姚劉奕1，何文萱2，唐海亮3*

　　（1. 中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；2. 北京燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司第四分公司，北京 100176；3. 太極計算機(jī)股份有限公司，北京 100012）

　　摘要：本文建立了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)企業(yè)的各種資源有效協(xié)同，實現(xiàn)信息化技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)深度融合，帶動企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和管理組織模式變革，構(gòu)建精準(zhǔn)、實時和高效的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集體系及生產(chǎn)信息管理體系，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，提高勞動生產(chǎn)率。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺；能源管理系統(tǒng)；資源優(yōu)化配置

　　1　引言

　　隨著工業(yè)革命的爆發(fā)，能源的消耗越來越大[1]。目前企業(yè)僅靠提高設(shè)備利用率或降低能耗來節(jié)約資源，不能滿足實際需求，要對能源的計劃和消耗進(jìn)行管理，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的[2]。

　　全球競爭壓力正在挑戰(zhàn)工業(yè)制造企業(yè)，數(shù)字化智能工廠的建設(shè)正在迅速興起，高能耗低效率的傳統(tǒng)企業(yè)將漸漸被淘汰。隨著“新基建”的發(fā)展和國家政策支持，傳統(tǒng)工藝流程將會呈現(xiàn)出以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺來集成自動化、智能裝備、生產(chǎn)管控、企業(yè)信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

　　新的生產(chǎn)規(guī)模、更高的生產(chǎn)速度，以及新一輪的激烈市場競爭格局都需要企業(yè)以更低成本、更高的速度，生產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)量的產(chǎn)品[3]。能源管理系統(tǒng)采用信息管理的方法降低能耗，提高資源利用率和勞動生產(chǎn)率[4]。

　　能源管理系統(tǒng)采用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，是一套行業(yè)級的整體解決方案。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)全要素的互聯(lián)互通互用，滿足建設(shè)“企業(yè)云”的需求，是不可或缺的企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，是企業(yè)配置要素資源的新工具和新動能。

　　為了實現(xiàn)工廠數(shù)字化、架構(gòu)平臺化、應(yīng)用APP 化及管控智能化，滿足各功能模塊信息集成和共享，實現(xiàn)管控一體和扁平化，在原有能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建設(shè)一個基于IaaS 部署、PaaS 平臺支撐和SaaS 應(yīng)用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，滿足能源管理系統(tǒng)各個功能應(yīng)用，基于微服務(wù)架構(gòu)和工業(yè)APP 應(yīng)用，實現(xiàn)多租戶、自組織、可視化、移動化和易用性，提高生產(chǎn)全要素效率。實現(xiàn)碎片數(shù)據(jù)規(guī)范化、生產(chǎn)信息數(shù)字化、過程控制協(xié)同化、信息管理集成化、經(jīng)營管理可視化及輔助決策智能化的信息化建設(shè)目標(biāo)。

　　2　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是基于OpenStack、Kubernetes 和CNCF 的開源組件構(gòu)建的開放技術(shù)框架，基于開放的技術(shù)框架和超融合基礎(chǔ)架構(gòu)首創(chuàng)計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控及運(yùn)維一體化設(shè)計的微數(shù)據(jù)中心，具有占用空間小、功耗低、模塊化、快速部署、算力按需擴(kuò)展和遠(yuǎn)程管理能力的優(yōu)點(diǎn)，可支持Intel x86 和ARM。

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是實現(xiàn)流程工業(yè)生產(chǎn)管控一體化的核心，是生產(chǎn)指揮、性能指標(biāo)決策、優(yōu)化運(yùn)行與控制一體化軟件平臺系統(tǒng)的基礎(chǔ)?；谖?shù)據(jù)中心部署開發(fā)各類工業(yè)應(yīng)用APP，實現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息自動檢測采集、生產(chǎn)過程控制實時精確執(zhí)行。實現(xiàn)生產(chǎn)能源數(shù)據(jù)采集接入、IoT 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、HMI/SCADA 應(yīng)用，GIS 地理信息和LSB 應(yīng)用、3DVR/AR/MR 應(yīng)用和移動應(yīng)用等?？刹渴鹕a(chǎn)管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、能源管理、倉儲物流和HSE 等管理軟件、優(yōu)化軟件和分析套件。

　　根據(jù)實際生產(chǎn)需要，為進(jìn)一步促進(jìn)節(jié)能減排、提高管理水平及增強(qiáng)企業(yè)競爭力，借鑒國內(nèi)外同行業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗，建設(shè)覆蓋企業(yè)全流程的能源管控系統(tǒng)。

　　能源管理系統(tǒng)是通過采集能源數(shù)據(jù)對企業(yè)生產(chǎn)與能源消耗進(jìn)行定量分析，實時掌握企業(yè)能源采購、消耗和庫存情況，進(jìn)行科學(xué)的計劃分配和統(tǒng)計分析。

　　能源管控系統(tǒng)充分集成生產(chǎn)過程的能源相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，并通過集中監(jiān)控，對各類產(chǎn)、供能設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理，并對重要用能設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和管理。為能源管理和調(diào)度人員提供強(qiáng)大的生產(chǎn)事件追蹤和分析的工具，為公司能源決策提供重要依據(jù)，完成能源管理“一張圖”的建設(shè)目標(biāo)。

　　3　能源基礎(chǔ)管理

　　能源基礎(chǔ)管理主要由能源數(shù)據(jù)采集、能源綜合監(jiān)控、能源運(yùn)行支持和能源報表管理4 部分組成。

　　（1）能源數(shù)據(jù)采集　能源數(shù)據(jù)采集應(yīng)覆蓋能源管理功能需求，支持能源管控系統(tǒng)功能的完整實現(xiàn)，可根據(jù)工藝或者公共輔助系統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)類型，選擇5G網(wǎng)絡(luò)的接入方案。生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)主要采集以下幾方面數(shù)據(jù)：

　　1）從現(xiàn)場控制系統(tǒng)以在線方式采集獲取能源和生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供其所需的實時數(shù)據(jù)。

　　2）通過離線方式輸入能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括定額、價格、資源量和生產(chǎn)數(shù)據(jù)等。

　　3）從其它信息系統(tǒng)（生產(chǎn)管理、計量管理）及人工錄入的方式獲得的數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)計劃、產(chǎn)量實績等。（2）能源綜合監(jiān)控　對能源介質(zhì)的發(fā)生量與耗用量、關(guān)鍵能源設(shè)備和重要能耗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時在線顯示和報警處理，其包括電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)和空壓系統(tǒng)等關(guān)鍵工藝系統(tǒng)、關(guān)鍵耗能設(shè)備進(jìn)行三級監(jiān)控（公司級、廠級和設(shè)備級）。管網(wǎng)發(fā)生異常時，可通過儀表數(shù)據(jù)反應(yīng)或通過設(shè)置報警功能進(jìn)行提示，同時通過算法模型生成能源點(diǎn)預(yù)警提示。報警可定義為若干級，如異常報警、事故報警等。

　?。?）能源運(yùn)行支持　能源運(yùn)行支持主要實現(xiàn)能源日常管理（用能申請、停復(fù)役和運(yùn)行支持管理等）、能源調(diào)度日志記錄管理和能源的調(diào)度管理。

　　能源調(diào)度管理主要實現(xiàn)管理協(xié)調(diào)下達(dá)各種調(diào)度指令，監(jiān)控生產(chǎn)過程中關(guān)鍵用能設(shè)備和能源流程，及時處理能源生產(chǎn)和使用過程中的各種問題，監(jiān)控各種能源介質(zhì)的質(zhì)量，實現(xiàn)交接班日志的電子化。根據(jù)實際生產(chǎn)情況及時生成調(diào)度信息、報表、調(diào)度日志及分析圖表，以協(xié)助能源調(diào)度管理。能源調(diào)度管理包括以下功能：

　　1）實時狀態(tài)預(yù)警。對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，記錄異常情況，提示給崗位人員，將出現(xiàn)的偏差進(jìn)行記錄。崗位人員要對較大偏差數(shù)據(jù)輸入偏差原因，異常原因能與異常指標(biāo)同畫面顯示授權(quán)用戶查看。

　　2）關(guān)鍵參數(shù)分析。對關(guān)鍵參數(shù)繪制時間趨勢圖、指標(biāo)可視化圖，對時間內(nèi)平均值、平穩(wěn)率、偏差、超標(biāo)等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并展示。

　　3）實時監(jiān)視調(diào)度指令的執(zhí)行結(jié)果，與調(diào)度指令設(shè)定的目標(biāo)值比較，實現(xiàn)操作監(jiān)控。

　　4）對能源計劃執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)控，管理協(xié)調(diào)下達(dá)各種能源指標(biāo)，并對能源計劃進(jìn)行調(diào)整，及時處理用能過程中的各種問題。

　　5）生成當(dāng)班班組信息，進(jìn)行電子化交接班管理。（4）能源報表管理　能源報表管理主要實現(xiàn)對能源系統(tǒng)的計量與管理統(tǒng)計數(shù)據(jù)，經(jīng)計算處理后以圖形、表格等方式進(jìn)行展現(xiàn)，便于各級管理人員準(zhǔn)確和清晰地掌握整個系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的計量信息。

　　基于全廠能源數(shù)據(jù)及與能源相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為企業(yè)各級部門提供能源相關(guān)報表，包括能源原始數(shù)據(jù)報表及累計報表、能源平衡后數(shù)據(jù)報表及累計報表、能耗指標(biāo)報表和能源消耗報表等。

　　4　能源分析管理

　　1）能源績效管理?；趯Ω髂茉唇橘|(zhì)消耗數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)計，按能源介質(zhì)分類采集記錄能源的產(chǎn)生、消耗和虧損量，對采集數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行判斷和修正，并實現(xiàn)各工序的能源消耗實績分解和匯總。

　　2）重點(diǎn)用能設(shè)備管理。對重點(diǎn)用能設(shè)備實現(xiàn)重點(diǎn)設(shè)備信息管理、設(shè)備用能信息維護(hù)、設(shè)備用能情況分析和能耗分析。重點(diǎn)設(shè)備信息管理包含設(shè)備靜態(tài)信息和動態(tài)信息的查詢、添加、修改、作廢、恢復(fù)和詳細(xì)功能。支持多種查詢方式，用戶可按照設(shè)備類型、設(shè)備名稱和狀態(tài)進(jìn)行查詢。設(shè)備用能分析是通過調(diào)取設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備歷史故障原因等對設(shè)備的運(yùn)行效率、故障率和KPI指標(biāo)等對設(shè)備進(jìn)行綜合評價，可以直觀地得出設(shè)備運(yùn)行的性能指標(biāo)。建立重點(diǎn)用能設(shè)備的能效分析模型，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行用能設(shè)備的效率分析，為主要用能設(shè)備提供運(yùn)行指導(dǎo)，給出最佳運(yùn)行方案，進(jìn)而降低能源成本。

　　3）能源質(zhì)量管理。能源介質(zhì)的質(zhì)量分析管理包括能源介質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和質(zhì)量指標(biāo)跟蹤分析等。天然氣、蒸汽、氧氣、氮?dú)夂蛪嚎s空氣等能源介質(zhì)的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)均可以從現(xiàn)場儀表和DCS 采集獲取。介質(zhì)純度、成分等數(shù)據(jù)從檢化驗系統(tǒng)通過接口程序采集到能源管理系統(tǒng)。

　　5　能源平衡管理

　　利用多級計量體系規(guī)劃模型，根據(jù)用能單元的定義和結(jié)合能源管理、考核及結(jié)算的要求，將公司分為多級用能單元對象。

　　在用能單元基礎(chǔ)上確定每個用能單元的各種能源介質(zhì)投入量、供出量的計量點(diǎn)、主物料投入量和主產(chǎn)品產(chǎn)量的計量點(diǎn)，由此得出計量點(diǎn)清單。

　　能源平衡分析基于物料平衡和熱平衡，根據(jù)選定的分析范圍和指定時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行能量平衡分析，對公司和分廠的重點(diǎn)設(shè)備的能量使用及耗能情況進(jìn)行整體分析，揭示重點(diǎn)設(shè)備不同層次每月的能源消耗情況及消耗趨勢。

　　6　碳排放管理

　　建立廠區(qū)碳排放實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析系統(tǒng)。該模塊主要包括數(shù)據(jù)采集、人工錄入、實時監(jiān)控、統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)查詢等功能。監(jiān)控流量值的變化情況，也可以監(jiān)控轉(zhuǎn)換后的能量和碳數(shù)據(jù)的變化情況。

　　對于不同活動數(shù)據(jù)的實際消耗量、產(chǎn)量、平均低位發(fā)熱量和成本等進(jìn)行統(tǒng)計與分析為工業(yè)化生產(chǎn)提供參考依據(jù)，致力于幫助企業(yè)掌握自身排放情況，能夠更有效地實施溫室氣體減排，控制在國家政策允許的范圍內(nèi)，提升企業(yè)在低碳經(jīng)濟(jì)下的競爭力。

　　7　應(yīng)用效果

　　基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的能源管理系統(tǒng)建成后，實現(xiàn)企業(yè)能源管理信息化平臺、工業(yè)應(yīng)用的統(tǒng)一集成，實現(xiàn)各種資源有效協(xié)同，實現(xiàn)信息化技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)深度融合，帶動企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和管理組織模式變革，構(gòu)建精準(zhǔn)、實時和高效的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集體系及生產(chǎn)信息管理體系，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，提高勞動生產(chǎn)率。

　　基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的能源管理系統(tǒng)在公司的應(yīng)用過程中，提高了能源的使用效率，實現(xiàn)了能源的優(yōu)化調(diào)控和節(jié)能降耗；提高了管理人員的能源管理水平；實現(xiàn)及時發(fā)現(xiàn)并處理能源管理系統(tǒng)故障；結(jié)合生產(chǎn)計劃預(yù)測能源的使用情況，合理安排生產(chǎn)。

　　通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺項目建設(shè)，實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化及智能化轉(zhuǎn)型升級，為新基建和大型工業(yè)企業(yè)起到良好的示范和引領(lǐng)作用，大幅提升了企業(yè)的整體競爭力和知名度，為企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

　　參考文獻(xiàn)

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　　收稿日期：2022-08-06

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