(xiàn)對生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測；此外，用統(tǒng)計分析方法計算能耗異常置信區(qū)間，根據(jù)能耗異常置信區(qū)間與實際記錄能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對生產(chǎn)進(jìn)行能耗異常預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的能源損失、生產(chǎn)參數(shù)不當(dāng)?shù)犬惓，F(xiàn)象。

圖4　能耗異常檢測結(jié)果

參考文獻(xiàn)

[1] Drake R M,Yildirim B,Twomey J,et al.Data Collection Framework on Energy Consumption in Manufacturing[R].The Interaction and Entertainment Research Centre, 2006.

[2] Dietmair A,Verl A.Energy Consumption Modeling and Optimization for Production Machines[C].2008 IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies, Computer Society, 2008:574-579.

[3] Mouzona G,Mehmet B, Yildirima. Operational Methods for Minimization of Energy Consumption of Manufacturing Equipment[C].International Journal of Production Research,2007,45:4247-4271.

[4] 侯彬.考慮機(jī)器開關(guān)的并行機(jī)調(diào)度研究[J].工業(yè)工程與管理,2011,16(2):60-64.

[5] Mouzona G,Mehmet B,Yildirima.A Framework to Minimise Total Energy Consumption and Total Tardiness on a Single Machine[J]. International Journal of Sustainable Engineering,2007,1(2):105-116.

[6] 樊龍，張文愛.基于Modbus協(xié)議的智能電表數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化, 36(2), 2014:120-124.

[7] 楊愛人.基于能耗預(yù)測模型的能源管理系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D],華南理工大學(xué), 2013.

陀樹青，男，1967年生，工程師，主要研究方向為有色金屬制造，儀表計量。

陳文泗，男，1971年生，工程師，主要研究方向：有色金屬加工。

羅銘強，男，1979年生，工程師，主要研究方向：有色金屬加工。

梁鵬，男，1981年生，博士講師，主要研究方向為低碳制造，數(shù)據(jù)挖掘。

摘要：針對鋁型材生產(chǎn)過程中能耗較大，傳統(tǒng)人工采集能耗數(shù)據(jù)頻率低，采集速度慢等問題，本文提出一種基于MODBUS通訊協(xié)議的鋁型材生產(chǎn)實時能耗監(jiān)測及能耗異常檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)部署和系統(tǒng)功能兩部分，網(wǎng)絡(luò)部署使用基于MODBUS協(xié)議的串口通訊方式將生產(chǎn)現(xiàn)場電表、燃?xì)獗砼c交換機(jī)相連接，并通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，實現(xiàn)對生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測；使用統(tǒng)計分析方法計算能耗異常置信區(qū)間，根據(jù)能耗異常置信區(qū)間與實際記錄能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對生產(chǎn)進(jìn)行能耗異常預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的能源損失、生產(chǎn)參數(shù)不當(dāng)?shù)犬惓，F(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：能耗異常檢測；實時能耗監(jiān)測；置信區(qū)間

Real-time energy consumption monitoring and warning system for aluminium production

Tuo Shuqing1,Chen Wensi1,Luo Mingqiang1,Liang Peng2

（1.XingFa Aluminum Holdings Limited,Foshan,528061; 2.School of Computer Science, GuangDong Polytechnic Normal University,Guangzhou,510665)

Abstract：Due to greatly energy consumption of Production process of aluminum and inefficiently traditional manual energy consumption data collection,this paper proposes a real-time energy consumption monitoring and prediction system on aluminum casting furnace.A MODBUS protocol is used to connect field meter,gas meter and switches,and energy consumption data are sent to server through TCP/IP network interface to achieve real-time monitoring of the production energy consumption data;on the other hand.Statistical analysis method is used to calculate the abnormal energy consumption confidence interval.Abnormal energy consumption detection is computed by comparing actual energy consumption and abnormal energy consumption confidence interval.The experimental result shows that our system can find the production of energy loss,improper production parameters of abnormal phenomenon and etc.

Keywords：Abnormal energy consumption detection;Real-time energy consumption monitoring;Confidence interval

作者簡介

基金項目：國家科技支撐計劃課題 (2012BAF12B10)；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目(2012B010500027).