劉治恩 徐席東 李傳明

（安徽節(jié)源環(huán)保科技有限公司 安徽省合肥市 230088）

工業(yè)企業(yè)的智慧節(jié)能技術(shù)研究

劉治恩 徐席東 李傳明

（安徽節(jié)源環(huán)?？萍加邢薰?安徽省合肥市 230088）

本文總結(jié)了國內(nèi)節(jié)能發(fā)展歷程，并提出智慧節(jié)能理念，緊接著闡述智慧節(jié)能產(chǎn)生的背景，明確智慧節(jié)能的時代已經(jīng)到來，并給出了智慧節(jié)能的基本原理和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)架構(gòu)，分析了實(shí)現(xiàn)智慧節(jié)能的主要技術(shù)難點(diǎn)。讓讀者對智慧節(jié)能有一個宏觀上的認(rèn)識和了解。

智慧節(jié)能；智慧節(jié)能云；工業(yè)企業(yè)子站；專家知識庫；仿真分析庫

前言

《中華人民共和國節(jié)約能源法》自1998年1月1日起施行以來，中國取得了舉世矚目的成就，我國火力發(fā)電、鋼鐵、水泥等能效水平顯著提高，甚至有的企業(yè)處于全球領(lǐng)先位置。在看到成績的同時，也要清醒的認(rèn)識到容易采取的節(jié)能措施已經(jīng)都做了，剩下的就是啃骨頭。目前，節(jié)能工作更加關(guān)注節(jié)能減排的系統(tǒng)效益和綜合效益——既要節(jié)能，也要環(huán)保。在這種情況下，對節(jié)能理念創(chuàng)新和節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新都提出了更高要求，同時也呼喚著新的節(jié)能理念和節(jié)能技術(shù)的出現(xiàn)。

1 國內(nèi)節(jié)能發(fā)展歷程

我國自1998年正式開展節(jié)能工作以來，按照采取的節(jié)能措施不同，大致可分為技術(shù)節(jié)能、管理節(jié)能、智慧節(jié)能三種。

第一種：技術(shù)節(jié)能

1998年我國出臺節(jié)約能源法之后，首先通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的節(jié)能。技術(shù)節(jié)能主要對單體設(shè)備或局部工藝進(jìn)行改造，提高設(shè)備的能源利用效率和回收余熱、余壓等余能實(shí)現(xiàn)節(jié)能。采用技術(shù)節(jié)能，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能效果直觀、實(shí)施相對簡單和易操作，缺點(diǎn)是隨著時間的推移節(jié)能率會逐漸減小。技術(shù)節(jié)能的典型代表有電動機(jī)的變頻技術(shù)、鍋爐煙氣余熱發(fā)電技術(shù)、無功補(bǔ)償技術(shù)、空壓機(jī)余熱回收技術(shù)等。

第二種：管理節(jié)能

隨著技術(shù)節(jié)能的推進(jìn)，容易采取的單體設(shè)備的技術(shù)改造和工藝的技術(shù)改造已經(jīng)都做了，那些具有節(jié)能空間的、不易被發(fā)現(xiàn)的節(jié)能潛力點(diǎn)需要進(jìn)一步挖掘。管理節(jié)能全面監(jiān)測工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)（工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、控制信息以及管理信息等），通過軟件分析對關(guān)鍵能源指標(biāo)、生產(chǎn)指標(biāo)和能耗指標(biāo)實(shí)時處理、分析和統(tǒng)計(jì)，提供當(dāng)前和歷史的工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)以及相關(guān)參量之間的趨勢關(guān)系，利用這些對比的數(shù)據(jù)和信息，可以直觀了解能源使用存在的問題，并挖掘節(jié)能潛力點(diǎn)，再采取有針對性的節(jié)能措施實(shí)現(xiàn)節(jié)能。采用管理節(jié)能，優(yōu)點(diǎn)是可以深層次挖掘更大節(jié)能潛力點(diǎn)，缺點(diǎn)是短期效果不明顯、實(shí)施較復(fù)雜、不能實(shí)時自動控制。管理節(jié)能的典型代表有企業(yè)能源管理中心、能源在線監(jiān)測系統(tǒng)等。

第三種：智慧節(jié)能

隨著工業(yè)企業(yè)能源管理中心和能源在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，預(yù)期的節(jié)能目標(biāo)未能達(dá)到，主要原因包括對管理人員專業(yè)知識要求較高而實(shí)際缺少、需要依賴人去執(zhí)行且易受人為因素影響等，因此必須采取避免上述原因影響的節(jié)能手段。智慧節(jié)能基于系統(tǒng)工程原理，依據(jù)智慧大腦——專家知識庫和仿真分析庫，對工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)實(shí)時處理、分析、仿真，并給出最優(yōu)控制方案和改造方案，利用靈活四肢——自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，使整個系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)最大化的節(jié)能。采用智慧節(jié)能，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能智慧化、最大化，缺點(diǎn)是投入成本高、技術(shù)難度大。智慧節(jié)能的典型代表有智慧節(jié)能云平臺。

本文將重點(diǎn)介紹利用智慧節(jié)能云平臺實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的智慧節(jié)能。

2 智慧節(jié)能產(chǎn)生的背景

2.1 新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展

近幾年，繼物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算之后，大數(shù)據(jù)也成為了新一代信息技術(shù)的重要內(nèi)容。而且，隨著新一輪工業(yè)革命的到來，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)在未來制造業(yè)中的作用愈發(fā)重要。

智慧節(jié)能正式基于新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展為基礎(chǔ)，使得實(shí)現(xiàn)才成為了可能。工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)的快速采集、識別與獲取，需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為支撐；工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)的快速存儲、網(wǎng)絡(luò)傳輸和基礎(chǔ)計(jì)算，需要云計(jì)算技術(shù)作為支撐；工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)的快速處理、分析、挖掘，需要大數(shù)據(jù)技術(shù)作為支撐。再加上智慧大腦——專家知識庫、仿真分析庫和靈活四肢——自動控制系統(tǒng)，使得工業(yè)企業(yè)的智慧節(jié)能具備了條件。

2.2 工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理精細(xì)化不斷加深

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理大致經(jīng)歷了這樣幾個階段：

第一個階段：在線監(jiān)測

對工業(yè)企業(yè)關(guān)鍵的工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和測量，能夠進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)。

第二個階段：在線管理

以在線監(jiān)測為基礎(chǔ)，注重對重要的工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、對標(biāo)和定額等，實(shí)現(xiàn)對車間、班組、人員的考核管理。目前，工業(yè)企業(yè)正在建設(shè)的企業(yè)能源管理中心是這一階段的典型代表，但是由于缺少配套的管理制度、專家知識庫和執(zhí)行設(shè)備，對節(jié)能促進(jìn)作用有限。

第三個階段：在線管控

以在線管理為基礎(chǔ)，更加注重對生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝進(jìn)行自動化、智能化和統(tǒng)一化管控，配套管理制度、專家知識庫、仿真分析庫和自動控制系統(tǒng)，使生產(chǎn)設(shè)備工作在最優(yōu)狀態(tài)，使生產(chǎn)工藝達(dá)到最優(yōu)參數(shù)，以降低能源損耗、減少能源消耗、提高設(shè)備運(yùn)行效率，從而實(shí)現(xiàn)最大化節(jié)能，這正是智慧節(jié)能的核心理念。

隨著“兩化融合”不斷加深，工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理精細(xì)化會不斷由第二階段向第三階段過度，智慧節(jié)能的時代已經(jīng)到來。

3 智慧節(jié)能的基本原理

智慧節(jié)能并不是否定技術(shù)節(jié)能和管理節(jié)能，而是以技術(shù)節(jié)能和管理節(jié)能為基礎(chǔ)，結(jié)合智慧大腦實(shí)現(xiàn)更大的節(jié)能目標(biāo)，智慧節(jié)能基本原理框圖見圖1所示。

圖1 智慧節(jié)能基本原理框圖

如圖1所示，虛線左邊屬于私有部分（也稱個性部分），在工業(yè)企業(yè)側(cè)建設(shè)；虛線右邊屬于公共部分（也稱共性部分），建設(shè)在云端。數(shù)據(jù)的存儲、處理都在工業(yè)企業(yè)側(cè)，不用擔(dān)心數(shù)據(jù)的外泄，云端為工業(yè)企業(yè)側(cè)提供數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、仿真分析技術(shù)和方案評價方法等服務(wù)，避免了大數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，提高了數(shù)據(jù)處理速度。轉(zhuǎn)移計(jì)算方法、不轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)正是云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的核心理念。

4 智慧節(jié)能的技術(shù)手段

將圖1中智慧大腦建設(shè)成為智慧節(jié)能云，虛線左邊部分建設(shè)成為工業(yè)企業(yè)子站，就形成了智慧節(jié)能的整體架構(gòu)，見圖2所示。

圖2 智慧節(jié)能整體架構(gòu)圖

4.1 智慧節(jié)能云

智慧節(jié)能云是智慧節(jié)能技術(shù)的大腦，分為應(yīng)用軟件和基礎(chǔ)硬件。應(yīng)用軟件包括專家知識庫和仿真分析庫。基礎(chǔ)硬件包括服務(wù)器、存儲器、負(fù)載均衡和數(shù)據(jù)接口等，通過數(shù)據(jù)接口與工業(yè)企業(yè)子站通訊。智慧節(jié)能云架構(gòu)見圖3所示。

圖3 智慧節(jié)能云架構(gòu)圖

4.1.1 專家知識庫

逐步建立涵蓋電力系統(tǒng)知識庫、電能質(zhì)量知識庫、熱能知識庫、能源管理知識庫、余熱發(fā)電知識庫、余熱回收知識庫、鍋爐系統(tǒng)知識庫和風(fēng)機(jī)水泵知識庫等。

4.1.2 仿真分析庫

逐步建立電力濾波與無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)仿真軟件、鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化控制軟件、風(fēng)機(jī)水泵優(yōu)化控制軟件、電弧爐系統(tǒng)優(yōu)化控制軟件和關(guān)口節(jié)電分析軟件等。

4.1.3 數(shù)據(jù)接口層

智慧節(jié)能云和工業(yè)企業(yè)子站的通訊通道。子站向智慧節(jié)能云發(fā)出請求，請求獲取某種知識或某種數(shù)據(jù)處理方法，智慧節(jié)能云根據(jù)子站請求提供對應(yīng)請求的知識和數(shù)據(jù)處理方法。

4.2 工業(yè)企業(yè)子站

工業(yè)企業(yè)子站建設(shè)分三層結(jié)構(gòu)：感知終端層、網(wǎng)絡(luò)平臺層和應(yīng)用服務(wù)層，是標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)，工業(yè)企業(yè)子站架構(gòu)見圖4所示。

圖4 工業(yè)企業(yè)子站架構(gòu)圖

感知終端層通過感知終端對工業(yè)企業(yè)的能源系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)的輔助系統(tǒng)的工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集、識別與獲取。

網(wǎng)絡(luò)平臺層通過互聯(lián)網(wǎng)、GPRS、Zigbee、以太網(wǎng)、服務(wù)器、存儲器等對工業(yè)企業(yè)的能源系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)的輔助系統(tǒng)的工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存儲、網(wǎng)絡(luò)傳輸和基礎(chǔ)計(jì)算。

應(yīng)用服務(wù)層通過在線監(jiān)測、用能分析、項(xiàng)目管理、仿真分析和專家服務(wù)五個模塊對工業(yè)企業(yè)的能源系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)的輔助系統(tǒng)的工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理、分析、挖掘，并以最佳的可視化效果展示出來。另外，針對存在的節(jié)能潛力點(diǎn)給出對應(yīng)的優(yōu)化控制方案和節(jié)能改造方案，作為工業(yè)企業(yè)采取節(jié)能措施的主要依據(jù)。

子站完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、處理等，向智慧節(jié)能云請求所需的專家知識和數(shù)據(jù)處理方法，挖掘節(jié)能潛力、制定節(jié)能改造方案和優(yōu)化控制方案，從而實(shí)現(xiàn)智慧節(jié)能。

5 智慧節(jié)能的主要技術(shù)難點(diǎn)

5.1 專家知識庫建設(shè)

專家知識庫涵蓋知識面廣，非朝夕之功即可建成的，要選擇性建設(shè)，后期逐步完善；專家知識庫的知識要點(diǎn)要易于查找，搜索方便，快速響應(yīng)子站請求。

5.2 仿真分析庫建設(shè)

仿真分析庫也要選擇性建設(shè)，后期逐步完善，同時要易于查找，搜索方便，快速響應(yīng)子站請求。

5.3 子站的智能控制系統(tǒng)建設(shè)

子站通過數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的優(yōu)化控制命令，必須準(zhǔn)確無誤地執(zhí)行，需要一套穩(wěn)定可靠的智能控制系統(tǒng)，既要快速響應(yīng)，又要及時反饋。

6 總結(jié)及展望

（1）智慧節(jié)能的基本原理是基于技術(shù)節(jié)能和管理節(jié)能，并結(jié)合智慧大腦——智慧節(jié)能云實(shí)現(xiàn)智慧節(jié)能，并不排斥技術(shù)節(jié)能和管理節(jié)能，而是將兩者有機(jī)融合在統(tǒng)一的智慧大腦——智慧節(jié)能云下；

（2）智慧節(jié)能的技術(shù)手段主要介紹技術(shù)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)、智慧節(jié)能云架構(gòu)和子站架構(gòu)，簡要說明了技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路，并未對具體內(nèi)容詳細(xì)展開；

（3）智慧節(jié)能的主要技術(shù)難點(diǎn)宏觀上包括專家知識庫建設(shè)、仿真分析庫建設(shè)和子站的智能控制系統(tǒng)建設(shè)三個大部分，微觀上每個部分還包括許多技術(shù)難點(diǎn)；

（4）本文介紹的智慧節(jié)能，只供讀者對其在宏觀上有個整體認(rèn)識和了解，智慧節(jié)能的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)和方法，還有待進(jìn)一步研究，智慧節(jié)能云平臺建設(shè)、不同行業(yè)的工業(yè)企業(yè)子站建設(shè)等存在很大的研究空間，期待志同道合者繼續(xù)深入研究。

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2016-3-20