基于数字化工厂的能源管理系统设计

熊 伟

（海洋石油富岛有限公司，海南 东方 572600）

随着我国经济社会的发展和环境资源压力越来越大，节能减排形式严峻。为贯彻落实党中央、国务院《关于加快推进生态文明建设的意见》和国家“十三五”规划《纲要》《“十三五”节能减排综合工作方案》《计量发展规划（2013—2020 年）》《能源生产和消费革命战略（2016—2030）》等有关工作要求，加快建设重点用能单位能耗在线监测系统，健全能源计量体系，加强能源消费总量和强度“双控”形势分析和预测预警，推动完成“双控”目标任务。

1 建设目标

利用互联网技术、计算机软件技术、数据协议通信技术、数据挖掘技术等相关的专业技术，建立一套高效、稳定的企业能源数据采集系统。针对企业的水、电、汽等各能源品种的能耗数据实现二级甚至三级计量采集能力。

1）实现对各种能源介质和重点耗能设备的能耗数据采集、计量和统计分析。

2）及时了解和掌握各种能源介质的生产、使用，以及各种能源介质管网、优化调度和综合管理。

3）实现关键耗能设备的运行工况监测和效率监控，进一步挖掘节能减排机会。

4）做到科学决策，正确指挥，确保安全、可靠、经济与高效运行，实现从经验型到分析型数据决策的转变。

5）通过能源考核，提高节能减排的意识，全员动员节能减排。

能源管理系统建设近期目标实现对主要能耗介质的监控、计量及统计平衡，减少人工抄表和统计的工作量，提高能源利用分析能力。进一步加强对重点耗能设备的监控，提高能源利用效率，挖掘节能减排机会。

2 设计原则

系统的建设遵循一致性、开放性、可靠性、先进性、继承与可扩展性、实用性的原则。

1）一致性：按照技术标准统一、开发系统统一、数据结果统一、功能应用统一、展现方式统一的要求进行系统建设，满足标准化建设的要求。

2）开放性：应采用统一的数据通信协议和功能规范，面向各类采集终端接入；应提供开放的软件平台和标准接口。

3）可靠性：提供高效可靠的软硬件系统，确保系统整体稳定运行；系统操作有权限及严格完善的密码、日志管理，具有完备的数据备份和恢复机制。

4）先进性：采用先进的技术和产品，兼顾技术的成熟度，选择符合发展趋势的业界主流的技术架构及软硬件平台，系统性能应满足今后五年内业务发展的需要。

5）继承与可扩展性：充分利用已有的软硬件资源，继承有价值的历史数据，避免资源浪费和数据断层；系统平台与技术将充分配合未来功能及项目扩充的需求，系统的集成具有持续发展的可扩展性，硬软件应采用便于升级的模块化设计，可根据需求选择模块组合；系统升级时不影响系统运行。

6）实用性：以业务需求为前提，以实用化应用为目的，采用人性化的交互方式，界面简洁、操作流畅、使用便捷，易于掌握。

7）高效性：注重各子系统的信息共享，提高整个能源管理中心系统高效率的传输与运行能力，设备和终端必须反映快速，充分配合实时性的需求。

8）可维护性：从能管系统的规划和设计、硬件设备的选型和应用软件系统的开发等方面考虑通用性、开放性。在系统局部发生故障时，运行维护人员能尽快发现并能及时处理，避免故障扩大并快速恢复正常运行。

3 技术路线

3.1 传统SCADA技术路线

传统的能源系统及能耗在线监测系统采用工控SCADA 的技术和网络完成数据采集上报和简单报表功能，其系统结构示意如图1所示。

图1 传统能管系统架构示意图

其优点是成本低，实施周期短，基本上采用现有的工控技术组态即可完成数据采集和存储，实现现场监控的目的。缺点是独立的数据采集自成体系，不具备长时间大数据存储的能力，适合用于监控和简单报表功能，不具备大数据挖掘和智能化的监控水平，无法完成复杂的业务处理。

3.2 基于数字化工厂技术路线

在数字化工厂及智能工厂的架构中能源管理系统是其中的一部分，底层的物联互通、生产数据采集和存储都是共通的基础平台，通过能源管理系统的建设，逐步完成数字化工厂的规划和构建可以极大地保障企业的信息化投资。

首先，应该摒弃孤立不能联网的信息系统建设观念，避免新系统的建设形成新的信息孤岛。应从企业的信息化角度出发，建立统一的实时数据平台，数据集中进入到实时数据平台再统一提供给能源管理系统、生产管理、生产统计及大数据挖掘等功能模块进行使用，可以极大提高企业信息化的水平。

其次，通过统一的企业实时数据平台建设，可以有利于加强企业数据的管理，统一数据口径，统一数据接口，对生产控制系统进行隔离，避免所有系统都跟工控系统进行直连，提高企业信息化的安全性。

通过统一数据平台，可以综合汇总各方面的数据进行多维度的分析，例如原材料分析数据和产品质量信息、生产的批次对比等可以更精确地实现能耗、碳排放等的计量分析。

4 功能设计

4.1 数据采集

数据采集系统是整合多种采集通道，能利用多种不同的驱动和协议同时采集多种不同的能源和生产数据。

系统电力数据的采集，通过与通信管理机进行连接，采用MODBUS 协议完成数据通信或104规约完成数据采集。DCS 生产数据采集通过TCP 网络接口进行连接，采用OPC 协议进行数据通信。

4.2 实时监测

能源的实时监测通过对全厂能源介质管网进行绘制，实现全厂的统一监控，也可以进一步到车间级别的监控，系统可实现对电力、蒸汽、工厂风、水等耗能介质的监控。

4.3 计量平衡

实现对能源数据的自动抄表和计算，实现班、日、月阶段数据的抄表计量，对于不能自动计量的数据，系统提供手工输入的界面进行数据补充。

能源平衡是能源管理重要工作内容之一，需在能源管理平台实现能源数据的自动分摊和平衡，为能源平衡调度提供数据支持，实现损耗的分摊计算，实现全厂能源计量平衡。

4.4 能耗统计分析

能耗统计与分析基于强大的数据统计和挖掘工具，为能源管理人员提供各种统计分析数据，包括能源消耗联动分析、趋势分析和指标综合查询等丰富的统计分析信息。

能耗统计与分析致力于为能源考核、节能管理、能源报表、质量管理等提供有价值的数据支撑，挖掘有利于节能减排的建议和措施，是能源管理的核心功能。

4.4.1 综合能耗分析

主要对企业各种能源介质消耗结构进行多维度综合分析。包括各种能源介质的消耗趋势分析、饼图分析、柱状图分析、数据分析。能源消耗结构柱状图、饼图主要展示了各种能源消耗折标煤量的比例，分别以饼图和柱状图直观展示，是数据分析的图形化展现。

4.4.2 能量平衡展示

主要对各种能耗介质自动进行能量平衡，找到不平衡点。

4.5 重点用能设备监控

能源管理系统的设备监控功能主要实现设备运行监控和设备能效监控。

（1）设备运行监控。实时监视主生产线和重要耗能设备的关键工艺参数，如功率、压力、流量等，并根据参数设计界限进行报警，同时提供参数的趋势图、历史数据查询等功能，满足现场操作人员监控需求。

（2）设备能效监控。重点装置能源使用效率是在设备实时数据和历史数据基础上，去除现场数据的误差后，通过软件后台的设备机理模型或数据驱动模型进行实时计算的计算值，在监控界面上实时显示，并提供趋势分析和查询，作为设备用能异常判断依据。

在线实时计算设备的能耗和能效数据的基础上，建立能耗、能效与运行参数的关联模型，确定在不同负载率情况下的设备能效和能耗正常范围，并实时判断当前的能耗和能效数据是否在范围内，跟踪超出正常范围的数据点发生次数、发生时长，达到一定条件后将会触发异常报警，提醒生产操作人员关注，找出能耗能效异常原因并及时解决问题，从而有效提高能效和降低能耗。

4.6 对标管理

能效对标管理为两种，综合能耗指标和主要能耗指标；能效对标包括省标杆对标、国家标杆对标、行业标杆对标等，对标指标可配置，可在年初或年中进行修改和设定。

数据来源有三种。

（1）设定值：计划指标和标杆指标；省标杆及国家标杆数据设置。

（2）系统计算：指标实际完成（按照结算消耗及综合能耗、分企业能耗计算月报）、与历史指标等的对比。

（3）人工输入（每月）：交流排名、同行业指标情况，按设定表单输入。

4.7 计量器具管理

能源管理系统可对计量器具进行台账管理，使能源计量器具配备情况一目了然，及时查看计量器具、器具检验单位和器具检验信息等。

4.8 能源资料管理

能源管理的重要性日渐增加，各级政府均对能耗双控极其重视，企业由于人员的变动、电脑维修等原因，会造成资料的丢失，能源资料管理实现将纸质的资料电子化，实现永久的保存和归档管理。给使用者和管理者带来了极大便利。其次，可以将能耗外购资料及时归档，以便能源审计、能源核查时使用。

5 结论

随着碳达标和能源双控的加强，企业能源管理系统的建设重要性日益增加，通过数字化工厂的架构建设能源管理系统，有别于传统的能源管理系统建设架构，可以为企业带来更大的价值，避免信息孤岛的形成，保障企业信息化投资，提升企业能源管控水平。