淺談大數據時代智能工廠能源管理系統的設計和應用

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：如今，傳統制造業(yè)正在發(fā)生著巨大變革與創(chuàng)新，智能工廠概念應運而生，其中，能源管理系統是工廠生產資源管控的重要平臺，是現代信息技術在企業(yè)能源管理中的綜合應用，是實現企業(yè)節(jié)約成本、降低能耗的重要舉措。簡述能源管理系統的建設目標、設計依據、設計原則，詳細介紹智能工廠能源管理系統的設計模式—準確計量的監(jiān)測電氣儀表設計、穩(wěn)定高效的數據傳輸網絡設計、滿足用戶多要求功能的平臺設計，即智能工廠能源管理系統設計應具備的內容和功能，以期為大數據時代智能工廠能源管理系統的設計提供一點參考與借鑒。

關鍵詞：智能工廠;能源管理系統;能源管控中心系統(EMS);監(jiān)測電氣儀表設計;數據傳輸網絡設計;能源管理平臺設計;節(jié)能降耗

如今，隨著物聯網、大數據、云計算等技術的不斷發(fā)展，傳統制造業(yè)正在發(fā)生著巨大變革與創(chuàng)新。特別是近幾年來，在全球智能制造熱潮工業(yè)4.0的影響下，我國也出臺了“中國制造2025"發(fā)展戰(zhàn)略，意味著新一輪工業(yè)革命即將拉開序幕。我國作為制造業(yè)大國，應抓住此次機遇，將我國由制造大國變成制造強國，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“智能制造"為內核制定的“中國制造2025"發(fā)展戰(zhàn)略，為我國制造業(yè)下一步的發(fā)展指明了方向和具體實施內容。

智能工廠的概念是在數字化工廠的基礎上，把生產企業(yè)管理技術運用到生產過程的控制管理之中，借助各種軟件進行信息控制，確保生產中各環(huán)節(jié)均處于較優(yōu)狀態(tài)，從而實現智能管控、智能決策、智能生產。智能工廠的建設，需要從計劃排產智能、生產過程協同智能、設備互聯互通智能、生產資源管控智能、質量過程控制智能、決策支持智能幾個方面進行考慮。能源管理屬于生產資源管控的重要內容，是實現企業(yè)節(jié)約成本、降低能耗的重要舉措，智能化能源管理通常通過能源管控中心系統對工廠用能單位及供應源頭實施數據采集、實時監(jiān)控，進而實現工廠能源的管控。

國務院《關于印發(fā)“十三五"節(jié)能減排綜合工作方案的通知》(國發(fā)〔2016〕74號)(簡稱《通知》)指出，要加強工業(yè)節(jié)能。鼓勵企業(yè)實施能效趕超，加強能源管理，特別是重點耗能行業(yè)的企業(yè)更應當開展能效對標行動，完成能源管控中心的建設，并積極采用工業(yè)領域智能化用能監(jiān)測、診斷、統計等技術來完善自身的能源管理體系?！锻ㄖ愤€提出，力爭到2020年，工業(yè)能源利用效率和清潔化水平均應得到顯著的提高，規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)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(yè)的能源利用效率應達到或接近世界水平。在這一背景下，工業(yè)企業(yè)需不斷采用新技術與制造技術相融合的方式來提升自身的生產效率和能耗水平，增強企業(yè)在行業(yè)中的核心競爭力。另外，2021年11月1日起即將實施的《工業(yè)企業(yè)能源管控中心建設指南》(GB/T40063—2021)對各工業(yè)企業(yè)的節(jié)能減排和能源管理提出了更高的要求。

1.1能源管理系統的建設目標

智能化能源管理通常通過能源管控中心系統(EnergyManagementSystem，簡稱EMS)對工廠用能單位及供應源頭實施全面數據采集、實時監(jiān)控。EMS是現代信息技術在企業(yè)能源管理中的綜合應用，是工業(yè)化和信息化相結合實現節(jié)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、輸送、分配和使用環(huán)節(jié)實施集中監(jiān)控管理和優(yōu)化配置;EMS是推動企業(yè)節(jié)能降耗、改造提升的重要舉措，是建立有效節(jié)能機制的基礎。在工業(yè)領域，EMS旨在對企業(yè)的水、電、氣、汽、可再生能源等的輸配和使用環(huán)節(jié)實施集中扁平化動態(tài)監(jiān)控和數字化管理，改進和優(yōu)化能源供需衡，實現系統性的節(jié)能降耗，使能源高效管理與生產裝備自動化、生產過程管控成為一體的工廠級管控體系。

1.2能源管理系統的設計依據

能源管控中心系統(EMS)設計所遵守的標準和規(guī)范:《工業(yè)企業(yè)能源管控中心建設指南》(GB/T40063—2021)、《工業(yè)企業(yè)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(yè)節(jié)能量計算方法》(GB/T32040—2015)、《制造資源計劃MRPⅡ系統原型法軟件開發(fā)規(guī)范》(JB/T6987—2013)、《電力工程電纜設計標準》(GB50217—2018)、《數據中心設計規(guī)范》(GB50174—2017)、《自動化儀表工程施工及質量驗收規(guī)范》(GB50093—2013)、《綜合布線系統工程設計規(guī)范》(GB50311—2016)、《火災自動報警系統設計規(guī)范》(GB50116—2013)、《建筑物電子信息系統防雷技術規(guī)范》(GB50343—2012)、《安全防范工程技術標準》(GB50348—2018);國家、行業(yè)其他有關節(jié)能標準和技術規(guī)范。

1.3能源管理系統的設計原則

(1)成熟性和實用性原則。根據不同能源系統的工藝特點，選用目前成熟且具有良好發(fā)展前景的新技術和新設備，使設計的系統在較長時間內保持技術和運行的安全穩(wěn)定性;同時，設計時不僅要求系統能夠滿足企業(yè)目前的需要，而且需適應企業(yè)未來發(fā)展的需要。

(2)可靠性原則。系統穩(wěn)定可靠，可實現全年、全天24h的連續(xù)運行。

(3)可操作性原則。具有友好的人機操作界面，可實現信息共享，有便于查詢使用的數據庫等。

(4)高效率性原則。能與相關系統的數據共享，提升工廠能源管理系統的整體運行效率。

(5)實時性原則。設備與終端信息交互快，可實現多終端實時監(jiān)控。

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

(7)安全性原則。通過在系統部署相關的安全措施，有效確保系統、網絡、應用與工藝配套等層面的安全。

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

(9)可維護性原則。從應用系統的規(guī)劃和設計、硬件選型和軟件系統開發(fā)等方面通盤考慮通用性、兼容性、開放性;出現局部故障時，運行維護人員能及時發(fā)現問題并處理，避免影響整體系統的運行。

能源管控中心系統(EMS)主要針對企業(yè)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(jiān)管。為實現以上功能，需要進行的系統設計內容主要包括電氣儀表的設計、傳輸網絡的設計、監(jiān)管平臺應用的設計。

在工業(yè)領域，EMS實質就是數據采集與監(jiān)視控制系統(SCADA)的集成，其構成主要包括監(jiān)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(jiān)測、控制及保護，并能與工廠管理信息系統(ManagementInformat*tem，簡稱MIS)連接，以提高工廠管理的自動化水平。

一個優(yōu)秀的能源管理系統設計，需要從三個方面進行考慮，即計量的監(jiān)測電氣儀表設計、穩(wěn)定高效的數據傳輸網絡設計、滿足用戶多要求功能的平臺設計。

2.1監(jiān)測電氣儀表設計

能源管控中心系統(EMS)所需的數據大多是通過安裝在設備上的監(jiān)測儀表采集并由傳感器傳輸來的硬件數據，為使系統能夠實時、準確、穩(wěn)定地獲取各種監(jiān)控數據，EMS設計選型時應使現場監(jiān)測單元具備監(jiān)測數據可靠、滿足使用條件并能及時反映控制參數狀態(tài)的特點。儀表的選型，滿足生產需要的同時應盡可能提高監(jiān)測的精確度，保證工藝控制參數能準確、實時反饋，并滿足所在環(huán)境的安全防爆等要求。

為實現各種監(jiān)控要求，設計應優(yōu)先選用新型儀表，特別是新技術條件下出現的智能型儀表———智能電表、智能水表、智能氣表等。智能儀表是以微型計算機(又稱單片機)為主體，將計算機技術與檢測技術有機結合而成的新一代智能化儀表，是未來建設智能工廠的硬件條件之一。隨著各種智能儀表的涌現，不同儀表的數據傳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，并可把硬件數據轉換成關系型數據庫，從而實現數據的多平臺、多終端共享與使用;同時，監(jiān)測電氣儀表設計還需考慮今后技術升級所要求的擴展性。

2.2數據傳輸網絡設計

在工業(yè)領域，能源管控中心系統(EMS)需完成最初的終端設備(傳感器)數據采集，以及通過網絡控制器和設備控制箱等實現串口協議信號向TCP/IP協議數據的轉換，數據通過網絡傳輸至控制器、服務器的數據庫進行處理、統計、分析等。在智能工廠模式下，能源管理系統的傳輸網絡作為工廠網絡系統的一部分，是與工廠網絡系統同時設計的，工廠網絡系統將各種服務器、自動生產控制設備、辦公計算機、智能終端設備聯系在一起，形成一套完整的應用系統網絡支撐構架。數據傳輸網絡系統作為智能工廠信息化的基礎承載體，其設計應遵循以下原則。

(1)鏈路冗余原則。數據傳輸網絡系統的主干連接應采用負載均衡的冗余方式，設置的兩條連接均提供數據傳輸并互為備用，兩條線路可實時、自動進行切換且不影響系統的應用。

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

(3)設備冗余原則。核心交換機由2臺或2臺以上設備組成，當其中一臺出現故障時，另一臺自動接替其工作，且不會引起其他節(jié)點的路由表重新計算，進而提高數據傳輸網絡的穩(wěn)定性。

(4)擁塞控制與服務質量控制原則。由于接入方式、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，為應對這一問題，網絡應支持區(qū)分服務模型機制，根據用戶所在網段、應用類型、流量大小等自動進行業(yè)務分類，使接入的業(yè)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制，以避免瞬間大量“丟包"現象的發(fā)生。

(5)可擴展原則。數據傳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(yè)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;主干帶寬應具備2~4倍甚至更高的擴展能力，網絡體系、路由協議規(guī)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(guī)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主、無線補充的方式使多終端無縫接入網絡，實現訪問業(yè)務和共享數據。廠區(qū)中辦公區(qū)工位、生產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)主要采用雙星型冗余組網結構，將無線AP連接至接入交換機，無線控制器連接至核心交換機，用戶通過無線控制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(fā)技術，實現無線WiFi的廠區(qū)覆蓋?；ヂ摼W接入主要用于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(qū)，使外網無法直接訪問企業(yè)網絡，將面向互聯網服務的業(yè)務部署在DMZ隔離區(qū)域，外網需要通過防火墻、IPS訪問服務器;在DMZ隔離區(qū)域內部署VPN網關，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，實現外網資源內網化;針對網絡內違規(guī)使用網絡的行為部署智能流控設備，合理分配寶貴的帶寬資源，優(yōu)先保障關鍵業(yè)務。

2.3能源管理平臺設計

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

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

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臺，其功能是解決能源管理各核心業(yè)務的主要問題，通過數據統計分析，對能源生產、使用、過程、質量、設備以及輔助生產安全等信息進行管理，為能源調度、人員及用戶管理等提供信息查詢，實現能源系統的全面、規(guī)范、精細化管理?；A能源管理作為能源管理系統在線調度、管理的補充，以友好的界面為能源管理人員提供一體化的操作平臺，是能源管理中心的離線數據中心、報表與統計展示平臺、對比分析平臺、決策平臺、無紙化辦公平臺。具體而言，智能工廠能源管理平臺需實現的功能如下。

(1)能耗實時監(jiān)控。通過能源流程圖(包括電力系統、水系統、燃氣系統、熱力系統、冷風系統、循環(huán)水系統等)的監(jiān)控畫面、歷史趨勢、報警等實時監(jiān)控能源系統的運行狀態(tài)。

(2)能耗統計分析。報表統計分析是衡量能源管理系統運行質量的主要依據，能夠通過系統生成的多種圖表(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，全面呈現系統的能耗情況、設備情況、報警統計、運行統計等，為故障診斷、量化評比、生產決策提供科學依據，并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。能源管理系統出現異?；驁缶瘯r，企業(yè)能夠通過綜合監(jiān)控作出及時、快速、準確的判斷及處理，把因能源系統故障引發(fā)的事故影響降到最小，確保能源供應系統的安全穩(wěn)定運行;同時，可以對一段時間內系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策。

(4)能源計劃管理。企業(yè)可以建立能源網絡模型，實現能源供需平衡，進而編制能源供需計劃，作為生產經營管理過程中制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(yè)能耗水平，及時進行相關工藝或設備的優(yōu)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(jiān)控、分析，提前針對能源質量問題采取應對措施，從而避免不必要事故的發(fā)生。

(7)基于能源優(yōu)化的調度決策管理。通過能源管理的調度決策功能，能源調度管理人員可以對系統的設備狀態(tài)、運行情況、各相關系統的運行工況、能源供需平衡的動態(tài)趨勢、調度日志、運行事故預案等進行全面監(jiān)控，平臺可以根據系統記錄的歷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的自產、外購和消耗情況，以幫助調度人員發(fā)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(wěn)定，進而達到節(jié)能增效的目的。

3.1平臺概述

AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺集變電站綜合自動化、電力監(jiān)控、電能質量分析及治理、電氣安全、能耗分析、照明控制、設備運維于一體，為建立可靠、安全、高效的工廠能源管理體系提供數據支持。同時引入技術，配合廠務系統優(yōu)化，簡化全廠管理，并利用實時數據，優(yōu)化能效并預防風險，保障關鍵制造設備的穩(wěn)定運行和良品率，降低綜合成本，最終達到高效運營的目的。

3.2平臺組成

安科瑞AcrelEMS-SEMI電子廠房管理系統是一個深度集成的自動化平臺，它集成了電力監(jiān)控系統、變電所綜合自動化、電能質量監(jiān)測與治理、電氣火災監(jiān)控系統、消防設備電源系統、防火門監(jiān)控系統、消防應急照明和疏散指示系統、智能照明控制系統、能耗監(jiān)測系統、新能源充電樁、預付費系統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個平臺即可全局、整體的對電子廠房的用電和用電安全進行進行集中監(jiān)控、統一管理、統一調度，同時滿足廠房用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

3.3平臺拓撲圖

4.1電力監(jiān)控

電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、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(jiān)測與治理

監(jiān)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，進而判斷配電系統擾動方向。

配置有源濾波裝置和無功補償裝置對0.4kV側電能質量進行補償和治理，并監(jiān)測有源濾波裝置和無功補償裝置運行情況，確保電能質量符合生產要求。

4.3變電站綜合自動化

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

4.4電氣安全

AcrelEMS電子廠房能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

4.5智能照明控制

單控、區(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式。

4.6能耗分析

AcrelEMS電子廠房能效管理系統為工廠搭建計量體系，顯示能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助企業(yè)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、車間、生產工藝、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(huán)比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從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、資產管理。

4.8職工公寓管理

對廠區(qū)內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。

5.1電力監(jiān)控系統硬件配置

5.2能耗管理系統硬件配置方案

5.3智能照明控制系統硬件配置方案

5.4電氣火災監(jiān)控系統硬件配置方案

5.5消防設備電源監(jiān)控系統硬件配置方案

5.6防火門監(jiān)控系統硬件配置方案

5.7消防應急照明和疏散指示系統硬件配置方案

5.8電能質量治理解決方案硬件配置方案

5.9充電樁系統硬件配置方案

5.10預付費系統硬件配置方案

伴隨知識經濟時代的來臨，驅動當前社會變革的不僅僅有互聯網，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制造技術的融合，在物聯網、云計算、5G等新技術的推進下，智能工廠的發(fā)展必定呈現全新的、多樣化的模式。在這樣的環(huán)境下，能源管理體系也需不斷創(chuàng)新、與時俱進，以推動智能管控、智能決策、智能生產的實現。

[1]馮晶，田小果．EMS系統在鋼鐵廠能源中心的應用[J]．自動化與儀器儀表，2005(3):35－37，44．

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

[3]陳衛(wèi)新．面向中國制造2025的智能工廠[M]．北京:中國電力出版社，2017．

[4]國務院．中國制造2025(國發(fā)〔2015〕28號)[Z]．2015．[5]國務院．關于印發(fā)“十三五"節(jié)能減排綜合工作方案的通知(國發(fā)〔2016〕74號)[Z]．2016．

[5]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2022.05版.

[6]王榮陳.淺談大數據時代智能工廠能源管理系統的設計模式.