關于能源及生產作業管控系統的設計與分析

蔡永豐

摘? ?要：為了優化集裝箱碼頭的能源管理，提高碼頭的用能效率，企業層面的能源及生產作業管控系統亟待構建。文章通過系統結構、系統功能等設計，提出碼頭能源及生產作業管控系統建設整體方案。文章以大型企業數據庫—能源及生產作業管控系統為管理數據源，系統采用B/S 方式，Web 服務器充當信息門戶，來實現能源管理模式的數據化，以客觀的數據、合理的解析算法為考核的基礎，以能源管理為主線，以績效管理為目標，以設備狀態和環境變動檢測等解析表單為輔助工具，建立完善的能源及生產作業管理機制。目前，碼頭能源管理得到了系統強大的數據支撐，管理效率大大提升。

關鍵詞：港口;集裝箱碼頭;能源及生產作業管控系統

能源及生產作業管控系統（Energy Management Systeam，EMS）是以碼頭企業生產管理、節能管理、環境管理為基礎，以計算機網絡技術、數據自動采集技術、數據庫技術等有關信息化技術為依托，構筑網絡化、信息化、智能化的綜合性管理系統，實現碼頭主要用能設備設施等能耗情況和港區范圍內環境狀況的實時監測。通過對設備設施的能耗和環境監測數據情況進行精細化的統計和分析，生成多種數據報表，并且可根據碼頭實際情況構建的模型，提供節能環保減排的建議，同時借助現場的控制器，實施管控平臺發出的智能決策以降低碼頭整體運維能耗和保持碼頭整體的環境優良，并對各種節能措施的節能環保效果進行評測，通過分析，得到不同條件下最優的節能環保措施和解決方法，不斷迭代，提高生產管理、能源能效管理、環境管理的工作效率和水平。以構建碼頭能效管理和環境監測的一體化為首要目的，最終實現“綠色碼頭”的愿景。

1? ? 問題分析

目前，集裝箱碼頭能源及生產作業管控系統存在系統功能單一、系統功能與企業管理體制不配套等問題。有些企業對能源管理認識有所偏差，不恰當地減少能源的使用，未對能源循環利用以及對控制能源生產成本的思考;或只重視技術層面上的管理，卻未考慮人的作用，適當的職工管理制度、激勵制度、培訓制度等能夠與能源及生產作業管控系統相輔相成。故而，能源動態監控及數字化管理系統的建立完善，能促使能源平衡趨于最優，實現系統性、一體化的節能降耗管控。

能源及生產作業管控系統建設要對港區內的現有耗能設備、計量儀器和通訊網絡進行更新改造，建立“分散采集、集中管理”的能耗管控網絡，收集生產作業中大量分散的用水、用電、用油等的能耗數據，采用智能采集匯總的方式，實現“實時監測、自動匯總、靈活報表、動態分析”的能源及生產作業管理模式，提供實時及縱向數據分析、橫向比對功能，以發現能源消耗過程和用能結構中存在的問題，通過對用能結構進行優化和管理，建立碼頭能耗評估管理體系，提高港口現有用能設備的效率，實現高效生產。

2? ? 系統架構

能源及環境管理信息系統采用分層分布式結構，數據的采集、傳輸及分析通過4層實現：現場設備層、網絡通訊層、數據集成層和應用服務層，這4層通過各級通信網絡連接在一起。能源及生產作業管控系統網絡架構如圖1所示。

現場設備層具備運行狀態監視功能和設備能耗測量。能耗設備包括龍門吊、橋吊、流機、高桿燈和冷藏箱等?，F場設備層設備包括多功能電表、遠傳水表、油耗儀表等，儀表數據通過具備通信功能的RTU設備進行采集上傳，通過光纖、屏蔽雙絞線和無線通信等，向上一級數據采集和監控中心傳輸測量值、信號量信息并執行控制輸出?？梢酝ㄟ^通信管理機獲取設施部分已接入第三方系統儀表的數據。

網絡通信層是系統網絡構成的紐帶，完成數據集成層、應用服務層與現場設備層之間的實時信息交換，完成智能設備的接入，實現通信物理介質和規約的接入和轉換。通信接口層設備包括Modbus網關、網絡交換機等設備，用于現場間隔層測量設備的數據采集和接入，并與系統的監控平臺實現快速穩定的以太網通信。

數據集成層和應用服務層由硬件設備（服務器、計算機等）和軟件（采集軟件、系統軟件、監控軟件、數據庫等）構成，是系統的控制中心，用于布置能源管理系統平臺，顯示人機界面，具備對整個系統的數據收集、處理、顯示、監視功能，并通過相應權限對設備進行控制。

3? ? 系統功能

3.1? 用能實時數據

能源及生產作業管理需要準確、客觀的數據作為依據。EMS系統旨在通過對能耗數據的收集和分析，因此，系統具有數據采集的功能，通過對碼頭的各能源數據采集，可以實現對數據的存儲、監視、報警、分析、計算、統計的功能，能源及生產管控的基礎是數據采集。

3.1.1? 用能預警

數據的分析是整個能源在線監管系統的核心部分，是在對港區采集的能耗、用電特征等信息進行深入分析與挖掘的基礎上，實現港區用能的直觀展示，為用能策略的制定提供依據。

決策輔助功能是EMS系統自動根據以往的有效數據進行分析，結合生產系統任務分析，設備、設施用能和環境情況是否處于正常范圍內，并進行提示預警。

當班用能預警通過監控班組的用能、百箱轉場數、用電轉場比、移箱比等數據，實時監控生產用能科學性，提供操作部門適時調整資源。相應的當班用能預警的輸出按照圖x的權重進行計算。

3.1.2? 當班單機用能預警

當班用能預警通過監控班組的動作數、實際用能、用電量、用油量、轉場數及作業時間等數據，實時評估單機用能科學性，提供操作部門適時調整資源。相應的當班單機用能預警的輸出按照權重進行計算。

3.2? 能源管理體系化

包括作業隊及個人季度及年度能源管理績效。用于能源管理的持續改進

3.2.1? 能源管理基準

建立能源管理基準和標桿是能源管理體系的一項基礎的、不可缺少的工作，依據所確定的基準、標桿進行能源績效的縱向比較和橫向比較。同時，基準和標桿也是確定能源目標的基礎。碼頭依據一定邊界條件和生產、設備正常狀態下一定時期的能源消耗和能源效率水平來確定能源基準。確定基準主要用于自身跨期比較，進而在綜合能耗方面確定、評價能源管理目標，評估能源績效。這里取2017年的綜合能源單耗實際值為基準。

3.2.2? 能源管理目標

能源目標是指所要實現的降低能源消耗、提高能源利用效率的總體要求。能源目標通常是定性的，針對某一具體的能源因素提出總體要求，而能源指標通常是定量的并且是可測量的，如用電量指標、用電轉場率指標、移箱率指標等。能源目標和指標通常是“內外結合的比較要求”。碼頭在建立能源目標和指標時規定統計計算的方法、考核準則等。碼頭在總體及各部門層次上建立、實施和保持能源目標和指標，并根據能源使用的客觀變化，特別是主要能源使用變更時，例如：龍門吊油改電、龍門吊用電轉場等情況，這時應適時更新或調整能源目標和指標，以適用變化的要求。碼頭每年進行一次能源管理目標的制定。

3.2.3? 能源管理參數

明確影響運行控制的績效參數，能源績效參數可以是直接測量的參數，也可以是模型計算獲得的參數模型，該系統選用操作比、移箱比例、萬箱轉場次數、用電轉場比例等作為能源管理參數。此類參數與監控對象（如用能設備、用能系統）的能源績效水平密切相關。碼頭通過對能源績效參數的監視和測量，可實時掌握能源績效水平，定期評估，尋找管理提升機會，采取控制措施，確保能源目標和指標的實現。

能源績效參數和能源基準是能源管理體系中相互關聯的兩個主要因素。能源績效參數的主要作用是量化整個碼頭不同部分的能源績效。能源基準的主要作用是比較一段時間內的能源績效并量化能源績效的變化。

建立能源基準時，應使用在基準期內所收集的數據。在此基礎上，使用能源績效參數的測量值和能源基準對能源績效的變化進行評估，并評價能源績效參數和能源基準是否適用。能源績效參數和能源基準確定、使用和更新過程如圖2所示。

通常使用線性回歸等統計方法對能耗模型進行歸一或建模。用歸一化的能源績效參數和能源基準來計算能源績效的一般方法如圖3所示。將報告期內的實際能耗與歸一化后的基準期能耗進行比較，則能夠得出能源績效的優化情況。

能源績效參數模型通常都基于基準期的相關變量值來建立。能源績效參數（本例以每月龍門吊用能為例）模型可以用能耗與相關變量之間的數學關系來表達，如果采用線性回歸，可以采用表達式（1）：

式中：E為每月能源消耗，單位為tce/month;A為每月能耗基本負荷，單位為tce/month;B為單箱能耗，單位為tce/（month·teu）;P為每月箱量，單位為：箱量/月;C為月平均溫度每變化1℃的單箱能耗變化量，單位為tce/℃;ΔT為本月平均溫度變化量，單位為℃。A，B，C項來自線性或非線性回歸，或來自對一些基于工程理論的系統理解。同時，該模型公式應能通過統計數據的檢驗，可通過確定系數、變異系數或者方差等方式檢驗。公式中的獨立變量或者相關變量也應是可統計的影響能耗變化的重要參數，為了評估他們的重要性，每個變量都應滿足特定的統計學要求。

如果模型計算的數據和統計數據差別很大.則需要進行檢查：

（1）相關變量可能缺失。（2）剔除離樣數據。（3）改變數據收集頻率和時期（例如每小時、每天，或者每月等）。

將報告期內相關變量數值代入已建立的歸一化能耗模型，即得到歸一化后的基期能耗值，表達式見式（2）：

式中：ER為歸一化后的基期能耗值;A，B，C為同3.1式中的系數;PR為報告期內與箱量相關的測量數據;ΔTR為報告期內的月平均溫度變化測量數據。

為計算能源績效的變化，可將歸一化后的基期能耗值與報告期的實際能耗值進行比較，能耗的變化量可由式（3）計算：

式中：ΔE為能耗變化值;ER為歸一化后的基期能耗值;EA為報告期實際能耗值。這樣就能夠得出能源績效的改進情況。

3.3? 績效考核

績效管理需要有客觀、準確的數據支持。隨著對EMS系統的摸索應用，EMS對于司機作業的管理已經成為不可或缺的一部分，它所記錄的數據信息是死的，但通過對管理所需的數據分析，利用相應的考核算法對作業隊及個人進行評分，提供有效的數據支持績效考核。

作業隊考核采取縱向考核即對各個作業隊各個季度及年度的能效進行考核的模式。縱向考核分析作業隊在不同時段的能效，有助于分析作業隊發展的階段和趨勢，使得團隊績效能夠持續提升。

機種司機個人考核采取橫向考核即對各個司機單耗進行比對的考核模式。橫向考核能使司機了解與其他司機的差異，從而引導全員養成學習思考的習慣，認識自己的長處與不足，避免認識上的局限與狹隘，培育職業人素質，強化工作意愿，進而提高工作技能。

3.4? 社會效益評估

廢氣、廢水、廢渣的排放嚴重破壞著生態環境。為積極響應國家節能減排，建設節約型社會的號召，碼頭通過構建能源及生產作業管控系統對環境綜合進行監控，對大氣污染進行監控。適時地對社會效益進行評估，對萬箱節能的噸標煤進行分析計算，達成節能減排實現經濟效益與社會效益的雙贏的效果。

隨著碼頭產量的與日俱增，各種能源消耗量也日漸增加（見表1）。目前，對于能源管理尚處于分散簡單的初級階段，存在諸多漏洞，無法保證公司生產成本的管控、節能降耗最優化，影響綠色環保碼頭的建設。所以，建設一套先進的能源管理平臺，對能源進行全面合理的管控將具有重大意義。

這一系統將使得企業減少成本和能源消耗趨于最優，使企業的綠色可持續發展更進一步。

這一管理技術革新在充分體現了科學管理和以人為本相結合的理念，擁有良好的社會效益和經濟效益。

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