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更新時間：2023-08-07 
瀏覽次數：919安科瑞 陳聰
摘要：某造紙企業進行工業智能化升級改造，籌建能源管理中心，既能達到政府部門要求能源在線監測所需的功能和目的，又能滿足自身工藝管理需求和自備電廠實際運作需求。實現能源數據在線監測與政府平臺穩定傳輸，同時利用整合后的數據發現有用的價值數據，實現區域內節能增效。
關鍵詞：能源管理中心；問題與數據價值挖扳；案例與效益；節能減排；數字化；智慧工廠
1、建設背景
永豐余造紙（揚州）有限公司為了實現自身高質量發展，需要對設備和工藝進行工業智能化升級改造，以滿足自身造紙工藝和能源管理運作需求，同時實現公司能耗數據在線與政府平臺的穩定傳輸。
公司能源管理中心建設的創新點在于:能源在線監測的所有功能均能滿足規范要求，同時又符合公司多年來運作習慣需求，能夠實現新的智能化監測、智能化能耗分析與優化方案的解決。
建設目的和設計原則
公司主要消耗的能源有煤炭、電力和蒸汽（熱力）等,建設能源管理中心的目的是將各種能源消耗的實時數據,通過有線或無線搭建工業通訊網絡,整合原有的SCADA、PLC、DCS和ERP等工業系統，將各系統上數據傳輸至新建的能源系統數據服務器中進行處理。從而規避人為抄表誤差，降耗提效，減緩設備老化速度，利用系統發現數據價值，并通過優化、改造和管理等手段來實現區域內節能增效。
能源管理系統建設的設計原則要求如下：整體性、性、前瞻性、穩定性、可操作性、完整性、可查詢性、易維護性、數據安全性和成本控制等。
系統實現功能分析
實現在線監測功能:將實時數據傳輸至揚州市級能源在線監測平臺；
實時監測能源質量和效率，對能耗和運行參數異常能夠自動報警和追溯；
能夠實現各生產車間、生產線、重要工序、重點耗能設備和班組的能耗統計與對標分析，挖掘節能潛力；
能夠對重點耗能設備進行重點管理；
能夠實現能耗準確統計、自動抄表和填報報表。能源8大分類管理見圖1。
圖1能源8大分類管理圖
系統設計時需要符合MESA規定的標準及公司內部各相關驗收規范的要求。
能源管理系統框架如圖2所示。
圖2 能源管理系統框架圖
項目實施過程中存在的問題
公司部分三級以下計量器具沒有安裝到位，導致在線監測系統不具備數據傳輸功能。因此，需要通過加裝能源計量器具，加裝Lora遠距離無線傳輸終端,才能直接將測試能源數據傳輸給原DCS系統或能源管理中心的采集服務器。數據傳輸終端參數設置見表1。
表1 數據傳輸終端參數設置
SCADA系統對接程序自身程序不能夠高頻次和多數據讀取，通過將原有使用的USB轉串口更換為熱電前置機自帶串口直接對接傳輸，系統才能夠恢復穩定傳輸。將原本采用數據變位上送,更改為定時上送，使通訊通道更加穩定。改善后能夠穩定對接傳輸,SCADA數據對接表見表2。
表2 SCADA數據對接表
公司IT人員通過數據比對發現:能源管理系統平臺每天08:0536=05和0：05這3個時間點，由于少量紙卷在復卷機上還沒有稱重，而生管系統平臺紙卷重量輸出值顯示為0。原因是能源管理系統數據讀取時間太早，數據還沒有來得及處理。解決的方法是將能源管理系統平臺數據抓取時間分別推遲8h,也就是改為每天16：05、0：05、08：05這3個時間點讀取。改善后能源管理系統產量數據與原ERP系統數據一致。
通過人工數據與系統數據比對,找出對接計量器具存在選型錯誤、接口錯誤、線路虛接、PT和CT 二次儀表內部參數設定錯誤、程序內部計算公式錯誤、熱力的溫度壓力補償錯誤和產能邏輯關系錯誤等問題，經過一對一進行修正后恢復正常。
通過2個月的觀察及不斷修正和完善,能源管理中心能源數據按照規范和要求與揚州市能源在線監測平臺實現了穩定對接。
5、測試數據價值挖掘
空壓機的型式與廠商不同，其設定的壓力值和控制的方式都會有所不同。造紙企業采用較多的還是離心式和螺桿式空壓機。在傳統空壓系統中,空壓機由其內部的壓力傳感器監控，這些傳感器壓力參數設置后，便于多臺空壓機能隨著壓力的降低而一臺臺開啟，形成壓力階梯控制。為了確保較大壓縮空氣消耗量時的壓力能達到較低的壓力水平，習慣的做法是將空壓機維持在較高的壓力水平，以避免生產過程中出現因欠壓而跳機問題。但不必要的較高壓力會造成能源的浪費，其表現在以下兩個方面:一是空壓機需要在高壓的情況下運作,消耗的電量更多;二是當管網空氣壓力較高時，所有用氣設備就會使用更多的壓縮空氣。女口：如果所需的壓力為0.6MPa,而系統平均壓力需保持在0.65MPa,那么多余的0.05MPa壓力就需要增加5%~10%的能耗。
如何達到數據價值化，就需要跨界集成,協同創新:通過集成螺桿式空壓機的加載/卸載命令控制，通過變頻和離心式壓縮機內部壓力設定控制，經過集成優化控制后，壓縮機僅輸出實際所需的壓力和空氣量,系統壓力始終保持穩定。
公司壓縮機的總功率為1770kW,輸出所需的空氣量為242mVmin,通過系統優化后，系統壓力由0.65MPa降為0.6MPa穩定運行,其節能量計算見表3。
由此得出：舊的習慣、思維和信息閉鎖等一旦被打破，各系統運作才會流通順暢;創新工作來自于日常節能技術的整合;改善一點點，就可以獲得較大成效。從表3可知，降低壓縮空氣系統壓力0.05MPa,壓縮機本體能耗可下降3%，空氣管網消耗功率下降5.8%;按照公司自發電力成本電價0.30元/kW計算,年節能收益達27.14萬元。
表3 節能量計算表
6、項目實施效果
利用信息和通信技術，實現了將實時收集單位能耗數據和可視數據分析結果穩定傳輸至揚州市能源在線監測平臺。同時公司自身能根據系統平臺監控,及時發現設備異常狀況，及時優化設備不合理的參數，及時消缺與優化，降低能耗。另外還可以根據告警追溯，提升穩定電力系統的功率因數，降低電力消耗，促進造紙企業節能降耗工作順利開展,提升造紙業智能制造的水平，從而實現造紙企業綠色化發展。
7、安科瑞企業能源管控系統概述
安科瑞企業能源管控系統采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。
8、應用場所
鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、造紙、化工、物流、食品、水廠、電廠、供熱站、軌道交通、航空工業、木材、工業園區、醫院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產品、工器具制造等離散制造業。
9、系統結構
現場通過廠區局域網和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。
系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。
現場設備層：主要是連接于網絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構建該配電、耗水、耗氣系統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。
網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。
平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。
平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：
10、系統功能
平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理。實時監測企業各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。
在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。
用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業及各區域的能耗折標、產值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區域展示該區域的分類能耗、產值等相關信息。
10.3首頁
首頁展示峰谷平用電、變壓器情況、年能耗趨勢、單耗趨勢、分類能耗等企業級統計數據。
對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。
能源實時監控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監測，確保用能環節的持續穩定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網絡圖、能源計量網絡圖等功能。
能流圖：需要在能流圖上對水、電、氣的消耗情況進行實時展示；當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，同時支持APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗報警提示等；
配電圖：將配電房真實情況畫入配電圖，實時展示接入的門禁、水浸、電水氣等儀表的實時參數、門禁水浸狀態及能耗數據。
實時統計：實時統計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；
數據展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區域、不同設備的不同的能耗參數；
檢測：對能源報警信息進行集中顯示，可以對報警閾值信息進行相關處理操作，可以對報警參數進行在線設置，當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，具備APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗等報警提示；
接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。
展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。
展示各個水電氣儀表的實時參數變化，以曲線圖的方式展示。
將所有有關能源的能源參數集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現各個產業線的對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。
從能源使用種類、監測區域、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、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、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。
統計各個監測節點（工廠、車間）的當年、季度、月、周、日各類能源消耗費用，其中電包括峰電量、峰電費、谷電量、谷電費以及平均電量和平均電費。
與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。同時將產品單耗與行業/國家/國際指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。
對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、相應時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力，評定能源消耗是否合理。
系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視。可直接從動態監測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。
用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產各種報表，查看企業各個節點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環比報表，支持導出報表。
提供能耗成本的圖形對比分析，包括分時段（日、月、年）的同比、環比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。
同比
環比
以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統計分析，讓用戶更加了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。
監控耗能設備運行、停機及異常狀態，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。
根據節點、能源分類，查詢各個節點線路上的能源損耗數據，及時發現能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。
按照區域對碳排放總量的變化趨勢進行統計，并進行同環比分析。對單位產值碳排放量進行計算，并結合減排指標實現超標預警，提升區域減排水平，促進碳達峰目標實現。
實時監測諧波含量、三相不平衡度、功率因數等，確保功率因數不低于供電局考核指標，避免被罰款和設備出現故障。
系統支持設備日常巡檢計劃、派工、消缺、報修、派工等設備運維管理，方便運行管理人員的制定巡檢計劃、派工，巡檢人員執行巡檢、完成工單、巡檢發現問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養需要。
針對于電氣正常開展、限電和能耗雙控，實現電參量異常報警、電氣火災隱患報警、能耗超標報警、限電報警等，幫助企業提前預警，避免發生火災事故和被罰款導致用能成本過高。支持分級分類報警，可對報警進行派發與閉環處理。
可自定義時間段抄儀表的抄表值以及差值，可自定義抄表的分類分項。
可自定義時間段內各個拓撲節點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。
提供容需量報表，實時展示容量需量價格的變化情況，幫助企業實現容改需，降低基本電費。
對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析，為企業分時用電，優化成本效益提供數據支持。
對國標、能源管理制度、能源指標體系等文件進行歸檔，可快速查詢相關文檔。對儀表臺賬進行系統管理，支持文件的上傳和下載。
對場景進行虛擬仿真，展示各區域運行及能源消耗情況，可實現分層預覽、轉場展示、風格切換、智能巡檢等效果，支持模型與監測點位的自定義綁定。
對各動力子系統進行虛擬仿真，展示子系統的動力管線、設備的實時狀態及能源消耗情況，可實現動態的能源流向效果。
可通過圖形化的編輯方式自定義組態圖，展示設備運行狀態及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監測數據。
可通過圖形化的操作方式自定義駕駛艙，以折線圖、餅圖、表格等圖形展示采集數據及各類統計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。
對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節點、能源、公示、及相關參數進行配置、修改、刪除等管理、進行用戶添加和授權管理、合同管理。
APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、產線比對、效率分析、同環比分析、能耗折標、事件記錄、運行監視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。
11、系統硬件配置
參考文獻
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[3]安科瑞企業微電網設計與選型手冊.2022.05版.
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