基于數(shù)字化工廠的能源管理系統(tǒng)設計

熊 偉

（海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600）

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展和環(huán)境資源壓力越來越大，節(jié)能減排形式嚴峻。為貫徹落實黨中央、國務院《關于加快推進生態(tài)文明建設的意見》和國家“十三五”規(guī)劃《綱要》《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》《計量發(fā)展規(guī)劃（2013—2020 年）》《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略（2016—2030）》等有關工作要求，加快建設重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，健全能源計量體系，加強能源消費總量和強度“雙控”形勢分析和預測預警，推動完成“雙控”目標任務。

1 建設目標

利用互聯(lián)網(wǎng)技術、計算機軟件技術、數(shù)據(jù)協(xié)議通信技術、數(shù)據(jù)挖掘技術等相關的專業(yè)技術，建立一套高效、穩(wěn)定的企業(yè)能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。針對企業(yè)的水、電、汽等各能源品種的能耗數(shù)據(jù)實現(xiàn)二級甚至三級計量采集能力。

1）實現(xiàn)對各種能源介質(zhì)和重點耗能設備的能耗數(shù)據(jù)采集、計量和統(tǒng)計分析。

2）及時了解和掌握各種能源介質(zhì)的生產(chǎn)、使用，以及各種能源介質(zhì)管網(wǎng)、優(yōu)化調(diào)度和綜合管理。

3）實現(xiàn)關鍵耗能設備的運行工況監(jiān)測和效率監(jiān)控，進一步挖掘節(jié)能減排機會。

4）做到科學決策，正確指揮，確保安全、可靠、經(jīng)濟與高效運行，實現(xiàn)從經(jīng)驗型到分析型數(shù)據(jù)決策的轉(zhuǎn)變。

5）通過能源考核，提高節(jié)能減排的意識，全員動員節(jié)能減排。

能源管理系統(tǒng)建設近期目標實現(xiàn)對主要能耗介質(zhì)的監(jiān)控、計量及統(tǒng)計平衡，減少人工抄表和統(tǒng)計的工作量，提高能源利用分析能力。進一步加強對重點耗能設備的監(jiān)控，提高能源利用效率，挖掘節(jié)能減排機會。

2 設計原則

系統(tǒng)的建設遵循一致性、開放性、可靠性、先進性、繼承與可擴展性、實用性的原則。

1）一致性：按照技術標準統(tǒng)一、開發(fā)系統(tǒng)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)一、功能應用統(tǒng)一、展現(xiàn)方式統(tǒng)一的要求進行系統(tǒng)建設，滿足標準化建設的要求。

2）開放性：應采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信協(xié)議和功能規(guī)范，面向各類采集終端接入；應提供開放的軟件平臺和標準接口。

3）可靠性：提供高效可靠的軟硬件系統(tǒng)，確保系統(tǒng)整體穩(wěn)定運行；系統(tǒng)操作有權限及嚴格完善的密碼、日志管理，具有完備的數(shù)據(jù)備份和恢復機制。

4）先進性：采用先進的技術和產(chǎn)品，兼顧技術的成熟度，選擇符合發(fā)展趨勢的業(yè)界主流的技術架構及軟硬件平臺，系統(tǒng)性能應滿足今后五年內(nèi)業(yè)務發(fā)展的需要。

5）繼承與可擴展性：充分利用已有的軟硬件資源，繼承有價值的歷史數(shù)據(jù)，避免資源浪費和數(shù)據(jù)斷層；系統(tǒng)平臺與技術將充分配合未來功能及項目擴充的需求，系統(tǒng)的集成具有持續(xù)發(fā)展的可擴展性，硬軟件應采用便于升級的模塊化設計，可根據(jù)需求選擇模塊組合；系統(tǒng)升級時不影響系統(tǒng)運行。

6）實用性：以業(yè)務需求為前提，以實用化應用為目的，采用人性化的交互方式，界面簡潔、操作流暢、使用便捷，易于掌握。

7）高效性：注重各子系統(tǒng)的信息共享，提高整個能源管理中心系統(tǒng)高效率的傳輸與運行能力，設備和終端必須反映快速，充分配合實時性的需求。

8）可維護性：從能管系統(tǒng)的規(guī)劃和設計、硬件設備的選型和應用軟件系統(tǒng)的開發(fā)等方面考慮通用性、開放性。在系統(tǒng)局部發(fā)生故障時，運行維護人員能盡快發(fā)現(xiàn)并能及時處理，避免故障擴大并快速恢復正常運行。

3 技術路線

3.1 傳統(tǒng)SCADA技術路線

傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)及能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)采用工控SCADA 的技術和網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)采集上報和簡單報表功能，其系統(tǒng)結(jié)構示意如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)能管系統(tǒng)架構示意圖

其優(yōu)點是成本低，實施周期短，基本上采用現(xiàn)有的工控技術組態(tài)即可完成數(shù)據(jù)采集和存儲，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控的目的。缺點是獨立的數(shù)據(jù)采集自成體系，不具備長時間大數(shù)據(jù)存儲的能力，適合用于監(jiān)控和簡單報表功能，不具備大數(shù)據(jù)挖掘和智能化的監(jiān)控水平，無法完成復雜的業(yè)務處理。

3.2 基于數(shù)字化工廠技術路線

在數(shù)字化工廠及智能工廠的架構中能源管理系統(tǒng)是其中的一部分，底層的物聯(lián)互通、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和存儲都是共通的基礎平臺，通過能源管理系統(tǒng)的建設，逐步完成數(shù)字化工廠的規(guī)劃和構建可以極大地保障企業(yè)的信息化投資。

首先，應該摒棄孤立不能聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)建設觀念，避免新系統(tǒng)的建設形成新的信息孤島。應從企業(yè)的信息化角度出發(fā)，建立統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)平臺，數(shù)據(jù)集中進入到實時數(shù)據(jù)平臺再統(tǒng)一提供給能源管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)統(tǒng)計及大數(shù)據(jù)挖掘等功能模塊進行使用，可以極大提高企業(yè)信息化的水平。

其次，通過統(tǒng)一的企業(yè)實時數(shù)據(jù)平臺建設，可以有利于加強企業(yè)數(shù)據(jù)的管理，統(tǒng)一數(shù)據(jù)口徑，統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，對生產(chǎn)控制系統(tǒng)進行隔離，避免所有系統(tǒng)都跟工控系統(tǒng)進行直連，提高企業(yè)信息化的安全性。

通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，可以綜合匯總各方面的數(shù)據(jù)進行多維度的分析，例如原材料分析數(shù)據(jù)和產(chǎn)品質(zhì)量信息、生產(chǎn)的批次對比等可以更精確地實現(xiàn)能耗、碳排放等的計量分析。

4 功能設計

4.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整合多種采集通道，能利用多種不同的驅(qū)動和協(xié)議同時采集多種不同的能源和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)電力數(shù)據(jù)的采集，通過與通信管理機進行連接，采用MODBUS 協(xié)議完成數(shù)據(jù)通信或104規(guī)約完成數(shù)據(jù)采集。DCS 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集通過TCP 網(wǎng)絡接口進行連接，采用OPC 協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。

4.2 實時監(jiān)測

能源的實時監(jiān)測通過對全廠能源介質(zhì)管網(wǎng)進行繪制，實現(xiàn)全廠的統(tǒng)一監(jiān)控，也可以進一步到車間級別的監(jiān)控，系統(tǒng)可實現(xiàn)對電力、蒸汽、工廠風、水等耗能介質(zhì)的監(jiān)控。

4.3 計量平衡

實現(xiàn)對能源數(shù)據(jù)的自動抄表和計算，實現(xiàn)班、日、月階段數(shù)據(jù)的抄表計量，對于不能自動計量的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供手工輸入的界面進行數(shù)據(jù)補充。

能源平衡是能源管理重要工作內(nèi)容之一，需在能源管理平臺實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的自動分攤和平衡，為能源平衡調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)損耗的分攤計算，實現(xiàn)全廠能源計量平衡。

4.4 能耗統(tǒng)計分析

能耗統(tǒng)計與分析基于強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和挖掘工具，為能源管理人員提供各種統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，包括能源消耗聯(lián)動分析、趨勢分析和指標綜合查詢等豐富的統(tǒng)計分析信息。

能耗統(tǒng)計與分析致力于為能源考核、節(jié)能管理、能源報表、質(zhì)量管理等提供有價值的數(shù)據(jù)支撐，挖掘有利于節(jié)能減排的建議和措施，是能源管理的核心功能。

4.4.1 綜合能耗分析

主要對企業(yè)各種能源介質(zhì)消耗結(jié)構進行多維度綜合分析。包括各種能源介質(zhì)的消耗趨勢分析、餅圖分析、柱狀圖分析、數(shù)據(jù)分析。能源消耗結(jié)構柱狀圖、餅圖主要展示了各種能源消耗折標煤量的比例，分別以餅圖和柱狀圖直觀展示，是數(shù)據(jù)分析的圖形化展現(xiàn)。

4.4.2 能量平衡展示

主要對各種能耗介質(zhì)自動進行能量平衡，找到不平衡點。

4.5 重點用能設備監(jiān)控

能源管理系統(tǒng)的設備監(jiān)控功能主要實現(xiàn)設備運行監(jiān)控和設備能效監(jiān)控。

（1）設備運行監(jiān)控。實時監(jiān)視主生產(chǎn)線和重要耗能設備的關鍵工藝參數(shù)，如功率、壓力、流量等，并根據(jù)參數(shù)設計界限進行報警，同時提供參數(shù)的趨勢圖、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，滿足現(xiàn)場操作人員監(jiān)控需求。

（2）設備能效監(jiān)控。重點裝置能源使用效率是在設備實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)基礎上，去除現(xiàn)場數(shù)據(jù)的誤差后，通過軟件后臺的設備機理模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動模型進行實時計算的計算值，在監(jiān)控界面上實時顯示，并提供趨勢分析和查詢，作為設備用能異常判斷依據(jù)。

在線實時計算設備的能耗和能效數(shù)據(jù)的基礎上，建立能耗、能效與運行參數(shù)的關聯(lián)模型，確定在不同負載率情況下的設備能效和能耗正常范圍，并實時判斷當前的能耗和能效數(shù)據(jù)是否在范圍內(nèi)，跟蹤超出正常范圍的數(shù)據(jù)點發(fā)生次數(shù)、發(fā)生時長，達到一定條件后將會觸發(fā)異常報警，提醒生產(chǎn)操作人員關注，找出能耗能效異常原因并及時解決問題，從而有效提高能效和降低能耗。

4.6 對標管理

能效對標管理為兩種，綜合能耗指標和主要能耗指標；能效對標包括省標桿對標、國家標桿對標、行業(yè)標桿對標等，對標指標可配置，可在年初或年中進行修改和設定。

數(shù)據(jù)來源有三種。

（1）設定值：計劃指標和標桿指標；省標桿及國家標桿數(shù)據(jù)設置。

（2）系統(tǒng)計算：指標實際完成（按照結(jié)算消耗及綜合能耗、分企業(yè)能耗計算月報）、與歷史指標等的對比。

（3）人工輸入（每月）：交流排名、同行業(yè)指標情況，按設定表單輸入。

4.7 計量器具管理

能源管理系統(tǒng)可對計量器具進行臺賬管理，使能源計量器具配備情況一目了然，及時查看計量器具、器具檢驗單位和器具檢驗信息等。

4.8 能源資料管理

能源管理的重要性日漸增加，各級政府均對能耗雙控極其重視，企業(yè)由于人員的變動、電腦維修等原因，會造成資料的丟失，能源資料管理實現(xiàn)將紙質(zhì)的資料電子化，實現(xiàn)永久的保存和歸檔管理。給使用者和管理者帶來了極大便利。其次，可以將能耗外購資料及時歸檔，以便能源審計、能源核查時使用。

5 結(jié)論

隨著碳達標和能源雙控的加強，企業(yè)能源管理系統(tǒng)的建設重要性日益增加，通過數(shù)字化工廠的架構建設能源管理系統(tǒng)，有別于傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)建設架構，可以為企業(yè)帶來更大的價值，避免信息孤島的形成，保障企業(yè)信息化投資，提升企業(yè)能源管控水平。