煙草企業(yè)MES系統(tǒng)能源管理模塊研究與應(yīng)用

李龍勛 于志偉 朱江

摘要：在現(xiàn)代化生產(chǎn)企業(yè)中，能源系統(tǒng)負(fù)責(zé)為生產(chǎn)部門提供長期穩(wěn)定的，滿足工藝要求的生產(chǎn)環(huán)境。動力能源系統(tǒng)的持久穩(wěn)定和效率高低直接關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。該文對能源系統(tǒng)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、能源管理流程優(yōu)化進(jìn)行了研究并開發(fā)了能源管理功能模塊，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果證明其能夠提升企業(yè)的能源管理水平。

關(guān)鍵詞：能源管控；MES；ERP；能耗管理；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）28-0060-03

Research and Application of Energy Management Module for MES System in Tobacco Enterprises

LI Long-xun1， YU Zhi-wei1， ZHU Jiang2

（1.Jilin Tobacco Industry Limited Liability Company， Yanji 133000， China； 2.Shenyang Institute of Automation， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110016， China）

Abstract： In modern production enterprises， the energy system is responsible for providing the production department with a long-term stable production environment that meets the process requirements. The long-term stability and efficiency of the power energy system is directly related to the quality of the production of the enterprise and the economic benefits of the enterprise. This paper studies the energy system monitoring， data collection， energy management process optimization and develops the energy management function module. The actual application results prove that it can improve the energy management level of the enterprise.

Key words： energy management； MES； ERP； power management； data collection

1 引言

目前國內(nèi)能源管理研究多集中于耗能量大的冶金、鋼鐵、煉油等產(chǎn)業(yè)中，由于能耗在生產(chǎn)成本中所占比例很高，上訴行業(yè)一直致力于降低能耗方面的研究，力求能降級能源成本。在能源占成本比例較小的其他行業(yè)中，能源管理應(yīng)用程度偏低[1]。

MES在煙草行業(yè)中已經(jīng)普及，但在在煙草行業(yè)中MES的能源管理模塊應(yīng)用水平普遍低于上述行業(yè)，主要包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)展示等功能模塊。國內(nèi)已經(jīng)投入使用的基于MES的EMS（Energy Management System）系統(tǒng)，主要包含數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)平衡、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析等功能模塊[2]。

2 能源管理模塊概述

能源管理模塊功能主要是對工廠的能源使用進(jìn)行管控，從上層的ERP系統(tǒng)接收能源計(jì)劃，從下層的能源設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)獲取能源使用數(shù)據(jù)，制定能源使用計(jì)劃和能源設(shè)備啟用計(jì)劃，管理能管部門各班次工作計(jì)劃。具體可劃分能源基本信息管理、能耗信息獲取、能耗計(jì)劃制定、能源設(shè)備使用計(jì)劃制定、多層次能源使用信息展示、能耗綜合分析、能耗預(yù)測等七個功能模塊[3]。

3 煙草MES能源管理模塊設(shè)計(jì)

煙草企業(yè)MES系統(tǒng)能源管理模塊與能源管理模塊基本一致，能源管理模塊的基本信息管理包括部門信息維護(hù)、能源設(shè)備信息、能源信息管理、能源計(jì)量信息管理、儀表信息管理、耗能公式維護(hù)、儀表數(shù)據(jù)維護(hù)。能源基本信息是能源管理模塊的基礎(chǔ)，需要定期維護(hù)[4]。

能管部門信息維護(hù)管理能管理運(yùn)營需要的信息，包括工作班次、工作人員等信息。能耗部門維護(hù)主要維護(hù)各耗能部門信息，如制絲車間、卷包車間等。能源信息維護(hù)主要維護(hù)能源種類、能源計(jì)量單位、能源儲量、能源計(jì)價單位等信息。儀表信息維護(hù)主要管理現(xiàn)有的所有儀表及其相關(guān)信息，包括儀表廠家、儀表有效使用日期、儀表維護(hù)信息等信息。儀表用途維護(hù)管理儀表使用用途，包含儀表與能源關(guān)系。儀表與部門關(guān)系管理儀表與部門間的對應(yīng)關(guān)系，每個部門可以包含多個儀表，每個儀表也可以隸屬于多個部門。耗能計(jì)算公式維護(hù)生產(chǎn)與能源使用間的計(jì)算公式，此處的維護(hù)是基本信息維護(hù)，在能耗計(jì)劃中MES會根據(jù)此處能耗計(jì)算公式和能耗和生產(chǎn)已有數(shù)據(jù)推導(dǎo)出新的生產(chǎn)和能源使用計(jì)算方式。

3.1 能耗計(jì)劃

能耗計(jì)劃的主體是能耗使用量，主要功能是制定能源使用計(jì)劃，能耗計(jì)劃有多重粒度，從上至下可以看作倒樹形式，可以根據(jù)計(jì)劃時間、能源種類、使用部門、設(shè)備、產(chǎn)品來制定能源使用計(jì)劃。上層ERP向MES能源管理模塊發(fā)送能源計(jì)劃，由ERP發(fā)送的能源計(jì)劃包含年度、月、季度等能源計(jì)劃，ERP發(fā)送到MES的計(jì)劃區(qū)分能源種類。對于收到的ERP計(jì)劃，通過計(jì)算處理將計(jì)劃詳細(xì)劃分到部門、車間，形成詳細(xì)的能耗管理計(jì)劃。

3.2 設(shè)備使用計(jì)劃

設(shè)備使用計(jì)劃管理各部門各能源設(shè)備的使用計(jì)劃，即能源設(shè)備調(diào)度計(jì)劃，包括設(shè)備何時啟動，啟動時間等。對于一個批次的生產(chǎn)計(jì)劃，有多重設(shè)備啟動方案，當(dāng)設(shè)備長時間運(yùn)行會對設(shè)備生命周期產(chǎn)生影響，不同設(shè)備消耗能源量和動力供應(yīng)量也不同，需要在各個因素間進(jìn)行取舍已達(dá)到最優(yōu)化目的。MES能源管理模塊根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，設(shè)備自身因素，設(shè)備運(yùn)行情況動態(tài)制定設(shè)備使用計(jì)劃，能管部門工作人員可以對MES系統(tǒng)制定的設(shè)備啟用計(jì)劃人工進(jìn)行修正，最終制定出可執(zhí)行的設(shè)備啟用計(jì)劃。

3.3 多層次能源使用信息展示

能源信息展示功能將能源使用情況按照不同需求和不同層次進(jìn)行展示，按照時間劃分可以按照年、季度、月、旬、日進(jìn)行展示，按照部門展示可以按照制絲車間、卷包車間等能耗部門進(jìn)行展示，按照能源種類展示可以按照煤、天然氣、水、電等能源進(jìn)行展示，能將各階段能源使用情況形成對比。

能源信息展示根據(jù)需求首先在頁面中進(jìn)行信息展示，對于統(tǒng)計(jì)型數(shù)據(jù)采用報表形式進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，報表包含打印功能，對于對比型數(shù)據(jù)采用圖形化的數(shù)據(jù)展示方式進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，圖形化展示包括統(tǒng)計(jì)常用的條形圖、餅狀圖和走勢圖等。

3.4 能耗綜合分析

根據(jù)生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)，利用采集到能耗信息，按照國家、行業(yè)、生產(chǎn)廠的分析體系，進(jìn)行綜合能耗分析，獲得工廠的實(shí)際能耗分析報告，找出能耗關(guān)鍵點(diǎn)，為提高用能效率提供支持[5]。

4 能耗數(shù)據(jù)的獲取

能源管理的基礎(chǔ)是能源數(shù)據(jù)的采集，只有數(shù)據(jù)采集完整，才能保證系統(tǒng)管理的準(zhǔn)確。能源管理模塊的外部數(shù)據(jù)來源主要有四個渠道，ERP系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、PCS等底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)和能管部門工作人員錄入的數(shù)據(jù)。

4.1 ERP傳入數(shù)據(jù)

能源管理模塊接收ERP制定的能源使用計(jì)劃、能耗設(shè)備使用計(jì)劃等信息，制定能耗設(shè)備啟用計(jì)劃，并將能耗設(shè)備的能耗使用情況做處理分析后反饋到上層ERP系統(tǒng)。

4.2 MES系統(tǒng)傳入數(shù)據(jù)

能源管理模塊需要從人員和部門管理模塊中獲取人員和部門信息，需要從計(jì)劃模塊中讀取生產(chǎn)計(jì)劃以便預(yù)測能耗使用量和制定能耗設(shè)備啟用計(jì)劃，需要從物料模塊讀入能源剩余量以便制定能耗設(shè)備啟用計(jì)劃，需要從生產(chǎn)模塊讀取實(shí)際產(chǎn)成品的數(shù)量等。

4.3 人工錄入數(shù)據(jù)

能源管理模塊很多數(shù)據(jù)需要人工錄入，包括確認(rèn)信息和錄入信息等，在系統(tǒng)初始化時，也需要人工錄入部門人員配置、人員職責(zé)、能耗設(shè)備、能耗設(shè)備所屬部門、能耗信息、能耗設(shè)備與能源的使用關(guān)系等信息。由于PCS等底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不能記錄所有能耗信息，某些能耗信息也需要人工錄入，包括PCS等底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的異常數(shù)據(jù)。另外，由MES系統(tǒng)制定的能源管理計(jì)劃和能源設(shè)備啟用計(jì)劃同樣需要人工確認(rèn)或調(diào)整。

4.4 PCS等底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

PCS等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的能源設(shè)備能耗使用實(shí)施數(shù)據(jù)通過存儲到數(shù)據(jù)庫的方式傳輸給MES能源管理模塊，MES能源管理模塊對PCS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，通過統(tǒng)計(jì)得出能源使用情況，通過分析得出能源與生產(chǎn)的關(guān)系模型和能源使用計(jì)劃及能源設(shè)備啟動計(jì)劃[6]。

5 能源管理模塊的實(shí)現(xiàn)

5.1 能源管理具體要求

煙草企業(yè)的能源管理，需要獲取能源管理模塊每日能源統(tǒng)計(jì)表單，形成全廠、各車間及其他區(qū)域每日、月、年耗能統(tǒng)計(jì)表，統(tǒng)計(jì)表按能源種類進(jìn)行分類，提供按時間段能源消耗統(tǒng)計(jì)查詢界面，界面數(shù)據(jù)可導(dǎo)出。按日、月、年形成各區(qū)域耗能統(tǒng)計(jì)表，各區(qū)域內(nèi)再按機(jī)臺位置進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)表按能源種類進(jìn)行分類，提供按時間段能源消耗統(tǒng)計(jì)查詢界面，界面數(shù)據(jù)可導(dǎo)出。具體內(nèi)容包括：開始日期、結(jié)束日期、用量、單位。按年形成能源消耗統(tǒng)計(jì)臺帳。包括各種能源當(dāng)月消耗總量、生產(chǎn)耗能量、非生產(chǎn)耗能量以及上述各量折標(biāo)后數(shù)量。按月、年形成能源單耗消耗統(tǒng)計(jì)臺帳、單耗消耗趨勢圖及單耗同期對比圖。按查詢時間段形成能源消耗統(tǒng)分布圖及各類能源消耗分布圖，如圖2所示。能源消耗分布圖指各類能源折成標(biāo)煤后全廠占比，能源消耗分布圖包括蒸汽、電、柴油、水、壓縮空氣。設(shè)置各類能源單耗預(yù)警線，當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)消耗達(dá)到預(yù)警線時發(fā)出警報。

5.2 能源管控實(shí)現(xiàn)方式

MES能源模塊與能源管理模塊接口數(shù)據(jù)以工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)異步通訊。應(yīng)用軟件發(fā)布完成其特定業(yè)務(wù)需求的在線應(yīng)用服務(wù)，其他應(yīng)用軟件能夠通過網(wǎng)絡(luò)來訪問并使用這項(xiàng)在線服務(wù)。通過開放數(shù)據(jù)庫訪問權(quán)限，共享MES能源管理模慢動作中的視圖、數(shù)據(jù)表和存儲過程等數(shù)據(jù)庫資源。

系統(tǒng)開發(fā)需要考慮企業(yè)的實(shí)際情況，采用XML和代碼托管技術(shù)開發(fā)，使能源管理模塊具有低耦合、可重用、獨(dú)立開發(fā)的特性。開發(fā)時采用視圖與模型分離的架構(gòu)，使系統(tǒng)架構(gòu)中的組件模塊具有熱插拔的特性。開發(fā)平臺的選擇應(yīng)該優(yōu)先考慮穩(wěn)定性和安全性，我們選擇微軟公司的.NET平臺和C#語言開發(fā)，不但滿足需求，而且還具有一定的可移植行。數(shù)據(jù)庫的選擇應(yīng)該與MES系統(tǒng)同步，不應(yīng)該再增加一套數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這樣會增加使用和管理的復(fù)雜度，而且安全性也降低了。

6 結(jié)論

如圖3所示，能源管控模塊目前已經(jīng)完成開發(fā)并在企業(yè)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，在經(jīng)過了一段時間的使用后，企業(yè)的能源消耗有了明顯的降低。

通過能源管理模塊的應(yīng)用，將分散于各部門和車間現(xiàn)場的生產(chǎn)重要參數(shù)和能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)控，準(zhǔn)確、及時、全面的了解和掌握現(xiàn)場的情況。同時，對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常狀況進(jìn)行及時干預(yù)，提高了能源質(zhì)量、使能耗信息統(tǒng)計(jì)得以即時化、生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化，滿足了企業(yè)的實(shí)際需求。

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