王小東

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

1 能源管理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 能源管理系統(tǒng)平臺整體價值導(dǎo)向

東風(fēng)柳汽能源管理平臺整體設(shè)計(jì)，遵循能源管理體系PCDA 循環(huán)管理架構(gòu)，如圖1 所示。同時，基于能源自動化、數(shù)據(jù)可視化、指標(biāo)精準(zhǔn)化、能源管理精細(xì)化、管理動態(tài)化、決策科學(xué)化核心價值，構(gòu)建能源管理系統(tǒng)平臺，使系統(tǒng)真正發(fā)揮效能提升、效益擴(kuò)大價值。

圖1 系統(tǒng)價值導(dǎo)向圖

1.2 系統(tǒng)平臺權(quán)限設(shè)置

系統(tǒng)平臺權(quán)限基于東風(fēng)柳汽能源管理組織架構(gòu)而設(shè)置。東風(fēng)柳汽有兩個整車生產(chǎn)基地，公司能源管理按公司級-廠級、車間級、現(xiàn)場級分級管理，因此，系統(tǒng)平臺權(quán)限也依據(jù)該管理分級進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶配置、區(qū)域管理、分類分項(xiàng)、分車間、分供能單元、分設(shè)備、分班組，分時間段等不同權(quán)限的管理，具體分級管理權(quán)限如下：

現(xiàn)場級：具備對廠區(qū)各車間、各區(qū)域、各能耗單元的數(shù)據(jù)查詢和監(jiān)視，如報(bào)表查詢、報(bào)表手動生成、導(dǎo)出功能等。

車間級：除具現(xiàn)場級全部權(quán)限外，增加對責(zé)任車間區(qū)域范圍內(nèi)的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)錄入，能耗分析基準(zhǔn)數(shù)據(jù)設(shè)置權(quán)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(shù)據(jù)查詢和監(jiān)視查看權(quán)限及報(bào)表查詢、手動生成、導(dǎo)出功能，能耗分析基準(zhǔn)數(shù)據(jù)設(shè)置，全廠能耗數(shù)據(jù)錄入權(quán)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(tǒng)維護(hù)功能權(quán)限。

公司級：具有現(xiàn)場級、車間級、廠級所有權(quán)限，增加系統(tǒng)開發(fā)維護(hù)權(quán)限。

1.3 數(shù)據(jù)采集及儲存設(shè)計(jì)

基于能源精細(xì)化、高效化管理需求，東風(fēng)柳汽的數(shù)據(jù)采集包含能量流數(shù)據(jù)、供配電數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、工藝參數(shù)、作業(yè)環(huán)境參數(shù)及通過與東風(fēng)柳汽設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、MES 系統(tǒng)等多系統(tǒng)交互的生產(chǎn)組織數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集與儲存采用分布式的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分區(qū)采集、數(shù)據(jù)實(shí)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(fēng)柳汽所有西門子系統(tǒng)產(chǎn)品的無縫集成（SCADA、儀表、PLC 等），降低維護(hù)及投資成本[1]。系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為各區(qū)域PLC 控制器直接采集并處理為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，并通過辦公以太網(wǎng)上傳至服務(wù)器顯示及儲存處理。在系統(tǒng)監(jiān)控畫面中實(shí)時顯示車間及其供能單元已有計(jì)量儀表的瞬時、累積能源介質(zhì)消耗（天然氣、熱水、冷水、自來水和電能）、溫度等；氣體、液體介質(zhì)每1 min 記錄一個點(diǎn)；電能信號每3 min 記錄一個點(diǎn)；實(shí)時采集各儀表數(shù)據(jù)狀況，系統(tǒng)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔并形成數(shù)據(jù)曲線；數(shù)據(jù)采集具備手動錄入功能，對于某些不方便用智能采集設(shè)備采集的能源（譬如：柴油、產(chǎn)量、單價、生產(chǎn)時間）以及由于預(yù)算或施工難度問題導(dǎo)致無法改造增加智能采集設(shè)備的部分?jǐn)?shù)據(jù)，提供一個手動錄入接口，并把輸入數(shù)據(jù)儲存，但是手動錄入系統(tǒng)有嚴(yán)格的權(quán)限限制和校驗(yàn)機(jī)制，能夠放置篡改數(shù)據(jù)并分析出非正常數(shù)據(jù)，防止手動誤錄入[2，3]。

2 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2 所示，系統(tǒng)采用主流的ASP.NET 開發(fā)，系統(tǒng)軟件同時支持B/S 和C/S 兩種架構(gòu)，運(yùn)行管理人員、東風(fēng)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(quán)限登錄，查看系統(tǒng)功能[4，5]。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 能源管理系統(tǒng)通信架構(gòu)設(shè)計(jì)

東風(fēng)柳汽能源管理系統(tǒng)服務(wù)器置于公司IT 機(jī)房，由專業(yè)IT 管理人員進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)管理，如圖3 所示。各車間至服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)傳輸部分利用公司IT 辦公以太網(wǎng)傳輸。車間內(nèi)部數(shù)據(jù)信號采集、傳輸采用獨(dú)立總線傳輸技術(shù)，與車間IT 網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜不干涉，同時，為便于信號傳輸線纜敷設(shè)，將遠(yuǎn)程IO 站裝設(shè)在公司局域網(wǎng)IT 網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜旁。

圖3 系統(tǒng)通信架構(gòu)圖

為解決底層數(shù)據(jù)通信可靠，避免數(shù)據(jù)經(jīng)常丟失、丟包等現(xiàn)象，東風(fēng)柳汽現(xiàn)場通信方案有別于市場主流的數(shù)據(jù)通信采集器孤島式、固定式通信方案。東風(fēng)柳汽基于系統(tǒng)開放性、可擴(kuò)展性、靈活性等考慮，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集使用西門子配置系統(tǒng)即西門子PLC+Wincc 架構(gòu)及開放式的西門子Wincc 上位機(jī)系統(tǒng)，并采用開放式的通訊協(xié)議modbus-rtu 與PLC 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)上層數(shù)據(jù)采用工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 數(shù)據(jù)通訊，以集散式結(jié)構(gòu)分布，集散式結(jié)構(gòu)綜合考慮制冷站、空壓站、生產(chǎn)線體設(shè)備已有的自控系統(tǒng)通訊。

4 能源管理系統(tǒng)主要應(yīng)用場景設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)備用能狀態(tài)監(jiān)控

設(shè)備的用能狀態(tài)，如開關(guān)機(jī)時刻、運(yùn)行時長、空載時間、等待時間、有效產(chǎn)出時間等，與工廠的能源消耗息息相關(guān)。利用能源管理系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)的解析與分析能力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的精細(xì)化管理。東風(fēng)柳汽的設(shè)備用能狀態(tài)監(jiān)控功能，基于精細(xì)化、精準(zhǔn)化管理需求而開發(fā)，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

設(shè)計(jì)單獨(dú)的系統(tǒng)子頁面項(xiàng)，可根據(jù)設(shè)備電流及生產(chǎn)線開線、停線時刻、車輛上線、下線參數(shù)等判定基準(zhǔn)，對設(shè)備的不同運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分與儲存。然后可根據(jù)用戶實(shí)際需求，查詢?nèi)魏螘r間段不同設(shè)備的各狀態(tài)數(shù)據(jù)，以評價設(shè)備開關(guān)機(jī)時刻的合理性，并判斷有無提前開機(jī)、延后關(guān)機(jī)現(xiàn)象，同時，評價設(shè)備有效運(yùn)行時間，統(tǒng)計(jì)設(shè)備空載、設(shè)備等待等無產(chǎn)出時間的能耗，為各車間提供節(jié)能改善機(jī)會挖掘的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該功能查詢畫面采用“公司-基地-車間”邏輯架構(gòu)進(jìn)行布局，可通過單選或者多選的方式選擇各用能設(shè)備按天/周/月/季/年查詢?nèi)我鈺r間段內(nèi)各設(shè)備狀態(tài)的明細(xì)情況，查詢結(jié)果以報(bào)表形式顯示。

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

4.2 電能質(zhì)量分析

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

為滿足多級線損統(tǒng)計(jì)分析功能，東風(fēng)柳汽在供電局出口側(cè)、東風(fēng)柳汽變電站進(jìn)口側(cè)、主變高低壓側(cè)、車間的10 kV 總進(jìn)線側(cè)、低壓總進(jìn)線側(cè)、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(fēng)柳汽變電站110 kV 進(jìn)線之間的架空線路線損。

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

10 kV 等級線損：主變低壓側(cè)（10 kV）至各車間配電室10 kV 高壓總進(jìn)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(jìn)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(shè)立獨(dú)立的頁面項(xiàng)，經(jīng)過采集涉及的各級電表數(shù)據(jù)及后臺處理，計(jì)算出各時段公司各級電能計(jì)量誤差；以東風(fēng)柳汽電氣主接線圖為底板，實(shí)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(nèi)公司各等級線損數(shù)據(jù)，查詢單位為“天、周、月”，查詢結(jié)果以單一特定報(bào)表形式輸出。

4.3 變壓器負(fù)載率監(jiān)控功能

變壓器負(fù)載率、負(fù)荷率是衡量工廠生產(chǎn)排產(chǎn)有序性、均衡性的重要指標(biāo)，同時，電費(fèi)里的容量費(fèi)是公司的主要電費(fèi)構(gòu)成之一，降低公司的容量費(fèi)關(guān)鍵手段便是對變壓器負(fù)載率、負(fù)荷率的監(jiān)控與改善。

東風(fēng)柳汽變壓器負(fù)載率監(jiān)控功能根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，提供各基地、車間變壓器負(fù)載率標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定界面，該界面支持平臺維護(hù)人員在線手工錄入各變壓器的負(fù)載率設(shè)定值。系統(tǒng)以電氣主接線圖形式顯示變電站主變、各基地、車間實(shí)時負(fù)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(shí)時使用容量、變壓器實(shí)時負(fù)載率（負(fù)載率=實(shí)時視在功率/額定視在功率）、負(fù)載率設(shè)定值等數(shù)據(jù)；當(dāng)實(shí)時負(fù)載率小于設(shè)定值時，數(shù)據(jù)部分變成紅色，變壓器圖標(biāo)由綠色變成紅色；當(dāng)實(shí)時負(fù)載率大于等于設(shè)定值時，數(shù)據(jù)部分顏色恢復(fù)正常，變壓器圖標(biāo)變成綠色。

4.4 報(bào)表管理

東風(fēng)柳汽能源管理系統(tǒng)報(bào)表設(shè)計(jì)為開放式報(bào)表，各車間可根據(jù)實(shí)際需求靈活配置統(tǒng)計(jì)項(xiàng)。

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(dāng)天的能源消耗報(bào)表，每周能源消耗報(bào)表，每月能源消耗報(bào)表，每季度能源消耗報(bào)表，每年能源消耗報(bào)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(bào)表；可提供手動輸入界面，可導(dǎo)入歷史數(shù)據(jù)，并生產(chǎn)報(bào)表。

可自動生成產(chǎn)量、生產(chǎn)時間、歷史能耗數(shù)據(jù)報(bào)表；能源管理軟件可以生成各類能耗的日報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表等各種報(bào)表，實(shí)現(xiàn)能源資源分類分項(xiàng)精確計(jì)量和能源資源運(yùn)行監(jiān)管功能，清晰描述工廠總的用能現(xiàn)狀；根據(jù)能耗數(shù)據(jù)，可生成曲線，包括折線圖、餅圖、柱狀圖（可根據(jù)現(xiàn)場需求進(jìn)行調(diào)用），便于直觀的能耗走勢分析和比例分析。

導(dǎo)出EXCEL 報(bào)表后，報(bào)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(fēng)柳汽利用系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，用同環(huán)比、與基準(zhǔn)值的優(yōu)劣等預(yù)設(shè)規(guī)則，對能耗數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行分析，供公司各用能崗位、機(jī)構(gòu)評估日、周、月、年用能合理性。整體按“能耗預(yù)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(shè)計(jì)。能源管理工程師能根據(jù)公司級、車間級、工序級、設(shè)備級能耗定額指標(biāo)及每年發(fā)布的KPI 值設(shè)定報(bào)警限值，設(shè)定的內(nèi)容包括報(bào)警內(nèi)容、報(bào)警類型、報(bào)警等級、報(bào)警位置、能源類型、周期、指標(biāo)、單位、設(shè)定值等。系統(tǒng)對公司主要的能源消耗總體情況和能源消耗分項(xiàng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，與生產(chǎn)數(shù)據(jù)結(jié)合，分析公司單臺產(chǎn)量能耗和產(chǎn)值能耗。通過對水、電、氣單項(xiàng)以及分項(xiàng)對比，按照年、季、月、周和天的時間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并以柱狀圖、曲線、數(shù)字表現(xiàn)形式顯示和輸出，直觀反映公司各級實(shí)際實(shí)時用能情況，并可通過報(bào)表形式導(dǎo)出呈現(xiàn)。

4.6 能源績效參數(shù)監(jiān)控

東風(fēng)柳汽為整車企業(yè)，涵蓋沖壓、焊接、涂裝、總裝、發(fā)動機(jī)五大工藝，設(shè)備繁多，且工藝復(fù)雜。因此，提高公司設(shè)備使用效能，在滿足工藝質(zhì)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(shù)、電流諧波、電壓等參數(shù)，成為東風(fēng)柳汽乃至整個機(jī)械行業(yè)深入節(jié)能的重要突破口。參數(shù)的異常，直接影響公司能耗指標(biāo)及能源績效的達(dá)成。而該部分參數(shù)的控制，如僅依靠人為管理控制，很難做到異?？焖僮R別整改、參數(shù)持續(xù)調(diào)優(yōu)，必須依托參數(shù)的自動化采集與處理，依靠系統(tǒng)平臺代替人為管理，才能提高參數(shù)控制的精準(zhǔn)度及參數(shù)異常識別與整改效率，降低公司能耗。

能源績效參數(shù)的獲取從車間中控室直接采集或通過新增采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)公司主要參數(shù)在線監(jiān)控、記錄、查詢、報(bào)警提示功能。如圖4 所示，能源績效參數(shù)實(shí)時監(jiān)控以車間工藝流程圖形式顯示所列設(shè)備能源績效參數(shù)整體運(yùn)行情況，且以特定圖標(biāo)反映實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，能直觀區(qū)分運(yùn)行正常、異常狀態(tài)，點(diǎn)擊某設(shè)備圖標(biāo)，可進(jìn)入該設(shè)備具體能源績效參數(shù)實(shí)時監(jiān)控頁面，如圖5 所示。

圖4 某工序績效參數(shù)實(shí)時監(jiān)控頁面

圖5 某工序績效參數(shù)實(shí)時監(jiān)控頁面

此外，能源績效參數(shù)可以查詢某個車間能源績效參數(shù)任何時間段內(nèi)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，查詢周期為小時、天或月，查詢結(jié)果采用特定報(bào)表格式，以算數(shù)平均值輸出；能源績效參數(shù)以特定表格形式輸出任何時間段的能源績效參數(shù)報(bào)警記錄，查詢周期為每天、每月或每年，查詢結(jié)果包含異常運(yùn)行的能源績效參數(shù)名稱、運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)范圍、異常運(yùn)行值、異常運(yùn)行時間段。同一查詢時間段內(nèi)，查詢結(jié)果能直觀顯示某個能源績效參數(shù)有多次運(yùn)行異常記錄的情況[9，10]。

4.7 成本分析

能耗成本作為東風(fēng)柳汽的主要成本管控項(xiàng)，為便于與公司財(cái)會部門業(yè)務(wù)銜接，特設(shè)計(jì)了成本分析功能，以提高管理效率。系統(tǒng)設(shè)立單獨(dú)的成本分析功能頁面，頁面簡潔明了，且可以制定報(bào)表格式導(dǎo)出；具備公司級和車間級的成本分析，可以根據(jù)產(chǎn)量及能耗，計(jì)算單臺能耗（水、電、氣）成本；根據(jù)水、電、氣系統(tǒng)的耗能累計(jì)數(shù)據(jù)和產(chǎn)出累計(jì)量，自動生成單位產(chǎn)出能源介質(zhì)的成本分析結(jié)果。

4.8 績效考核

能源管理目標(biāo)、指標(biāo)達(dá)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?；谠摽紤]，東風(fēng)柳汽能源管理系統(tǒng)增加了績效考核頁面。

績效設(shè)定頁面由公司能源主管部門根據(jù)公司能源管理制度和能源績效考核制度以及公司領(lǐng)導(dǎo)確定的能源績效目標(biāo)，對不同部門或組織的能源績效進(jìn)行指標(biāo)分解和分配、權(quán)重設(shè)定及各指標(biāo)目標(biāo)值設(shè)定等工作，設(shè)定每個車間或組織的年度和月度績效考核目標(biāo)。

設(shè)置實(shí)時績效統(tǒng)計(jì)功能，系統(tǒng)每完成一次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，就與預(yù)先設(shè)定好的能源績效目標(biāo)進(jìn)行比對，若超限時產(chǎn)生績效報(bào)警信息，發(fā)送給報(bào)警管理功能模塊，由其完成提示、顯示和查看等功能。同時，經(jīng)授權(quán)的管理人員也可隨時查看當(dāng)前能源績效的運(yùn)行情況，與目標(biāo)值的距離，以指導(dǎo)下一步的能源使用和管理工作。

設(shè)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(shù)據(jù)，給出橫向?qū)Ρ?、縱向?qū)Ρ取⑸舷录壏纸鈹?shù)據(jù)等多種分析方法。

5 結(jié)語

能源管理系統(tǒng)對主要耗能設(shè)備、主要辦公場所用能進(jìn)行全面的監(jiān)視，利于設(shè)備開關(guān)機(jī)等管理制度的落實(shí)，提高能源管理水平，降低能源浪費(fèi)；通過能源消耗與生產(chǎn)排產(chǎn)水平分析，科學(xué)經(jīng)濟(jì)排產(chǎn)，降低單位產(chǎn)品能耗；通過系統(tǒng)后臺監(jiān)視大部分能源管理績效參數(shù)（電泳槽液溫度、烘干室溫度、空壓機(jī)出口壓力等）運(yùn)行情況，提高能源績效參數(shù)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(shè)備溫控儀、繼電保護(hù)、斷路器脫扣器狀態(tài)及無功補(bǔ)償與有源濾波設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時識別故障及供電故障預(yù)警，降低供電事故發(fā)生率，提高無功補(bǔ)償與有源濾波設(shè)備有效運(yùn)行率，降低無功損耗及諧波污染，提高電能質(zhì)量。通過設(shè)備優(yōu)化控制系統(tǒng)，對制冷站、空調(diào)系統(tǒng)、空壓站、鍋爐房等主要耗能單元進(jìn)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(yùn)行能耗，同時可優(yōu)化崗位操作人員配置，達(dá)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(shù)運(yùn)行曲線分析、無功補(bǔ)償與有源濾波設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析等功能，分析及創(chuàng)造出節(jié)能改進(jìn)空間，為設(shè)備、工藝技術(shù)改造、節(jié)能改造提供充分的數(shù)據(jù)支撐及科學(xué)合理的依據(jù)，擴(kuò)大節(jié)能改善空間，增加節(jié)能改善深度。