關(guān)于能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

蔡永豐

摘? ?要：為了優(yōu)化集裝箱碼頭的能源管理，提高碼頭的用能效率，企業(yè)層面的能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)亟待構(gòu)建。文章通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能等設(shè)計(jì)，提出碼頭能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)建設(shè)整體方案。文章以大型企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)—能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)為管理數(shù)據(jù)源，系統(tǒng)采用B/S 方式，Web 服務(wù)器充當(dāng)信息門戶，來(lái)實(shí)現(xiàn)能源管理模式的數(shù)據(jù)化，以客觀的數(shù)據(jù)、合理的解析算法為考核的基礎(chǔ)，以能源管理為主線，以績(jī)效管理為目標(biāo)，以設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境變動(dòng)檢測(cè)等解析表單為輔助工具，建立完善的能源及生產(chǎn)作業(yè)管理機(jī)制。目前，碼頭能源管理得到了系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐，管理效率大大提升。

關(guān)鍵詞：港口;集裝箱碼頭;能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)

能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)（Energy Management Systeam，EMS）是以碼頭企業(yè)生產(chǎn)管理、節(jié)能管理、環(huán)境管理為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等有關(guān)信息化技術(shù)為依托，構(gòu)筑網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化的綜合性管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)碼頭主要用能設(shè)備設(shè)施等能耗情況和港區(qū)范圍內(nèi)環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)設(shè)備設(shè)施的能耗和環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行精細(xì)化的統(tǒng)計(jì)和分析，生成多種數(shù)據(jù)報(bào)表，并且可根據(jù)碼頭實(shí)際情況構(gòu)建的模型，提供節(jié)能環(huán)保減排的建議，同時(shí)借助現(xiàn)場(chǎng)的控制器，實(shí)施管控平臺(tái)發(fā)出的智能決策以降低碼頭整體運(yùn)維能耗和保持碼頭整體的環(huán)境優(yōu)良，并對(duì)各種節(jié)能措施的節(jié)能環(huán)保效果進(jìn)行評(píng)測(cè)，通過(guò)分析，得到不同條件下最優(yōu)的節(jié)能環(huán)保措施和解決方法，不斷迭代，提高生產(chǎn)管理、能源能效管理、環(huán)境管理的工作效率和水平。以構(gòu)建碼頭能效管理和環(huán)境監(jiān)測(cè)的一體化為首要目的，最終實(shí)現(xiàn)“綠色碼頭”的愿景。

1? ? 問(wèn)題分析

目前，集裝箱碼頭能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)存在系統(tǒng)功能單一、系統(tǒng)功能與企業(yè)管理體制不配套等問(wèn)題。有些企業(yè)對(duì)能源管理認(rèn)識(shí)有所偏差，不恰當(dāng)?shù)販p少能源的使用，未對(duì)能源循環(huán)利用以及對(duì)控制能源生產(chǎn)成本的思考;或只重視技術(shù)層面上的管理，卻未考慮人的作用，適當(dāng)?shù)穆毠す芾碇贫取⒓?lì)制度、培訓(xùn)制度等能夠與能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)相輔相成。故而，能源動(dòng)態(tài)監(jiān)控及數(shù)字化管理系統(tǒng)的建立完善，能促使能源平衡趨于最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性、一體化的節(jié)能降耗管控。

能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)建設(shè)要對(duì)港區(qū)內(nèi)的現(xiàn)有耗能設(shè)備、計(jì)量?jī)x器和通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新改造，建立“分散采集、集中管理”的能耗管控網(wǎng)絡(luò)，收集生產(chǎn)作業(yè)中大量分散的用水、用電、用油等的能耗數(shù)據(jù)，采用智能采集匯總的方式，實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)匯總、靈活報(bào)表、動(dòng)態(tài)分析”的能源及生產(chǎn)作業(yè)管理模式，提供實(shí)時(shí)及縱向數(shù)據(jù)分析、橫向比對(duì)功能，以發(fā)現(xiàn)能源消耗過(guò)程和用能結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)用能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和管理，建立碼頭能耗評(píng)估管理體系，提高港口現(xiàn)有用能設(shè)備的效率，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。

2? ? 系統(tǒng)架構(gòu)

能源及環(huán)境管理信息系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的采集、傳輸及分析通過(guò)4層實(shí)現(xiàn)：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通訊層、數(shù)據(jù)集成層和應(yīng)用服務(wù)層，這4層通過(guò)各級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)連接在一起。能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層具備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視功能和設(shè)備能耗測(cè)量。能耗設(shè)備包括龍門吊、橋吊、流機(jī)、高桿燈和冷藏箱等?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層設(shè)備包括多功能電表、遠(yuǎn)傳水表、油耗儀表等，儀表數(shù)據(jù)通過(guò)具備通信功能的RTU設(shè)備進(jìn)行采集上傳，通過(guò)光纖、屏蔽雙絞線和無(wú)線通信等，向上一級(jí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控中心傳輸測(cè)量值、信號(hào)量信息并執(zhí)行控制輸出。可以通過(guò)通信管理機(jī)獲取設(shè)施部分已接入第三方系統(tǒng)儀表的數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)通信層是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的紐帶，完成數(shù)據(jù)集成層、應(yīng)用服務(wù)層與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層之間的實(shí)時(shí)信息交換，完成智能設(shè)備的接入，實(shí)現(xiàn)通信物理介質(zhì)和規(guī)約的接入和轉(zhuǎn)換。通信接口層設(shè)備包括Modbus網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備，用于現(xiàn)場(chǎng)間隔層測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和接入，并與系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的以太網(wǎng)通信。

數(shù)據(jù)集成層和應(yīng)用服務(wù)層由硬件設(shè)備（服務(wù)器、計(jì)算機(jī)等）和軟件（采集軟件、系統(tǒng)軟件、監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)等）構(gòu)成，是系統(tǒng)的控制中心，用于布置能源管理系統(tǒng)平臺(tái)，顯示人機(jī)界面，具備對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示、監(jiān)視功能，并通過(guò)相應(yīng)權(quán)限對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

3? ? 系統(tǒng)功能

3.1? 用能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

能源及生產(chǎn)作業(yè)管理需要準(zhǔn)確、客觀的數(shù)據(jù)作為依據(jù)。EMS系統(tǒng)旨在通過(guò)對(duì)能耗數(shù)據(jù)的收集和分析，因此，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集的功能，通過(guò)對(duì)碼頭的各能源數(shù)據(jù)采集，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、監(jiān)視、報(bào)警、分析、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)的功能，能源及生產(chǎn)管控的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集。

3.1.1? 用能預(yù)警

數(shù)據(jù)的分析是整個(gè)能源在線監(jiān)管系統(tǒng)的核心部分，是在對(duì)港區(qū)采集的能耗、用電特征等信息進(jìn)行深入分析與挖掘的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)港區(qū)用能的直觀展示，為用能策略的制定提供依據(jù)。

決策輔助功能是EMS系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)以往的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合生產(chǎn)系統(tǒng)任務(wù)分析，設(shè)備、設(shè)施用能和環(huán)境情況是否處于正常范圍內(nèi)，并進(jìn)行提示預(yù)警。

當(dāng)班用能預(yù)警通過(guò)監(jiān)控班組的用能、百箱轉(zhuǎn)場(chǎng)數(shù)、用電轉(zhuǎn)場(chǎng)比、移箱比等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)用能科學(xué)性，提供操作部門適時(shí)調(diào)整資源。相應(yīng)的當(dāng)班用能預(yù)警的輸出按照?qǐng)Dx的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。

3.1.2? 當(dāng)班單機(jī)用能預(yù)警

當(dāng)班用能預(yù)警通過(guò)監(jiān)控班組的動(dòng)作數(shù)、實(shí)際用能、用電量、用油量、轉(zhuǎn)場(chǎng)數(shù)及作業(yè)時(shí)間等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)評(píng)估單機(jī)用能科學(xué)性，提供操作部門適時(shí)調(diào)整資源。相應(yīng)的當(dāng)班單機(jī)用能預(yù)警的輸出按照權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。

3.2? 能源管理體系化

包括作業(yè)隊(duì)及個(gè)人季度及年度能源管理績(jī)效。用于能源管理的持續(xù)改進(jìn)

3.2.1? 能源管理基準(zhǔn)

建立能源管理基準(zhǔn)和標(biāo)桿是能源管理體系的一項(xiàng)基礎(chǔ)的、不可缺少的工作，依據(jù)所確定的基準(zhǔn)、標(biāo)桿進(jìn)行能源績(jī)效的縱向比較和橫向比較。同時(shí)，基準(zhǔn)和標(biāo)桿也是確定能源目標(biāo)的基礎(chǔ)。碼頭依據(jù)一定邊界條件和生產(chǎn)、設(shè)備正常狀態(tài)下一定時(shí)期的能源消耗和能源效率水平來(lái)確定能源基準(zhǔn)。確定基準(zhǔn)主要用于自身跨期比較，進(jìn)而在綜合能耗方面確定、評(píng)價(jià)能源管理目標(biāo)，評(píng)估能源績(jī)效。這里取2017年的綜合能源單耗實(shí)際值為基準(zhǔn)。

3.2.2? 能源管理目標(biāo)

能源目標(biāo)是指所要實(shí)現(xiàn)的降低能源消耗、提高能源利用效率的總體要求。能源目標(biāo)通常是定性的，針對(duì)某一具體的能源因素提出總體要求，而能源指標(biāo)通常是定量的并且是可測(cè)量的，如用電量指標(biāo)、用電轉(zhuǎn)場(chǎng)率指標(biāo)、移箱率指標(biāo)等。能源目標(biāo)和指標(biāo)通常是“內(nèi)外結(jié)合的比較要求”。碼頭在建立能源目標(biāo)和指標(biāo)時(shí)規(guī)定統(tǒng)計(jì)計(jì)算的方法、考核準(zhǔn)則等。碼頭在總體及各部門層次上建立、實(shí)施和保持能源目標(biāo)和指標(biāo)，并根據(jù)能源使用的客觀變化，特別是主要能源使用變更時(shí)，例如：龍門吊油改電、龍門吊用電轉(zhuǎn)場(chǎng)等情況，這時(shí)應(yīng)適時(shí)更新或調(diào)整能源目標(biāo)和指標(biāo)，以適用變化的要求。碼頭每年進(jìn)行一次能源管理目標(biāo)的制定。

3.2.3? 能源管理參數(shù)

明確影響運(yùn)行控制的績(jī)效參數(shù)，能源績(jī)效參數(shù)可以是直接測(cè)量的參數(shù)，也可以是模型計(jì)算獲得的參數(shù)模型，該系統(tǒng)選用操作比、移箱比例、萬(wàn)箱轉(zhuǎn)場(chǎng)次數(shù)、用電轉(zhuǎn)場(chǎng)比例等作為能源管理參數(shù)。此類參數(shù)與監(jiān)控對(duì)象（如用能設(shè)備、用能系統(tǒng)）的能源績(jī)效水平密切相關(guān)。碼頭通過(guò)對(duì)能源績(jī)效參數(shù)的監(jiān)視和測(cè)量，可實(shí)時(shí)掌握能源績(jī)效水平，定期評(píng)估，尋找管理提升機(jī)會(huì)，采取控制措施，確保能源目標(biāo)和指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

能源績(jī)效參數(shù)和能源基準(zhǔn)是能源管理體系中相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)主要因素。能源績(jī)效參數(shù)的主要作用是量化整個(gè)碼頭不同部分的能源績(jī)效。能源基準(zhǔn)的主要作用是比較一段時(shí)間內(nèi)的能源績(jī)效并量化能源績(jī)效的變化。

建立能源基準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)使用在基準(zhǔn)期內(nèi)所收集的數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，使用能源績(jī)效參數(shù)的測(cè)量值和能源基準(zhǔn)對(duì)能源績(jī)效的變化進(jìn)行評(píng)估，并評(píng)價(jià)能源績(jī)效參數(shù)和能源基準(zhǔn)是否適用。能源績(jī)效參數(shù)和能源基準(zhǔn)確定、使用和更新過(guò)程如圖2所示。

通常使用線性回歸等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)能耗模型進(jìn)行歸一或建模。用歸一化的能源績(jī)效參數(shù)和能源基準(zhǔn)來(lái)計(jì)算能源績(jī)效的一般方法如圖3所示。將報(bào)告期內(nèi)的實(shí)際能耗與歸一化后的基準(zhǔn)期能耗進(jìn)行比較，則能夠得出能源績(jī)效的優(yōu)化情況。

能源績(jī)效參數(shù)模型通常都基于基準(zhǔn)期的相關(guān)變量值來(lái)建立。能源績(jī)效參數(shù)（本例以每月龍門吊用能為例）模型可以用能耗與相關(guān)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)表達(dá)，如果采用線性回歸，可以采用表達(dá)式（1）：

式中：E為每月能源消耗，單位為tce/month;A為每月能耗基本負(fù)荷，單位為tce/month;B為單箱能耗，單位為tce/（month·teu）;P為每月箱量，單位為：箱量/月;C為月平均溫度每變化1℃的單箱能耗變化量，單位為tce/℃;ΔT為本月平均溫度變化量，單位為℃。A，B，C項(xiàng)來(lái)自線性或非線性回歸，或來(lái)自對(duì)一些基于工程理論的系統(tǒng)理解。同時(shí)，該模型公式應(yīng)能通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，可通過(guò)確定系數(shù)、變異系數(shù)或者方差等方式檢驗(yàn)。公式中的獨(dú)立變量或者相關(guān)變量也應(yīng)是可統(tǒng)計(jì)的影響能耗變化的重要參數(shù)，為了評(píng)估他們的重要性，每個(gè)變量都應(yīng)滿足特定的統(tǒng)計(jì)學(xué)要求。

如果模型計(jì)算的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)差別很大.則需要進(jìn)行檢查：

（1）相關(guān)變量可能缺失。（2）剔除離樣數(shù)據(jù)。（3）改變數(shù)據(jù)收集頻率和時(shí)期（例如每小時(shí)、每天，或者每月等）。

將報(bào)告期內(nèi)相關(guān)變量數(shù)值代入已建立的歸一化能耗模型，即得到歸一化后的基期能耗值，表達(dá)式見(jiàn)式（2）：

式中：ER為歸一化后的基期能耗值;A，B，C為同3.1式中的系數(shù);PR為報(bào)告期內(nèi)與箱量相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù);ΔTR為報(bào)告期內(nèi)的月平均溫度變化測(cè)量數(shù)據(jù)。

為計(jì)算能源績(jī)效的變化，可將歸一化后的基期能耗值與報(bào)告期的實(shí)際能耗值進(jìn)行比較，能耗的變化量可由式（3）計(jì)算：

式中：ΔE為能耗變化值;ER為歸一化后的基期能耗值;EA為報(bào)告期實(shí)際能耗值。這樣就能夠得出能源績(jī)效的改進(jìn)情況。

3.3? 績(jī)效考核

績(jī)效管理需要有客觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。隨著對(duì)EMS系統(tǒng)的摸索應(yīng)用，EMS對(duì)于司機(jī)作業(yè)的管理已經(jīng)成為不可或缺的一部分，它所記錄的數(shù)據(jù)信息是死的，但通過(guò)對(duì)管理所需的數(shù)據(jù)分析，利用相應(yīng)的考核算法對(duì)作業(yè)隊(duì)及個(gè)人進(jìn)行評(píng)分，提供有效的數(shù)據(jù)支持績(jī)效考核。

作業(yè)隊(duì)考核采取縱向考核即對(duì)各個(gè)作業(yè)隊(duì)各個(gè)季度及年度的能效進(jìn)行考核的模式?？v向考核分析作業(yè)隊(duì)在不同時(shí)段的能效，有助于分析作業(yè)隊(duì)發(fā)展的階段和趨勢(shì)，使得團(tuán)隊(duì)績(jī)效能夠持續(xù)提升。

機(jī)種司機(jī)個(gè)人考核采取橫向考核即對(duì)各個(gè)司機(jī)單耗進(jìn)行比對(duì)的考核模式。橫向考核能使司機(jī)了解與其他司機(jī)的差異，從而引導(dǎo)全員養(yǎng)成學(xué)習(xí)思考的習(xí)慣，認(rèn)識(shí)自己的長(zhǎng)處與不足，避免認(rèn)識(shí)上的局限與狹隘，培育職業(yè)人素質(zhì)，強(qiáng)化工作意愿，進(jìn)而提高工作技能。

3.4? 社會(huì)效益評(píng)估

廢氣、廢水、廢渣的排放嚴(yán)重破壞著生態(tài)環(huán)境。為積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的號(hào)召，碼頭通過(guò)構(gòu)建能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)對(duì)環(huán)境綜合進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)大氣污染進(jìn)行監(jiān)控。適時(shí)地對(duì)社會(huì)效益進(jìn)行評(píng)估，對(duì)萬(wàn)箱節(jié)能的噸標(biāo)煤進(jìn)行分析計(jì)算，達(dá)成節(jié)能減排實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的雙贏的效果。

隨著碼頭產(chǎn)量的與日俱增，各種能源消耗量也日漸增加（見(jiàn)表1）。目前，對(duì)于能源管理尚處于分散簡(jiǎn)單的初級(jí)階段，存在諸多漏洞，無(wú)法保證公司生產(chǎn)成本的管控、節(jié)能降耗最優(yōu)化，影響綠色環(huán)保碼頭的建設(shè)。所以，建設(shè)一套先進(jìn)的能源管理平臺(tái)，對(duì)能源進(jìn)行全面合理的管控將具有重大意義。

這一系統(tǒng)將使得企業(yè)減少成本和能源消耗趨于最優(yōu)，使企業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展更進(jìn)一步。

這一管理技術(shù)革新在充分體現(xiàn)了科學(xué)管理和以人為本相結(jié)合的理念，擁有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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