能源管理系統在整車制造的應用

王小東

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

1 能源管理系統整體設計

1.1 能源管理系統平臺整體價值導向

東風柳汽能源管理平臺整體設計，遵循能源管理體系PCDA 循環(huán)管理架構，如圖1 所示。同時，基于能源自動化、數據可視化、指標精準化、能源管理精細化、管理動態(tài)化、決策科學化核心價值，構建能源管理系統平臺，使系統真正發(fā)揮效能提升、效益擴大價值。

圖1 系統價值導向圖

1.2 系統平臺權限設置

系統平臺權限基于東風柳汽能源管理組織架構而設置。東風柳汽有兩個整車生產基地，公司能源管理按公司級-廠級、車間級、現場級分級管理，因此，系統平臺權限也依據該管理分級進行劃分，實現系統用戶配置、區(qū)域管理、分類分項、分車間、分供能單元、分設備、分班組，分時間段等不同權限的管理，具體分級管理權限如下：

現場級：具備對廠區(qū)各車間、各區(qū)域、各能耗單元的數據查詢和監(jiān)視，如報表查詢、報表手動生成、導出功能等。

車間級：除具現場級全部權限外，增加對責任車間區(qū)域范圍內的參數設置、數據錄入，能耗分析基準數據設置權限。

廠級：具備對各全廠區(qū)、各車間、各區(qū)域、各能耗單元的數據查詢和監(jiān)視查看權限及報表查詢、手動生成、導出功能，能耗分析基準數據設置，全廠能耗數據錄入權限，同時，增加廠級以下賬號配置和清除賬號的登錄及操作記錄查詢、系統維護功能權限。

公司級：具有現場級、車間級、廠級所有權限，增加系統開發(fā)維護權限。

1.3 數據采集及儲存設計

基于能源精細化、高效化管理需求，東風柳汽的數據采集包含能量流數據、供配電數據、設備狀態(tài)參數、工藝參數、作業(yè)環(huán)境參數及通過與東風柳汽設備狀態(tài)監(jiān)測系統、MES 系統等多系統交互的生產組織數據。數據采集與儲存采用分布式的架構實現數據的分區(qū)采集、數據實時存儲、優(yōu)化分析等多個組件的性能均衡布局，滿足不同區(qū)域和車間的能源管控需求。同時，與東風柳汽所有西門子系統產品的無縫集成（SCADA、儀表、PLC 等），降低維護及投資成本[1]。系統基礎數據為各區(qū)域PLC 控制器直接采集并處理為標準統一的數據，并通過辦公以太網上傳至服務器顯示及儲存處理。在系統監(jiān)控畫面中實時顯示車間及其供能單元已有計量儀表的瞬時、累積能源介質消耗（天然氣、熱水、冷水、自來水和電能）、溫度等；氣體、液體介質每1 min 記錄一個點；電能信號每3 min 記錄一個點；實時采集各儀表數據狀況，系統自動進行數據歸檔并形成數據曲線；數據采集具備手動錄入功能，對于某些不方便用智能采集設備采集的能源（譬如：柴油、產量、單價、生產時間）以及由于預算或施工難度問題導致無法改造增加智能采集設備的部分數據，提供一個手動錄入接口，并把輸入數據儲存，但是手動錄入系統有嚴格的權限限制和校驗機制，能夠放置篡改數據并分析出非正常數據，防止手動誤錄入[2，3]。

2 能源管理系統架構設計

如圖2 所示，系統采用主流的ASP.NET 開發(fā)，系統軟件同時支持B/S 和C/S 兩種架構，運行管理人員、東風柳汽管理和決策層人員不受地域時間限制，通過主流瀏覽器Web 方式不同權限登錄，查看系統功能[4，5]。

圖2 系統架構設計圖

3 能源管理系統通信架構設計

東風柳汽能源管理系統服務器置于公司IT 機房，由專業(yè)IT 管理人員進行運行維護管理，如圖3 所示。各車間至服務器網絡傳輸部分利用公司IT 辦公以太網傳輸。車間內部數據信號采集、傳輸采用獨立總線傳輸技術，與車間IT 網絡機柜不干涉，同時，為便于信號傳輸線纜敷設，將遠程IO 站裝設在公司局域網IT 網絡機柜旁。

圖3 系統通信架構圖

為解決底層數據通信可靠，避免數據經常丟失、丟包等現象，東風柳汽現場通信方案有別于市場主流的數據通信采集器孤島式、固定式通信方案。東風柳汽基于系統開放性、可擴展性、靈活性等考慮，現場數據采集使用西門子配置系統即西門子PLC+Wincc 架構及開放式的西門子Wincc 上位機系統，并采用開放式的通訊協議modbus-rtu 與PLC 系統進行數據采集，系統上層數據采用工業(yè)以太網與PLC 數據通訊，以集散式結構分布，集散式結構綜合考慮制冷站、空壓站、生產線體設備已有的自控系統通訊。

4 能源管理系統主要應用場景設計

4.1 設備用能狀態(tài)監(jiān)控

設備的用能狀態(tài)，如開關機時刻、運行時長、空載時間、等待時間、有效產出時間等，與工廠的能源消耗息息相關。利用能源管理系統強大的數據采集及數據的解析與分析能力，實現設備運行的精細化管理。東風柳汽的設備用能狀態(tài)監(jiān)控功能，基于精細化、精準化管理需求而開發(fā)，具體實現過程如下：

設計單獨的系統子頁面項，可根據設備電流及生產線開線、停線時刻、車輛上線、下線參數等判定基準，對設備的不同運行狀態(tài)進行區(qū)分與儲存。然后可根據用戶實際需求，查詢任何時間段不同設備的各狀態(tài)數據，以評價設備開關機時刻的合理性，并判斷有無提前開機、延后關機現象，同時，評價設備有效運行時間，統計設備空載、設備等待等無產出時間的能耗，為各車間提供節(jié)能改善機會挖掘的數據基礎。該功能查詢畫面采用“公司-基地-車間”邏輯架構進行布局，可通過單選或者多選的方式選擇各用能設備按天/周/月/季/年查詢任意時間段內各設備狀態(tài)的明細情況，查詢結果以報表形式顯示。

為滿足新增設備或因工藝變更導致的設備狀態(tài)判定參數發(fā)生變化的變更需求，該查詢界面支持平臺維護人員在線手工錄入設備狀態(tài)判定參數值。

4.2 電能質量分析

東風柳汽建有110 kV 變電站，內部電纜總長度超過120 km，線路損耗較大，利用能源管理系統，實時監(jiān)測東風柳汽供配電系統多級線損成為重要的應用場景之一。

為滿足多級線損統計分析功能，東風柳汽在供電局出口側、東風柳汽變電站進口側、主變高低壓側、車間的10 kV 總進線側、低壓總進線側、低壓出線皆配備多功能智能電表，并按四個等級劃分：

110 kV 等級線損：供電局110 kV 出線至東風柳汽變電站110 kV 進線之間的架空線路線損。

110 kV/10 kV 主變等級線損：東風柳汽變電站110 kV 進線至主變低壓側（10 kV）之間的變壓器損耗。

10 kV 等級線損：主變低壓側（10 kV）至各車間配電室10 kV 高壓總進線之間的地下電纜線損。

低壓等級線損：車間配電室10 kV 高壓總進線至各低壓分屏之間的線路損耗及10 kV/380 V 變壓器損耗。

基于以上線損分級管理，設立獨立的頁面項，經過采集涉及的各級電表數據及后臺處理，計算出各時段公司各級電能計量誤差；以東風柳汽電氣主接線圖為底板，實時顯示各級電能信息及線損率、線損量等狀態(tài)，同時可以查詢并輸出任何時間段內公司各等級線損數據，查詢單位為“天、周、月”，查詢結果以單一特定報表形式輸出。

4.3 變壓器負載率監(jiān)控功能

變壓器負載率、負荷率是衡量工廠生產排產有序性、均衡性的重要指標，同時，電費里的容量費是公司的主要電費構成之一，降低公司的容量費關鍵手段便是對變壓器負載率、負荷率的監(jiān)控與改善。

東風柳汽變壓器負載率監(jiān)控功能根據現場實際情況，提供各基地、車間變壓器負載率標準值設定界面，該界面支持平臺維護人員在線手工錄入各變壓器的負載率設定值。系統以電氣主接線圖形式顯示變電站主變、各基地、車間實時負載率變化信息；監(jiān)控畫面主要顯示各變壓器的額定容量、實時使用容量、變壓器實時負載率（負載率=實時視在功率/額定視在功率）、負載率設定值等數據；當實時負載率小于設定值時，數據部分變成紅色，變壓器圖標由綠色變成紅色；當實時負載率大于等于設定值時，數據部分顏色恢復正常，變壓器圖標變成綠色。

4.4 報表管理

東風柳汽能源管理系統報表設計為開放式報表，各車間可根據實際需求靈活配置統計項。

按使用區(qū)域分類，監(jiān)測每個區(qū)域的天然氣、熱水、冷水、自來水和電能的當天的能源消耗報表，每周能源消耗報表，每月能源消耗報表，每季度能源消耗報表，每年能源消耗報表。

按能源品種分類，監(jiān)測每種能源的每天、每周、每月、每季度、每年的消耗報表；可提供手動輸入界面，可導入歷史數據，并生產報表。

可自動生成產量、生產時間、歷史能耗數據報表；能源管理軟件可以生成各類能耗的日報表、月報表、年報表等各種報表，實現能源資源分類分項精確計量和能源資源運行監(jiān)管功能，清晰描述工廠總的用能現狀；根據能耗數據，可生成曲線，包括折線圖、餅圖、柱狀圖（可根據現場需求進行調用），便于直觀的能耗走勢分析和比例分析。

導出EXCEL 報表后，報表具備打印、過濾、排序等功能，打印方式支持word、excel、PDF、棒圖、曲線等圖表打印功能[6-8]。

4.5 能耗分析

東風柳汽利用系統采集的數據，用同環(huán)比、與基準值的優(yōu)劣等預設規(guī)則，對能耗數據采集結果進行分析，供公司各用能崗位、機構評估日、周、月、年用能合理性。整體按“能耗預警管理功能”“綜合能耗總覽功能”“同類車間能耗分析功能”三個功能設計。能源管理工程師能根據公司級、車間級、工序級、設備級能耗定額指標及每年發(fā)布的KPI 值設定報警限值，設定的內容包括報警內容、報警類型、報警等級、報警位置、能源類型、周期、指標、單位、設定值等。系統對公司主要的能源消耗總體情況和能源消耗分項情況進行統計，與生產數據結合，分析公司單臺產量能耗和產值能耗。通過對水、電、氣單項以及分項對比，按照年、季、月、周和天的時間進行統計分析，并以柱狀圖、曲線、數字表現形式顯示和輸出，直觀反映公司各級實際實時用能情況，并可通過報表形式導出呈現。

4.6 能源績效參數監(jiān)控

東風柳汽為整車企業(yè)，涵蓋沖壓、焊接、涂裝、總裝、發(fā)動機五大工藝，設備繁多，且工藝復雜。因此，提高公司設備使用效能，在滿足工藝質量要求的前提下，如何優(yōu)化并合理控制各類壓力、頻率、溫度、濕度、功率因數、電流諧波、電壓等參數，成為東風柳汽乃至整個機械行業(yè)深入節(jié)能的重要突破口。參數的異常，直接影響公司能耗指標及能源績效的達成。而該部分參數的控制，如僅依靠人為管理控制，很難做到異常快速識別整改、參數持續(xù)調優(yōu)，必須依托參數的自動化采集與處理，依靠系統平臺代替人為管理，才能提高參數控制的精準度及參數異常識別與整改效率，降低公司能耗。

能源績效參數的獲取從車間中控室直接采集或通過新增采集設備，實現公司主要參數在線監(jiān)控、記錄、查詢、報警提示功能。如圖4 所示，能源績效參數實時監(jiān)控以車間工藝流程圖形式顯示所列設備能源績效參數整體運行情況，且以特定圖標反映實時運行狀態(tài)，能直觀區(qū)分運行正常、異常狀態(tài)，點擊某設備圖標，可進入該設備具體能源績效參數實時監(jiān)控頁面，如圖5 所示。

圖4 某工序績效參數實時監(jiān)控頁面

圖5 某工序績效參數實時監(jiān)控頁面

此外，能源績效參數可以查詢某個車間能源績效參數任何時間段內的歷史運行數據，查詢周期為小時、天或月，查詢結果采用特定報表格式，以算數平均值輸出；能源績效參數以特定表格形式輸出任何時間段的能源績效參數報警記錄，查詢周期為每天、每月或每年，查詢結果包含異常運行的能源績效參數名稱、運行標準范圍、異常運行值、異常運行時間段。同一查詢時間段內，查詢結果能直觀顯示某個能源績效參數有多次運行異常記錄的情況[9，10]。

4.7 成本分析

能耗成本作為東風柳汽的主要成本管控項，為便于與公司財會部門業(yè)務銜接，特設計了成本分析功能，以提高管理效率。系統設立單獨的成本分析功能頁面，頁面簡潔明了，且可以制定報表格式導出；具備公司級和車間級的成本分析，可以根據產量及能耗，計算單臺能耗（水、電、氣）成本；根據水、電、氣系統的耗能累計數據和產出累計量，自動生成單位產出能源介質的成本分析結果。

4.8 績效考核

能源管理目標、指標達成情況的分解、管控、考核，是能源管理體系必不可少的一環(huán)，是公司管理者評價各用能部門、用能管理人員月度、年度績效的重要手段。基于該考慮，東風柳汽能源管理系統增加了績效考核頁面。

績效設定頁面由公司能源主管部門根據公司能源管理制度和能源績效考核制度以及公司領導確定的能源績效目標，對不同部門或組織的能源績效進行指標分解和分配、權重設定及各指標目標值設定等工作，設定每個車間或組織的年度和月度績效考核目標。

設置實時績效統計功能，系統每完成一次數據統計，就與預先設定好的能源績效目標進行比對，若超限時產生績效報警信息，發(fā)送給報警管理功能模塊，由其完成提示、顯示和查看等功能。同時，經授權的管理人員也可隨時查看當前能源績效的運行情況，與目標值的距離，以指導下一步的能源使用和管理工作。

設置績效分析功能，公司各層級管理人員可查看到歷史績效的各種記錄數據，給出橫向對比、縱向對比、上下級分解數據等多種分析方法。

5 結語

能源管理系統對主要耗能設備、主要辦公場所用能進行全面的監(jiān)視，利于設備開關機等管理制度的落實，提高能源管理水平，降低能源浪費；通過能源消耗與生產排產水平分析，科學經濟排產，降低單位產品能耗；通過系統后臺監(jiān)視大部分能源管理績效參數（電泳槽液溫度、烘干室溫度、空壓機出口壓力等）運行情況，提高能源績效參數遵守率，從而提高能源利用效率，降低用能成本；通過監(jiān)視主要變配電設備溫控儀、繼電保護、斷路器脫扣器狀態(tài)及無功補償與有源濾波設備運行狀態(tài)，及時識別故障及供電故障預警，降低供電事故發(fā)生率，提高無功補償與有源濾波設備有效運行率，降低無功損耗及諧波污染，提高電能質量。通過設備優(yōu)化控制系統，對制冷站、空調系統、空壓站、鍋爐房等主要耗能單元進行智能優(yōu)化控制，在保證動力站房正常供能的前提下，大大降低動力站房的運行能耗，同時可優(yōu)化崗位操作人員配置，達到減員增效的目的；利用能耗分析、能耗異常診斷、能源績效參數運行曲線分析、無功補償與有源濾波設備運行狀態(tài)分析等功能，分析及創(chuàng)造出節(jié)能改進空間，為設備、工藝技術改造、節(jié)能改造提供充分的數據支撐及科學合理的依據，擴大節(jié)能改善空間，增加節(jié)能改善深度。