李凌乾，李 萌，蘇南丁

(河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

煤炭是我國能源的主要來源，也是我國經(jīng)濟(jì)的重要支柱，2019年煤炭消費(fèi)量占全國能源消費(fèi)總量的57.7%[1]。當(dāng)前，煤炭行業(yè)正處于全面深化改革、轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵時期，煤炭轉(zhuǎn)型發(fā)展需要開拓新的空間[2-5]。隨著煤炭行業(yè)信息化水平的不斷提高，煤礦企業(yè)能源管理系統(tǒng)在我國煤炭行業(yè)已經(jīng)逐步開始應(yīng)用[6-9]，例如國家能源集團(tuán)與360公司聯(lián)合成立清潔能源大數(shù)據(jù)安全技術(shù)研究中心，徐州礦業(yè)集團(tuán)與華為公司聯(lián)合建設(shè)淮海大數(shù)據(jù)中心等。與此同時，煤炭行業(yè)也面臨著從“高碳”到“低碳”的能源革命的挑戰(zhàn)，隨著能源結(jié)構(gòu)向清潔低碳轉(zhuǎn)變[10-11]，煤炭比例的逐步下降將導(dǎo)致煤炭企業(yè)效益的下降，提高生產(chǎn)效率、降低煤炭生產(chǎn)成本將是促進(jìn)煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展、開拓利潤空間的必由之路。

煤礦企業(yè)是煤炭資源生產(chǎn)企業(yè)，也是重點(diǎn)耗能行業(yè)。煤礦企業(yè)能源消耗較大，一方面是由煤礦行業(yè)特點(diǎn)造成的，煤炭生產(chǎn)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，集煤炭開采、隧道運(yùn)輸、機(jī)電、通風(fēng)、地質(zhì)勘查、安全等功能于一體，消費(fèi)的能源主要為電力，耗能設(shè)備多，裝機(jī)容量大[12]；另一方面是由于煤礦企業(yè)發(fā)展模式傳統(tǒng)、能源管理粗放，生產(chǎn)過程中浪費(fèi)嚴(yán)重，能源損失多。因此，節(jié)能減排是煤礦企業(yè)實現(xiàn)降本增效的重要途徑。通過加強(qiáng)煤礦的能耗管理、煤礦高耗能設(shè)備節(jié)能改造、礦井綠色照明技術(shù)研究等措施，降低煤礦企業(yè)能源消耗，促進(jìn)煤礦企業(yè)綠色生產(chǎn)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[13-15]。

本文根據(jù)煤礦企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)計了煤礦企業(yè)能源管理系統(tǒng)總體方案，并結(jié)合城郊煤礦生產(chǎn)管理實踐，為煤礦企業(yè)實現(xiàn)能源信息化管理提供參考。

1 建設(shè)目標(biāo)

通過建立煤礦企業(yè)能源管理體系和煤礦企業(yè)能效管理及智慧能源平臺，規(guī)范企業(yè)能源管理過程，提升企業(yè)能源管理水平，提高企業(yè)能源生產(chǎn)或能源消費(fèi)過程中的能源利用率，同時提高企業(yè)能源利用的智能化水平，從而降低企業(yè)用能、產(chǎn)能成本，提高企業(yè)核心競爭力。

2 設(shè)計方案

2.1 總體架構(gòu)

項目總體架構(gòu)即系統(tǒng)層級架構(gòu)，由綜合能源數(shù)據(jù)中心、綜合能源管理中心、用戶服務(wù)互動中心3大中心共同構(gòu)成。其中，綜合能源數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；綜合能源管理中心依托數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)能源系統(tǒng)監(jiān)測、運(yùn)維、托管等功能以及數(shù)據(jù)價值分析、診斷、預(yù)測、優(yōu)化等功能；用戶服務(wù)互動中心提供一站式、定制化、專家型、全方位的服務(wù)。

能源管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)從全系統(tǒng)范圍進(jìn)行分析設(shè)計，按照客戶類型的不同，其軟件系統(tǒng)分別建立以B/S(瀏覽器/服務(wù)器)和C/S(客戶機(jī)/服務(wù)器)為主的體系結(jié)構(gòu)。前者針對信息瀏覽者和外部操作客戶，后者針對操作員、工程師類型客戶。

能源管理系統(tǒng)采用跨平臺系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置方案。系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備都通過以太網(wǎng)連接，并使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP和UDP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。系統(tǒng)以3層結(jié)構(gòu)模式運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)上的每臺計算機(jī)都是冗余的，只要一臺服務(wù)器在運(yùn)行，就可以完成監(jiān)控系統(tǒng)最基本的功能而不會崩潰，并且具有良好的安全性。系統(tǒng)采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫模式，可以滿足監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實時性和標(biāo)準(zhǔn)性的雙重要求。系統(tǒng)中存儲的歷史數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)數(shù)據(jù)庫格式存儲，支持語言查詢，數(shù)據(jù)接口完全開放。系統(tǒng)易于升級并且具有良好的開放性，可以隨意集成其他制造商提供的軟件模塊，易于擴(kuò)展功能。

系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計如圖1所示，組網(wǎng)架構(gòu)主要包括能源監(jiān)控中心系統(tǒng)、能源設(shè)備、通信設(shè)備以及各系統(tǒng)/設(shè)備的連接方式。計算機(jī)系統(tǒng)包括服務(wù)器系統(tǒng)和操作站系統(tǒng)；服務(wù)器包括實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、內(nèi)存服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器等；監(jiān)控工作站包括能源監(jiān)控工作站、電力調(diào)度工作站等。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

2.2 功能模塊

根據(jù)煤礦企業(yè)能源管理的實際情況及業(yè)務(wù)定位，煤礦企業(yè)能源管理系統(tǒng)主要包括能源數(shù)據(jù)采集、能源綜合監(jiān)控、能源分析、能源設(shè)備運(yùn)維、移動端APP5個功能模塊。

(1)能源數(shù)據(jù)采集。能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實現(xiàn)現(xiàn)場工序及能源數(shù)據(jù)的采集，并把采集到的數(shù)據(jù)上傳給能源綜合監(jiān)控系統(tǒng)，由采集網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集站組成。將采集各種能源計量表計數(shù)據(jù)，與各個子系統(tǒng)進(jìn)行對接，獲取能源相關(guān)數(shù)據(jù)。

能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集電力監(jiān)控、主排水、水源熱泵、空壓機(jī)、空壓機(jī)余熱利用、主要通風(fēng)機(jī)、主膠帶輸送機(jī)、架空乘人裝置、提升機(jī)監(jiān)控、天然氣鍋爐、熱水輸送、其他能源12個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。通過通信管理機(jī)將數(shù)據(jù)集中匯總上傳服務(wù)器。能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是能源管理系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)。

(2)能源綜合監(jiān)控。能源綜合監(jiān)控系統(tǒng)接收能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的信息，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理顯示、統(tǒng)計分析、趨勢記錄和報警，實現(xiàn)對全礦能源的生產(chǎn)、輸送、消耗的實時監(jiān)控，由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、操作站及顯示系統(tǒng)等組成，主要包括圖形顯示、實時告警、報表統(tǒng)計、趨勢分析、統(tǒng)計分析、人機(jī)界面、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)8個模塊。

(3)能源分析。能源分析系統(tǒng)主要實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計、分析等功能，主要功能為能源在線監(jiān)測、設(shè)備告警、設(shè)備利用率分析、尖峰負(fù)荷分析、能源統(tǒng)計分析、能源性能管理、能源單耗對標(biāo)管理、統(tǒng)計報表/報告管理、能耗匯總、能源數(shù)據(jù)看板、系統(tǒng)配置管理等。

(4)能源設(shè)備運(yùn)維。能源設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)利用信息處理技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等對大范圍的能源設(shè)備進(jìn)行實時集中監(jiān)控和一體化運(yùn)維管理，最終對各能源設(shè)備設(shè)施實現(xiàn)完全的無人值守、有人巡檢、線上實時監(jiān)控、線下巡視檢修的自動化目標(biāo)，提高能源設(shè)備管理的信息水平。

能源設(shè)備運(yùn)維子系統(tǒng)主要包括以下7個功能模塊：設(shè)備管理、智能巡檢、檢修管理、運(yùn)行管理、缺陷管理、圖檔管理、設(shè)備巡檢閉環(huán)管理。

(5)移動端APP。移動端APP可實現(xiàn)重點(diǎn)功能的移動端展示。根據(jù)功能不同，移動端APP可分為能源分析子系統(tǒng)及能源設(shè)備運(yùn)維子系統(tǒng)。其中移動端能源分析子系統(tǒng)由首頁、用能分析、用能告警、企業(yè)中心4個模塊組成；能源設(shè)備運(yùn)維子系統(tǒng)由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測、畫面監(jiān)視、告警瀏覽、設(shè)備巡檢4個模塊組成。

3 煤礦企業(yè)能源管理系統(tǒng)應(yīng)用效果

3.1 實現(xiàn)能源管理可視化

運(yùn)用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)代通信、軟硬件集成等技術(shù)，實現(xiàn)智慧能源管控，配電安全、環(huán)境品質(zhì)、設(shè)備設(shè)施運(yùn)維的綜合管理，提供全方位的服務(wù)，為企業(yè)建立一個能源及設(shè)備設(shè)施運(yùn)維管理系統(tǒng)。實現(xiàn)各類型水、電、氣等多種能源的遠(yuǎn)程監(jiān)控和綜合性的能源管理，企業(yè)能夠?qū)崟r了解自身的能源消耗情況，為企業(yè)的節(jié)能減排方案提供數(shù)據(jù)支撐；實現(xiàn)配電設(shè)備的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控和設(shè)備設(shè)施的無人值守；通過設(shè)備設(shè)施運(yùn)維管理實現(xiàn)對設(shè)備設(shè)施的科學(xué)有序的管理，降低運(yùn)維人力成本，為線下的設(shè)備設(shè)施改造提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

3.1.1 生產(chǎn)管理可視化

根據(jù)生產(chǎn)的實際需要，使用過程可視化配置工具提供的監(jiān)視手段，對過程數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、處理和計算。有用的數(shù)據(jù)結(jié)果以系統(tǒng)仿真圖的形式顯示，以反映生產(chǎn)現(xiàn)場系統(tǒng)運(yùn)行的實際情況。通過系統(tǒng)仿真圖，生產(chǎn)管理人員可以實時觀察生產(chǎn)現(xiàn)場的各項指標(biāo)，以獲得足夠的生產(chǎn)信息，監(jiān)控生產(chǎn)狀況，了解實時生產(chǎn)情況；管理者可以在同一屏幕上清楚地看到每個區(qū)域和每個工序的信息，從而消除了控制過程中的信息孤島。根據(jù)用戶定義的查詢條件，可以查詢和統(tǒng)計實時能耗和成本，并支持實時數(shù)據(jù)查詢和各種圖形顯示(餅圖、柱狀圖、曲線圖等)。以城郊煤礦為例，其各系統(tǒng)能耗占比如圖2所示。

圖2 各系統(tǒng)能耗占比Fig.2 Energy consumption ratio of each system

3.1.2 能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可視化

量化指標(biāo)可分為經(jīng)濟(jì)類、產(chǎn)品類、工序類，其中經(jīng)濟(jì)能耗類評價指標(biāo)有3個，分別為單位GDP能耗、單位GDP電耗、單位工業(yè)增加值能耗；產(chǎn)品能耗類評價指標(biāo)有3個，分別為噸原煤生產(chǎn)綜合能耗、噸原煤生產(chǎn)電耗、選煤電力單耗；工序能耗類評價指標(biāo)有5個，分別為煤礦提升機(jī)工序能耗、煤礦在用主排水泵工序能耗、煤礦在用空氣壓縮機(jī)工序能耗、煤礦主提升帶式輸送機(jī)工序能耗、工業(yè)鍋爐熱效率。通過系統(tǒng)自動及時地對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以大大提高企業(yè)管理人員的工作效率，同時保證了統(tǒng)計數(shù)據(jù)的客觀準(zhǔn)確性，為企業(yè)生產(chǎn)管理者提供實時準(zhǔn)確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為管理者快速決策提供依據(jù)，有利于提高企業(yè)經(jīng)營效益。通過能源管理系統(tǒng)可以查看指標(biāo)的變化趨勢和每個監(jiān)控點(diǎn)的歷史趨勢以形成曲線，如能耗和性能參數(shù)(壓力、流量、溫度等)的數(shù)據(jù)，方便相關(guān)人員比較和分析分布在不同系統(tǒng)中的關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)，對關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)整，以提高生產(chǎn)效率。對于重要的生產(chǎn)和過程參數(shù)、不同工序的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)集成配置，并能夠在趨勢畫面上對其進(jìn)行比較和分析。以城郊煤礦為例，其電力系統(tǒng)運(yùn)行日報、能源監(jiān)測、能耗對標(biāo)如圖3—圖5所示。

圖3 電力系統(tǒng)運(yùn)行日報Fig.3 Daily report of power system operation

圖4 能源監(jiān)測Fig.4 Energy monitoring chart

圖5 能耗對標(biāo)圖Fig.5 Energy consumption benchmarking

3.2 實現(xiàn)設(shè)備運(yùn)維實時監(jiān)測

實現(xiàn)對整個煤礦各類能源設(shè)備的統(tǒng)一維護(hù)，以站點(diǎn)為劃分等級，對主要耗能設(shè)備進(jìn)行能耗監(jiān)測。提供一體化的查詢統(tǒng)計功能，如根據(jù)所屬工序、生產(chǎn)廠商、投運(yùn)起始終止日期、運(yùn)行狀態(tài)、檢修次數(shù)、檢修時間等為條件，進(jìn)行篩選查詢。以城郊煤礦為例，其供電系統(tǒng)總體監(jiān)控、設(shè)備信息管理、設(shè)備巡檢計劃如圖6—圖8所示。

圖6 供電系統(tǒng)接線示意Fig.6 Wiring diagram of power supply system

圖8 設(shè)備巡檢計劃Fig.8 Equipment inspection plan

通過對設(shè)備日常運(yùn)行負(fù)荷的實時監(jiān)控，計算出設(shè)備的利用率，為企業(yè)日常設(shè)備維修、保養(yǎng)和維護(hù)提供分析依據(jù)。以城郊煤礦為例，其設(shè)備利用率分析如圖9所示。

圖9 設(shè)備利用率Fig.9 Equipment utilization rate

當(dāng)能源介質(zhì)出現(xiàn)異常情況時，通過界面彈出報警、短信或電子郵件等多種方式實現(xiàn)實時報警，讓管理者及時、有針對性地解決問題，確保企業(yè)安全生產(chǎn)。不同的能源介質(zhì)有不同的報警設(shè)置方法。用電異常報警可通過設(shè)定限值、供需平衡分析等，對現(xiàn)場異常情況及時報警，消除和降低電耗現(xiàn)象，從而達(dá)到降低成本、提高效率的目的。以城郊煤礦為例，設(shè)備告警管理如圖10所示。

圖10 告警管理Fig.10 Alarm management diagram

3.3 利用數(shù)據(jù)挖掘，提高能源管理水平

針對調(diào)度自動化數(shù)據(jù)集中管理的特點(diǎn)，為了更好地為管理決策做出支撐，系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，借助spark等分布式處理和計算技術(shù)，對集中管理的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析。如利用數(shù)據(jù)挖掘中的預(yù)測技術(shù)，建立可預(yù)測的設(shè)備維護(hù)模型，可以更好地分析設(shè)備的生命周期，提高設(shè)備的使用效率；利用預(yù)測技術(shù)對用電需求進(jìn)行預(yù)測，確保電力需求側(cè)管理設(shè)計合理、準(zhǔn)確；利用異常檢測與分析，找出數(shù)據(jù)中的風(fēng)險點(diǎn)，幫助異常檢測等。以城郊煤礦為例，設(shè)備運(yùn)行效率分析、節(jié)能量監(jiān)測如圖11、圖12所示。

圖11 設(shè)備運(yùn)行效率分析Fig.11 Analysis of equipment operating efficiency

圖12 節(jié)能量監(jiān)測Fig.12 Energy saving monitoring diagram

4 結(jié)語

煤礦企業(yè)節(jié)能降耗的潛力較大，信息技術(shù)在節(jié)能降耗、降本增效方面前景廣闊。城郊煤礦能源管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，為企業(yè)管理人員提供了及時、準(zhǔn)確、直觀、易用的能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高了企業(yè)節(jié)能信息化管理水平及能源利用效率，減少了能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，為建設(shè)智慧礦山、綠色礦山提供了支撐。