基于精密加工設(shè)備效能的能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

珠海羅西尼表業(yè)有限公司設(shè)備部 高 波

珠海派諾科技股份有限公司軟件部 夏俊武 劉玉明

0 引言

國務(wù)院印發(fā)“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案。總體要求：全面貫徹黨的十八大和十八屆三中、四中、五中、六中全會精神，深入貫徹習(xí)近平總書記系列重要講話精神，認(rèn)真落實(shí)黨中央、國務(wù)院決策部署，緊緊圍繞“五位一體”總體布局和“四個(gè)全面”戰(zhàn)略布局，牢固樹立創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，落實(shí)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境基本國策，以提高能源利用效率和改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo)，以推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略為動(dòng)力，堅(jiān)持政府主導(dǎo)、企業(yè)主體、市場驅(qū)動(dòng)、社會參與，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，確保完成“十三五”節(jié)能減排約束性目標(biāo)，保障人民群眾健康和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境改善雙贏，為建設(shè)生態(tài)文明提供有力支撐。主要目標(biāo)：到2020年，全國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2015年下降15%，能源消費(fèi)總量控制在50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)。全國化學(xué)需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放總量分別控制在2001萬噸、207萬噸、1580萬噸、1574萬噸以內(nèi)，比2015年分別下降10%、10%、15%和15%。全國揮發(fā)性有機(jī)物排放總量比2015年下降10%以上。

實(shí)行強(qiáng)度和總量雙控制。落實(shí)能源消費(fèi)總量和單位生產(chǎn)總值能耗“雙控”措施，堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先的能源戰(zhàn)略，合理引導(dǎo)能源需求，提升能源利用效率，基本形成以低碳能源滿足新增能源需求的能源發(fā)展格局，建立科學(xué)合理的分解落實(shí)和考核機(jī)制，嚴(yán)格控制煤炭消費(fèi)，實(shí)施珠三角地區(qū)煤炭消費(fèi)減量管理。“十三五”時(shí)期，全省能源消費(fèi)總量控制在3.38億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，其中煤炭消費(fèi)總量控制在1.75億噸以內(nèi)，珠三角地區(qū)煤炭消費(fèi)總量負(fù)增長；全社會用電量約6700億千瓦時(shí)，基本保持“十二五”期年均增速水平；能源利用效率進(jìn)一步提高。全面完成國家下達(dá)的主要節(jié)能減排指標(biāo)任務(wù)，持續(xù)保持全國節(jié)能減排排頭兵地位。到2020年，全省萬元GDP能耗比2015年下降17%。

1 項(xiàng)目概況

珠海羅西尼表業(yè)有限公司是以鐘表制造和鐘表工業(yè)旅游為主的工業(yè)制造型企業(yè)，羅西尼鐘表博物館是由珠海羅西尼表業(yè)有限公司出資建成、珠海市文體旅游局批準(zhǔn)設(shè)立、珠海市民政局登記的文化類博物館。博物館先后榮獲“珠海市工業(yè)旅游示范單位”、“珠海市文化旅游示范單位”、“珠海市科普教育基地”、“廣東省科普教育基地”、“4A國家級旅游景區(qū)”等榮譽(yù)稱號。珠海羅西尼表業(yè)有限公司先后榮獲珠海市質(zhì)量獎(jiǎng)，廣東省質(zhì)量獎(jiǎng)，國家質(zhì)量獎(jiǎng)。

企業(yè)能源類型以電、水為主。廠區(qū)供電主要涉及到辦公室、中央空調(diào)和車間大型用電生產(chǎn)設(shè)備；廠區(qū)供水主要涉及到生活集中用水、園林綠化用水等。

基于設(shè)備效率的能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面貫徹以下幾個(gè)基本原則：

（1）按照“統(tǒng)一規(guī)劃，分步實(shí)施，逐步投用”的原則，對羅西尼能源管理中心系統(tǒng)項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)。

（2）整體系統(tǒng)必須保持初步整合、功能完善的特點(diǎn)，確保系統(tǒng)的完整性、規(guī)范性和一致性。

（3）使用先進(jìn)、成熟、實(shí)用和具有良好兼容性的技術(shù)，使得系統(tǒng)貫穿能源和設(shè)備效率的生命周期管理，既能滿足當(dāng)前的需求，又能適應(yīng)未來的發(fā)展。

（4）可靠性：高效穩(wěn)定的系統(tǒng)，能提供全年365*7*24小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行。

（5）可操作性：采用先進(jìn)且易于使用的、美觀大方的、中文的圖形人機(jī)界面功能，提供便利的信息共享與交流、信息資源查詢與檢索等有效工具。

（6）高效率性：注重各子系統(tǒng)的信息共享，提高整個(gè)系統(tǒng)高效率的傳輸與運(yùn)行能力。

（7）實(shí)時(shí)性：設(shè)備和終端必須反應(yīng)快速，充分配合實(shí)時(shí)性的需求。

（8）完整性：提供與各種外界系統(tǒng)的通信功能，確保信息的完整性并充分利用在整體系統(tǒng)的運(yùn)作上。

（9）安全性：通過在系統(tǒng)部署相關(guān)安全措施、以有效地確保系統(tǒng)各個(gè)層次安全（包括系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用與工藝配套安全等），包括有效的防病毒技術(shù)措施。

（10）可擴(kuò)展性：把各子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，充分考慮將來管理需求的提升，所提供的系統(tǒng)平臺與技術(shù)將充分考慮未來功能及擴(kuò)充項(xiàng)目的需求，以避免將來重復(fù)的投資。

2 項(xiàng)目目標(biāo)

本項(xiàng)目針對羅西尼表業(yè)能耗監(jiān)測及設(shè)備運(yùn)行管理效率需求，主要實(shí)現(xiàn)分類能耗(電、水、數(shù)據(jù)采集和分項(xiàng)計(jì)量)、重點(diǎn)設(shè)備利用率（設(shè)備利用效率OEE、完全有效生產(chǎn)率TEEP）。監(jiān)測及運(yùn)行管理統(tǒng)計(jì)對比分析,最終目標(biāo)是通過建立該能耗和設(shè)備利用率在線監(jiān)測及分析管理平臺，對廠區(qū)的能源供給、能源轉(zhuǎn)換以及設(shè)備利用率的全過程實(shí)施動(dòng)態(tài)平衡管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在效率偏差的問題，依據(jù)詳盡而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)幫助用戶進(jìn)行有效管理，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)型、精細(xì)化的工業(yè)管理機(jī)制，以便建立長期、可持續(xù)化實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的目標(biāo)。

總體目標(biāo)確定如下：

項(xiàng)目覆蓋的范圍：區(qū)域覆蓋辦公樓、宿舍樓、生產(chǎn)樓；能源包括：電、水；重點(diǎn)生產(chǎn)設(shè)備利用率，包括設(shè)備利用效率OEE和完全有效生產(chǎn)率TEEP。

（1）監(jiān)測：項(xiàng)目要解決的問題是能耗數(shù)據(jù)在線監(jiān)控、能耗統(tǒng)計(jì)及分析、重點(diǎn)用能設(shè)備管理、能耗告警等。

（2）效率：通過分析生產(chǎn)設(shè)備效率OEE和完全有效生產(chǎn)率TEEP，分析設(shè)備在不同時(shí)段的開機(jī)時(shí)間和有效使用率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備空轉(zhuǎn)、長時(shí)間待機(jī)或利用率低下等問題，提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化管理水平。

（3）安全：保障生產(chǎn)的供電安全和延長機(jī)電設(shè)備運(yùn)行壽命，通過智慧能源云平臺的實(shí)施，實(shí)時(shí)監(jiān)測和監(jiān)控配電和機(jī)電設(shè)備，通過工單的流轉(zhuǎn)提高工作效率的同時(shí)，全面提高供能設(shè)備的安全運(yùn)行。

3 系統(tǒng)框架及計(jì)量點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框架

綜合能源管控平臺(Smart PIEMS)后臺設(shè)置在控制室，主要通過智慧物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集平臺（Smart IOServer）采集遠(yuǎn)傳智能電表、遠(yuǎn)傳水表和PLC等數(shù)據(jù)，并通過人工手動(dòng)錄入或集成ERP數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品產(chǎn)量、合格品數(shù)量、生產(chǎn)用時(shí)、生產(chǎn)理論用時(shí)、非生產(chǎn)損耗時(shí)間等數(shù)據(jù)對接到系統(tǒng)后臺集中處理，并在綜合能源管平臺(Smart PIEMS)上進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分析和展示。

圖1 平臺框架圖

為實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，項(xiàng)目系統(tǒng)部署在企業(yè)機(jī)房內(nèi)的私有云服務(wù)器上。基于分散采集、集中管理的思想，綜合能效管理平臺(Smart PIEMS)采用三層架構(gòu)兩層網(wǎng)絡(luò)部署，分別為應(yīng)用管理層、網(wǎng)絡(luò)匯聚層、設(shè)備采集層。

應(yīng)用管理層是系統(tǒng)的核心組成部分，是各類能耗數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、環(huán)境條件信息等的集中處理、分析與評估層，同時(shí)將分析數(shù)據(jù)通過友好的人機(jī)界面進(jìn)行展示。

網(wǎng)絡(luò)匯聚層是連接應(yīng)用管理層與設(shè)備采集層的中間環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)把分散的能耗數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用管理層。同時(shí)，該層也是系統(tǒng)與其他智能化系統(tǒng)對接的中間接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享。網(wǎng)絡(luò)匯聚層設(shè)備一般包括通訊管理機(jī)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。其傳輸介質(zhì)一般為RS485總線（RVSP 2*0.75屏蔽雙絞線）、四芯單模光纖（GYXTW-4）和超五類網(wǎng)線（UTP5）。其中RS485總線負(fù)責(zé)連接設(shè)備采集層設(shè)備與通訊管理機(jī)，通訊管理機(jī)與應(yīng)用管理層之間的連接通常會選擇四芯單模光纖或者超五類（UTP）網(wǎng)線。

設(shè)備采集層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，系統(tǒng)大部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自該層。該層設(shè)備除具有傳統(tǒng)的計(jì)量功能外，還需要具有RS485通訊接口，支持Modbus通訊協(xié)議，可準(zhǔn)確計(jì)量現(xiàn)場能耗數(shù)據(jù)并傳送至通訊管理機(jī)；對于第三方系統(tǒng)的接入，支持OPC等其他標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)共享。

3.2 計(jì)量點(diǎn)位設(shè)計(jì)

項(xiàng)目計(jì)量點(diǎn)位設(shè)計(jì)PLC數(shù)據(jù)接口、155塊智能電力儀表、10臺MODBUS通訊水表（如表1所示），系統(tǒng)支持能源四級監(jiān)測，依次為：樓棟—樓層—辦公區(qū)域—重點(diǎn)設(shè)備。

表1

3.3 設(shè)備利用率模型設(shè)計(jì)

3.3.1 設(shè)備綜合效率

OEE（Overall Equipment Effectiveness），即設(shè)備綜合效率，計(jì)算公式如下：

OEE＝時(shí)間開動(dòng)率×性能開動(dòng)率×合格品率×100%

在OEE的計(jì)算公式中，時(shí)間開動(dòng)率反映了設(shè)備的時(shí)間利用情況；性能開動(dòng)率反映了設(shè)備的性能發(fā)揮情況；而合格品率則反映了設(shè)備的有效工作情況。也就是說：一條生產(chǎn)線的可用時(shí)間只占運(yùn)行時(shí)間的一部分，在此期間可能只發(fā)揮部分的性能，而且可能只有部分產(chǎn)品是合格品。如果追究OEE的本質(zhì)內(nèi)涵，其實(shí)就是計(jì)算周期內(nèi)用于加工的理論時(shí)間和負(fù)荷時(shí)間的百分比。

OEE＝(理論加工周期×合格產(chǎn)量)/負(fù)荷時(shí)間＝合格產(chǎn)品的理論加工總時(shí)間/負(fù)荷時(shí)間這也就是實(shí)際產(chǎn)量與負(fù)荷時(shí)間內(nèi)理論產(chǎn)量的比值。

圖2 設(shè)備綜合效率

3.3.2 完全有效生產(chǎn)率

TEEP（Total Effective Equipment Performance），即完全有效生產(chǎn)率，也有資料表述為產(chǎn)能利用率，即把所有與設(shè)備有關(guān)和無關(guān)的因素都考慮在內(nèi)來全面反映企業(yè)設(shè)備效率。

TEEP＝設(shè)備利用率×OEE

其中，設(shè)備利用率＝(日歷工作時(shí)間—計(jì)劃停機(jī)時(shí)間—非設(shè)備因素停機(jī)時(shí)間)/日歷工作時(shí)間

4 傳輸設(shè)置

能耗數(shù)據(jù)的采集主要有三個(gè)來源：通過智能儀表及傳感器采集的數(shù)據(jù)；通過與第三方系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互獲取的數(shù)據(jù)；通過人工手動(dòng)錄入的數(shù)據(jù)。

（1）儀表及傳感器采集的數(shù)據(jù)

通過安裝智能電表、水表、能量表等獲取能耗數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，并且可擴(kuò)展集成第三方的設(shè)備，包括儀表、PLC、RTU和其它智能產(chǎn)品的主要數(shù)據(jù)參數(shù)。

（2）通過接口獲取的其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)

系統(tǒng)可通過OPC、IEC104、ModbusTU等標(biāo)準(zhǔn)接口獲取電力監(jiān)控、光伏發(fā)電、暖通、可再生能源系統(tǒng)等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并可給ERP、OA等管理系統(tǒng)提供能耗相關(guān)數(shù)據(jù)，供企業(yè)管理者決策時(shí)使用。

（3）人工錄入數(shù)據(jù)

用戶可手工錄入設(shè)備臺賬信息，企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量、產(chǎn)值等數(shù)據(jù)，與能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后評估設(shè)備運(yùn)行效率、企業(yè)能源使用效率等指標(biāo)。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸邏輯圖

表2

5 系統(tǒng)功能

珠海派諾Smart PiEMS綜合能源管控平臺以數(shù)據(jù)高可靠性、系統(tǒng)可擴(kuò)展性、用戶易操作性為設(shè)計(jì)原則，基于綠色的管理理念，協(xié)助羅西尼表業(yè)公司提升能效水平，在整個(gè)生命周期內(nèi)對羅西尼廠區(qū)能效進(jìn)行有效運(yùn)維。

根據(jù)羅西尼表業(yè)廠區(qū)的實(shí)際用能狀況，對其園區(qū)、樓棟、樓層、區(qū)域以及重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行了全方位的能源監(jiān)測與耗能分析，從各個(gè)角度尋找企業(yè)的能耗漏洞與節(jié)能空間，對不合理用能進(jìn)行及時(shí)警告，為有待優(yōu)化的用能策略進(jìn)行有效建議，協(xié)助企業(yè)管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)能源浪費(fèi)，優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)，為更合理的制定企業(yè)用能策略提供有效的數(shù)據(jù)支撐（見表2）。

部分重點(diǎn)主要功能的展示：

（1）能耗KPI

KPI管理功能模塊，對用戶各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)預(yù)設(shè)的KPI報(bào)警條件對異常事件進(jìn)行告警。

圖4 KPI管理功能模塊

（2）設(shè)備利用率

通過PLC和智能儀表采集重點(diǎn)用能設(shè)備的電流、電壓、功率、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等數(shù)據(jù)，計(jì)算出設(shè)備在每個(gè)時(shí)段內(nèi)的有效運(yùn)行時(shí)間，并由系統(tǒng)軟件進(jìn)行匯總分析，核算小時(shí)、天、月、年等時(shí)段內(nèi)的設(shè)備利用率，識別出使用效率低下的設(shè)備。

圖5 多設(shè)備日利用率對比分析

圖6 多設(shè)備月利用率對比分析

6 結(jié)語

本文結(jié)合珠海羅西尼表業(yè)有限公司設(shè)備利用率和能效系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，從系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)功能方面論述了基于精密加工設(shè)備的工業(yè)能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

珠海派諾Smart PiEMS綜合能源管控平臺與工業(yè)企業(yè)管理導(dǎo)則相結(jié)合，根據(jù)羅西尼表業(yè)能耗情況制定節(jié)能方針，明確定量指標(biāo)體系中的設(shè)備利用率和能耗節(jié)能目標(biāo)。其中，能耗目標(biāo)體現(xiàn)能源消耗量，而節(jié)能目標(biāo)體現(xiàn)能源消耗節(jié)約量，并分別制定年度目標(biāo)和長遠(yuǎn)目標(biāo)。系統(tǒng)在用電參數(shù)的深度挖掘下對能源轉(zhuǎn)換的全過程實(shí)施動(dòng)態(tài)平衡管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問題，依據(jù)詳盡而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)幫助管理人員進(jìn)行有效管理，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)型、精細(xì)型的工業(yè)管理機(jī)制，以便建立長期、可持續(xù)化實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的目標(biāo)。有效促進(jìn)企業(yè)“兩化融合”進(jìn)程，真正做到以信息化帶動(dòng)工業(yè)化、以工業(yè)化促進(jìn)信息化，走新型工業(yè)化道路。