水泥行業智能工廠智慧能源管理系統

　　智能工廠是我國水泥工業發展的明確方向，能源管理系統是水泥企業智能工廠框架下的重要組成部分。水泥企業現有能源管理系統的問題，提出了在智能工廠框架下智慧能源管理系統的功能框架模型，系統的核心功能通過數據挖掘及故障診斷的手段解決水泥生產現場的實際問題。智慧能源管理系統能夠指導水泥生產工藝過程，改善用能不合理環節，提高設備運行穩定性，實現增效與節能，為水泥企業的智能化建設奠定了基礎。

　　水泥行業在我國國民經濟中占據重要地位。隨著工業4.0和“中國制造2025”戰略的推出，傳統水泥行業的轉型需求也尤為迫切。國內水泥企業提出了建設水泥智能工廠的要求，希望運用工業大數據、能源互聯網、智能傳感監測、信息交互集成和自適應控制等先進技術，通過在水泥生產全過程配置傳感器、智能表計和裝置，確保生產工藝、能耗、設備狀態等數據近100%的自動采集，實現生產過程全面監測及自動控制。同時建成集智慧能源管理、專家優化控制系統、智能質量管理、礦山智能調度管理、智能在線設備監測、設備全周期管理、智能物流等涵蓋水泥整個生產及發運環節的全系統智能平臺，以實現裝備智能化、運行自動化、故障預控化、管理信息化、決策智能化。構建一個全廠煤耗和電耗大幅度降低、設備故障率降低、設備運轉率高、人員精干、全員勞動生產率高、自動化與信息化高度融合的水泥智能工廠。

　　能源管理系統是水泥智能工廠框架中的重要組成部分。水泥企業現有的能源管理系統具有能耗監測、數據對標、報表、能耗考核等功能，但這些功能模塊缺少精細化能效分析與挖掘節能空間的能力，無法準確分析單臺耗能設備在不同運行條件下的節能空間；現有能源管理系統采集的數據只有能耗相關的數據，缺少判斷能耗情況與生產過程狀況的關聯關系依據，也無法確定設備狀態對能耗及安全穩定生產的影響，無法解決水泥生產精細化管理與智能制造數據交互的核心問題。

　　水泥行業智能化建設和發展對新一代智能化的能源管理提出了要求，水泥行業的智能化的能源管理系統，應能夠采用自動化、信息化、智能通訊、大數據分析等關鍵技術，對企業能源的生產、輸配和消耗環節實施動態監控和數字化管理，改進和優化能源平衡，實現節能降耗的目標。它的建設，不僅要滿足主管部門把握能源消費趨勢、加強能耗預測預警、科學制定產業政策的內在要求，更能為水泥企業持續地提高生產效率、持續地降低生產成本、持續地提升管理水平提供工具和手段。

　　1 智慧能源管理系統

　　廣州黑燈科技有限公司提出的智慧能源管理系統，是基于工業物聯網架構，可以聯接傳感器數據和人操作數據，結合運營技術（OT）、信息技術（IT）、和機器學習（ML）等跨學科技術，并能夠符合中國水泥企業的生產特點。系統能夠為用戶帶來生產降本增效、提高產出等經濟收益，并為智能工廠構建精益生產體系提供鋪墊和數據支持。

　　系統是集生產過程監測、能源管理、生產成本及質量分析、設備狀態監測及管理、智能專家分析為一體的安全、效率、節能一體化系統。通過保障電力可靠供應、保障生產系統和設備穩定運行，減少生產中斷風險協助安全生產；通過生產及設備狀態實時監控評估提高設備和生產系統運行效率，保證在安全的前提下系統最優運行協助提高企業生產效率；通過成本分析和能效分析等數據進行考核改進，節能降耗，提高效益，降低成本，實現水泥企業能效與安全的科學監測與管理。切實提高企業智能制造水平，增強企業核心競爭力。

　　系統具備生產過程中生產過程狀態數據、能耗數據、供用電數據、能耗成本數據、生產成本數據、環保成本數據等數據的綜合采集及配置管理的功能，可以對生產過程中的能源消耗量和單耗量進行統計和分析，編制各種能源報表分析曲線等直觀圖形；可以參照生產計劃和消耗定額進行對比和分析，為生產管理、調度指揮、崗位操作提供及時準確的能耗數據信息；可以實時監控生產過程中的能源狀況，有效控制能源消耗，及時發現耗能癥結，及時采取節能措施，及時調度指揮；可以實現高級數據采集及生產設備狀態監測，實現生產供、用電設備狀態診斷、經濟運行分析、運轉分析、能效分析、電力異常診斷，確保安全高效生產。

　　智慧能源管理系統致力于為水泥企業提供一個成熟的、有效的、便捷的能源管理系統解決方案，同時可方便地升級為水泥智能MES系統與其它功能系統進行交互聯接，納入到水泥智能工廠建設的框架下，融入水泥企業的全系統智能平臺。

　　2 系統架構

　　智慧能源管理系統采用分層分布式的監控管理系統結構。自下而上共分三層：現場測控層、網絡通訊層和主站管理層。

　　1）現場測控層是指直接采集現場數據并具備上傳功能的現場監控設備、供用電參數測控儀表、智能監測裝置等。這些監控設備可獨立完成測量、控制、報警和通訊等功能，一個設備出現問題時，不會影響其他設備正常運行。與一般能源管理系統不同的是，現場測控層采集了如設備狀態、環境、質量、生產過程參數等更多類型的數據，現場測控層的智能監測裝置對部分數據進行邊緣計算，做出決策后再上傳至主站。

　　2）網絡通訊層是指完成監控系統所涉及的底層通訊鏈路（如RS485）、通訊轉換設備（以太網關）以及頂層通訊鏈路（如光纖以太網、TCP/IP網絡）等的總稱。這一部分是連接現場測控層和主站管理層的紐帶環節。

　　3）主站管理層是智慧能源管理系統的最高管理層，它集中管理本系統的全部設備及軟件功能。同時，該層可以提供標準的網絡接口和通信協議，實現與其他系統的聯接。系統管理層通過OPC Server與其他集成系統進行數據交換。

　　3 系統功能

　　水泥工業智能工廠框架下的智慧能源管理系統將生產現場的各種智能儀表裝置及DCS/MES/ERP等系統進行融合，實現生產過程中生產過程狀態數據、能耗數據、設備狀態數據、供用電數據、能耗成本數據、生產成本數據、環保成本數據等數據的綜合采集，以使數據聯合貫通，并結合數據挖掘和大數據分析技術，為用戶提供符合現場實際的多種數據分析模型，專家系統和功能模塊，即可作為獨立的能管系統使用，也可以成為水泥智能工廠建設的重要核心。

　　智慧能源管理系統的主要功能模塊包括：數據采集和處理、綜合能效監視、設備狀態監測、能源管理、能效生產輔助、能效監測助手、能效專用分析、故障診斷分析、質量管理、綜合成本管理等。

　　3.1 數據采集和處理

　　數據是企業信息化的基礎，數據采集和處理模塊實現生產過程中不同類型數據信息的采集分類處理，包括生產過程狀態數據、能耗數據、供用電數據、能耗成本數據、生產成本數據、環保成本數據等。

　　智慧能源管理系統采集智能綜合監測裝置、計量儀表、現場DCS系統等多種數據來源的數據，對數據建模時，采用多種數據標簽定義，包括生產管理標簽（產量指標、能耗指標、能效指標、成本指標、運行指標等）、能源介質類型標簽（電、水、煤、氣等）、設備類型標簽（電壓、電流、畸變率、電耗、運轉率、效率、是否經濟運行、運轉狀態等）、故障類型標簽（電氣故障、初發性故障、機械故障等）；生產工藝流程標簽等（工藝、工序、主機、車間、班組等）。根據完善的數據標簽，方便功能分析模塊進行數據的二次分析和利用。

　　3.2 綜合能效監視

　　綜合能效監視模塊實現系統數據和信息對外輸出、交互，功能及數據的綜合性應用展示。包括：圖形化的能源及運行數據、實時設備效率及產出數據、實時設備狀態數據、綜合數據的歷史和實時趨勢顯示、動態實時能源使用消耗狀況、動態生產工藝狀況等。協助決策層和管理層了解生產過程中全部及各關鍵環節的生產狀態、生產效率、生產指標、績效考核等情況，為決策和管理提供數據支持。

　　綜合能效監視功能模塊進一步可分為：能效總覽、綜合能效看板、分項能效看板、績效考核、生產能效日報、能耗計量、能耗明細、峰谷平用電、分車間生產能效看板等功能子模塊。

　　3.3 設備狀態監測

　　設備狀態監測功能模塊實現水泥生產設備及供電設備的狀態監測、供電質量監測功能。在此模塊以設備為節點，深入挖掘設備運行時暫態和穩態數據的狀態特征信息，建立設備的運行狀態模型、效率模型等，實現設備的運行狀態評估、能耗分析、效率分析、經濟運行分析、負載率分析、壽命分析等功能。

　　通過此模塊讓企業實時掌握主機系統/設備的生產運行狀態，生產綜合效率水平，且可實時查看近期的運行指標變化趨勢，進而全面了解特定主機系統/設備的綜合運行情況，為日常生產過程分析、生產事件分析提供有效數據依據，為進行生產過程優化和調整，提供指標和依據。

　　3.4 能源管理

　　能源管理功能模塊實現系統的監測、顯示、分析、報表等核心功能。本模塊可協助使用者了解生產過程中任何關心的數據項或狀態；提供生產過程中投入、產出及消耗、成本等各種類型的報表；為使用者提供歷史生產過程監測數據檢索、追溯和分析的工具；協助使用者了解系統監測的主要管理對象的詳細信息。

　　能源管理功能模塊包括：實時顯示；能效數據管理；生產數據管理；過程數據管理；能效數據分析；能效數據報表；管理對象瀏覽；查看報表目錄等功能。

　　3.5 能效生產輔助

　　能效生產輔助功能模塊提高生產管理相關功能，是生產管理人員、一線生產人員、生產調度人員實時掌握生產運行效率、狀態、事件等的窗口，是生產人員進行生產數據編輯、追溯、檢索、分析、報告的應用工具。

　　能效生產輔助功能模塊提供交接班管理、績效管理等功能。

　　3.6 能效監測助手

　　能效監測助手功能模塊是協助生產、管理人員，在生產過程中，實時監測和全面掌握自己所在崗位及其它相關崗位生產綜合效率、狀態、事件等的窗口，是指導生產、管理人員在實時全面了解當前生產綜合效率的基礎上，有效進行生產過程調整和優化的專用平臺。

　　能效監測助手提供：能效分組監測、事件監測、主機系統監測等功能。

　　3.7能效專用分析

　　能效專業分析模塊提供提供水泥企業的多種分析模型，包括熟料生產線統計分析、水泥磨統計分析、熟料線成本分析、水泥磨成本分析、生料磨系統分析、煤磨系統分析、回轉窯系統電耗分析、水泥磨系統電耗分析、余熱發電系統分析等。使用者也可以根據需求，自定義分析模型進行分析。

　　本模塊是一個數據分析和追溯的通用工具平臺。使用者可以在此平臺下，實現水泥企業需要的典型生產模型的特定數據關聯分析。為專家和操作層提供專業的分析工具。

　　3.8 故障診斷分析

　　故障診斷分析模塊基于智能監測裝置采集的設備狀態數據及故障暫態數據，并結合現場溫度、壓力等環境傳感器的穩態數據，采用先進的數據挖掘分析技術，進行水泥生產設備及供用電設備狀態診斷、運行安全狀態監測、設備可靠性、供電質量等情況的持續監測和分析。

　　主要分析模塊包括：電氣故障分析、保護特性分析、設備狀態分析、安全預警及壽命預測分析、電能質量分析、運轉安全分析、初發性故障分析、數據挖掘分析以及相關專家決策等。

　　3.9 質量管理

　　質量管理功能模塊具備自動質量數據采集、人工質量數據錄入、集成質量相關第三方系統數據的能力，具有質量過程管理及自動生產質量日報、月報、質量臺賬等報表的功能，同時具備質量分析決策的功能，如質量看板、生料配料對比分析、操作人員對質量指標影響分析等。

　　將質量數據信息化和規格化，實現質量數據共享，將質量數據與其它生產過程數據同步和融合。使用者可通過該功能方便的將化驗的質量數據，錄入到系統中，生成質量報告單。為全廠質量數據的信息共享、信息檢索以及質量數據分析等提供基礎，提高廠內質量數據的信息化水平，規范質量數據管理。

　　3.10 綜合成本管理

　　綜合成本管理模塊不僅實現能源消耗成本的實時監控，同時實現環保成本、生產成本、檢修成本等分項成本的綜合管理和分析，其目的是在于為企業規范成本管理細節，挖掘降本空間。

　　本模塊根據水泥生產成本計算模型，計算生產相關的各項成本及綜合成本，并提供以生產成本為基礎的生產成本考核平臺。提供生產總成本、工序成本、單位成本、能耗成本、環保成本等的計算，根據企業實際設置，將各種考核指標落實到具體人員上。

　　3.11 設備管理

　　設備管理模塊基于將設備臺賬管理與設備運行狀態在線監測的綜合思路，實現關鍵設備甚至全部設備的全生命周期管理。具有設備臺賬、設備狀態、檢維修、巡檢管理、歷史故障模型庫、備品備件管理等功能，并能夠進行設備檔案查詢以及設備管理分析。結合智能監測裝置對重點設備的在線監測，以實現對當前設備的運行狀況的監控作用，提高設備運轉率，提高設備的臺時、臺效，降低故障率及維修費用。將能耗數據與設備運行數據結合，還能了解長期設備的不當應用對能耗及設備壽命的影響。

　　4 結語

　　對水泥企業來說，無論是智慧能源管理還是智能工廠，其核心是讓企業順應時代發展需求，提高企業的競爭力。雙合電氣專業堅守企業智能監測裝置與系統研究25年，推出擁有完整知識產權的智慧能源管理系統，第一次提出將能耗與設備安全及效率結合，能協助企業實現能效與安全同步的科學監測與管理。

　　該系統在水泥企業的應用案例證實，能夠助力企業以低熱耗、低電耗、低料耗實現高質量、高臺產、高運轉率的目標；以低維修費用實現設備低故障率、高完好率，提高企業的市場競爭能力。