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淺談造紙企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與分析

發(fā)布時間： 2023-08-07　　點擊次數(shù)： 540次

安科瑞陳聰

摘要：某造紙企業(yè)進行工業(yè)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(jiān)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(xiàn)能源數(shù)據(jù)在線監(jiān)測與政府平臺穩(wěn)定傳輸，同時利用整合后的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)有用的價值數(shù)據(jù)，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)節(jié)能增效。

關(guān)鍵詞：能源管理中心；問題與數(shù)據(jù)價值挖扳；案例與效益；節(jié)能減排；數(shù)字化；智慧工廠

1、建設(shè)背景

永豐余造紙（揚州）有限公司為了實現(xiàn)自身高質(zhì)量發(fā)展，需要對設(shè)備和工藝進行工業(yè)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(xiàn)公司能耗數(shù)據(jù)在線與政府平臺的穩(wěn)定傳輸。

公司能源管理中心建設(shè)的創(chuàng)新點在于:能源在線監(jiān)測的所有功能均能滿足規(guī)范要求，同時又符合公司多年來運作習慣需求，能夠?qū)崿F(xiàn)新的智能化監(jiān)測、智能化能耗分析與優(yōu)化方案的解決。

建設(shè)目的和設(shè)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(shè)能源管理中心的目的是將各種能源消耗的實時數(shù)據(jù),通過有線或無線搭建工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò),整合原有的SCADA、PLC、DCS和ERP等工業(yè)系統(tǒng)，將各系統(tǒng)上數(shù)據(jù)傳輸至新建的能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器中進行處理。從而規(guī)避人為抄表誤差，降耗提效，減緩設(shè)備老化速度，利用系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)價值，并通過優(yōu)化、改造和管理等手段來實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)節(jié)能增效。

能源管理系統(tǒng)建設(shè)的設(shè)計原則要求如下：整體性、性、前瞻性、穩(wěn)定性、可操作性、完整性、可查詢性、易維護性、數(shù)據(jù)安全性和成本控制等。

系統(tǒng)實現(xiàn)功能分析

3.1系統(tǒng)功能總要求

實現(xiàn)在線監(jiān)測功能:將實時數(shù)據(jù)傳輸至揚州市級能源在線監(jiān)測平臺；
實時監(jiān)測能源質(zhì)量和效率，對能耗和運行參數(shù)異常能夠自動報警和追溯；
能夠?qū)崿F(xiàn)各生產(chǎn)車間、生產(chǎn)線、重要工序、重點耗能設(shè)備和班組的能耗統(tǒng)計與對標分析，挖掘節(jié)能潛力；
能夠?qū)χ攸c耗能設(shè)備進行重點管理；
能夠?qū)崿F(xiàn)能耗準確統(tǒng)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

3.2系統(tǒng)遵循標準

系統(tǒng)設(shè)計時需要符合MESA規(guī)定的標準及公司內(nèi)部各相關(guān)驗收規(guī)范的要求。

3.3系統(tǒng)建設(shè)路線與設(shè)計

能源管理系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 能源管理系統(tǒng)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(dǎo)致在線監(jiān)測系統(tǒng)不具備數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸給原DCS系統(tǒng)或能源管理中心的采集服務(wù)器。數(shù)據(jù)傳輸終端參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 數(shù)據(jù)傳輸終端參數(shù)設(shè)置

SCADA系統(tǒng)對接程序自身程序不能夠高頻次和多數(shù)據(jù)讀取，通過將原有使用的USB轉(zhuǎn)串口更換為熱電前置機自帶串口直接對接傳輸，系統(tǒng)才能夠恢復(fù)穩(wěn)定傳輸。將原本采用數(shù)據(jù)變位上送,更改為定時上送，使通訊通道更加穩(wěn)定。改善后能夠穩(wěn)定對接傳輸,SCADA數(shù)據(jù)對接表見表2。

表2 SCADA數(shù)據(jù)對接表

公司IT人員通過數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn):能源管理系統(tǒng)平臺每天08:0536=05和0：05這3個時間點，由于少量紙卷在復(fù)卷機上還沒有稱重，而生管系統(tǒng)平臺紙卷重量輸出值顯示為0。原因是能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取時間太早，數(shù)據(jù)還沒有來得及處理。解決的方法是將能源管理系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)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(tǒng)產(chǎn)量數(shù)據(jù)與原ERP系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致。

通過人工數(shù)據(jù)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(nèi)部參數(shù)設(shè)定錯誤、程序內(nèi)部計算公式錯誤、熱力的溫度壓力補償錯誤和產(chǎn)能邏輯關(guān)系錯誤等問題，經(jīng)過一對一進行修正后恢復(fù)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(shù)據(jù)按照規(guī)范和要求與揚州市能源在線監(jiān)測平臺實現(xiàn)了穩(wěn)定對接。

5、測試數(shù)據(jù)價值挖掘

空壓機的型式與廠商不同，其設(shè)定的壓力值和控制的方式都會有所不同。造紙企業(yè)采用較多的還是離心式和螺桿式空壓機。在傳統(tǒng)空壓系統(tǒng)中,空壓機由其內(nèi)部的壓力傳感器監(jiān)控，這些傳感器壓力參數(shù)設(shè)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(chǎn)過程中出現(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)空氣壓力較高時，所有用氣設(shè)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(tǒng)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(shù)據(jù)價值化，就需要跨界集成,協(xié)同創(chuàng)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(nèi)部壓力設(shè)定控制，經(jīng)過集成優(yōu)化控制后，壓縮機僅輸出實際所需的壓力和空氣量,系統(tǒng)壓力始終保持穩(wěn)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(tǒng)優(yōu)化后，系統(tǒng)壓力由0.65MPa降為0.6MPa穩(wěn)定運行,其節(jié)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(tǒng)運作才會流通順暢;創(chuàng)新工作來自于日常節(jié)能技術(shù)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(tǒng)壓力0.05MPa,壓縮機本體能耗可下降3%，空氣管網(wǎng)消耗功率下降5.8%;按照公司自發(fā)電力成本電價0.30元/kW計算,年節(jié)能收益達27.14萬元。

表3 節(jié)能量計算表

6、項目實施效果

利用信息和通信技術(shù)，實現(xiàn)了將實時收集單位能耗數(shù)據(jù)和可視數(shù)據(jù)分析結(jié)果穩(wěn)定傳輸至揚州市能源在線監(jiān)測平臺。同時公司自身能根據(jù)系統(tǒng)平臺監(jiān)控,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常狀況，及時優(yōu)化設(shè)備不合理的參數(shù)，及時消缺與優(yōu)化，降低能耗。另外還可以根據(jù)告警追溯，提升穩(wěn)定電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低電力消耗，促進造紙企業(yè)節(jié)能降耗工作順利開展,提升造紙業(yè)智能制造的水平，從而實現(xiàn)造紙企業(yè)綠色化發(fā)展。

7、安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)概述

安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)采用自動化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，監(jiān)測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質(zhì)量、產(chǎn)品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產(chǎn)線、班組、重大能耗設(shè)備等的能源利用情況等進行能耗統(tǒng)計、同環(huán)比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和支持。

8、應(yīng)用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫(yī)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(yè)、木材、工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設(shè)備、電器產(chǎn)品、工器具制造等離散制造業(yè)。

9、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場通過廠區(qū)局域網(wǎng)和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務(wù)器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網(wǎng)聯(lián)通的地方，通過有權(quán)限的賬號登陸網(wǎng)頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統(tǒng)可分為三層：即現(xiàn)場設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和平臺管理層。

現(xiàn)場設(shè)備層：主要是連接于網(wǎng)絡(luò)中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構(gòu)建該配電、耗水、耗氣系統(tǒng)必要的基本組成元素。肩負著采集數(shù)據(jù)的重任，這些設(shè)備可為本公司各系列帶通訊網(wǎng)絡(luò)電力儀表、溫濕度控制器、開關(guān)量監(jiān)測模塊以及合格供應(yīng)商的水表、氣表、冷熱量表等。

網(wǎng)絡(luò)通訊層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動采集現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，并通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，智能網(wǎng)關(guān)可在網(wǎng)絡(luò)故障時將數(shù)據(jù)存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

平臺管理層：包含應(yīng)用服務(wù)器、WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，一般應(yīng)用服務(wù)器和WEB服務(wù)器可以合一配置。

平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，詳細拓撲結(jié)構(gòu)如下：

10、系統(tǒng)功能

平臺采用自動化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理。實時監(jiān)測企業(yè)各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率和節(jié)能潛力，為節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

10.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權(quán)限密碼，進行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)信息。

10.2大屏展示

用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業(yè)及各區(qū)域的能耗折標、產(chǎn)值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區(qū)域展示該區(qū)域的分類能耗、產(chǎn)值等相關(guān)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(yè)級統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

10.4數(shù)據(jù)監(jiān)控

對企業(yè)各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠?qū)崟r的監(jiān)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(yè)削峰填谷、調(diào)整負載等技改措施提供數(shù)據(jù)支撐。

能源實時監(jiān)控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監(jiān)測，確保用能環(huán)節(jié)的持續(xù)穩(wěn)定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網(wǎng)絡(luò)圖、能源計量網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(tǒng)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(shù)、門禁水浸狀態(tài)及能耗數(shù)據(jù)。
- 實時統(tǒng)計：實時統(tǒng)計工廠、車間、工序、設(shè)備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；
- 數(shù)據(jù)展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區(qū)域、不同設(shè)備的不同的能耗參數(shù)；
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(guān)處理操作，可以對報警參數(shù)進行在線設(shè)置，當能源參數(shù)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(tǒng)彈窗等報警提示；

10.5視頻監(jiān)控

接入攝像頭，實時掌控企業(yè)內(nèi)實際情況。

10.6變壓器監(jiān)控

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(guī)劃。通過各種運行參數(shù)狀態(tài)下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據(jù)運行模式調(diào)整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

10.7儀表實時監(jiān)控

展示各個水電氣儀表的實時參數(shù)變化，以曲線圖的方式展示。

10.8能源中控

將所有有關(guān)能源的能源參數(shù)集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個產(chǎn)業(yè)線的對比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

10.9用能統(tǒng)計

從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、車間、生產(chǎn)工藝、工序、工段時間、設(shè)備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對企業(yè)用能統(tǒng)計、同比、環(huán)比分析、實績分析，折標對比、單位產(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)值能耗統(tǒng)計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調(diào)整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

10.10 分析成本

統(tǒng)計各個監(jiān)測節(jié)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。

10.11產(chǎn)品單耗統(tǒng)計

與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，通過產(chǎn)品產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品單耗中生成產(chǎn)品單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析。同時將產(chǎn)品單耗與行業(yè)/國家/國際指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

10.12績效分析

對各類能源使用、消耗、轉(zhuǎn)換，按班組、區(qū)域、車間，產(chǎn)線、工段、設(shè)備等進行日、周、月、年、相應(yīng)時段績效統(tǒng)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(yè)了解內(nèi)部能效水平和節(jié)能潛力，評定能源消耗是否合理。

10.13運行監(jiān)測

系統(tǒng)對區(qū)域、工段、設(shè)備能源消耗進行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測設(shè)備及工藝運行狀態(tài)，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統(tǒng)一次運行監(jiān)視?？芍苯訌膭討B(tài)監(jiān)測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數(shù)據(jù)，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關(guān)能源用量。

10.14自定義能耗報表

用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產(chǎn)各種報表，查看企業(yè)各個節(jié)點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環(huán)比報表，支持導(dǎo)出報表。

10.15同比、環(huán)比

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(huán)比分析，分類、分時段、分項（地點、機構(gòu)、設(shè)備）統(tǒng)計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環(huán)比

10.16分析報告

以年、月、日對企業(yè)的能源利用情況、線路損耗情況、設(shè)備運行情況、運維情況等進行仔細的統(tǒng)計分析，讓用戶更加了解系統(tǒng)的運行情況，并為用戶提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，方便用戶發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節(jié)能潛力。