面向企業的能源效率在線管理系統的研究

肖 鵬，余曉曦，李 龍，楊春生

（中國測試技術研究院電子研究所，四川 成都 610021）

0 引 言

隨著我國經濟的快速增長，對能源種類和總量的需求也不斷增長，我國現有的資源已無法滿足國內發展的需求，必須靠進口來滿足經濟增長的需要。根據英國石油公司（BP）最新發布的《世界能源統計回顧2011》數據顯示：2010年，中國一次能源消費總量超過美國，躍居世界第一；但是從能源利用率來看，單位GDP能耗卻是主要發達國家的4倍之多。由于世界能源日趨緊張，我國政府早已意識到中國工業化經濟已不再允許走高污染、高能耗的老路，需要走資源節約型的經濟增長道路；因此，實施節能減排是我國經濟可持續發展的必由之路。

1 節能減排的方式

我國工業能耗占全部能耗的71.3%，節能減排的潛力和重點就是針對高能耗的企業。企業節能減排主要靠調整產品結構、加快節能技術進步和加強企業管理3種方式來實現。從具體實踐情況來講，在企業產品結構一時沒有重大變化的情況下，企業技術創新與加強管理就顯得尤為重要。

目前大部分企業的節能僅僅局限于對設備或工藝的技術改造，忽視了自身整體用能狀況，也沒有運用信化管理手段從整體上調控企業的合理用能。而傳統的能源管理手段已相對落后，通過提高管理水平來挖掘企業的節能潛力成為企業節能減排的重要抓手。

傳感器技術、計算機技術和網絡技術的不斷發展為企業能效在線管理系統提供了技術平臺，通過遍布企業的在線測量儀器，全面、實時地監控企業的能源消耗水平，為企業的能源調度、生產指揮提供準確的信息和決策支持，達到對消耗能源的精細化管理，從而實現節能減排。

2 能效在線管理的系統方案

能效在線管理系統采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業能源系統的生產、輸配和消耗環節實施集中扁平化的動態監控和數字化管理，對企業的重點能耗數據進行監測、記錄，實時監控企業各種能源的詳細消耗情況。通過對采集回來能耗數據的分析、評價，提供輔助決策手段，改進和優化能源平衡，提高企業的管理水平，為節能降耗提供直觀科學的依據，實現系統性的節能降耗，全面提高企業核心競爭力和可持續發展能力。

能效在線管理系統主要由能效在線監測系統、能效數據管理系統、能效分析系統3個子系統組成。能效在線監測子系統是現場數據來源的基礎；能效數據管理子系統是整個系統的核心，負責所有數據的分類管理；能效分析子系統在前者的基礎上進行分析評價，為管理者提供決策依據，同時它與企業的企業資源計劃（ERP）系統和制造執行管理系統（MES）共同協調工作，保證整個企業生產經濟、有序進行。能效在線管理系統的工作原理如圖1所示。

2.1 能效在線監測系統

能效在線監測系統綜合運用了現代網絡通信技術、計算機技術和自動化控制等技術，根據工業企業變配電系統、水循環系統、壓縮空氣系統、鍋爐系統、真空系統以及空調制冷系統等設備的特點，對其進行遠程監控，實時采集設備的運行參數，自動記錄和處理相關數據，對系統故障進行實時報警，計量相關能源在生產輸配各環節的消耗情況。能效在線監測系統幫助企業減少設備維護人員的工作，提高設備維護的效率和可靠性，從而提高企業管理水平，降低能源消耗。

2.1.1 能效數據采集的原則

根據企業能源系統輸配平衡的要求，能源管理信息的細度應謹慎選擇；同時對數據采集系統應以分散采集方式為主，這樣可以降低整個系統的風險，提高系統的安全性和可維護性。

2.1.2 能效數據采集系統的結構

將繁瑣的采集系統劃分為3層網絡結構[4-6]，即測控層、網絡傳輸層和數據管理層，如圖2所示。測控層主要是指現場PLC采集站對各能源計量點進行在線數據采集，采集的數據通過網絡傳輸層的光纖冗余環網傳輸到服務器進行存儲，數據管理層的各工程師站實現對設備的集中監控，同時對服務器儲存的數據進行進一步的分析處理。

2.1.3 能效數據采集需要注意的地方

很多企業能源在線監測設備上存在缺陷，主要有設備老化、精度降低、儀表沒有溫度和壓力補償等問題。針對這些情況，對精度低、已經老化的儀表進行更換，對需要增加溫度、壓力補償的儀表進行補償，使經過補償后的能耗數據更加精確、真實。

2.2 能效在線數據管理系統

圖1 能效在線管理系統的工作原理圖

能效在線數據管理系統是整個管理系統的核心[7-8]，起著承上啟下的作用，一方面對采集來的數據進行存儲，另一方面對整個系統的數據進行歸類、分析。能效在線數據管理系統的功能框圖如圖3所示。該系統主要功能是構建數據庫、對數據庫數據維護、建立數據查詢表、匯總表和透視表，同時系統提供遠程WEB訪問、能效分析系統應用程序接口等功能。同時能效在線數據管理系統業務管理功能從能源實際管理、能源計劃管理、能源成本管理、能源質量管理、重點能耗設備管理、能源審計輔助管理和環保管理等方面進行管理。

圖2 能效數據在線采集的結構圖

圖3 能效在線數據管理系統功能框圖

2.3 能效數據分析系統

企業能效數據分析系統是在能效基礎數據的基礎上，建立企業能源分析、評價模型，對企業不同生產計劃進行能耗預測和分析，為企業生產及能源管理提供技術支持，指導企業生產。本系統采用投入產出模型來計算能源消耗，同時利用能量平衡法來分析企業的用能狀況。

2.3.1 投入產出法

企業單位產品能耗的計算有很多方法。其中，投入產出法具有直觀、方便等特點，可以幫助企業利用現有的生產能力和資源條件進行最優安排、取得最佳經濟效益。

表1是企業的投入產出表，可知，企業有n種自產產品，m種外購能源，l種非能源物資。

表1中A=（aij）n×n為企業自產產品對本身的直接消耗系數矩陣，B=（bij）m×n為企業自產產品對能源投入的直接消耗系數矩陣，C=（cij）l×n企業自產產品對其他非能源物資投入的直接消耗系數矩陣。

令 Ea=（Ea1，Ea2，…，Ean）T為企業自產產品能耗列向量；

Eb=（Eb1，Eb2，…，Ebm）T為企業所投入能源的能耗列向量；

Ec=（Ec1，Ec2，…，Eal）T為企業投入非能源物資的能耗列向量。

由產品能值的定義得

寫成矩陣形式

合并后得

根據式（2）可知，影響企業產品能值Ea有5種因素：自產產品對本身的直接消耗、自產產品對能源的直接消耗、自產產品對非能源物質的直接消耗、能源產品的能值和企業投入非能源物質的能值。因此，只要獲得以上5種參數就可以模擬出企業產品的能值。

表1 企業投入產出表

能效數據分析系統利用投入產出的分析方法，首先根據企業的實際狀況，輸入相應的參數，通過計算機分析處理后，得到企業相應的用能模型。系統依據得到的模型，綜合企業的自產產品和外購產品等參數進行計算，給出企業能耗相應的統計報表數據，最后企業管理人員通過對能耗計算結果的對比、分析，對生產預案進行調整，最終獲得最優的生產方案。

2.3.2 企業能量平衡分析法

企業能量平衡分析法根據企業能源網絡流動的方向，將企業能量平衡系統劃分為購入貯存、加工轉換、輸送分配和最終使用4個環節。能效數據分析系統將企業的能量平衡系統映像到計算機程序，實現了企業能量平衡的軟件化。

能源平衡管理首先需要對企業的能源介質網絡進行建模[9-11]，流程企業的能源包括若干個介質網絡（如煤氣、電力、水等），在每個介質網絡中包括能源生產、消耗、傳輸和庫存的工藝設備節點，這些設備節點通過管網連接在一起構成能源網絡?？梢园熏F實的能源介質網絡抽象為有向圖，各個節點對應各類工藝設備，節點取值范圍表示各類工藝設備能力，節點的權表示能源的價值。節點間的有向連接對應能源供給關系，連接的權表示分配或轉化系數。系統對平衡計算的主要依據是多用多攤和按系數分攤，同時可以人工確定是否分攤，靈活運行這些平衡規則，快速對裝置、車間、分廠的能耗數據進行平衡計算。通過平衡分析計算企業的能量利用率，可以很容易的發現企業的節能工作的重點，為企業的節能減排提供了有力的技術支持。

3 系統進一步發揮作用的措施

3.1 建立與企業相適應的管理體制

能效管理是一個系統性的管理問題，不是簡單的對某一設備或工序進行管理，凡是涉及到與能源相關的部門都應具有一定的管理職能，確保能源在消耗的過程中每一個環節都有監控和管理，這樣的管理體制才能較好地適應現代化企業能源管理的需求，從而從制度上保證能效在線管理系統發揮重要的作用。

3.2 與企業的ERP對接

單獨的能效在線管理系統還無法獲得單位產值的能耗，還需要與ERP系統提供企業的生產計劃和相關的生產實績信息；同時，ERP系統也需要從能效在線管理系統獲取完整的能源統計數據和分析結果，只有實現能效在線管理系統與ERP系統的無縫集成，才能保障整個企業的管理系統高效運行；因此，能效在線管理系統設計初期就要考慮與ERP系統的功能劃分以及通信接口設計。

3.3 建立行業的能效標準

能效在線管理系統能夠對企業生產的某一個工序或某一個設備進行能效分析評價，這就需要獲得同行業相關的能效水平，然而由于缺乏同行業的準確信息，企業有時很難評價相關設備的能耗水平。這就需要相關權威機構能統計各個行業的真實指標，便于各個企業獲取。能效在線管理系統的能效評價功能，加上行業信息共享，將促進企業間對標挖潛工作，從而提高整個行業的能效水平。

4 結束語

該能效在線管理系統已成功應用于成都某企業，不僅幫助企業及時發現了生產中跑、冒、滴、漏的現象，而且為企業排查出很多水泵“大馬拉小車”的問題，幫助企業實現了節能減排的目標。企業能效在線管理系統覆蓋了從數據采集、數據審核、能耗平衡到能耗數據傳輸與顯示的業務流程，有效提高了數據處理的準確性和及時性，實時統計企業投入產出的情況，實現對能源消耗的精細化管理，為生產調度提供了決策支持。

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