涂裝車間能源管理系統的開發與應用

李 清，莊國全，楊永剛，龔永春，袁海田

(上海外高橋造船海洋工程有限公司，上海 201306)

涂裝車間能源管理系統的開發與應用

李 清，莊國全，楊永剛，龔永春，袁海田

(上海外高橋造船海洋工程有限公司，上海 201306)

結合對涂裝車間精細化設備能源管理模型與信息化管理需求的跟蹤研究，通過建立統計模型、集成關聯信息和數據分析，在原涂裝管理系統平臺基礎上設計開發能源管理系統并加以實踐運用，為實現能源管理精細化、降低生產成本，提高管理效益提供參考與幫助。結果表明：能源管理系統的開發與實踐應用，不僅提升了能源的管理及其利用效率，降低了單位生產成本，而且還提供了一種實際可行的系統化、數字化、信息化能源管理模式。

管理信息系統；涂裝；車間；能源

0 引 言

受全球經濟環境及航運市場低迷的影響，船舶工業經濟下行壓力加大，我國船舶工業三大指標同比下降，行業發展面臨更為嚴峻的挑戰[1]。這使得船舶與海工裝備制造企業的接單量大幅度降低，企業發展及利潤空間進一步縮小。企業降本增效工作因而成為重中之重，也是企業在當前經濟背景下提質增效、謀求發展的必經之路。而相對于其他先進制造行業，我國面向船舶行業的能源管理信息系統研究工作起步較晚，基礎工作相對薄弱，目前尚處于初級發展階段[2]。因此在能源系統管理方面國內成功案例少之又少。

自2010年本公司涂裝車間試生產伊始，持續開展能源管理工作，積極響應降本增效各項管理決策，切實從生產實際抓好成本控制，通過對生產工藝流程的深入剖析研究，挖掘設備能源節約點；通過精細化管理手段推進設備使用及用能節約，提升整體盈利能力。經過5年的管理與經驗積累，已經形成一套完善的能源管理體系。但體系的高效、可持續運行更需依托數據化、信息化、系統集成處理等工具平臺加以實現，在減少管理成本的同時，實現更高效的管理。本文介紹的涂裝車間能源管理系統，從能源管理方面成功實現了降本增效。

1 能源管理系統設計開發需求分析

涂裝車間集控室設有涂裝管理系統，主要有集中控制各類設備的開啟與關閉、提供設備運行與操作記錄等功能。但該系統未能對設備管理及能源消耗等相關數據進行利用與信息集成處理，不能為能源管控提供支持，而現有設備基礎完全具備改善空間并且資本投入相對較少。因此，若結合現有先進的設備與能源管理理念，必然會提升設備與能源管理水平，以達到降本增效之目的。

涂裝車間每年消耗大量電能，約500～700萬千瓦時，是公司能源消耗“大戶”，約占公司總耗電量12%。經過5年的管理提升與持續改進，年能源消耗總量得到有效控制，同時單位面積電能消耗顯著下降，如圖1和圖2所示。但在能源消耗總量控制方面空間已逐漸縮小，管理難度逐漸加大，急需采取新思路、新方法來進行“內涵式”及“破格式”管理，即利用“系統化” “數據化”“信息化”等工具手段進行進一步分析與改進。 正因為涂裝車間是用能大戶，其總體能源消耗約占涂裝部總能源消耗的60%～70%，如果能夠對其能源消耗進行有效控制，將顯著降低生產成本，提升經濟效益。

圖1 涂裝車間年度電能消耗Fig.1 Annual electricity consumption in the painting workshop

圖2 涂裝車間年度單位面積能源消耗Fig.2 Annual energy consumption per unit in the painting workshop

目前涂裝車間能源管理以人工操作與統計為主，要完成能源數據的統計、分析需要消耗較多的人力、物力，約2.3萬元/年。

結合實際需要及現實可行性，控制能源消耗、提升管理效益等對于設計開發能源管理系統存在著較為強烈的需求。

2 能源管理系統數據統計原理和系統設計開發

2.1 能源管理系統數據統計原理

能源數據統計原理是本系統的技術基礎，也是技術要求的核心內容與關鍵點。其主要包含電子式電能表及其信息通信技術、電能消耗理論計算、峰平谷時分區間能源消耗統計、基于能源消耗與生產物量的能效技術指標等。系統所應用的能源數據統計原理是在充分減少項目投資情況下，通過精確能源計算而創造產生的，其在能源系統管理領域屬于技術創新應用。

2.1.1峰平谷時分區間

考慮到制造業企業工業用電按峰平谷時分區間收費，故該系統在設計時充分考慮了峰平谷時分區間，以便于實際電能費用的統計與結算。峰平谷時分區間為：18:00—21:00，21:00—22:00，22:00—6:00，6:00—8:00，8:00—11:00，11:00—18:00。

2.1.2設備實動臺時統計

原涂裝管理系統與上位機控制系統已經實現對每臺設備開啟、關閉等信息的記錄，即通過其“操作記錄”及“運行記錄”界面可以查詢設備的實動臺時信息。但該信息不能為能源管理提供信息數據支持，存在局限性。

以原系統為基礎平臺，開發峰平谷時分區間實動臺時統計功能。將每臺設備18:00至次日18:00按峰平谷時分區間，單獨核算實動臺時T，形成設備峰平谷臺時報表。

2.1.3設備功率

涂裝車間各類設備額定功率及能源消耗占比如表1所示。

由于真空吸砂機組、四季型除濕機均安裝了電子式電能表，故真空吸砂機組、四季型除濕機平均功率等于日峰平谷電能表讀數之和除以日實動臺時之和。

表1涂裝車間各類設備額定功率及能源消耗占比

Table1Equipmentratedpowerandenergyconsumptionproportioninpaintingworkshop

2.1.4設備能源消耗統計

(1)真空吸砂機組、四季型除濕機能源消耗統計。真空吸砂機組、四季型除濕機在涂裝車間能源消耗占比最大，為52.2%，且在運行時會處于不同負載狀態，其平均功率較額定功率偏離大。為此，在設計之初，即提出每臺真空吸砂機組、四季型除濕機安裝電子式電能表，以期準確地核算能源消耗。開發時要求按照峰平谷時分區間從電子式電能表自動取值，統計每臺設備能源消耗。

(2) 其他設備能源消耗統計。其他設備也存在不同負載狀態，但由于運行環境相對穩定，電能消耗可以按照額定功率核算，即電能消耗W=額定功率P×時間T×功率因數cosη[3]。結合電力部門電力數據cosη取值0.92。因此，按上述公式與對應設備峰平谷實動臺時數據，核算各設備峰平谷能源消耗。

2.1.5其他數據統計

(1) 設備能源消耗價格等于設備峰平谷能源消耗與對應的峰平谷時分區間電價乘積之和。

(2) 設備臺時利用率等于設備實動臺時之和除以按每臺每天8h計算的臺時。

(3) 單位面積能源消耗等于設備能源消耗與對應時間區間物量產出之商。

(4) 其他數據指標均通過以上數據組合計算而來。

2.2 能源管理系統架構

原涂裝管理系統主要架構如圖3所示，由上位機系統、管理系統、操作臺、以太網、控制及觸摸顯示屏等組成。現能源管理系統架構如圖4所示，在原有基礎上新增了若干電子式電能表。

圖3 原系統架構Fig.3 Original system architecture

2.3 能源管理系統設計開發

2.3.1系統設計開發平臺及主要軟件技術

能源管理系統設計開發基于上位機組態王Kingview軟件、Visual Basic編程軟件以及Microsoft SQL企業管理器平臺，所采用的操作系統為Windows Server2008R2Standard。

組態王軟件Kingview(見圖5)能為用戶提供豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，同時也為用戶創建圖庫精靈提供了簡單易用的接口[4]。Visual Basic(見圖6)是一種由微軟公司開發的結構化、模塊化、面向對象、包含協助開發環境的以事件驅動為機制的可視化程序設計語言[5]。利用Visual Basic 程序設計語言實現管理系統的功能開發，是系統設計開發最主要、最關鍵的技術工作。Microsoft SQL企業管理器是SQL Server2000中最重要的一個產品組件。用戶和系統管理員通過SQL企業管理器不僅能夠配置系統環境和管理SQL Server，而且所有SQL Server 對象的建立與管理都可以通過它來完成。系統主要使用Microsoft SQL企業管理器(見圖7)的創建和管理數據庫及各種數據庫對象與備份和恢復數據庫。

綜上所述，能源管理系統主要軟件技術就是采用Visual Basic 程序設計語言編程實現實時能源數據采集技術在生產制造執行中的應用[6]，將上位機采集到的電能數據及有關能源信息存放在SQL數據庫，再通過Visual Basic 程序設計語言編程核算出能源消耗，生成報表從而開發出能源管理系統。

圖5 Kingview軟件界面Fig.5 Kingview software interface

圖6 Visual Basic軟件界面Fig.6 Visual Basic software interface

圖7 Microsoft SQL企業管理器界面Fig.7 Microsoft SQL Enterprise Manager interface

2.3.2系統主要功能設計

能源管理系統的主要功能設計為：極少部分數據如每日生產信息為人工輸入，其他能源數據全部由系統自動采集、存儲、計算實現，最終通過人機界面的實時顯示與查詢功能實現能源數據信息的獲取，從而為能源管理提供信息技術支持。

主要功能設計有：(1)峰平谷時分區間電價設置功能；(2)查詢顯示各設備如真空吸砂機等峰平谷時分區間能源消耗；(3)實時顯示電子式電能表所對應設備的三相電流、三相電壓、電能表計數值；(4)實時顯示設備總功率及趨勢等信息；(5)設備自動關機功能；(6)能源日報查詢功能；(7)自由報表查詢功能；(8)每日生產信息登錄。

2.3.3系統設計框圖

系統將采集到的數據存儲在SQL數據庫中，再結合每日生產信息登陸的數據，由系統通過程序設定的電能計算公式[其中包含單位如元、kW·h、元/(kW·h)等，有求和、平均等運算]自動運算、更新，集成至數據庫中；再通過報表控件等調出數據查看、打印等處理。系統設計框圖如圖8所示。

圖8 系統設計框圖Fig.8 System design block diagram

3 能源管理系統應用及流程

3.1 能源管理系統應用

與系統主要設計功能對應，介紹其各功能的應用。

3.1.1峰平谷時分區間電價設置功能應用

電價與峰平谷時分區間相對應。電價參數的設置可用于設備能源消耗真實成本的核算統計，并在系統各報表中予以體現。系統管理員可自由設置電價參數，分別為：峰時、平時、谷時。設置界面如圖9所示。設定電價不會對歷史數據產生任何影響，只會對設定后的數據產生影響。

圖9 峰平谷電價設置Fig.9 Peak/flat/valley electricity price setting

3.1.2 峰平谷時分區間設備臺時、能源消耗核算統計功能應用

設備峰平谷時分區間臺時統計功能，可查詢各設備在任意日期任意峰平谷時分區間實動臺時數、功率及合計臺時數。

峰平谷時分區間設備能源消耗統計功能，可查詢各設備在任意日期任意峰平谷時分區間能源消耗、功率及合計能源消耗。生成的報表如圖10所示。

峰平谷時分區間設備能源消耗核算(元)統計功能，可查詢各設備在任意日期任意峰平谷時分區間能源消耗(元)、功率及合計能源消耗(元)。

圖10 峰平谷時分區間能源消耗報表Fig.10 Energy comsumption report of peak/flat/valley partition

圖11 設備定時關機界面Fig.11 Equipment timing shutdown interface

3.1.3定時關機功能應用

定時關機功能可減少因人為疏忽延遲或忘記關閉設備而造成的能源浪費。如在噴涂結束后，根據油漆固化時間核算去濕機及排風系統的關閉時間，在系統內設置定時關機(見圖11)，設備將在指定時間關閉，從而減少能源消耗。

3.1.4電表數據界面應用

通過電表數據界面(見圖12)的三相電流值是否均衡判斷設備供電系統是否正常、安全。通過三相電流值的大小判斷設備負載的情況。若設備長期處于低或高負載狀態，應通知現場操作人員檢查設備使用情況，是否存在空放或人為造成的高負載，從而減少能源消耗。

圖12 電表數據界面Fig.12 Electric meter data interface

3.1.5總功率趨勢圖應用

通過總功率趨勢圖(見圖13)可精確判斷當前設備能源消耗狀態，結合生產物量及能效指標，通過減少設備開啟降低總功率值，使瞬時功率維持在較低水平，從而降低電能消耗。

圖13 總功率趨勢圖界面Fig.13 Total power trend chart interface

3.1.6每日生產信息登錄

每日生產信息登錄界面如圖14所示，可登記和查詢每日生產信息，如作業項目、生產物量、作業時間等信息。所登錄的信息為日報表及自由報表的生產信息來源，便于核算單位面積能源消耗及生產作業的銜接情況。

圖14 每日生產信息登錄界面Fig.14 Daily production information login interface

3.1.7日報表功能應用

日報表(見圖15)通過公司內部網絡傳輸至相關管理人員。管理人員通過日報表查看每天能源消耗及能效指標，判斷能效指標正常或超標、沖砂與收砂作業是否無縫銜接、峰平谷電能使用情況等。若某日指標超標，則可結合日報表分析出原因，第一時間采取改進措施，最終再依據日報表驗證管理的成效。

圖15 日報表界面Fig.15 Daily report interface

3.1.8自由報表應用

通過自由報表界面(見圖16)可查詢任意時間區間能源效益報表，可進行階段總結分析。

圖16 自由報表界面Fig.16 Free report interface

3.2 能源管理系統流程

圖17 能源管理系統流程圖Fig.17 Flow chart of the energy management system

如圖17所示，能源管理系統的信息輸入主要通過人工實現，主要有系統設置、生產信息登錄、查詢信息登錄、自動關機信息等。信息的輸入是系統功能實現的有效保證。此外，過程中的數據處理、最終的結果輸出均由系統自動處理生成。只要確保管理人員信息輸入的準確性，即可確保能源信息結果輸出的準確性。

生產過程中能源管理過程及結果的實現主要依托管理和操作人員及時查詢和檢查系統輸出的各類圖表信息，及時判斷能源績效指數及其異常情況，結合報表的詳細數據結果快速判斷并采取糾正或持續改進措施，從而實現對涂裝車間能源的實時管控，達到能源績效的目標要求。

4 小 結

4.1 經濟效益

該系統2015年初投入生產應用，為使系統與管理人員做到“人-機”結合，制定了涂裝車間設備能源管理操作規程，將系統功能與涂裝車間各生產管理環節緊密聯系；同時編制設備開啟標準予以實施；成立能源管理工作組，分析能源數據報表并將信息共享實現管理可持續性。

根據圖2所示數據，2014年單位面積能源消耗為4.04×104kW·h，2015年為3.08×104kW·h。2015年較2014年下降24%。2015年涂裝車間生產物量為1641338m2。以2014實際能源數據指標4.04×104kW·作為2015年目標指標，則2015年度該成果投入應用后所創造的經濟價值約為157.6萬元。

該系統的開發與應用費用約為11萬元，因而2015年度的經濟效益為146.6萬元。在創造了巨大的經濟效益之外，涂裝車間能源管理跨入了系統化、數字化與信息化管理時代。

4.2 管理成果

能源管理系統可大量減少設備操作工的文本與數據統計工作，節約工時及材料消耗，更加適應精益生產管理的發展趨勢；通過對設備峰平谷能源消耗統計與實時監控，第一時間采取管控與改進措施，合理使用設備資源，從而降低能源消耗；系統所形成的各類報表有助于保存、查詢和分析統計，對生產管理起到促進改善作用。

該能源管理系統的開發與應用，已使公司成為國內首家船舶制造業涂裝車間設備能源管理體系，樹立了行業先進的管理標桿。本文完成之時，該項管理創新正在申報2016年上海市企業管理創新成果，并將在二期“一噴一涂”涂裝車間建設項目上予以實施與推廣應用。受益于涂裝部精細化全過程生產管理及涂裝車間能源管理系統的實施與推進，“涂裝部”于2015年榮獲中國質量協會“全國現場管理星級評價五星級現場”等榮譽稱號。

5 結 語

綜上所述，研究并開發能源管理系統，實現了涂裝車間設備及能源管理的系統化、數字化、信息化，保證了能源信息數據傳輸的準確性、及時性、共享性，提升了能源管理效率與涂裝設備智能化管理水平。再結合涂裝精細化生產管理與實踐應用，實現了巨大的經濟效益。此外，該管理系統還提供了一種實際可行的系統化、數字化、信息化能源管理模式。它具有充分可移植性，對于其他行業生產制造車間的設備及能源管理具有深遠的借鑒意義。

[1] 彭新啟. 節能減排“動真格”船舶業開啟嚴管模式[J]. 中國遠洋航務,2016(1)：39.

[2] 葉小列，王楠，任婷婷，等. 面向船舶行業的能源管理信息系統研究[C]. 第十六屆中國科協年會——分8綠色造船與安全航運論壇論文集,2014.

[3] 陶梅.能源計量數據平臺的建設[J]. 工業計量,2014，24(2)：67.

[4] 王孝紅, 韓丹, 景紹洪.組態軟件上位機監控系統設計與開發[J]. 信息技術與信息化,2005(6)：78.

[5] 桂在吾，沈俊杰，陳久康.VB在組態軟件設計中的應用[J]. 機械與電子，2002，24(1)：15.

[6] 王雪寒，輦玉玉，姚翠紅，等.實時數據采集技術在生產制造執行中的應用[J]. 工業控制計算機,2013，26(2)：18.

DevelopmentandApplicationofEnergyManagementSysteminPaintingWorkshop

LI Qing, ZHUANG Guo-quan, YANG Yong-gang, GONG Yong-chun, YUAN Hai-tian

(ShanghaiWaigaoqiaoShipbuildingandOffshoreEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai201306,China)

By combing the follow-up study on the energy management system for painting workshop fine equipment and the needs of information management, we develop the energy management system through statistical modelling, correlation information integration, and data analysis. The purpose of this research is to help to achieve management refinement of energy, reduce the production cost, and improve the management. The results show that the energy management system development and practical application not only improve the energy management and efficiency, but also reduce the cost of production. It provides a practical energy management model with systematization, digitization, and informatization.

management information system; painting; workshop; energy

2016-07-18

李清(1980—)，男，工程師，主要從事船舶與海洋工程項目建造工作。

U671；C931.6

A

2095-7297(2016)04-0261-08