基于數字化工廠的能源管理系統設計

熊 偉

（海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600）

隨著我國經濟社會的發展和環境資源壓力越來越大，節能減排形式嚴峻。為貫徹落實黨中央、國務院《關于加快推進生態文明建設的意見》和國家“十三五”規劃《綱要》《“十三五”節能減排綜合工作方案》《計量發展規劃（2013—2020 年）》《能源生產和消費革命戰略（2016—2030）》等有關工作要求，加快建設重點用能單位能耗在線監測系統，健全能源計量體系，加強能源消費總量和強度“雙控”形勢分析和預測預警，推動完成“雙控”目標任務。

1 建設目標

利用互聯網技術、計算機軟件技術、數據協議通信技術、數據挖掘技術等相關的專業技術，建立一套高效、穩定的企業能源數據采集系統。針對企業的水、電、汽等各能源品種的能耗數據實現二級甚至三級計量采集能力。

1）實現對各種能源介質和重點耗能設備的能耗數據采集、計量和統計分析。

2）及時了解和掌握各種能源介質的生產、使用，以及各種能源介質管網、優化調度和綜合管理。

3）實現關鍵耗能設備的運行工況監測和效率監控，進一步挖掘節能減排機會。

4）做到科學決策，正確指揮，確保安全、可靠、經濟與高效運行，實現從經驗型到分析型數據決策的轉變。

5）通過能源考核，提高節能減排的意識，全員動員節能減排。

能源管理系統建設近期目標實現對主要能耗介質的監控、計量及統計平衡，減少人工抄表和統計的工作量，提高能源利用分析能力。進一步加強對重點耗能設備的監控，提高能源利用效率，挖掘節能減排機會。

2 設計原則

系統的建設遵循一致性、開放性、可靠性、先進性、繼承與可擴展性、實用性的原則。

1）一致性：按照技術標準統一、開發系統統一、數據結果統一、功能應用統一、展現方式統一的要求進行系統建設，滿足標準化建設的要求。

2）開放性：應采用統一的數據通信協議和功能規范，面向各類采集終端接入；應提供開放的軟件平臺和標準接口。

3）可靠性：提供高效可靠的軟硬件系統，確保系統整體穩定運行；系統操作有權限及嚴格完善的密碼、日志管理，具有完備的數據備份和恢復機制。

4）先進性：采用先進的技術和產品，兼顧技術的成熟度，選擇符合發展趨勢的業界主流的技術架構及軟硬件平臺，系統性能應滿足今后五年內業務發展的需要。

5）繼承與可擴展性：充分利用已有的軟硬件資源，繼承有價值的歷史數據，避免資源浪費和數據斷層；系統平臺與技術將充分配合未來功能及項目擴充的需求，系統的集成具有持續發展的可擴展性，硬軟件應采用便于升級的模塊化設計，可根據需求選擇模塊組合；系統升級時不影響系統運行。

6）實用性：以業務需求為前提，以實用化應用為目的，采用人性化的交互方式，界面簡潔、操作流暢、使用便捷，易于掌握。

7）高效性：注重各子系統的信息共享，提高整個能源管理中心系統高效率的傳輸與運行能力，設備和終端必須反映快速，充分配合實時性的需求。

8）可維護性：從能管系統的規劃和設計、硬件設備的選型和應用軟件系統的開發等方面考慮通用性、開放性。在系統局部發生故障時，運行維護人員能盡快發現并能及時處理，避免故障擴大并快速恢復正常運行。

3 技術路線

3.1 傳統SCADA技術路線

傳統的能源系統及能耗在線監測系統采用工控SCADA 的技術和網絡完成數據采集上報和簡單報表功能，其系統結構示意如圖1所示。

圖1 傳統能管系統架構示意圖

其優點是成本低，實施周期短，基本上采用現有的工控技術組態即可完成數據采集和存儲，實現現場監控的目的。缺點是獨立的數據采集自成體系，不具備長時間大數據存儲的能力，適合用于監控和簡單報表功能，不具備大數據挖掘和智能化的監控水平，無法完成復雜的業務處理。

3.2 基于數字化工廠技術路線

在數字化工廠及智能工廠的架構中能源管理系統是其中的一部分，底層的物聯互通、生產數據采集和存儲都是共通的基礎平臺，通過能源管理系統的建設，逐步完成數字化工廠的規劃和構建可以極大地保障企業的信息化投資。

首先，應該摒棄孤立不能聯網的信息系統建設觀念，避免新系統的建設形成新的信息孤島。應從企業的信息化角度出發，建立統一的實時數據平臺，數據集中進入到實時數據平臺再統一提供給能源管理系統、生產管理、生產統計及大數據挖掘等功能模塊進行使用，可以極大提高企業信息化的水平。

其次，通過統一的企業實時數據平臺建設，可以有利于加強企業數據的管理，統一數據口徑，統一數據接口，對生產控制系統進行隔離，避免所有系統都跟工控系統進行直連，提高企業信息化的安全性。

通過統一數據平臺，可以綜合匯總各方面的數據進行多維度的分析，例如原材料分析數據和產品質量信息、生產的批次對比等可以更精確地實現能耗、碳排放等的計量分析。

4 功能設計

4.1 數據采集

數據采集系統是整合多種采集通道，能利用多種不同的驅動和協議同時采集多種不同的能源和生產數據。

系統電力數據的采集，通過與通信管理機進行連接，采用MODBUS 協議完成數據通信或104規約完成數據采集。DCS 生產數據采集通過TCP 網絡接口進行連接，采用OPC 協議進行數據通信。

4.2 實時監測

能源的實時監測通過對全廠能源介質管網進行繪制，實現全廠的統一監控，也可以進一步到車間級別的監控，系統可實現對電力、蒸汽、工廠風、水等耗能介質的監控。

4.3 計量平衡

實現對能源數據的自動抄表和計算，實現班、日、月階段數據的抄表計量，對于不能自動計量的數據，系統提供手工輸入的界面進行數據補充。

能源平衡是能源管理重要工作內容之一，需在能源管理平臺實現能源數據的自動分攤和平衡，為能源平衡調度提供數據支持，實現損耗的分攤計算，實現全廠能源計量平衡。

4.4 能耗統計分析

能耗統計與分析基于強大的數據統計和挖掘工具，為能源管理人員提供各種統計分析數據，包括能源消耗聯動分析、趨勢分析和指標綜合查詢等豐富的統計分析信息。

能耗統計與分析致力于為能源考核、節能管理、能源報表、質量管理等提供有價值的數據支撐，挖掘有利于節能減排的建議和措施，是能源管理的核心功能。

4.4.1 綜合能耗分析

主要對企業各種能源介質消耗結構進行多維度綜合分析。包括各種能源介質的消耗趨勢分析、餅圖分析、柱狀圖分析、數據分析。能源消耗結構柱狀圖、餅圖主要展示了各種能源消耗折標煤量的比例，分別以餅圖和柱狀圖直觀展示，是數據分析的圖形化展現。

4.4.2 能量平衡展示

主要對各種能耗介質自動進行能量平衡，找到不平衡點。

4.5 重點用能設備監控

能源管理系統的設備監控功能主要實現設備運行監控和設備能效監控。

（1）設備運行監控。實時監視主生產線和重要耗能設備的關鍵工藝參數，如功率、壓力、流量等，并根據參數設計界限進行報警，同時提供參數的趨勢圖、歷史數據查詢等功能，滿足現場操作人員監控需求。

（2）設備能效監控。重點裝置能源使用效率是在設備實時數據和歷史數據基礎上，去除現場數據的誤差后，通過軟件后臺的設備機理模型或數據驅動模型進行實時計算的計算值，在監控界面上實時顯示，并提供趨勢分析和查詢，作為設備用能異常判斷依據。

在線實時計算設備的能耗和能效數據的基礎上，建立能耗、能效與運行參數的關聯模型，確定在不同負載率情況下的設備能效和能耗正常范圍，并實時判斷當前的能耗和能效數據是否在范圍內，跟蹤超出正常范圍的數據點發生次數、發生時長，達到一定條件后將會觸發異常報警，提醒生產操作人員關注，找出能耗能效異常原因并及時解決問題，從而有效提高能效和降低能耗。

4.6 對標管理

能效對標管理為兩種，綜合能耗指標和主要能耗指標；能效對標包括省標桿對標、國家標桿對標、行業標桿對標等，對標指標可配置，可在年初或年中進行修改和設定。

數據來源有三種。

（1）設定值：計劃指標和標桿指標；省標桿及國家標桿數據設置。

（2）系統計算：指標實際完成（按照結算消耗及綜合能耗、分企業能耗計算月報）、與歷史指標等的對比。

（3）人工輸入（每月）：交流排名、同行業指標情況，按設定表單輸入。

4.7 計量器具管理

能源管理系統可對計量器具進行臺賬管理，使能源計量器具配備情況一目了然，及時查看計量器具、器具檢驗單位和器具檢驗信息等。

4.8 能源資料管理

能源管理的重要性日漸增加，各級政府均對能耗雙控極其重視，企業由于人員的變動、電腦維修等原因，會造成資料的丟失，能源資料管理實現將紙質的資料電子化，實現永久的保存和歸檔管理。給使用者和管理者帶來了極大便利。其次，可以將能耗外購資料及時歸檔，以便能源審計、能源核查時使用。

5 結論

隨著碳達標和能源雙控的加強，企業能源管理系統的建設重要性日益增加，通過數字化工廠的架構建設能源管理系統，有別于傳統的能源管理系統建設架構，可以為企業帶來更大的價值，避免信息孤島的形成，保障企業信息化投資，提升企業能源管控水平。