浅谈大数据时代智能工厂能源管理系统的设计和应用

摘要：如今，传统制造业正在发生着巨大变革与创新，智能工厂概念应运而生，其中，能源管理系统是工厂生产资源管控的重要平台，是现代信息技术在企业能源管理中的综合应用，是实现企业节约成本、降低能耗的重要举措。简述能源管理系统的建设目标、设计依据、设计原则，详细介绍智能工厂能源管理系统的设计模式—准确计量的监测电气仪表设计、稳定高效的数据传输网络设计、满足用户多要求功能的平台设计，即智能工厂能源管理系统设计应具备的内容和功能，以期为大数据时代智能工厂能源管理系统的设计提供一点参考与借鉴。
关键词：智能工厂;能源管理系统;能源管控中心系统(EMS);监测电气仪表设计;数据传输网络设计;能源管理平台设计;节能降耗
0引言
      如今，随着物联网、大数据、云计算等技术的不断发展，传统制造业正在发生着巨大变革与创新。特别是近几年来，在全球智能制造热潮工业4.0的影响下，我国也出台了“中国制造2025”发展战略，意味着新一轮工业革命即将拉开序幕。我国作为制造业大国，应抓住此次机遇，将我国由制造大国变成制造强国，在国际市场占据更大的份额，获得更多的话语权，而以“互联网+”和“智能制造”为内核制定的“中国制造2025”发展战略，为我国制造业下一步的发展指明了方向和具体实施内容。
     智能工厂的概念是在数字化工厂的基础上，把生产企业管理技术运用到生产过程的控制管理之中，借助各种软件进行信息控制，确保生产中各环节均处于较优状态，从而实现智能管控、智能决策、智能生产。智能工厂的建设，需要从计划排产智能、生产过程协同智能、设备互联互通智能、生产资源管控智能、质量过程控制智能、决策支持智能几个方面进行考虑。能源管理属于生产资源管控的重要内容，是实现企业节约成本、降低能耗的重要举措，智能化能源管理通常通过能源管控中心系统对工厂用能单位及供应源头实施数据采集、实时监控，进而实现工厂能源的管控。
     国务院《关于印发“十三五”节能减排综合工作方案的通知》(国发〔2016〕74号)(简称《通知》)指出，要加强工业节能。鼓励企业实施能效赶超，加强能源管理，特别是重点耗能行业的企业更应当开展能效对标行动，完成能源管控中心的建设，并积极采用工业领域智能化用能监测、诊断、统计等技术来完善自身的能源管理体系。《通知》还提出，力争到2020年，工业能源利用效率和清洁化水平均应得到显著的提高，规模以上工业企业单位增加值能耗比2015年时降幅要达到18%以上，如石油化工、电力、钢铁、有色金属、建材等高耗能行业的能源利用效率应达到或接近世界先进水平。在这一背景下，工业企业需不断采用新技术与制造技术相融合的方式来提升自身的生产效率和能耗水平，增强企业在行业中的核心竞争力。另外，2021年11月1日起即将实施的《工业企业能源管控中心建设指南》(GB/T40063—2021)对各工业企业的节能减排和能源管理提出了更高的要求。
1能源管理系统概述
1.1能源管理系统的建设目标
     智能化能源管理通常通过能源管控中心系统(EnergyManagementSystem，简称EMS)对工厂用能单位及供应源头实施全面数据采集、实时监控。EMS是现代信息技术在企业能源管理中的综合应用，是工业化和信息化相结合实现节能减排的重要手段，通过自动化、信息化和集约化管理模式，对能源的生产、输送、分配和使用环节实施集中监控管理和优化配置;EMS是推动企业节能降耗、改造提升的重要举措，是建立有效节能机制的基础。在工业领域，EMS旨在对企业的水、电、气、汽、可再生能源等的输配和使用环节实施集中扁平化动态监控和数字化管理，改进和优化能源供需衡，实现系统性的节能降耗，使能源高效管理与生产装备自动化、生产过程管控成为一体的工厂级管控体系。
1.2能源管理系统的设计依据
     能源管控中心系统(EMS)设计所遵守的标准和规范:《工业企业能源管控中心建设指南》(GB/T40063—2021)、《工业企业能源管理导则》(GB/T15587—2008)、《用能单位能源计量器具配备和管理通则》(GB17167—2006)、《综合能耗计算通则》(GB/T2589—2020)、《石化企业节能量计算方法》(GB/T32040—2015)、《制造资源计划MRPⅡ系统原型法软件开发规范》(JB/T6987—2013)、《电力工程电缆设计标准》(GB50217—2018)、《数据中心设计规范》(GB50174—2017)、《自动化仪表工程施工及质量验收规范》(GB50093—2013)、《综合布线系统工程设计规范》(GB50311—2016)、《火灾自动报警系统设计规范》(GB50116—2013)、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB50343—2012)、《安全防范工程技术标准》(GB50348—2018);国家、行业其他有关节能标准和技术规范。
1.3能源管理系统的设计原则
     (1)先进性、成熟性和实用性原则。根据不同能源系统的工艺特点，选用目前成熟且具有良好发展前景的新技术和新设备，使设计的系统在较长时间内保持技术的先进性和运行的安全稳定性;同时，设计时不仅要求系统能够满足企业目前的需要，而且需适应企业未来发展的需要。
     (2)可靠性原则。系统稳定可靠，可实现全年、全天24h的连续运行。
     (3)可操作性原则。具有先进且友好的人机操作界面，可实现信息共享，有便于查询使用的数据库等。
     (4)高效率性原则。能与相关系统的数据共享，提升工厂能源管理系统的整体运行效率。
     (5)实时性原则。设备与终端信息交互快，可实现多终端实时监控。
     (6)完整性原则。依靠设计过程中的良好集成和完善配置，实现系统运行信息和功能的完整、全面，充分满足能源的生产、供需平衡、调度、计量、能效分析等管理需求。
     (7)安全性原则。通过在系统部署相关的安全措施，有效确保系统、网络、应用与工艺配套等层面的安全。
     (8)可拓展性和开放性原则。考虑到能源管理系统需随主工艺系统不断拓展的特点，在设计时要考虑好能源管理系统拓展的便利性和技术的可行性，同时还要考虑拓展后的能源管理系统与其他系统的兼容性、交互性。
     (9)可维护性原则。从应用系统的规划和设计、硬件选型和软件系统开发等方面通盘考虑通用性、兼容性、开放性;出现局部故障时，运行维护人员能及时发现问题并处理，避免影响整体系统的运行。
2能源管理系统设计模式
     能源管控中心系统(EMS)主要针对企业使用的水、电、蒸汽、压缩空气、燃气、可再生能源等能源介质进行集中监管。为实现以上功能，需要进行的系统设计内容主要包括电气仪表的设计、传输网络的设计、监管平台应用的设计。
在工业领域，EMS实质就是数据采集与监视控制系统(SCADA)的集成，其构成主要包括监控中心计算机主站、通信通道和现场各种远程终端单元，其能够实现对工厂各单元的设备等进行远程监测、控制及保护，并能与工厂管理信息系统(ManagementInformationSystem，简称MIS)连接，以提高工厂管理的自动化水平。
一个优秀的能源管理系统设计，需要从三个方面进行考虑，即计量的监测电气仪表设计、稳定高效的数据传输网络设计、满足用户多要求功能的平台设计。
2.1监测电气仪表设计
     能源管控中心系统(EMS)所需的数据大多是通过安装在设备上的监测仪表采集并由传感器传输来的硬件数据，为使系统能够实时、准确、稳定地获取各种监控数据，EMS设计选型时应使现场监测单元具备监测数据可靠、满足使用条件并能及时反映控制参数状态的特点。仪表的选型，满足生产需要的同时应尽可能提高监测的精确度，保证工艺控制参数能准确、实时反馈，并满足所在环境的安全防爆等要求。
     为实现各种监控要求，设计应优先选用新型仪表，特别是新技术条件下出现的智能型仪表———智能电表、智能水表、智能气表等。智能仪表是以微型计算机(又称单片机)为主体，将计算机技术与检测技术有机结合而成的新一代智能化仪表，是未来建设智能工厂必不可少的硬件条件之一。随着各种智能仪表的涌现，不同仪表的数据传输接口应具有统一的标准，以兼容大多数厂家的设备，采集到的数据应具有统一的格式，能够灵活地根据不同用户的需求设定采集频率，并可把硬件数据转换成关系型数据库，从而实现数据的多平台、多终端共享与使用;同时，监测电气仪表设计还需考虑今后技术升级所要求的扩展性。
2.2数据传输网络设计
     在工业领域，能源管控中心系统(EMS)需完成*初的终端设备(传感器)数据采集，以及通过网络控制器和设备控制箱等实现串口协议信号向TCP/IP协议数据的转换，数据通过网络传输至控制器、服务器的数据库进行处理、统计、分析等。在智能工厂模式下，能源管理系统的传输网络作为工厂网络系统的一部分，是与工厂网络系统同时设计的，工厂网络系统将各种服务器、自动生产控制设备、办公计算机、智能终端设备联系在一起，形成一套完整的应用系统网络支撑构架。数据传输网络系统作为智能工厂信息化的基础承载体，其设计应遵循以下原则。
     (1)链路冗余原则。数据传输网络系统的主干连接应采用负载均衡的冗余方式，设置的两条连接均提供数据传输并互为备用，两条线路可实时、自动进行切换且不影响系统的应用。
     (2)模块冗余原则。核心层设备和汇聚层设备所有模块和环境部件应具备1+1热备份功能，并具备热插拔功能。
     (3)设备冗余原则。核心交换机由2台或2台以上设备组成，当其中一台出现故障时，另一台自动接替其工作，且不会引起其他节点的路由表重新计算，进而提高数据传输网络的稳定性。
     (4)拥塞控制与服务质量控制原则。由于接入方式、接入速率、应用方式和数据类型的多样性，网络数据流量突增而致拥塞是不可避免的，为应对这一问题，网络应支持区分服务模型机制，根据用户所在网段、应用类型、流量大小等自动进行业务分类，使接入的业务遵守先期设定的接入速率承诺，在网络出现拥塞前能自动采取措施进行先期拥塞控制，以避免瞬间大量“丢包”现象的发生。
     (5)可扩展原则。数据传输网络的交换容量应具备在现有基础上扩充1~2倍容量的能力，以适应IP类业务的急速膨胀;端口密度扩展应能满足网络扩容时设备间的互联能力;主干带宽应具备2~4倍甚至更高的扩展能力，网络体系、路由协议规划和设备CPU/NP(中央处理器/网络处理器)的处理能力应具备2倍以上规模的扩展能力。
     (6)多种接入模式原则。智能工厂网络以有线为主、无线补充的方式使多终端无缝接入网络，实现访问业务和共享数据。厂区中办公区工位、生产车间等均需部署有线信息点，且接入点需要预留实际接入数量25%的点数。无线AP(无线接入点)主要采用双星型冗余组网结构，将无线AP连接至接入交换机，无线控制器连接至核心交换机，用户通过无线控制器和无线网络管理软件实现对所有无线AP设备的集中管理，而且选择的无线接入需要支持无线转发技术，实现无线WiFi的厂区覆盖。互联网接入主要用于智能工厂的物联网服务、邮件服务、远程办公及维护等，需特别注意针对互联网的安全防护———设置DMZ隔离区，使外网无法直接访问企业网络，将面向互联网服务的业务部署在DMZ隔离区域，外网需要通过防火墙、IPS访问服务器;在DMZ隔离区域内部署VPN网关，方便用户远程办公使用，同时不失安全性。在互联网出口部署热点缓存设备，实现外网资源内网化;针对网络内违规使用网络的行为部署智能流控设备，合理分配宝贵的带宽资源，优先保障关键业务。
2.3能源管理平台设计
     智能工厂能源管理平台的主要功能是综合监控与基础能源管理，通过将设置的各能源监管设施进行系统整合，形成工厂能源管理平台，实现对能源供需的判断处理与提高劳动生产率的调整，在客观信息基础上对能源实绩进行分析和评价。
     综合监控功能包括能源数据采集与基本处理、系统集中监控与重点用能设备状态及能耗监视、在线能效分析、能源信息归档和管理、能源系统时间及故障记录、工艺与设备故障报警与分析等功能。
     基础能源管理功能包括能源计划管理、能源对标管理、能源平衡管理、能源质量管理、能源综合分析、能源运行支持管理等。该部分是能源管理过程信息化的应用平台，其功能是解决能源管理各核心业务的主要问题，通过数据统计分析，对能源生产、使用、过程、质量、设备以及辅助生产安全等信息进行管理，为能源调度、人员及用户管理等提供信息查询，实现能源系统的全面、规范、精细化管理。基础能源管理作为能源管理系统在线调度、管理的补充，以友好的界面为能源管理人员提供一体化的操作平台，是能源管理中心的离线数据中心、报表与统计展示平台、对比分析平台、决策平台、无纸化办公平台。具体而言，智能工厂能源管理平台需实现的功能如下。
     (1)能耗实时监控。通过能源流程图(包括电力系统、水系统、燃气系统、热力系统、冷风系统、循环水系统等)的监控画面、历史趋势、报警等实时监控能源系统的运行状态。
     (2)能耗统计分析。报表统计分析是衡量能源管理系统运行质量的主要依据，能够通过系统生成的多种图表(如曲线图、折线图、柱状图等)清晰地展现能耗设备的各项指标，全面呈现系统的能耗情况、设备情况、报警统计、运行统计等，为故障诊断、量化评比、生产决策提供科学依据，并可通过分析确定重点耗能设备，以加强重点耗能设备的管理力度。
     (3)能源报警管理。能源管理系统出现异常或报警时，企业能够通过综合监控作出及时、快速、准确的判断及处理，把因能源系统故障引发的事故影响降到*低，确保能源供应系统的安全稳定运行;同时，可以对一段时间内系统记录的报警信息进行统计分析，获取设备详细报警信息，以便对设备作出预测性维护决策。
     (4)能源计划管理。企业可以建立能源网络模型，实现能源供需平衡，进而编制能源供需计划，作为生产经营管理过程中制定能源消耗计划或外购计划的依据。
     (5)能源对标管理。通过对年度、季度、月、周、日、班组等的综合能耗数据进行统计、分析，实现产品单耗、厂级能耗、车间能耗、班组能耗的多角度分析，对标行业能耗先进水平，及时进行相关工艺或设备的优化。
     (6)能源质量管理。据工厂对电能、蒸汽、水等的质量、消耗要求，设定预警、报警值，对能够反映能源、介质质量的数据及时进行监控、分析，提前针对能源质量问题采取应对措施，从而避免不必要事故的发生。
     (7)基于能源优化的调度决策管理。通过能源管理的调度决策功能，能源调度管理人员可以对系统的设备状态、运行情况、各相关系统的运行工况、能源供需平衡的动态趋势、调度日志、运行事故预案等进行全面监控，平台可以根据系统记录的历史数据和当前数据建立起来的数据库进行过滤、整理，自动分析、计算、统计、分类、显示，预测能源在未来一段时间内的自产、外购和消耗情况，以帮助调度人员发现能源供需不平衡的趋势及运行趋向，确保能源供应安全稳定，进而达到节能增效的目的。
3 AcrelEMS-SEMI电子厂房能效管理平台
3.1平台概述
     AcrelEMS-SEMI电子厂房能效管理平台集变电站综合自动化、电力监控、电能质量分析及治理、电气安全、能耗分析、照明控制、设备运维于一体，为建立可靠、安全、高效的工厂能源管理体系提供数据支持。同时引入先进技术，配合厂务系统优化，简化全厂管理，并利用实时数据，优化能效并预防风险，保障关键制造设备的稳定运行和良品率，降低综合成本，*终达到高效运营和卓越制造的目的。
3.2平台组成
     安科瑞AcrelEMS-SEMI电子厂房管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了电力监控系统、变电所综合自动化、电能质量监测与治理、电气火灾监控系统、消防设备电源系统、防火门监控系统、消防应急照明和疏散指示系统、智能照明控制系统、能耗监测系统、新能源充电桩、预付费系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对电子厂房的用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足厂房用电可靠、安全、稳定、高效、有序的要求。
3.3平台拓扑图

4平台子系统
4.1电力监控
     电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。

4.2电能质量监测与治理
     监测各进线回路电能质量，包括电压暂降、谐波畸变、闪变等数据波形记录，进而判断配电系统扰动方向。
     配置有源滤波装置和无功补偿装置对0.4kV侧电能质量进行补偿和治理，并监测有源滤波装置和无功补偿装置运行情况，确保电能质量符合生产要求。


4.3变电站综合自动化
     变电站综合自动化系统主要针对110kV变电站、10kV变电所和10kV柴油发电机部分，在变电站设置Acrel-1000变电站综合自动化系统子站，实现本地遥测、遥信、遥控、报警、报表等功能，并把数据上传至AcrelEMS-SEMI能效管理平台，实现集中监测和报警。

4.4电气安全
     AcrelEMS电子厂房能效管理系统针对配电系统的电气安全隐患配置相应的电气火灾传感器、温度传感器，消防设备电源传感器、防火门状态传感器，接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示，并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视，发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。

4.5智能照明控制
     单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式。

4.6能耗分析
     AcrelEMS电子厂房能效管理系统为工厂搭建计量体系，显示能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助企业分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对工厂用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。

4.7充电桩管理
     电动汽车和电瓶车充电桩管理，包括收费管理、资产管理。

4.8职工公寓管理
     对厂区内职工宿舍进行负载管理，包括恶性负载识别管理、负载阈值管理，避免因为恶性负载引起火灾。对员工宿舍进行水电收费管理，支持微信、支付宝等缴费方式，采集职工宿舍能耗数据。

5相关平台部署硬件选型清单
5.1电力监控系统硬件配置






5.2能耗管理系统硬件配置方案


5.3智能照明控制系统硬件配置方案


5.4电气火灾监控系统硬件配置方案

5.5消防设备电源监控系统硬件配置方案

5.6防火门监控系统硬件配置方案

5.7消防应急照明和疏散指示系统硬件配置方案



5.8电能质量治理解决方案硬件配置方案


5.9充电桩系统硬件配置方案


5.10预付费系统硬件配置方案



6结束语
     伴随知识经济时代的来临，驱动当前社会变革的不仅仅有互联网，还有无处不在的计算、数据和新知识等。智能工厂的构建实际上是信息技术与制造技术的融合，在物联网、云计算、5G等新技术的推进下，智能工厂的发展必定呈现全新的、多样化的模式。在这样的环境下，能源管理体系也需不断创新、与时俱进，以推动智能管控、智能决策、智能生产的实现。
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[6]王荣陈.浅谈大数据时代智能工厂能源管理系统的设计模式