羅銘強　梁鵬

摘要：針對鋁型材生產(chǎn)過程中能耗較大，傳統(tǒng)人工采集能耗數(shù)據(jù)頻率低，采集速度慢等問題，該文提出一種鋁型材熔鑄爐生產(chǎn)實時能耗監(jiān)測及能耗預(yù)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面使用基于zigbee協(xié)議的無線傳輸通訊方式將生產(chǎn)現(xiàn)場電表、燃氣表與交換機相連接，并通過網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，實現(xiàn)對生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測；另一方面采用回歸型支持向量機對歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)，得到預(yù)測能耗模型，用于對當(dāng)前生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)預(yù)測，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的能源損失、生產(chǎn)參數(shù)不當(dāng)?shù)犬惓，F(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：能耗預(yù)測；實時能耗監(jiān)測；回歸型支持向量機

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）28-6767-04

1 概述

鋁型材生產(chǎn)企業(yè)屬能源成本占總運營成本比例較高的行業(yè)，并通常被列為各級政府重點能源消耗監(jiān)控單位。為了保證熔鑄生產(chǎn)穩(wěn)定、經(jīng)濟地運行，對鋁型材生產(chǎn)能耗進行實時監(jiān)測以及能耗異常檢測，是實現(xiàn)制造自動化和清潔生產(chǎn)的發(fā)展趨勢[1，2]。此外，以機組、車間為單位對生產(chǎn)節(jié)能情況進行評估，可以有效地減少能源泄露、待機時間過長、參數(shù)不恰當(dāng)?shù)饶芎漠惓，F(xiàn)象[3-5]。

但目前大多數(shù)特種工業(yè)鋁型材生產(chǎn)企仍停留在無數(shù)據(jù)—粗放式的能源管理階段，只有總的能耗數(shù)據(jù)（月賬單、年賬單），對工藝及設(shè)施的能耗數(shù)據(jù)不了解。少數(shù)企業(yè)有基礎(chǔ)的能耗數(shù)據(jù)，有安排員工進行人工抄表，并對抄表數(shù)據(jù)進行匯總、制表，有簡單的抄表和電力監(jiān)測系統(tǒng)，缺乏對海量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、整理和分析。因此，面向生產(chǎn)過程的系統(tǒng)性有效的全面能源監(jiān)控并將能耗數(shù)據(jù)進行反饋，動態(tài)指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)度等決策過程，也已成為鋁型材生產(chǎn)企業(yè)數(shù)字化升級的重要需求之一。樊龍等提出一種基于MODBUS的智能電表數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，提高了數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膶崟r性和可靠性[6]。楊文人對基于能耗預(yù)測模型的能源管理系統(tǒng)進行了研究，建立了基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能耗異常監(jiān)測模型，并成功應(yīng)用于輪胎硫化工序[7]。

此外目前采用的節(jié)能評估手段是采用未采用節(jié)能措施的單位產(chǎn)品的能耗與采用節(jié)能措施后的單位產(chǎn)品的能耗進行對比。然而這一方法存在嚴(yán)重的滯后性，隨著生產(chǎn)時間的不同、機組工作人員的不同、生產(chǎn)產(chǎn)品的不同，這種評估方法會產(chǎn)生較大的誤差。文獻[7]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)參數(shù)進行能耗預(yù)測，與實際能耗值進行比較的節(jié)能評估方法，可以有效地避免數(shù)據(jù)的滯后性。

為此，該文提出一種鋁型材熔鑄實時能耗監(jiān)測及能耗預(yù)測方法及系統(tǒng)，不僅可以實時地監(jiān)測熔鑄生產(chǎn)中的能耗數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)能耗預(yù)測發(fā)現(xiàn)熔鑄生產(chǎn)中的能耗異常現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)分為實時能耗監(jiān)測及能耗預(yù)測兩部分，實時能耗監(jiān)測部分由硬件部分和數(shù)據(jù)采集部分組成，能耗預(yù)測部分由訓(xùn)練回歸型支持向量機模塊，預(yù)測能耗區(qū)間模塊和評估節(jié)能效果模塊三部分組成。

實時能耗數(shù)據(jù)采集部分如圖1所示：硬件部分由數(shù)字儀表、采集服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)機和監(jiān)控服務(wù)器組成。底層數(shù)字儀表與交換機通過RS-485接口相連，使用ZIGBEE通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，采集服務(wù)器與交換機相連，使用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，各個交換機通過局域網(wǎng)與監(jiān)控服務(wù)器相連。

數(shù)字儀表包括智能電表和智能天然氣表，智能電表安裝于熔鑄機用電線路上，用于采集用電量、電壓、電流、視在功率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)，該參數(shù)又分為A、B、C三相和匯總；智能天然氣表：安裝于輔助加熱爐供熱管道上，主要采集用量、溫度、壓力、流量等4個參數(shù)；

采集服務(wù)器：安裝于車間，連接智能電表、智能天然氣表和交換機之間，主要用于在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向透明傳輸；

網(wǎng)關(guān)機負責(zé)從各個設(shè)備控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，送到監(jiān)控服務(wù)器中；同時充當(dāng)管理網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。采集器與監(jiān)控服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時，數(shù)據(jù)會先保存在網(wǎng)關(guān)機上，當(dāng)故障網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時，保存在網(wǎng)關(guān)機上的數(shù)據(jù)會自動上傳到實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，保證所采集數(shù)據(jù)的完整性。

監(jiān)控服務(wù)器：用于接收和記錄交換機傳輸?shù)呢撦d能耗數(shù)據(jù)以及運行回歸型支持向量機方法；以回歸型支持向量機算法計算單位產(chǎn)品能耗的預(yù)測值Xp；

軟件部分有數(shù)據(jù)采集模塊和服務(wù)器控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊運行于采集服務(wù)器，其工作內(nèi)容是從監(jiān)控服務(wù)器收到配置參數(shù)后，生成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)命令幀，并發(fā)送給智能數(shù)字儀表，收到智能數(shù)字儀表返還的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀后，將數(shù)據(jù)幀中的內(nèi)容打包為TCP/IP所用的數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)發(fā)到交換機網(wǎng)關(guān)中。節(jié)能評估模塊運行于監(jiān)控服務(wù)器，采用微軟公司開發(fā)的軟件開發(fā)平臺VC++6.0進行開發(fā)，使用封裝的Mscomm控件進行串口傳輸，并將硬件采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C界面中實時顯示以及存儲到SQL數(shù)據(jù)庫中。

3 熔鑄生產(chǎn)能耗預(yù)測

基于回歸型支持向量機的熔鑄異常能耗預(yù)測由三個模塊組成：訓(xùn)練模型模塊、預(yù)測能耗區(qū)間模塊、評估節(jié)能效果模塊。

訓(xùn)練模型模塊用于訓(xùn)練基于回歸型支持向量機的節(jié)能評估模型，如圖2所示。以某鋁型材制造企業(yè)熔鑄車間為例，原始的能耗時間序列數(shù)據(jù)，包括日、月和年等不同時間維度的能耗數(shù)據(jù)已經(jīng)由能耗監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)先存儲于監(jiān)控服務(wù)器的SQL數(shù)據(jù)庫中。從監(jiān)控服務(wù)器的SQL數(shù)據(jù)庫中讀取某一熔鑄機組于2013.4-2013.8每生產(chǎn)1噸鋁棒的耗電量和燃氣量作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)x有熔鑄質(zhì)量、環(huán)境溫度、熔鑄溫度、熔鑄時間、操作工人工齡等，使用MATLAB訓(xùn)練基于回歸型支持向量機的回歸函數(shù)[f（x）=sgn（iyiaixix+b）]；根據(jù)回歸函數(shù)計算該熔鑄機組于2013.9所每熔鑄1噸鋁棒的耗電量和燃氣量為373.74度/噸、36.68立方米/噸。

預(yù)測能耗區(qū)間模塊，其特征在于使用統(tǒng)計分析方法計算單位產(chǎn)品能耗的置信區(qū)間。設(shè)單位生產(chǎn)鋁棒的預(yù)測耗電量為X1， X2，…Xn服從樣本分布（[μ]，[σ2]），[X]和[S2]分別表示預(yù)測耗電量的樣本均值和樣本方差，則隨機變量[T=X-μS2n～t（n-1）]，對于給定的置信度[1-α]，[P{X-μS2n|≤tα2（n-1）}=1-α]，則預(yù)測耗電量的均值[μ]的置信區(qū)間為[[X±Sntα2（n-1）]]。以某鋁型材制造企業(yè)熔鑄車間為例，2013.7月中5天的耗電量分別為345.24度/噸、343.82度/噸、354.05度/噸、346.44度/噸、353.26度/噸，則置信度為0.99的耗電量置信區(qū)間為：[X=348.56]，[S2=22.55]，[t0.012（4）=t0.005（4）=4.60]，則預(yù)測耗電量的置信區(qū)間為[348.56-9.77， 348.56+9.77]。

評估節(jié)能效果模塊，其特征在于根據(jù)每熔鑄1噸鋁型材的能耗預(yù)測值Xp和每熔鑄1噸鋁型材能耗的實際值Xt，根據(jù)公式[η=Xt-XpXp?100%] 計算所述單位產(chǎn)品的節(jié)能效果η。

4 系統(tǒng)測試及討論

以某鋁型材制造企業(yè)熔鑄車間為例，從數(shù)據(jù)庫中選取其2011.1-2012.9每生產(chǎn)1噸鋁棒的耗電量為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，結(jié)合軟件MATLAB，訓(xùn)練基于回歸型支持向量機的節(jié)能評估模型，數(shù)據(jù)如表1所示

最后根據(jù)每生產(chǎn)1噸鋁棒的能耗預(yù)測值Xp和每熔鑄1噸鋁型材能耗的實際值Xt，根據(jù)公式[η=Xt-XpXp?100%]計算所述單位產(chǎn)品的節(jié)能效果η。圖4所示是置信度為99%的某熔鑄機組日節(jié)能能效圖，圖中可以看出多個能耗異常情況。

5 結(jié)論及未來工作

本文針對鋁型材熔鑄過程能源使用較多，傳統(tǒng)人工采集能耗數(shù)據(jù)頻率低，采集速度慢等問題，提出了一種包括智能電表、智能天然氣表、采集服務(wù)器、交換機以及監(jiān)控服務(wù)器，智能電表和智能天然氣表等構(gòu)成的熔鑄能耗監(jiān)測和能耗預(yù)測系統(tǒng)，負載通過RS-485總線與采集服務(wù)器相連接，采集服務(wù)器將RS485串口轉(zhuǎn)換為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)RS-485串口到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，監(jiān)控服務(wù)器實時監(jiān)測負載能耗數(shù)據(jù)并記錄不同負載的能耗數(shù)據(jù)，并用歷史能耗數(shù)據(jù)以回歸型支持向量機方法計算單位鋁棒能耗的正常檢測區(qū)間，還可以根據(jù)預(yù)測能耗數(shù)據(jù)與實際記錄能耗數(shù)據(jù)進行比較，對熔鑄生產(chǎn)進行節(jié)能評估。實驗證明該系統(tǒng)不僅可以實時地采集車間內(nèi)熔鑄機組的能耗數(shù)據(jù)，還可以通過對歷史能耗數(shù)據(jù)的分析，檢測生產(chǎn)中的能源泄露、待機時間過長、生產(chǎn)參數(shù)不恰當(dāng)?shù)饶芎漠惓，F(xiàn)象。

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