淺談大數據時代智能工廠能源管理係統的設計和應用

簡婷

韦德1946网址 上海嘉定201801

摘要：如今，傳(chuan) 統製造業(ye) 正在發生著巨大變革與(yu) 創新，智能工廠概念應運而生，其中，能源管理係統是工廠生產(chan) 資源管控的重要平台，是現代信息技術在企業(ye) 能源管理中的綜合應用，是實現企業(ye) 節約成本、降低能耗的重要舉(ju) 措。簡述能源管理係統的建設目標、設計依據、設計原則，詳細介紹智能工廠能源管理係統的設計模式—準確計量的監測電氣儀(yi) 表設計、穩定高效的數據傳(chuan) 輸網絡設計、滿足用戶多要求功能的平台設計，即智能工廠能源管理係統設計應具備的內(nei) 容和功能，以期為(wei) 大數據時代智能工廠能源管理係統的設計提供一點參考與(yu) 借鑒。

關(guan) 鍵詞：智能工廠;能源管理係統;能源管控中心係統(EMS);監測電氣儀(yi) 表設計;數據傳(chuan) 輸網絡設計;能源管理平台設計;節能降耗

0 引言

        如今，隨著物聯網、大數據、雲(yun) 計算等技術的不斷發展，傳(chuan) 統製造業(ye) 正在發生著巨大變革與(yu) 創新。特別是近幾年來，在全球智能製造熱潮工業(ye) 4.0的影響下，我國也出台了“中國製造2025”發展戰略，意味著新一輪工業(ye) 革命即將拉開序幕。我國作為(wei) 製造業(ye) 大國，應抓住此次機遇，將我國由製造大國變成製造強國，在國際市場占據更大的份額，獲得更多的話語權，而以“互聯網+”和“智能製造”為(wei) 內(nei) 核製定的“中國製造2025”發展戰略，為(wei) 我國製造業(ye) 下一步的發展指明了方向和具體(ti) 實施內(nei) 容。

       智能工廠的概念是在數字化工廠的基礎上，把生產(chan) 企業(ye) 管理技術運用到生產(chan) 過程的控製管理之中，借助各種軟件進行信息控製，確保生產(chan) 中各環節均處於(yu) 較優(you) 狀態，從(cong) 而實現智能管控、智能決(jue) 策、智能生產(chan) 。智能工廠的建設，需要從(cong) 計劃排產(chan) 智能、生產(chan) 過程協同智能、設備互聯互通智能、生產(chan) 資源管控智能、質量過程控製智能、決(jue) 策支持智能幾個(ge) 方麵進行考慮。能源管理屬於(yu) 生產(chan) 資源管控的重要內(nei) 容，是實現企業(ye) 節約成本、降低能耗的重要舉(ju) 措，智能化能源管理通常通過能源管控中心係統對工廠用能單位及供應源頭實施數據采集、實時監控，進而實現工廠能源的管控。

       國務院《關(guan) 於(yu) 印發“十三五”節能減排綜合工作方案的通知》(國發〔2016〕74號)(簡稱《通知》)指出，要加強工業(ye) 節能。鼓勵企業(ye) 實施能效趕超，加強能源管理，特別是重點耗能行業(ye) 的企業(ye) 更應當開展能效對標行動，完成能源管控中心的建設，並積極采用工業(ye) 領域智能化用能監測、診斷、統計等技術來完善自身的能源管理體(ti) 係。《通知》還提出，力爭(zheng) 到2020年，工業(ye) 能源利用效率和清潔化水平均應得到顯著的提高，規模以上工業(ye) 企業(ye) 單位增加值能耗比2015年時降幅要達到18%以上，如石油化工、電力、鋼鐵、有色金屬、建材等高耗能行業(ye) 的能源利用效率應達到或接近水平。在這一背景下，工業(ye) 企業(ye) 需不斷采用新技術與(yu) 製造技術相融合的方式來提升自身的生產(chan) 效率和能耗水平，增強企業(ye) 在行業(ye) 中的核心競爭(zheng) 力。另外，2021年11月1日起即將實施的《工業(ye) 企業(ye) 能源管控中心建設指南》(GB/T40063—2021)對各工業(ye) 企業(ye) 的節能減排和能源管理提出了更高的要求。

1 能源管理係統概述

1.1能源管理係統的建設目標

       智能化能源管理通常通過能源管控中心係統(EnergyManagementSystem，簡稱EMS)對工廠用能單位及供應源頭實施全麵數據采集、實時監控。EMS是現代信息技術在企業(ye) 能源管理中的綜合應用，是工業(ye) 化和信息化相結合實現節能減排的重要手段，通過自動化、信息化和集約化管理模式，對能源的生產(chan) 、輸送、分配和使用環節實施集中監控管理和優(you) 化配置;EMS是推動企業(ye) 節能降耗、改造提升的重要舉(ju) 措，是建立有效節能機製的基礎。在工業(ye) 領域，EMS旨在對企業(ye) 的水、電、氣、汽、可再生能源等的輸配和使用環節實施集中扁平化動態監控和數字化管理，改進和優(you) 化能源供需衡，實現係統性的節能降耗，使能源高效管理與(yu) 生產(chan) 裝備自動化、生產(chan) 過程管控成為(wei) 一體(ti) 的工廠級管控體(ti) 係。

1.2能源管理係統的設計依據

       能源管控中心係統(EMS)設計所遵守的標準和規範:《工業(ye) 企業(ye) 能源管控中心建設指南》(GB/T40063—2021)、《工業(ye) 企業(ye) 能源管理導則》(GB/T15587—2008)、《用能單位能源計量器具配備和管理通則》(GB17167—2006)、《綜合能耗計算通則》(GB/T2589—2020)、《石化企業(ye) 節能量計算方法》(GB/T32040—2015)、《製造資源計劃MRPⅡ係統原型法軟件開發規範》(JB/T6987—2013)、《電力工程電纜設計標準》(GB50217—2018)、《數據中心設計規範》(GB50174—2017)、《自動化儀(yi) 表工程施工及質量驗收規範》(GB50093—2013)、《綜合布線係統工程設計規範》(GB50311—2016)、《火災自動報警係統設計規範》(GB50116—2013)、《建築物電子信息係統防雷技術規範》(GB50343—2012)、《安全防範工程技術標準》(GB50348—2018);國家、行業(ye) 其他有關(guan) 節能標準和技術規範。

1.3能源管理係統的設計原則

       (1)先進性、成熟性和實用性原則。根據不同能源係統的工藝特點，選用目前成熟且具有良好發展前景的新技術和新設備，使設計的係統在較長時間內(nei) 保持技術的先進性和運行的安全穩定性;同時，設計時不僅(jin) 要求係統能夠滿足企業(ye) 目前的需要，而且需適應企業(ye) 未來發展的需要。

       (2)可靠性原則。係統穩定可靠，可實現全年、全天24h的連續運行。

       (3)可操作性原則。具有先進且友好的人機操作界麵，可實現信息共享，有便於(yu) 查詢使用的數據庫等。

       (4)高效率性原則。能與(yu) 相關(guan) 係統的數據共享，提升工廠能源管理係統的整體(ti) 運行效率。

       (5)實時性原則。設備與(yu) 終端信息交互快，可實現多終端實時監控。

       (6)完整性原則。依靠設計過程中的良好集成和完善配置，實現係統運行信息和功能的完整、全麵，充分滿足能源的生產(chan) 、供需平衡、調度、計量、能效分析等管理需求。

       (7)安全性原則。通過在係統部署相關(guan) 的安全措施，有效確保係統、網絡、應用與(yu) 工藝配套等層麵的安全。

       (8)可拓展性和開放性原則。考慮到能源管理係統需隨主工藝係統不斷拓展的特點，在設計時要考慮好能源管理係統拓展的便利性和技術的可行性，同時還要考慮拓展後的能源管理係統與(yu) 其他係統的兼容性、交互性。

       (9)可維護性原則。從(cong) 應用係統的規劃和設計、硬件選型和軟件係統開發等方麵通盤考慮通用性、兼容性、開放性;出現局部故障時，運行維護人員能及時發現問題並處理，避免影響整體(ti) 係統的運行。

2 能源管理係統設計模式

       能源管控中心係統(EMS)主要針對企業(ye) 使用的水、電、蒸汽、壓縮空氣、燃氣、可再生能源等能源介質進行集中監管。為(wei) 實現以上功能，需要進行的係統設計內(nei) 容主要包括電氣儀(yi) 表的設計、傳(chuan) 輸網絡的設計、監管平台應用的設計。

在工業(ye) 領域，EMS實質就是數據采集與(yu) 監視控製係統(SCADA)的集成，其構成主要包括監控中心計算機主站、通信通道和現場各種遠程終端單元，其能夠實現對工廠各單元的設備等進行遠程監測、控製及保護，並能與(yu) 工廠管理信息係統(ManagementInformat*tem，簡稱MIS)連接，以提高工廠管理的自動化水平。

一個(ge) 優(you) 秀的能源管理係統設計，需要從(cong) 三個(ge) 方麵進行考慮，即計量的監測電氣儀(yi) 表設計、穩定高效的數據傳(chuan) 輸網絡設計、滿足用戶多要求功能的平台設計。

2.1監測電氣儀(yi) 表設計

       能源管控中心係統(EMS)所需的數據大多是通過安裝在設備上的監測儀(yi) 表采集並由傳(chuan) 感器傳(chuan) 輸來的硬件數據，為(wei) 使係統能夠實時、準確、穩定地獲取各種監控數據，EMS設計選型時應使現場監測單元具備監測數據可靠、滿足使用條件並能及時反映控製參數狀態的特點。儀(yi) 表的選型，滿足生產(chan) 需要的同時應盡可能提高監測的精確度，保證工藝控製參數能準確、實時反饋，並滿足所在環境的安全防爆等要求。

       為(wei) 實現各種監控要求，設計應優(you) 先選用新型儀(yi) 表，特別是新技術條件下出現的智能型儀(yi) 表———智能電表、智能水表、智能氣表等。智能儀(yi) 表是以微型計算機(又稱單片機)為(wei) 主體(ti) ，將計算機技術與(yu) 檢測技術有機結合而成的新一代智能化儀(yi) 表，是未來建設智能工廠的硬件條件之一。隨著各種智能儀(yi) 表的湧現，不同儀(yi) 表的數據傳(chuan) 輸接口應具有統一的標準，以兼容大多數廠家的設備，采集到的數據應具有統一的格式，能夠靈活地根據不同用戶的需求設定采集頻率，並可把硬件數據轉換成關(guan) 係型數據庫，從(cong) 而實現數據的多平台、多終端共享與(yu) 使用;同時，監測電氣儀(yi) 表設計還需考慮今後技術升級所要求的擴展性。

2.2數據傳(chuan) 輸網絡設計

       在工業(ye) 領域，能源管控中心係統(EMS)需完成初的終端設備(傳(chuan) 感器)數據采集，以及通過網絡控製器和設備控製箱等實現串口協議信號向TCP/IP協議數據的轉換，數據通過網絡傳(chuan) 輸至控製器、服務器的數據庫進行處理、統計、分析等。在智能工廠模式下，能源管理係統的傳(chuan) 輸網絡作為(wei) 工廠網絡係統的一部分，是與(yu) 工廠網絡係統同時設計的，工廠網絡係統將各種服務器、自動生產(chan) 控製設備、辦公計算機、智能終端設備聯係在一起，形成一套完整的應用係統網絡支撐構架。數據傳(chuan) 輸網絡係統作為(wei) 智能工廠信息化的基礎承載體(ti) ，其設計應遵循以下原則。

       (1)鏈路冗餘(yu) 原則。數據傳(chuan) 輸網絡係統的主幹連接應采用負載均衡的冗餘(yu) 方式，設置的兩(liang) 條連接均提供數據傳(chuan) 輸並互為(wei) 備用，兩(liang) 條線路可實時、自動進行切換且不影響係統的應用。

       (2)模塊冗餘(yu) 原則。核心層設備和匯聚層設備所有模塊和環境部件應具備1+1熱備份功能，並具備熱插拔功能。

       (3)設備冗餘(yu) 原則。核心交換機由2台或2台以上設備組成，當其中一台出現故障時，另一台自動接替其工作，且不會(hui) 引起其他節點的路由表重新計算，進而提高數據傳(chuan) 輸網絡的穩定性。

       (4)擁塞控製與(yu) 服務質量控製原則。由於(yu) 接入方式、接入速率、應用方式和數據類型的多樣性，網絡數據流量突增而致擁塞是不可避免的，為(wei) 應對這一問題，網絡應支持區分服務模型機製，根據用戶所在網段、應用類型、流量大小等自動進行業(ye) 務分類，使接入的業(ye) 務遵守先期設定的接入速率承諾，在網絡出現擁塞前能自動采取措施進行先期擁塞控製，以避免瞬間大量“丟(diu) 包”現象的發生。

       (5)可擴展原則。數據傳(chuan) 輸網絡的交換容量應具備在現有基礎上擴充1~2倍容量的能力，以適應IP類業(ye) 務的急速膨脹;端口密度擴展應能滿足網絡擴容時設備間的互聯能力;主幹帶寬應具備2~4倍甚至更高的擴展能力，網絡體(ti) 係、路由協議規劃和設備CPU/NP(中央處理器/網絡處理器)的處理能力應具備2倍以上規模的擴展能力。

       (6)多種接入模式原則。智能工廠網絡以有線為(wei) 主、無線補充的方式使多終端無縫接入網絡，實現訪問業(ye) 務和共享數據。廠區中辦公區工位、生產(chan) 車間等均需部署有線信息點，且接入點需要預留實際接入數量25%的點數。無線AP(無線接入點)主要采用雙星型冗餘(yu) 組網結構，將無線AP連接至接入交換機，無線控製器連接至核心交換機，用戶通過無線控製器和無線網絡管理軟件實現對所有無線AP設備的集中管理，而且選擇的無線接入需要支持無線轉發技術，實現無線WiFi的廠區覆蓋。互聯網接入主要用於(yu) 智能工廠的物聯網服務、郵件服務、遠程辦公及維護等，需特別注意針對互聯網的安全防護———設置DMZ隔離區，使外網無法直接訪問企業(ye) 網絡，將麵向互聯網服務的業(ye) 務部署在DMZ隔離區域，外網需要通過防火牆、IPS訪問服務器;在DMZ隔離區域內(nei) 部署VPN網關(guan) ，方便用戶遠程辦公使用，同時不失安全性。在互聯網出口部署熱點緩存設備，實現外網資源內(nei) 網化;針對網絡內(nei) 違規使用網絡的行為(wei) 部署智能流控設備，合理分配寶貴的帶寬資源，優(you) 先保障關(guan) 鍵業(ye) 務。

2.3能源管理平台設計

       智能工廠能源管理平台的主要功能是綜合監控與(yu) 基礎能源管理，通過將設置的各能源監管設施進行係統整合，形成工廠能源管理平台，實現對能源供需的判斷處理與(yu) 提高勞動生產(chan) 率的調整，在客觀信息基礎上對能源實績進行分析和評價(jia) 。

       綜合監控功能包括能源數據采集與(yu) 基本處理、係統集中監控與(yu) 重點用能設備狀態及能耗監視、在線能效分析、能源信息歸檔和管理、能源係統時間及故障記錄、工藝與(yu) 設備故障報警與(yu) 分析等功能。

       基礎能源管理功能包括能源計劃管理、能源對標管理、能源平衡管理、能源質量管理、能源綜合分析、能源運行支持管理等。該部分是能源管理過程信息化的應用平台，其功能是解決(jue) 能源管理各核心業(ye) 務的主要問題，通過數據統計分析，對能源生產(chan) 、使用、過程、質量、設備以及輔助生產(chan) 安全等信息進行管理，為(wei) 能源調度、人員及用戶管理等提供信息查詢，實現能源係統的全麵、規範、精細化管理。基礎能源管理作為(wei) 能源管理係統在線調度、管理的補充，以友好的界麵為(wei) 能源管理人員提供一體(ti) 化的操作平台，是能源管理中心的離線數據中心、報表與(yu) 統計展示平台、對比分析平台、決(jue) 策平台、無紙化辦公平台。具體(ti) 而言，智能工廠能源管理平台需實現的功能如下。

       (1)能耗實時監控。通過能源流程圖(包括電力係統、水係統、燃氣係統、熱力係統、冷風係統、循環水係統等)的監控畫麵、曆史趨勢、報警等實時監控能源係統的運行狀態。

       (2)能耗統計分析。報表統計分析是衡量能源管理係統運行質量的主要依據，能夠通過係統生成的多種圖表(如曲線圖、折線圖、柱狀圖等)清晰地展現能耗設備的各項指標，全麵呈現係統的能耗情況、設備情況、報警統計、運行統計等，為(wei) 故障診斷、量化評比、生產(chan) 決(jue) 策提供科學依據，並可通過分析確定重點耗能設備，以加強重點耗能設備的管理力度。

       (3)能源報警管理。能源管理係統出現異常或報警時，企業(ye) 能夠通過綜合監控作出及時、快速、準確的判斷及處理，把因能源係統故障引發的事故影響降到，確保能源供應係統的安全穩定運行;同時，可以對一段時間內(nei) 係統記錄的報警信息進行統計分析，獲取設備詳細報警信息，以便對設備作出預測性維護決(jue) 策。

       (4)能源計劃管理。企業(ye) 可以建立能源網絡模型，實現能源供需平衡，進而編製能源供需計劃，作為(wei) 生產(chan) 經營管理過程中製定能源消耗計劃或外購計劃的依據。

       (5)能源對標管理。通過對年度、季度、月、周、日、班組等的綜合能耗數據進行統計、分析，實現產(chan) 品單耗、廠級能耗、車間能耗、班組能耗的多角度分析，對標行業(ye) 能耗先進水平，及時進行相關(guan) 工藝或設備的優(you) 化。

       (6)能源質量管理。據工廠對電能、蒸汽、水等的質量、消耗要求，設定預警、報警值，對能夠反映能源、介質質量的數據及時進行監控、分析，提前針對能源質量問題采取應對措施，從(cong) 而避免不必要事故的發生。

       (7)基於(yu) 能源優(you) 化的調度決(jue) 策管理。通過能源管理的調度決(jue) 策功能，能源調度管理人員可以對係統的設備狀態、運行情況、各相關(guan) 係統的運行工況、能源供需平衡的動態趨勢、調度日誌、運行事故預案等進行全麵監控，平台可以根據係統記錄的曆史數據和當前數據建立起來的數據庫進行過濾、整理，自動分析、計算、統計、分類、顯示，預測能源在未來一段時間內(nei) 的自產(chan) 、外購和消耗情況，以幫助調度人員發現能源供需不平衡的趨勢及運行趨向，確保能源供應安全穩定，進而達到節能增效的目的。

3 AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平台

3.1平台概述

       AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平台集變電站綜合自動化、電力監控、電能質量分析及治理、電氣安全、能耗分析、照明控製、設備運維於(yu) 一體(ti) ，為(wei) 建立可靠、安全、高效的工廠能源管理體(ti) 係提供數據支持。同時引入先進技術，配合廠務係統優(you) 化，簡化全廠管理，並利用實時數據，優(you) 化能效並預防風險，保障關(guan) 鍵製造設備的穩定運行和良品率，降低綜合成本，終達到高效運營和製造的目的。

3.2平台組成

       安科瑞AcrelEMS-SEMI電子廠房管理係統是一個(ge) 深度集成的自動化平台，它集成了電力監控係統、變電所綜合自動化、電能質量監測與(yu) 治理、電氣火災監控係統、消防設備電源係統、防火門監控係統、消防應急照明和疏散指示係統、智能照明控製係統、能耗監測係統、新能源充電樁、預付費係統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個(ge) 平台即可全局、整體(ti) 的對電子廠房的用電和用電安全進行進行集中監控、統一管理、統一調度，同時滿足廠房用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

3.3平台拓撲圖

4 平台子係統

4.1電力監控

       電力監控主要針對10/0.4kV地麵或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀(yi) 表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀(yi) 表，用於(yu) 測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電係統開關(guan) 櫃、變壓器微機保護測控裝置、發電機控製櫃、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

4.2電能質量監測與(yu) 治理

       監測各進線回路電能質量，包括電壓暫降、諧波畸變、閃變等數據波形記錄，進而判斷配電係統擾動方向。

       配置有源濾波裝置和無功補償(chang) 裝置對0.4kV側(ce) 電能質量進行補償(chang) 和治理，並監測有源濾波裝置和無功補償(chang) 裝置運行情況，確保電能質量符合生產(chan) 要求。

4.3變電站綜合自動化

       變電站綜合自動化係統主要針對110kV變電站、10kV變電所和10kV柴油發電機部分，在變電站設置Acrel-1000變電站綜合自動化係統子站，實現本地遙測、遙信、遙控、報警、報表等功能，並把數據上傳(chuan) 至AcrelEMS-SEMI能效管理平台，實現集中監測和報警。

4.4電氣安全

       AcrelEMS電子廠房能效管理係統針對配電係統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳(chuan) 感器、溫度傳(chuan) 感器，消防設備電源傳(chuan) 感器、防火門狀態傳(chuan) 感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，並且對UPS的蓄電池溫度、內(nei) 阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

4.5智能照明控製

       單控、區域控製、自動控製、感應控製、定時控製、場景控製、調光控製等多種控製方式。

4.6能耗分析

       AcrelEMS電子廠房能效管理係統為(wei) 工廠搭建計量體(ti) 係，顯示能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助企業(ye) 分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。從(cong) 能源使用種類、監測區域、車間、生產(chan) 工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對工廠用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產(chan) 品能耗、單位產(chan) 值能耗統計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從(cong) 而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

4.7充電樁管理

       電動汽車和電瓶車充電樁管理，包括收費管理、資產(chan) 管理。

4.8職工公寓管理

       對廠區內(nei) 職工宿舍進行負載管理，包括惡性負載識別管理、負載閾值管理，避免因為(wei) 惡性負載引起火災。對員工宿舍進行水電收費管理，支持微信、支付寶等繳費方式，采集職工宿舍能耗數據。

5 結束語

       伴隨知識經濟時代的來臨(lin) ，驅動當前社會(hui) 變革的不僅(jin) 僅(jin) 有互聯網，還有無處不在的計算、數據和新知識等。智能工廠的構建實際上是信息技術與(yu) 製造技術的融合，在物聯網、雲(yun) 計算、5G等新技術的推進下，智能工廠的發展必定呈現全新的、多樣化的模式。在這樣的環境下，能源管理體(ti) 係也需不斷創新、與(yu) 時俱進，以推動智能管控、智能決(jue) 策、智能生產(chan) 的實現。

[參考文獻]

[1]馮(feng) 晶，田小果．EMS係統在鋼鐵廠能源中心的應用[J]．自動化與(yu) 儀(yi) 器儀(yi) 表，2005(3):35－37，44．

[2]胡炳麗(li) ，張珅．數據中心能源管理係統的應用背景及功能概述[J]．科學技術創新，2020(7):70－71．

[3]陳衛新．麵向中國製造2025的智能工廠[M]．北京:中國電力出版社，2017．

[4]國務院．中國製造2025(國發〔2015〕28號)[Z]．2015．[5]國務院．關(guan) 於(yu) 印發“十三五”節能減排綜合工作方案的通知(國發〔2016〕74號)[Z]．2016．

[5]安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2022.05版.

[6]王榮陳.淺談大數據時代智能工廠能源管理係統的設計模式.

作者簡介：簡婷，女，本科，現就職於(yu) 韦德1946网址，主要研究方向為(wei) 建築能耗監測係統。