0引言
如今，隨著物聯(lián)網、大數(shù)據、云計算等技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)正在發(fā)生著巨大變革與創(chuàng)新。特別是近幾年來，在全球智能制造熱潮工業(yè)4.0的影響下，我國也出臺了“中國制造2025"發(fā)展戰(zhàn)略，意味著新一輪工業(yè)革命即將拉開序幕。我國作為制造業(yè)大國，應抓住此次機遇，將我國由制造大國變成制造強國，在國際市場占據更大的份額，獲得更多的話語權，而以“互聯(lián)網+"和“智能制造"為內核制定的“中國制造2025"發(fā)展戰(zhàn)略，為我國制造業(yè)下一步的發(fā)展指明了方向和具體實施內容。
智能工廠的概念是在數(shù)字化工廠的基礎上，把生產企業(yè)管理技術運用到生產過程的控制管理之中，借助各種軟件進行信息控制，確保生產中各環(huán)節(jié)均處于較優(yōu)狀態(tài)，從而實現(xiàn)智能管控、智能決策、智能生產。智能工廠的建設，需要從計劃排產智能、生產過程協(xié)同智能、設備互聯(lián)互通智能、生產資源管控智能、質量過程控制智能、決策支持智能幾個方面進行考慮。能源管理屬于生產資源管控的重要內容，是實現(xiàn)企業(yè)節(jié)約成本、降低能耗的重要舉措，智能化能源管理通常通過能源管控中心系統(tǒng)對工廠用能單位及供應源頭實施數(shù)據采集、實時監(jiān)控，進而實現(xiàn)工廠能源的管控。
1能源管理系統(tǒng)概述
1.1能源管理系統(tǒng)的建設目標
智能化能源管理通常通過能源管控中心系統(tǒng)(EnergyManagementSystem，簡稱EMS)對工廠用能單位及供應源頭實施全面數(shù)據采集、實時監(jiān)控。EMS是現(xiàn)代信息技術在企業(yè)能源管理中的綜合應用，是工業(yè)化和信息化相結合實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段，通過自動化、信息化和集約化管理模式，對能源的生產、輸送、分配和使用環(huán)節(jié)實施集中監(jiān)控管理和優(yōu)化配置;EMS是推動企業(yè)節(jié)能降耗、改造提升的重要舉措，是建立有效節(jié)能機制的基礎。在工業(yè)領域，EMS旨在對企業(yè)的水、電、氣、汽、可再生能源等的輸配和使用環(huán)節(jié)實施集中扁平化動態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理，改進和優(yōu)化能源供需衡，實現(xiàn)系統(tǒng)性的節(jié)能降耗，使能源高效管理與生產裝備自動化、生產過程管控成為一體的工廠級管控體系。
1.2能源管理系統(tǒng)的設計依據
能源管控中心系統(tǒng)(EMS)設計所遵守的標準和規(guī)范:《工業(yè)企業(yè)能源管控中心建設指南》(GB/T40063—2021)、《工業(yè)企業(yè)能源管理導則》(GB/T15587—2008)、《用能單位能源計量器具配備和管理通則》(GB17167—2006)、《綜合能耗計算通則》(GB/T2589—2020)、《石化企業(yè)節(jié)能量計算方法》(GB/T32040—2015)、《制造資源計劃MRPⅡ系統(tǒng)原型法軟件開發(fā)規(guī)范》(JB/T6987—2013)、《電力工程電纜設計標準》(GB50217—2018)、《數(shù)據中心設計規(guī)范》(GB50174—2017)、《自動化儀表工程施工及質量驗收規(guī)范》(GB50093—2013)、《綜合布線系統(tǒng)工程設計規(guī)范》(GB50311—2016)、《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB50116—2013)、《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》(GB50343—2012)、《安全防范工程技術標準》(GB50348—2018);國家、行業(yè)其他有關節(jié)能標準和技術規(guī)范。
1.3能源管理系統(tǒng)的設計原則
(1)先進性、成熟性和實用性原則。根據不同能源系統(tǒng)的工藝特點，選用目前成熟且具有良好發(fā)展前景的新技術和新設備，使設計的系統(tǒng)在較長時間內保持技術的先進性和運行的安全穩(wěn)定性;同時，設計時不僅要求系統(tǒng)能夠滿足企業(yè)目前的需要，而且需適應企業(yè)未來發(fā)展的需要。
(2)可靠性原則。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)全年、全天24h的連續(xù)運行。
(3)可操作性原則。具有先進且友好的人機操作界面，可實現(xiàn)信息共享，有便于查詢使用的數(shù)據庫等。
(4)高效率性原則。能與相關系統(tǒng)的數(shù)據共享，提升工廠能源管理系統(tǒng)的整體運行效率。
(5)實時性原則。設備與終端信息交互快，可實現(xiàn)多終端實時監(jiān)控。
(6)完整性原則。依靠設計過程中的良好集成和完善配置，實現(xiàn)系統(tǒng)運行信息和功能的完整、全面，充分滿足能源的生產、供需平衡、調度、計量、能效分析等管理需求。
(7)安全性原則。通過在系統(tǒng)部署相關的安全措施，有效確保系統(tǒng)、網絡、應用與工藝配套等層面的安全。
(8)可拓展性和開放性原則?？紤]到能源管理系統(tǒng)需隨主工藝系統(tǒng)不斷拓展的特點，在設計時要考慮好能源管理系統(tǒng)拓展的便利性和技術的可行性，同時還要考慮拓展后的能源管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容性、交互性。
(9)可維護性原則。從應用系統(tǒng)的規(guī)劃和設計、硬件選型和軟件系統(tǒng)開發(fā)等方面通盤考慮通用性、兼容性、開放性;出現(xiàn)局部故障時，運行維護人員能及時發(fā)現(xiàn)問題并處理，避免影響整體系統(tǒng)的運行。
2能源管理系統(tǒng)設計模式
能源管控中心系統(tǒng)(EMS)主要針對企業(yè)使用的水、電、蒸汽、壓縮空氣、燃氣、可再生能源等能源介質進行集中監(jiān)管。為實現(xiàn)以上功能，需要進行的系統(tǒng)設計內容主要包括電氣儀表的設計、傳輸網絡的設計、監(jiān)管平臺應用的設計。
在工業(yè)領域，EMS實質就是數(shù)據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)的集成，其構成主要包括監(jiān)控中心計算機主站、通信通道和現(xiàn)場各種遠程終端單元，其能夠實現(xiàn)對工廠各單元的設備等進行遠程監(jiān)測、控制及保護，并能與工廠管理信息系統(tǒng)(ManagementInformation System，簡稱MIS)連接，以提高工廠管理的自動化水平。
一個優(yōu)秀的能源管理系統(tǒng)設計，需要從三個方面進行考慮，即計量的監(jiān)測電氣儀表設計、穩(wěn)定高效的數(shù)據傳輸網絡設計、滿足用戶多要求功能的平臺設計。
2.1監(jiān)測電氣儀表設計
能源管控中心系統(tǒng)(EMS)所需的數(shù)據大多是通過安裝在設備上的監(jiān)測儀表采集并由傳感器傳輸來的硬件數(shù)據，為使系統(tǒng)能夠實時、準確、穩(wěn)定地獲取各種監(jiān)控數(shù)據，EMS設計選型時應使現(xiàn)場監(jiān)測單元具備監(jiān)測數(shù)據可靠、滿足使用條件并能及時反映控制參數(shù)狀態(tài)的特點。儀表的選型，滿足生產需要的同時應盡可能提高監(jiān)測的精確度，保證工藝控制參數(shù)能準確、實時反饋，并滿足所在環(huán)境的安全防爆等要求。
為實現(xiàn)各種監(jiān)控要求，設計應優(yōu)先選用新型儀表，特別是新技術條件下出現(xiàn)的智能型儀表———智能電表、智能水表、智能氣表等。智能儀表是以微型計算機(又稱單片機)為主體，將計算機技術與檢測技術有機結合而成的新一代智能化儀表，是未來建設智能工廠必要的硬件條件之一。隨著各種智能儀表的涌現(xiàn)，不同儀表的數(shù)據傳輸接口應具有統(tǒng)一的標準，以兼容大多數(shù)廠家的設備，采集到的數(shù)據應具有統(tǒng)一的格式，能夠靈活地根據不同用戶的需求設定采集頻率，并可把硬件數(shù)據轉換成關系型數(shù)據庫，從而實現(xiàn)數(shù)據的多平臺、多終端共享與使用;同時，監(jiān)測電氣儀表設計還需考慮今后技術升級所要求的擴展性。
2.2數(shù)據傳輸網絡設計
在工業(yè)領域，能源管控中心系統(tǒng)(EMS)需完成最初的終端設備(傳感器)數(shù)據采集，以及通過網絡控制器和設備控制箱等實現(xiàn)串口協(xié)議信號向TCP/IP協(xié)議數(shù)據的轉換，數(shù)據通過網絡傳輸至控制器、服務器的數(shù)據庫進行處理、統(tǒng)計、分析等。在智能工廠模式下，能源管理系統(tǒng)的傳輸網絡作為工廠網絡系統(tǒng)的一部分，是與工廠網絡系統(tǒng)同時設計的，工廠網絡系統(tǒng)將各種服務器、自動生產控制設備、辦公計算機、智能終端設備聯(lián)系在一起，形成一套完整的應用系統(tǒng)網絡支撐構架。數(shù)據傳輸網絡系統(tǒng)作為智能工廠信息化的基礎承載體，其設計應遵循以下原則。
(1)鏈路冗余原則。數(shù)據傳輸網絡系統(tǒng)的主干連接應采用負載均衡的冗余方式，設置的兩條連接均提供數(shù)據傳輸并互為備用，兩條線路可實時、自動進行切換且不影響系統(tǒng)的應用。
(2)模塊冗余原則。核心層設備和匯聚層設備所有模塊和環(huán)境部件應具備1+1熱備份功能，并具備熱插拔功能。
(3)設備冗余原則。核心交換機由2臺或2臺以上設備組成，當其中一臺出現(xiàn)故障時，另一臺自動接替其工作，且不會引起其他節(jié)點的路由表重新計算，進而提高數(shù)據傳輸網絡的穩(wěn)定性。
(4)擁塞控制與服務質量控制原則。由于接入方式、接入速率、應用方式和數(shù)據類型的多樣性，網絡數(shù)據流量突增而致?lián)砣遣豢杀苊獾?，為應對這一問題，網絡應支持區(qū)分服務模型機制，根據用戶所在網段、應用類型、流量大小等自動進行業(yè)務分類，使接入的業(yè)務遵守先期設定的接入速率承諾，在網絡出現(xiàn)擁塞前能自動采取措施進行先期擁塞控制，以避免瞬間大量“丟包"現(xiàn)象的發(fā)生。
(5)可擴展原則。數(shù)據傳輸網絡的交換容量應具備在現(xiàn)有基礎上擴充1~2倍容量的能力，以適應IP類業(yè)務的急速膨脹;端口密度擴展應能滿足網絡擴容時設備間的互聯(lián)能力;主干帶寬應具備2~4倍甚至更高的擴展能力，網絡體系、路由協(xié)議規(guī)劃和設備CPU/NP(中央處理器/網絡處理器)的處理能力應具備2倍以上規(guī)模的擴展能力。
(6)多種接入模式原則。智能工廠網絡以有線為主、無線補充的方式使多終端無縫接入網絡，實現(xiàn)訪問業(yè)務和共享數(shù)據。廠區(qū)中辦公區(qū)工位、生產車間等均需部署有線信息點，且接入點需要預留實際接入數(shù)量25%的點數(shù)。無線AP(無線接入點)主要采用雙星型冗余組網結構，將無線AP連接至接入交換機，無線控制器連接至核心交換機，用戶通過無線控制器和無線網絡管理軟件實現(xiàn)對所有無線AP設備的集中管理，而且選擇的無線接入需要支持無線轉發(fā)技術，實現(xiàn)無線WiFi的廠區(qū)覆蓋。互聯(lián)網接入主要用于智能工廠的物聯(lián)網服務、郵件服務、遠程辦公及維護等，需特別注意針對互聯(lián)網的安全防護———設置DMZ隔離區(qū)，使外網無法直接訪問企業(yè)網絡，將面向互聯(lián)網服務的業(yè)務部署在DMZ隔離區(qū)域，外網需要通過防火墻、IPS訪問服務器;在DMZ隔離區(qū)域內部署VPN網關，方便用戶遠程辦公使用，同時不失安全性。在互聯(lián)網出口部署熱點緩存設備，實現(xiàn)外網資源內網化;針對網絡內違規(guī)使用網絡的行為部署智能流控設備，合理分配寶貴的帶寬資源，優(yōu)先保障關鍵業(yè)務。
2.3能源管理平臺設計
智能工廠能源管理平臺的主要功能是綜合監(jiān)控與基礎能源管理，通過將設置的各能源監(jiān)管設施進行系統(tǒng)整合，形成工廠能源管理平臺，實現(xiàn)對能源供需的判斷處理與提高勞動生產率的調整，在客觀信息基礎上對能源實績進行分析和評價。
綜合監(jiān)控功能包括能源數(shù)據采集與基本處理、系統(tǒng)集中監(jiān)控與重點用能設備狀態(tài)及能耗監(jiān)視、在線能效分析、能源信息歸檔和管理、能源系統(tǒng)時間及故障記錄、工藝與設備故障報警與分析等功能。
基礎能源管理功能包括能源計劃管理、能源對標管理、能源平衡管理、能源質量管理、能源綜合分析、能源運行支持管理等。該部分是能源管理過程信息化的應用平臺，其功能是解決能源管理各核心業(yè)務的主要問題，通過數(shù)據統(tǒng)計分析，對能源生產、使用、過程、質量、設備以及輔助生產安全等信息進行管理，為能源調度、人員及用戶管理等提供信息查詢，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的全面、規(guī)范、精細化管理?；A能源管理作為能源管理系統(tǒng)在線調度、管理的補充，以友好的界面為能源管理人員提供一體化的操作平臺，是能源管理中心的離線數(shù)據中心、報表與統(tǒng)計展示平臺、對比分析平臺、決策平臺、無紙化辦公平臺。具體而言，智能工廠能源管理平臺需實現(xiàn)的功能如下。
(1)能耗實時監(jiān)控。通過能源流程圖(包括電力系統(tǒng)、水系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、冷風系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)等)的監(jiān)控畫面、歷史趨勢、報警等實時監(jiān)控能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
(2)能耗統(tǒng)計分析。報表統(tǒng)計分析是衡量能源管理系統(tǒng)運行質量的主要依據，能夠通過系統(tǒng)生成的多種圖表(如曲線圖、折線圖、柱狀圖等)清晰地展現(xiàn)能耗設備的各項指標，全面呈現(xiàn)系統(tǒng)的能耗情況、設備情況、報警統(tǒng)計、運行統(tǒng)計等，為故障診斷、量化評比、生產決策提供科學依據，并可通過分析確定重點耗能設備，以加強重點耗能設備的管理力度。
(3)能源報警管理。能源管理系統(tǒng)出現(xiàn)異?；驁缶瘯r，企業(yè)能夠通過綜合監(jiān)控作出及時、快速、準確的判斷及處理，把因能源系統(tǒng)故障引發(fā)的事故影響降到最小，確保能源供應系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行;同時，可以對一段時間內系統(tǒng)記錄的報警信息進行統(tǒng)計分析，獲取設備詳細報警信息，以便對設備作出預測性維護決策。
(4)能源計劃管理。企業(yè)可以建立能源網絡模型，實現(xiàn)能源供需平衡，進而編制能源供需計劃，作為生產經營管理過程中制定能源消耗計劃或外購計劃的依據。
(5)能源對標管理。通過對年度、季度、月、周、日、班組等的綜合能耗數(shù)據進行統(tǒng)計、分析，實現(xiàn)產品單耗、廠級能耗、車間能耗、班組能耗的多角度分析，對標行業(yè)能耗先進水平，及時進行相關工藝或設備的優(yōu)化。
(6)能源質量管理。據工廠對電能、蒸汽、水等的質量、消耗要求，設定預警、報警值，對能夠反映能源、介質質量的數(shù)據及時進行監(jiān)控、分析，提前針對能源質量問題采取應對措施，從而避免不必要事故的發(fā)生。
(7)基于能源優(yōu)化的調度決策管理。通過能源管理的調度決策功能，能源調度管理人員可以對系統(tǒng)的設備狀態(tài)、運行情況、各相關系統(tǒng)的運行工況、能源供需平衡的動態(tài)趨勢、調度日志、運行事故預案等進行全面監(jiān)控，平臺可以根據系統(tǒng)記錄的歷史數(shù)據和當前數(shù)據建立起來的數(shù)據庫進行過濾、整理，自動分析、計算、統(tǒng)計、分類、顯示，預測能源在未來一段時間內的自產、外購和消耗情況，以幫助調度人員發(fā)現(xiàn)能源供需不平衡的趨勢及運行趨向，確保能源供應安全穩(wěn)定，進而達到節(jié)能增效的目的。
3 AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺
3.1平臺概述
AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺集變電站綜合自動化、電力監(jiān)控、電能質量分析及治理、電氣安全、能耗分析、照明控制、設備運維于一體，為建立可靠、安全、高效的工廠能源管理體系提供數(shù)據支持。同時引入先進技術，配合廠務系統(tǒng)優(yōu)化，簡化全廠管理，并利用實時數(shù)據，優(yōu)化能效并預防風險，保障關鍵制造設備的穩(wěn)定運行和良品率，降低綜合成本，最終達到高效運營和卓*制造的目的。
3.2平臺組成
安科瑞AcrelEMS-SEMI電子廠房管理系統(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺，它集成了電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所綜合自動化、電能質量監(jiān)測與治理、電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)、消防設備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、能耗監(jiān)測系統(tǒng)、新能源充電樁、預付費系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據，通過一個平臺即可全局、整體的對電子廠房的用電和用電安全進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調度，同時滿足廠房用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。
3.3平臺拓撲圖
4平臺子系統(tǒng)
4.1電力監(jiān)控
電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。
4.2電能質量監(jiān)測與治理
監(jiān)測各進線回路電能質量，包括電壓暫降、諧波畸變、閃變等數(shù)據波形記錄，進而判斷配電系統(tǒng)擾動方向。
配置有源濾波裝置和無功補償裝置對0.4kV側電能質量進行補償和治理，并監(jiān)測有源濾波裝置和無功補償裝置運行情況，確保電能質量符合生產要求。
4.3變電站綜合自動化
變電站綜合自動化系統(tǒng)主要針對110kV變電站、10kV變電所和10kV柴油發(fā)電機部分，在變電站設置Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)子站，實現(xiàn)本地遙測、遙信、遙控、報警、報表等功能，并把數(shù)據上傳至AcrelEMS-SEMI能效管理平臺，實現(xiàn)集中監(jiān)測和報警。
4.4電氣安全
AcrelEMS電子廠房能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。
4.5智能照明控制
單控、區(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式。
4.6能耗分析
AcrelEMS電子廠房能效管理系統(tǒng)為工廠搭建計量體系，顯示能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助企業(yè)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、車間、生產工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對工廠用能統(tǒng)計、同比、環(huán)比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統(tǒng)計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。
4.7充電樁管理
電動汽車和電瓶車充電樁管理，包括收費管理、資產管理。
4.8職工公寓管理
對廠區(qū)內職工宿舍進行負載管理，包括惡性負載識別管理、負載閾值管理，避免因為惡性負載引起火災。對員工宿舍進行水電收費管理，支持微信、支付寶等繳費方式，采集職工宿舍能耗數(shù)據。
5相關平臺部署硬件選型清單
5.1電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置
5.2能耗管理系統(tǒng)硬件配置方案
5.3智能照明控制系統(tǒng)硬件配置方案
5.4電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置方案
5.5消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置方案
5.6防火門監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置方案
5.7消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)硬件配置方案
5.8電能質量治理解決方案硬件配置方案
5.9充電樁系統(tǒng)硬件配置方案
5.10預付費系統(tǒng)硬件配置方案
6結束語
伴隨知識經濟時代的來臨，驅動當前社會變革的不僅僅有互聯(lián)網，還有無處不在的計算、數(shù)據和新知識等。智能工廠的構建實際上是信息技術與制造技術的融合，在物聯(lián)網、云計算、5G等新技術的推進下，智能工廠的發(fā)展必定呈現(xiàn)全新的、多樣化的模式。在這樣的環(huán)境下，能源管理體系也需不斷創(chuàng)新、與時俱進，以推動智能管控、智能決策、智能生產的實現(xiàn)。
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