肖 鵬，余曉曦，李 龍，楊春生

（中國測試技術(shù)研究院電子研究所，四川 成都 610021）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，對能源種類和總量的需求也不斷增長，我國現(xiàn)有的資源已無法滿足國內(nèi)發(fā)展的需求，必須靠進口來滿足經(jīng)濟增長的需要。根據(jù)英國石油公司（BP）最新發(fā)布的《世界能源統(tǒng)計回顧2011》數(shù)據(jù)顯示：2010年，中國一次能源消費總量超過美國，躍居世界第一；但是從能源利用率來看，單位GDP能耗卻是主要發(fā)達(dá)國家的4倍之多。由于世界能源日趨緊張，我國政府早已意識到中國工業(yè)化經(jīng)濟已不再允許走高污染、高能耗的老路，需要走資源節(jié)約型的經(jīng)濟增長道路；因此，實施節(jié)能減排是我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

1 節(jié)能減排的方式

我國工業(yè)能耗占全部能耗的71.3%，節(jié)能減排的潛力和重點就是針對高能耗的企業(yè)。企業(yè)節(jié)能減排主要靠調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加快節(jié)能技術(shù)進步和加強企業(yè)管理3種方式來實現(xiàn)。從具體實踐情況來講，在企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一時沒有重大變化的情況下，企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與加強管理就顯得尤為重要。

目前大部分企業(yè)的節(jié)能僅僅局限于對設(shè)備或工藝的技術(shù)改造，忽視了自身整體用能狀況，也沒有運用信化管理手段從整體上調(diào)控企業(yè)的合理用能。而傳統(tǒng)的能源管理手段已相對落后，通過提高管理水平來挖掘企業(yè)的節(jié)能潛力成為企業(yè)節(jié)能減排的重要抓手。

傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展為企業(yè)能效在線管理系統(tǒng)提供了技術(shù)平臺，通過遍布企業(yè)的在線測量儀器，全面、實時地監(jiān)控企業(yè)的能源消耗水平，為企業(yè)的能源調(diào)度、生產(chǎn)指揮提供準(zhǔn)確的信息和決策支持，達(dá)到對消耗能源的精細(xì)化管理，從而實現(xiàn)節(jié)能減排。

2 能效在線管理的系統(tǒng)方案

能效在線管理系統(tǒng)采用自動化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對企業(yè)能源系統(tǒng)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實施集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理，對企業(yè)的重點能耗數(shù)據(jù)進行監(jiān)測、記錄，實時監(jiān)控企業(yè)各種能源的詳細(xì)消耗情況。通過對采集回來能耗數(shù)據(jù)的分析、評價，提供輔助決策手段，改進和優(yōu)化能源平衡，提高企業(yè)的管理水平，為節(jié)能降耗提供直觀科學(xué)的依據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)性的節(jié)能降耗，全面提高企業(yè)核心競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力。

能效在線管理系統(tǒng)主要由能效在線監(jiān)測系統(tǒng)、能效數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、能效分析系統(tǒng)3個子系統(tǒng)組成。能效在線監(jiān)測子系統(tǒng)是現(xiàn)場數(shù)據(jù)來源的基礎(chǔ)；能效數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的分類管理；能效分析子系統(tǒng)在前者的基礎(chǔ)上進行分析評價，為管理者提供決策依據(jù)，同時它與企業(yè)的企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)和制造執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）共同協(xié)調(diào)工作，保證整個企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟、有序進行。能效在線管理系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

2.1 能效在線監(jiān)測系統(tǒng)

能效在線監(jiān)測系統(tǒng)綜合運用了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機技術(shù)和自動化控制等技術(shù)，根據(jù)工業(yè)企業(yè)變配電系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)、真空系統(tǒng)以及空調(diào)制冷系統(tǒng)等設(shè)備的特點，對其進行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實時采集設(shè)備的運行參數(shù)，自動記錄和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)故障進行實時報警，計量相關(guān)能源在生產(chǎn)輸配各環(huán)節(jié)的消耗情況。能效在線監(jiān)測系統(tǒng)幫助企業(yè)減少設(shè)備維護人員的工作，提高設(shè)備維護的效率和可靠性，從而提高企業(yè)管理水平，降低能源消耗。

2.1.1 能效數(shù)據(jù)采集的原則

根據(jù)企業(yè)能源系統(tǒng)輸配平衡的要求，能源管理信息的細(xì)度應(yīng)謹(jǐn)慎選擇；同時對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)以分散采集方式為主，這樣可以降低整個系統(tǒng)的風(fēng)險，提高系統(tǒng)的安全性和可維護性。

2.1.2 能效數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

將繁瑣的采集系統(tǒng)劃分為3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4-6]，即測控層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和數(shù)據(jù)管理層，如圖2所示。測控層主要是指現(xiàn)場PLC采集站對各能源計量點進行在線數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層的光纖冗余環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器進行存儲，數(shù)據(jù)管理層的各工程師站實現(xiàn)對設(shè)備的集中監(jiān)控，同時對服務(wù)器儲存的數(shù)據(jù)進行進一步的分析處理。

2.1.3 能效數(shù)據(jù)采集需要注意的地方

很多企業(yè)能源在線監(jiān)測設(shè)備上存在缺陷，主要有設(shè)備老化、精度降低、儀表沒有溫度和壓力補償?shù)葐栴}。針對這些情況，對精度低、已經(jīng)老化的儀表進行更換，對需要增加溫度、壓力補償?shù)膬x表進行補償，使經(jīng)過補償后的能耗數(shù)據(jù)更加精確、真實。

2.2 能效在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

圖1 能效在線管理系統(tǒng)的工作原理圖

能效在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是整個管理系統(tǒng)的核心[7-8]，起著承上啟下的作用，一方面對采集來的數(shù)據(jù)進行存儲，另一方面對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行歸類、分析。能效在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的功能框圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要功能是構(gòu)建數(shù)據(jù)庫、對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)維護、建立數(shù)據(jù)查詢表、匯總表和透視表，同時系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程WEB訪問、能效分析系統(tǒng)應(yīng)用程序接口等功能。同時能效在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)管理功能從能源實際管理、能源計劃管理、能源成本管理、能源質(zhì)量管理、重點能耗設(shè)備管理、能源審計輔助管理和環(huán)保管理等方面進行管理。

圖2 能效數(shù)據(jù)在線采集的結(jié)構(gòu)圖

圖3 能效在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能框圖

2.3 能效數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

企業(yè)能效數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是在能效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立企業(yè)能源分析、評價模型，對企業(yè)不同生產(chǎn)計劃進行能耗預(yù)測和分析，為企業(yè)生產(chǎn)及能源管理提供技術(shù)支持，指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)。本系統(tǒng)采用投入產(chǎn)出模型來計算能源消耗，同時利用能量平衡法來分析企業(yè)的用能狀況。

2.3.1 投入產(chǎn)出法

企業(yè)單位產(chǎn)品能耗的計算有很多方法。其中，投入產(chǎn)出法具有直觀、方便等特點，可以幫助企業(yè)利用現(xiàn)有的生產(chǎn)能力和資源條件進行最優(yōu)安排、取得最佳經(jīng)濟效益。

表1是企業(yè)的投入產(chǎn)出表，可知，企業(yè)有n種自產(chǎn)產(chǎn)品，m種外購能源，l種非能源物資。

表1中A=（aij）n×n為企業(yè)自產(chǎn)產(chǎn)品對本身的直接消耗系數(shù)矩陣，B=（bij）m×n為企業(yè)自產(chǎn)產(chǎn)品對能源投入的直接消耗系數(shù)矩陣，C=（cij）l×n企業(yè)自產(chǎn)產(chǎn)品對其他非能源物資投入的直接消耗系數(shù)矩陣。

令 Ea=（Ea1，Ea2，…，Ean）T為企業(yè)自產(chǎn)產(chǎn)品能耗列向量；

Eb=（Eb1，Eb2，…，Ebm）T為企業(yè)所投入能源的能耗列向量；

Ec=（Ec1，Ec2，…，Eal）T為企業(yè)投入非能源物資的能耗列向量。

由產(chǎn)品能值的定義得

寫成矩陣形式

合并后得

根據(jù)式（2）可知，影響企業(yè)產(chǎn)品能值Ea有5種因素：自產(chǎn)產(chǎn)品對本身的直接消耗、自產(chǎn)產(chǎn)品對能源的直接消耗、自產(chǎn)產(chǎn)品對非能源物質(zhì)的直接消耗、能源產(chǎn)品的能值和企業(yè)投入非能源物質(zhì)的能值。因此，只要獲得以上5種參數(shù)就可以模擬出企業(yè)產(chǎn)品的能值。

表1 企業(yè)投入產(chǎn)出表

能效數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)利用投入產(chǎn)出的分析方法，首先根據(jù)企業(yè)的實際狀況，輸入相應(yīng)的參數(shù)，通過計算機分析處理后，得到企業(yè)相應(yīng)的用能模型。系統(tǒng)依據(jù)得到的模型，綜合企業(yè)的自產(chǎn)產(chǎn)品和外購產(chǎn)品等參數(shù)進行計算，給出企業(yè)能耗相應(yīng)的統(tǒng)計報表數(shù)據(jù)，最后企業(yè)管理人員通過對能耗計算結(jié)果的對比、分析，對生產(chǎn)預(yù)案進行調(diào)整，最終獲得最優(yōu)的生產(chǎn)方案。

2.3.2 企業(yè)能量平衡分析法

企業(yè)能量平衡分析法根據(jù)企業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)流動的方向，將企業(yè)能量平衡系統(tǒng)劃分為購入貯存、加工轉(zhuǎn)換、輸送分配和最終使用4個環(huán)節(jié)。能效數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將企業(yè)的能量平衡系統(tǒng)映像到計算機程序，實現(xiàn)了企業(yè)能量平衡的軟件化。

能源平衡管理首先需要對企業(yè)的能源介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)進行建模[9-11]，流程企業(yè)的能源包括若干個介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)（如煤氣、電力、水等），在每個介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中包括能源生產(chǎn)、消耗、傳輸和庫存的工藝設(shè)備節(jié)點，這些設(shè)備節(jié)點通過管網(wǎng)連接在一起構(gòu)成能源網(wǎng)絡(luò)?？梢园熏F(xiàn)實的能源介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)抽象為有向圖，各個節(jié)點對應(yīng)各類工藝設(shè)備，節(jié)點取值范圍表示各類工藝設(shè)備能力，節(jié)點的權(quán)表示能源的價值。節(jié)點間的有向連接對應(yīng)能源供給關(guān)系，連接的權(quán)表示分配或轉(zhuǎn)化系數(shù)。系統(tǒng)對平衡計算的主要依據(jù)是多用多攤和按系數(shù)分?jǐn)?，同時可以人工確定是否分?jǐn)?，靈活運行這些平衡規(guī)則，快速對裝置、車間、分廠的能耗數(shù)據(jù)進行平衡計算。通過平衡分析計算企業(yè)的能量利用率，可以很容易的發(fā)現(xiàn)企業(yè)的節(jié)能工作的重點，為企業(yè)的節(jié)能減排提供了有力的技術(shù)支持。

3 系統(tǒng)進一步發(fā)揮作用的措施

3.1 建立與企業(yè)相適應(yīng)的管理體制

能效管理是一個系統(tǒng)性的管理問題，不是簡單的對某一設(shè)備或工序進行管理，凡是涉及到與能源相關(guān)的部門都應(yīng)具有一定的管理職能，確保能源在消耗的過程中每一個環(huán)節(jié)都有監(jiān)控和管理，這樣的管理體制才能較好地適應(yīng)現(xiàn)代化企業(yè)能源管理的需求，從而從制度上保證能效在線管理系統(tǒng)發(fā)揮重要的作用。

3.2 與企業(yè)的ERP對接

單獨的能效在線管理系統(tǒng)還無法獲得單位產(chǎn)值的能耗，還需要與ERP系統(tǒng)提供企業(yè)的生產(chǎn)計劃和相關(guān)的生產(chǎn)實績信息；同時，ERP系統(tǒng)也需要從能效在線管理系統(tǒng)獲取完整的能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，只有實現(xiàn)能效在線管理系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)的無縫集成，才能保障整個企業(yè)的管理系統(tǒng)高效運行；因此，能效在線管理系統(tǒng)設(shè)計初期就要考慮與ERP系統(tǒng)的功能劃分以及通信接口設(shè)計。

3.3 建立行業(yè)的能效標(biāo)準(zhǔn)

能效在線管理系統(tǒng)能夠?qū)ζ髽I(yè)生產(chǎn)的某一個工序或某一個設(shè)備進行能效分析評價，這就需要獲得同行業(yè)相關(guān)的能效水平，然而由于缺乏同行業(yè)的準(zhǔn)確信息，企業(yè)有時很難評價相關(guān)設(shè)備的能耗水平。這就需要相關(guān)權(quán)威機構(gòu)能統(tǒng)計各個行業(yè)的真實指標(biāo)，便于各個企業(yè)獲取。能效在線管理系統(tǒng)的能效評價功能，加上行業(yè)信息共享，將促進企業(yè)間對標(biāo)挖潛工作，從而提高整個行業(yè)的能效水平。

4 結(jié)束語

該能效在線管理系統(tǒng)已成功應(yīng)用于成都某企業(yè)，不僅幫助企業(yè)及時發(fā)現(xiàn)了生產(chǎn)中跑、冒、滴、漏的現(xiàn)象，而且為企業(yè)排查出很多水泵“大馬拉小車”的問題，幫助企業(yè)實現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)。企業(yè)能效在線管理系統(tǒng)覆蓋了從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)審核、能耗平衡到能耗數(shù)據(jù)傳輸與顯示的業(yè)務(wù)流程，有效提高了數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和及時性，實時統(tǒng)計企業(yè)投入產(chǎn)出的情況，實現(xiàn)對能源消耗的精細(xì)化管理，為生產(chǎn)調(diào)度提供了決策支持。

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