西門子全集成能源管理解決方案

2015-01-01 02:19:20袁九正

設備管理與維修 2015年9期

袁九正

（西門子（中國）有限公司北京）

一、能源管理概念

隨著全球能源需求增加以及環(huán)境氣候變化，各個國家都對企業(yè)提出了節(jié)能減排的要求，并制定相應法律法規(guī)予以監(jiān)督，從企業(yè)自身來看，能源短缺及價格上漲也迫使企業(yè)進行節(jié)能增效。在這個過程中，許多問題困擾著企業(yè)管理者，怎樣清楚了解本企業(yè)目前能效狀況，節(jié)能減排采取哪些步驟，如何實施具體相關項目，除了常規(guī)采用變頻器、節(jié)能電機和節(jié)能元器件等單點節(jié)能方式，還要考慮如何系統(tǒng)化進行能源管理，建立一個現(xiàn)代化綠色企業(yè)。要解決這些問題，首先要了解節(jié)能減排、能源管理體系和企業(yè)能源管理系統(tǒng)等概念。

1.節(jié)能減排

節(jié)能減排的目的一方面是為企業(yè)節(jié)省費用，提高利潤，另一方面是幫助企業(yè)滿足國家能源法律法規(guī)，實際中，一般通過采用下列方法：①采用節(jié)能電機，提高電機效率；②采用變頻器，控制水泵、風機等大轉矩設備和位能設備；③提高功率因數(shù)，燃料燃燒率；④進行節(jié)能工藝改造等。

隨著企業(yè)信息化程度的提高，許多企業(yè)通過加強能源管理，優(yōu)化能源利用，提高節(jié)能減排水平，例如：①通過能源預測，合理安排能源采購及生產(chǎn)計劃；②基于對能效利用分析，找出企業(yè)節(jié)能減排的關鍵點；③基于能效考核，提高員工能源利用水平等。

2.能源管理體系

類似于ISO 9000的質量認證體系，能源管理認證體系是對工廠、經(jīng)營設施或組織的能源管理建立一框架，以協(xié)助企業(yè)進行能源管理、提高能源使用效率、減少成本支出及改善環(huán)境效益。目前很多國家和國際組織已經(jīng)建立了相應能源管理體系（表1），2009年，中國提出基于GB/T 23331的能源管理體系指導標準，作為ISO國際標準化組織重要一員，參與制定的ISO50001能源標準在2012年正式發(fā)布，目前已逐步要求企業(yè)按照相關規(guī)定進行能源采購、管理、節(jié)能項目實施等。在能源管理體系定義中，定義了一個企業(yè)如何去基于行業(yè)標準、企業(yè)標準管理能源，如何實施及驗證能源項目，并基于循環(huán)的原則逐步完善能源利用（圖1）。

3.能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)幫助企業(yè)實現(xiàn)分析能效利用狀況，通過能源預測、能源統(tǒng)計等手段查找潛在節(jié)能點，優(yōu)化能源利用，最終實現(xiàn)節(jié)能減排，該系統(tǒng)還要幫助企業(yè)符合國際能源管理體系。目前有很多廠家能夠提供比較成熟的解決方案及產(chǎn)品，內(nèi)容一般包括：①基于能源體系的行業(yè)法規(guī)、企業(yè)目標等管理；②能源透明化，包括能源流監(jiān)控、能源消耗花費統(tǒng)計；③能源應用過程中一些業(yè)務流程管理，如質量管理、用能管理等；④基于特定算法進行能效分析，包括能源預測、能源平衡等高級分析；⑤方便的基于圖表、趨勢等結果展現(xiàn)顯示。

表1 各國和國際組織能源管理體系標準

節(jié)能減排、能源管理系統(tǒng)和能源管理體系三者之間關系見圖2。

圖1 能源管理體系標準內(nèi)容

二、西門子公司TIP方案

西門子公司基于 PLC、WinCC、Powerrate、B.Data 等產(chǎn)品的全集成能管解決方案幫助企業(yè)實現(xiàn)能源高效利用。在數(shù)據(jù)采集層，基于控制器、控制儀表和WinCC，完成工廠水、電和氣等能源數(shù)據(jù)的采集；在控制層，基于Powerrate進行需量控制，通過在PLC中集成能源消耗預測算法、定義設備能源消耗的優(yōu)先級，避免出現(xiàn)消耗峰值，降低需量值從而降低電能花費；在管理層，基于B.Data進行能源消耗成本的透明化、能源消耗的中長期預測、重點耗能設備能源消耗關鍵性能指標分析等，幫助企業(yè)找出潛在的節(jié)能點。以下重點闡述Powerrate和B.Data兩個產(chǎn)品在控制層和管理層的功能和實現(xiàn)。

圖2 三者之間關系

1.數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控

西門子公司基于WinCC，對水、電和煤氣等的不同層級監(jiān)視畫面，以及全廠能源流監(jiān)控：全廠能源消耗信息的流程監(jiān)控，即能源流的在線監(jiān)控，根據(jù)工藝情況考慮不同層級：①全廠水、電和氣能源消耗流程圖；②重要工藝段能源流程圖（圖3）；③高耗能設備能源消耗圖。

圖3 工藝段能源監(jiān)控

2.需量控制

（1）需量管理概念。目前企業(yè)采用變壓器容量和需量兩種電費計價方式，在需量計價方式中，E=（P1+P2）×P3，其中P1——電能消耗、P2——需量契約電費、P3——功率因數(shù)決定系數(shù)。P1與企業(yè)生產(chǎn)能力相關，無法調(diào)整；P3根據(jù)行業(yè)特定功率因數(shù)，如行業(yè)為 0.9，若企業(yè)為 0.95，則 P3＜1，若企業(yè)為 0.85，則 P3＞1，相當于懲罰性措施；對于P1和P3，企業(yè)在后期基本固定，因此降低電費的關鍵是降低P2，如圖4通過削峰填谷，根本就是要避免出現(xiàn)15 min平均功率的峰值，最終降低需量值。

（2）Powerrate。如上文所述，必須遵守合同上規(guī)定的功率限值（對于功率，通常為 15 min的平均功率），否則可能產(chǎn)生較高的購買價格，甚至向公共事業(yè)支付罰款。SIMATIC WinCC Powerrate的負載管理周期性地執(zhí)行趨勢計算，在發(fā)現(xiàn)超出限值時，發(fā)布警告/報警消息，如有要求，可根據(jù)組態(tài)關閉負載耗電設備（圖5）。但是，當超出限值時，將對當前負載管理數(shù)據(jù)進行歸檔，以備后續(xù)分析。

圖4 用能過程降低峰值

圖5 Powerrate需量控制示例

3.能源管理

B.Data是WinCC選件，向用戶提供1個用于工業(yè)各部門的模塊化、獨立于行業(yè)的能源管理和企業(yè)信息系統(tǒng)；提供了1種可盈利的能源管理基礎，其降低能源成本，提高能源效率。最大優(yōu)點：①對能源生產(chǎn)和消耗設備的一致性能源和材料核算，整個公司營運透明；②允許將能源成本分配，實現(xiàn)與記賬系統(tǒng)的過渡（如SAP R/3 CO）；③生成有效建議參數(shù)，提高發(fā)電設備和耗電設備效率；④通過與生產(chǎn)相關的負載和需求預測，提供規(guī)劃可靠性；⑤通過成本優(yōu)化的功率采購，給采購部門提供支持；⑥符合監(jiān)視和報告溫室氣體排放（CO2排放）的法律要求；⑦通過自動跟蹤公司內(nèi)部和外部能源報告系統(tǒng)，降低工作量。

（1）簡單靈活的數(shù)據(jù)錄入接口。B.Data提供服務程序，系統(tǒng)能夠自動加載WinCC提供的采集點，實現(xiàn)能源管理基礎數(shù)據(jù)的配置；提供OPC、FTP、ODBC和Matrix等數(shù)據(jù)采集方式；通過和WinCC的無縫集成，實現(xiàn)變量組態(tài)一致性。

（2）優(yōu)化可靠的數(shù)據(jù)存儲方式。B.Data采用Oracle數(shù)據(jù)庫，定義 Datapoint、Generic Datapoint、Constant和 Derived Datapoint等多種數(shù)據(jù)類型，采用靈活數(shù)據(jù)存儲方式，通過替代值、數(shù)據(jù)限制等保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)可靠，通過Summarization概念實現(xiàn)多數(shù)據(jù)的衍生，提高數(shù)據(jù)庫利用率。更重要的是，在Datapoint的定義中，其不僅僅是1個變量，以現(xiàn)場安裝儀表為模型，定義安裝地點、計量單位、最大值和最小值等描述。

（3）分層次數(shù)據(jù)計算。B.Data能源計算的基礎是分層次的三層處理，即Loop、MEVAS和Excel。Loop對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)作在線計算，包括數(shù)學處理、邏輯操作、比較操作、門限處理、定量分析和時間段內(nèi)數(shù)據(jù)處理等多種標準函數(shù)，同時為用戶編寫個性化處理函數(shù)提供接口，計算后數(shù)據(jù)可作為MEVAS的基礎數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫中。MEVAS基于數(shù)據(jù)庫中存儲數(shù)據(jù)，通過B.Data中提供的大量豐富的數(shù)據(jù)分析（豐富的報表系統(tǒng)）和能源處理公式（能源計算、能源預測）等，為用戶提供分析結果，作為能源報表各種性能值的基礎（圖6）。該數(shù)據(jù)可根據(jù)需要生成而不必進行數(shù)據(jù)存儲，減少數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)負擔。分析報表以Excel格式顯示，以Mevas及Datapoint等數(shù)據(jù)，B.Data提供的各種查詢模板為基礎，兼容Excel圖表、宏等計算模式，生成用戶需要的報表。

圖6 B.Data中用于預測的MEVAS函數(shù)

（4）基礎模型定義。①能源介質基礎信息。對能源介質信息進行管理，包括工廠產(chǎn)品與能源介質、能源單價、折標系數(shù)等相關信息，在產(chǎn)品中定義組態(tài)生產(chǎn)該產(chǎn)品需要的能源介質，在能源介質中定義了生產(chǎn)不同產(chǎn)品時的特性參數(shù)，為能源花費計算、基于生產(chǎn)計劃的能源預測提供基礎信息。②測量點管理。能源管理中最基礎的信息管理是基于計量點的管理，所有數(shù)據(jù)分析也是基于該信息。在計量點中包含計量儀表基本信息管理和實際計量點的錄入等兩部分內(nèi)容，表示實際測量點，包含測量值、上下限、描述和單位等一些信息，這些值要參與能源分析計算。③消耗設備和花費中心模型。基于花費統(tǒng)計原則，將企業(yè)信息進行編碼并建立模型，以便于進行能源花費的統(tǒng)計，包括工廠編碼、重要能源消耗中心編碼和花費中心編碼等。④基于ISA95/88模型定義。定義設備、不同的花費中心，基于ISA95/88模型，實現(xiàn)企業(yè)能源消耗與花費的透明化。設計時考慮報表消耗的層級關系，在企業(yè)級、廠級、車間級、生產(chǎn)線和設備級等有其相應的報表分析。

（5）文檔管理。B.Data中能夠在能源管理系統(tǒng)平臺上對能源方針、能源法規(guī)、各能源職能部門的責任、會議紀要、工作總結、企業(yè)考核辦法和績效考核等，基于不同權限訪問。

（6）能源預測及能源成本分析。依靠B.Data提供的Profiles及Production Planning等工具，可很好實現(xiàn)能源預測（圖7）、能源成本分析、綠色能源控制和能源采購預算等。引入標準日、節(jié)假日、比率、消耗種類和產(chǎn)品類型等概念，分析不同車間、產(chǎn)品、時段和工段的能源需求。提供特定Mevas公式，測算不同種類能源消耗比例，保證綠色能源比例，滿足廢氣、廢水減排要求。

圖7 能源預測結果

（7）報表系統(tǒng)。B.Data提供強大的報表功能，采用模板（Template）、模塊（Modules）和查詢范圍（Query Periods）的概念。在模板中，用戶定義報表界面（包括圖形分析、宏功能處理等），模塊為通過Mevas計算提供的各種數(shù)據(jù)組合（消耗分析、KPI分析和能源比較等），查詢范圍根據(jù)需要定義的數(shù)據(jù)分析時間段，其中B.Data中為模塊及查詢范圍定義了大量豐富模板，用戶可以方便實用。通過基于模板（Template），可自由靈活生成客戶所要求特定格式報告（導入Excel報表模板）；通過模塊（Modules），可利用系統(tǒng)提供的大量算法函數(shù)，實現(xiàn)能源分析。同時分析報告可基于預定義自動生成、自動打印和自動發(fā)送到特定郵箱。圖8和圖9是基于峰值分析和CO2排放的模塊組態(tài)結果。

圖8 電能峰值統(tǒng)計分析

圖9 CO2排放分析

（8）趨勢功能。B.Data提供數(shù)據(jù)分析趨勢應用程序，用戶可方便對數(shù)據(jù)進行自定義的趨勢顯示（圖10），可靈活包含最大值、平均值和方差等多種計算值。

圖10 趨勢分析

（9）能源分析視圖（圖11）。實現(xiàn)B.Data系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)在畫面上實時顯示，用戶可了解不同區(qū)域、不同設備和不同能源的消耗情況等。通過IE可遠程了解設備當前單耗、能效等分析結果的實時跟蹤。

（10）基于動態(tài)桑基圖（Sankey diagram）的能源流。桑基圖也叫桑基能量平衡圖，是一種特定類型的流程圖，圖中延伸分支的寬度對應數(shù)據(jù)流量大小，通常應用于能源、材料成分和金融等數(shù)據(jù)的可視化分析（圖12）。桑基圖最明顯特征是始末端的分支寬度總各相等，即所有主支寬度的總和應與所有分出去的分支寬度的總和相等，保持能量平衡。

（11）能源報警。對于一些重要的KPI分析，可基于設定標準值，進行基于郵件方式的報警提示（圖13）。