重型裝備制造企業能源管理系統的設計與實現

李小萌，王 堅，戴毅茹

（同濟大學 CIMS研究中心，上海 201804）

0 引言

企業能源消費過程包括能源的購入、轉化、儲存、使用、回收和放散幾大過程。能源管理系統EMS（Energy Management System）是企業信息化系統的一個重要組成部分。企業能源管理系統就是在生產過程中對電、煤氣、天然氣等能耗數據進行采集、存儲、查詢、統計和分析，提供企業能耗統計、能源消耗計劃等管理。

重型裝備制造企業是一家大型鍛鑄件制造企業，生產流程包括冶鑄，鍛造，熱處理，機加工等。能源消耗十分巨大，節能潛力很可觀。在企業開展以節能減排為目標的能源管理工作，將會產生巨大的經濟效益。本文以重型裝備制造企業的節能減排為需求，介紹了重型裝備制造企業能源管理系統的設計與實現。該能源管理系統主要對能源介質、能耗設備、計量設備、計量數據、能耗統計、能源消耗預測進行管理。

1 系統設計

1.1 系統設計思想

（1）能源消耗統計。本系統以能耗設備為統計單位，對能耗設備基礎數據進行統計分析，可以實現車間、能源介質、設備等統計對象在任意（年、季、月、日）時間單位內的能耗統計，進行圖表和表格輸出。搭建好數據庫后，建立部門車間、能源介質、設備，計量數據等數據表，并創建表與表之間的關系。然后通過編寫程序進行能源介質、設備、計量數據的查詢、增刪改等操作，并進行能耗統計。所有操作都是通過觸發控件事件，在事件里按不同條件情況寫好查詢語句和操作步驟，然后在數據庫執行查詢計算，增刪改等操作，并在界面上展示出來。C#和SQL Server數據庫的交互通過ADO.NET實現。

（2）能源消耗預測。在能耗統計基礎上可以進行能源消耗預測，能源消耗預測是基于歷年各個產品的產量和當年的能源消耗量來進行的，給定預測年份各個產品的產量，采用最小二乘法，即可得到該預測年份的能源消耗預測值。

矩陣A為6×5維度的由a11～a65組成，即為往年各個產品數量矩陣，矩陣B為6×1維度的由b1～b6組成，即為往年總能耗矩陣。矩陣X為5×1維度的由x1～x5組成，x1～x5為產品一到產品五在預測年份（如2013年）的產品單耗，通過矩陣計算求出矩陣X，得到x1～x5的值。矩陣P為1×5維度的由p1～p5組成，p1到p5為產品一到產品五在預測年份的產品數量，預測年份的總能耗為E：

表1 能源消耗預測

E=p1x1+p2x2+p3x3+p4x4+p5x5。矩陣計算如下：

AX=B，ATAX=ATB，X=（ATA）-1ATB，E=PX

1.2 系統架構設計

系統的總體架構由應用層、模型層和數據層組成。應用層包括能耗統計及圖表輸出以及能源消耗預測。模型層為應用層提供各類計算模型，包括支持能耗統計的設備能耗統計模型、車間能耗統計模型、介質能耗統計模型和支持能耗預測的最小二乘法預測模型。數據層為模型層和應用層提供制造設備參數及基礎能耗數據。

1.3 網絡拓撲結構設計

網絡拓撲結構包括：①能源計量設備，如煤氣表、天然氣表等，經由通信接口將數據輸出至現場總線；②數據傳輸網絡，有現場數據傳輸電纜、交換機等，將采集到的數據通過現場總線輸出到數據庫服務器；③能源管理系統客戶端，連接到以太網內部的客戶端訪問基礎能源消耗數據庫服務器。

2 系統功能

本軟件功能模塊如下：①能源介質管理。本系統涉及到的能源介質有煤氣、天然氣。按能源介質形態（固、液、氣）對能源介質進行查詢及增刪改等；②設備管理。按部門、設備類型、能源介質、使用狀況等對設備進行查詢，及增刪改等，設備信息導出Excel表格；③計量數據管理。按能耗設備對計量數據進行查詢等管理；④計量設備管理。包括計量設備檔案管理、檢定管理和維修管理。按計量設備等級對計量設備進行查詢，增刪改等；按計量設備對檢定記錄和維修記錄進行查詢，增刪改等；⑤能源消耗統計。對車間、設備、介質等不同統計對象類型進行能耗統計分析。按部門、能源介質等不同分類選擇統計對象，按照統計類型（年、季、月、日），選擇統計時間段，即可繪出所選對象在該時間段內的能耗值，用圖表和表格顯示統計結果，并導出到Excel；⑥能源消耗預測。根據往年的各個產品數量和當年的能耗總量，給定預測年份各個產品數量，對該預測年份的能源消耗總量進行預測，預測結果用圖表表示，同時顯示歷史數據和預測值。

3 系統實現

重型裝備制造企業能源綜合管理系統采用客戶端/服務器端（C/S）模式，在.NET框架內，運用Visual Studio 2010開發環境，使用C#語言開發。數據庫使用Microsoft的SQL Server 2008數據庫。C#程序與數據庫連接部分采用ADO.NET技術實現。

3.1 數據庫設計

首先創建數據庫，詳見表2。然后創建系統所需數據表，其中計量數據表是按照能源介質建表的，即分為天然氣計量數據表和煤氣計量數據表，計量數據是按小時采集的。表與表之間通過外鍵連接，可以實現級聯更新和刪除。各個表之間的外鍵連接關系如數據表關系詳見圖3。

表2 創建數據表

圖3 數據表關系圖

3.2 同步更新數據庫

計量數據表設計好后，可以通過主界面 “系統”菜單里的 “更新數據庫”選項來將重型裝備制造企業能源消耗基礎數據庫里的數據同步到本軟件數據庫。此功能通過ADO.NET技術實現。本軟件同時連接到重型裝備制造企業數據庫和本軟件數據庫，從重型裝備制造企業數據庫選擇出計量數據插入到本軟件數據庫相應數據表里面。

3.3 計量數據管理

更新本系統數據庫后，就可以選擇計量數據管理模塊，在左邊樹狀導航窗體里面按車間列出能耗設備，單擊選擇某個能耗設備，就可以查看對應的所有計量數據。還可以進行 “查詢”操作，查詢該設備一段時間內的計量數據。

3.4 能耗統計

能耗統計就是基于計量數據來進行的。打開能耗統計功能模塊，選擇統計類型（年、季、月、日），然后在統計時間下拉框里勾選多個（年、季、月、日）時間點，再在統計對象里勾選多個（車間、能源介質、設備類型等類型）統計對象，雙擊 “繪圖”，即可出現統計結果的圖表和表格。圖表包括直線圖、柱形圖、餅圖、散點圖、條形圖和面積圖。雙擊某個圖還可以單獨顯示該圖。能耗統計的實現就是通過用戶選擇的統計類型、統計對象、統計時間等不同條件，分別編寫數據庫查詢語句，對查詢結果進行計算得到統計值，以圖表和表格的形式呈現給用戶。可以選擇圖例，3D，網格線等豐富的界面元素使得圖表更生動。

圖4 能耗統計結果

3.5 能源消耗預測

能源消耗預測是基于往年的各個產品數量和當年的能耗總量，通過給定要預測年份的各個產品數量，采用最小二乘法算法，來預測該年份的能耗總量的。因此，要進行能源消耗預測，用戶首先要輸入各個產品的數量，得到預測年份各個產品數量矩陣P，然后指定預測年份，選擇 “最小二乘法預測”，即可顯示預測結果圖表，得到能耗預測值。能源消耗預測所進行的矩陣計算，由Matrix類實現，該類有矩陣相乘，矩陣求逆等實現方法。從數據庫中查詢出歷年各個產品數量和當年的總能耗，得到往年各個產品數量矩陣A和對應往年總能耗矩陣B，通過Matrix類進行矩陣計算，求出預測年份各個產品單耗矩陣X。預測年份的總能耗為E=PX。

4 結束語

大型制造企業須借助能源管理系統來進行信息化管理。通過能耗設備管理，能源計量設備管理能耗統計，能源消耗預測等多種形式，使企業管理者對企業能源消耗過程及未來走向有準確把握，可詳細了解各個生產部門車間甚至每臺能耗設備的能源消耗情況，能夠方便制定各個部門車間能耗計劃任務，明確各個部門車間的職責，促進企業健康穩定發展。

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