節能降耗系統平臺及關鍵技術研究

 收稿日期：2007-11-19；

修回日期：2008-01-07

基金項目：河南省2008年重點攻關項目（082102350038）

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作者簡介：薛霄(1979-)，男，山西芮城人，博士，主要研究方向為智能控制、系統架構等(jzxuexiao@126.com)；馬永強(1974-)，男，講師，碩士，主要研究方向為工業控制、信息系統等；馬增良(1963-)，男，研究員，主要研究方向為系統集成、RFID技術等.

(1.河南理工大學 計算機學院 河南 焦作 454000； 2.中國科學院 自動化所 綜合自動化工程中心 北京 100080)

摘要：針對目前工礦企業節能降耗所遇到的問題，提出企業節能應該首先實現能源管理信息化，由注重單體設備節能向系統優化節能轉變?；诖死砟睿瑯嫿嘶诜植际襟w系架構的節能降耗系統平臺，對企業生產環節和關鍵設備的能源消耗實行全面監測、管理和控制，實現節能的制度化和長效化。

關鍵詞：節能降耗; 能源管理； 系統節能

中圖分類號：TP18

文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)10-3191-04

Research on energy management system and key technology

XUE Xiao MA Yong-qiang MA Zeng-liang2

(1.School of Computer Science Henan Polytechnic University Jiaozuo Henan 454000 China;

2.Research Center of Integrated Automation，-Institute of Automation Chinese Academy of Sciences Beijing 100080 China)

Abstract:Aimed at current problems in the field of energy saving of enterprises this paper proposed that enterprises should firstly realize energy management information and change the emphasis fromsingle energy-saving to the system optimization. Based on the point of view a distributed energy saving platform was constructed to realize a comprehensive monitoring ma-nagement and control for energy consumption of production processes and key equipment and achieve a long-term energy sa-ving.

Key words：energy saving; energy management; systematic energy saving

在傳統工業化道路和模式的支配下，粗放型經濟增長方式和人口激增，已經導致嚴重的資源短缺、環境污染、生態破壞和氣候惡化，社會發展將無可避免地陷入困境。近年來隨著我國經濟的發展，能源消費急劇增長，供需矛盾日益突出。從目前的情況看，能源資源約束已經成為我國實現工業化、現代化的最大硬約束。節能降耗，不僅是世界性的重大課題，更是我國面臨的重大課題，關系我國的經濟安全和可持續發展。

盡管資源短缺，但是由于技術和人為等因素，我國能源利用效率偏低的狀況十分突出，用能水平與國際先進水平相比，存在明顯差距[1，2]。但需要注意的是，這并不意味著我國短期內可以將這些潛力全部挖掘出來。主要由于：a)所處的經濟發展階段不同。目前我國處于工業化初中期階段，工業化本身就意味著對能源依賴程度較高。b)我國以煤為主的能源消費結構短期內難以轉變成為以油氣為主的高效能源消費結構，能源品質在能源效率方面的差異，將使單耗水平、系統效率水平間的差距難以縮小。c)我國目前經濟增長方式粗放、經濟結構不合理的問題還比較突出。在三類產業結構中，第二產業比重偏高，第三產業比重偏低。在第二產業中，高耗能行業所占比重又過高。我國工業能耗占全國一次能源消費的70%左右。其中鋼鐵、建材、化工、石油加工及煉焦、有色金屬等高耗能行業占到了工業總能耗的69%[3，4]。

我國提高能效必須立足于調整經濟結構和改善能源結構，這也決定了提高能效任務的長期性和艱巨性。因此，當前和今后一段時間，應該主抓若干個能夠實現節能目標的重點行業和重點企業。然而，這類企業一般都規模龐大，難以及時獲取各類設備可靠的用能信息，缺乏對全廠各車間、各部門用能進行調控的足夠依據，沒有有效的評判手段，這些問題都給進一步加強能源管理，控制并降低能源成本帶來很多困難。

針對這一難題，本文從企業管理角度出發，提出能源管理的三層結構，設計并開發針對工礦企業的節能降耗系統平臺，為企業用能的數字化管理提供現代化手段: 實現對全廠電、煤、煤氣、水、汽等能源使用情況的實時監控和科學調配；方便對各車間能源消耗進行統計分析、成本核算和管理考核。以冶金行業為例，闡述了能源分析與分配模塊的運行過程。

1現狀分析

目前大多數企業的自身節能僅局限在對部分設備進行技術改造、工藝改造，沒有能力評估自身能效，缺乏完整的節能解決方案。節能設備生產廠商或一些節能服務公司受自身立場的限制，也僅限于對節能產品進行推廣和銷售。究其原因是設備節能改造見效快，投資回收期短，而能源管理是：一項復雜的工作，涉及到企業生產生活的方方面面[5]，需要有專門的能源管理機構和專業技術人員的指導。而且，很多企業由于種種原因對能源管理也是有心無力，如：a）缺少專門的能源管理機構和專業技術人員；b）企業能源管理信息化水平低，效果差；c）企業能源管理手段落后；d）對節能設備的運行缺乏管理，節能效果無法數據化等。這些均導致了企業能源管理意識不強，對企業的整體能效狀況缺少全面把握，忽視了運用管理手段從整體上調控企業合理用能，而傳統的能源管理手段也已相對落后，使進一步通過管理手段挖掘節能潛力、降低能耗受到制約。

節能降耗是一個系統化的綜合治理工程，需要從完善能源制度，提高節能意識，加強技術改造等多方面進行著手改進。企業節能應該首先實現能源管理信息化，由注重單體設備節能向系統優化節能轉變[6，7]，結合企業生產設備能力狀況，有選擇地配套采用先進節能設備和工藝，使先進節能技術能夠盡快發揮作用，產生效益。與此同時，必須加強對能源利用狀況的監督檢查、測試和評價工作。節能監測是推動節能技術改造的巨大動力，節能技術改造是企業節能降耗、增加經濟效益的根本途徑，只有兩者緊密地結合在一起，才能取得事半功倍的效果。沒有完善的信息化管理手段，企業節能不僅無法給出完整的解決方案，忽視了節能空間，也使技術節能的成果得不到保障。因此，企業節能應該首先實現能源管理信息化，利用信息化促進能源使用管理制度化，監視節能設備的運行效果，使得技術節能發揮事半功倍的效果。

2系統構建

2.1解決思路

根據上述理念，在綜合分析現有各種能源管理系統的體系架構和關鍵技術的基礎上[8~10]，提出了企業節能綜合解決方案：基于分布式協同架構的節能降耗系統平臺。如圖1所示，系統通過采用現代化管理手段和先進信息技術，將各種節能措施統籌規劃，構建出一整套切實可用的能源管理信息平臺，實現對整個生產流程（包括購入存儲、加工轉換、輸送分配、最終使用四個環節）和關鍵設備能耗情況的監測、管理和控制。

2008年第9期轉來

借助于能源管理系統，企業可以根據自身耗能特點逐步實現能源消耗的記錄、統計、報表的規范化與數字化，定期進行能源消耗統計分析和能量平衡分析，便于對能源利用狀況的檢查、測試和評價，全面把握企業能耗狀況。通過與企業現有信息系統的數據交換，可以實現能源儲量的即時控制、生產過程的優化控制，人員的考核掛鉤等，從而真正提高企業的綜合節能管理水平，顯著降低企業的生產成本，提高企業競爭力。

2.2系統結構

節能降耗系統平臺利用最新的信息技術與管理手段，從企業管理、流程監測、設備控制等三個層面，對企業中的能量轉換平衡流程實現全面管控。如圖2所示，節能降耗系統平臺的功能分為三級，即信息管理層、流程控制層和末端設備層。各個層次所包含的功能模塊和實現細節如下所述：

a)信息管理層。對于系統所搜集到的能耗信息進行深層次加工處理，從而為企業管理層的能源決策提供支持。

(a)輔助決策模塊。根據“分配得當、各得所需、溫度對口、梯級利用”的能源使用原則，構建專家知識庫，通過分析能耗數據，智能化地提供節能管理方面的建議，以協助制訂節能方案，部署節能措施。

(b)ERP接口模塊。將能耗管理系統所獲得有關能源輸入、消耗、轉換和流失數據，傳送給ERP系統的相關模塊，如庫存管理模塊（由此來決定庫存中應該存儲的能源種類和數量）、財務管理模塊（采取節能措施后可以節約的費用）等。

(c)信息發布模塊。分為向各級管理部門的信息發布，向政府相關部門的信息發布，向行業內部的信息發布，向公眾媒體的信息發布等不同級別，并且承擔節能知識的普及，節能相關法律制度的宣傳等。

b)流程控制層。節能降耗系統平臺的核心，通過對設備能耗數據的處理，實現對設備的監測和負荷的控制。

(a)能耗運行監控模塊。實現全廠用能的監測與控制，是實現企業用能信息化管理的第一步。其主要功能是采集測量點和開關量的實時數據，以直觀的、動畫的方式對全廠能源轉換流程圖加以顯示，記錄各種報警信息，打印各種報表等。可以幫助管理人員及時了解各個生產環節的能源消耗狀況，并根據系統的運行情況實現能源的合理調配，故障的及時處理。

（b)負荷分析與預測模塊。根據設備能耗檢測數據，實現詳細的負荷分析，從而可以結合生產加強科學管理，提高用能負荷率，改善負荷曲線，保證既安全又經濟的運行狀態。負荷預測則是根據歷史數據，結合生產計劃對企業的最大負荷及負荷曲線作出預測，以備系統最大需量避峰控制，并可作為指導生產或能源分配的數據參考，實現正常和短時計劃的制訂(其中前者為應對日生產計劃制訂日能源計劃，后者為應對實時情況進行各種能源的平衡計算)、電力預測、能源中心運行指導和通告等。

（c)負荷控制與需量管理模塊。負荷控制可以設置設備的分時段功率上限曲線，實現自動避峰運行；需量管理實現對企業最大能源需求量的自動控制?？刂谱畲笮枇渴蛊涞陀谀骋幌拗担梢栽诒ＷC生產的同時降低能源存儲費用支出，保證企業經濟運行。

（d)能源成本分析與分配模塊。對用能成本進行分析，使企業了解能源成本分布情況，通過各種能源之間相互置換的最佳化計算，保質保量地管好能源和用好能源，包括各種類型能源介質的管理調配（如煤、電、重油、水、蒸汽、氧氣等）；每個生產環節的能源消耗、轉換和回收（如煤氣可轉換成蒸汽，廢熱也可轉換成蒸汽，蒸汽可轉換成電力，煤氣也可直接轉換成電力等）；出于效率和經濟上的考慮，各種能源介質相互之間的替代(或重油，或動力煤等)等。

（e)生產運行單耗考核模塊。能源使用已經滲透到企業生產的方方面面，對能源的管理，最終將涉及到對生產運行設備和生產運行人員的管理，能源管理也只有與人員管理結合起來才能達到節約能源的目的。該模塊細化單號考核對象，分析最終產品的單耗分布，實現從班組到車間的單號考核，從獨立機臺到工序的單號考核，并且結合計劃單耗與實績幫助企業確立實施節能獎懲制度，有利于把節約能源思想滲透給每一個員工，并融入到企業優秀文化中去。

c)末端設備層。一方面采集底層設備能耗數據，并轉換為標準格式；另一方面又需要將上層指令傳輸下去，具體實施各種控制參數的設定和調節。

（a)末端關鍵設備。末端設備的能源利用率決定了企業綜合能源使用效率的高低，因此系統必須實現對單個設備能耗指標的監測和控制，為實現能源系統管理奠定基礎。

（b)數據采集平臺。采集全廠能源系統相關的信息，包括各能源介質主干管網的信息、能源系統正常運行和異常情況的數據、各能源站點的設備信息、設備的運轉狀態信息，以及環保檢測點的數據等。

（c)實時數據平臺。將數據采集平臺的相關數據轉換成統一格式，并進行初步的加工處理，保存到數據庫服務器上，供其他系統使用。

（d)設備管理平臺。動力設備基本信息檔案，測量裝置的設置信息；動力設備運行數據實時歸檔，以備檢索、查詢及分析的需要；生產流程和動力設備之間的從屬關系；設備點檢、維護、保養和檢修計劃的安排，以及備件管理等。

（e)先進控制平臺。采用各種先進控制技術來實現對全廠各能源設施設備的遙控操作，如啟、停、正轉、反轉以及設定值給定等指令性的操作；能源介質的數量和質量控制，通過調節各種能源介質配比，實現最佳燃燒；各種能源介質的總管壓力控制，如對煤氣加壓站、煤氣燃燒放散塔的閉環控制，保持主干水管壓力穩定的邏輯控制，蒸汽系統的平衡控制，保證混合煤氣熱值穩定的調節控制等。

2.3硬件組成

節能降耗系統平臺是一個分布式結構的計算機網絡控制系統，采用B/S與C/S相結合的構架體系，適用于各種網絡環境，實現了對能源使用信息的數據采集、傳輸、加工處理和設備控制。節能降耗系統平臺的硬件系統（圖3）由如下四層組成：

a)數據源(圖3中未作標志)。該層的主要功能是管理基礎數據。基礎數據來自各供配電變電所、水站、煤氣混合加壓站和其他動力設備的站、房以及各環保檢測點和各生產車間能耗檢測點。這些數據均通過變送器轉換為電流信號，輸入／輸出的狀態轉換為開關信號，均以信號電纜接入數據采集站。

b)數據采集站(簡稱子站)。通常用若干PLC做數據采集站，將它們分別設置在各供配電變電所、水站、煤氣混合加壓站等部位，零星的數據就近接入數據采集站。

c）服務工作站。該工作站是連接過程工作站和子站的重要設備，完成主要的數據處理任務，如短時歸檔、過程映像的存放與更新、控制信號的傳輸等基本任務，同時還必須完成特殊工藝技術計算。服務工作站一般是一臺或幾臺大容量、高速度的計算機，設置在中心機房內。

d）過程工作站，分為監控、計算管理、分析、歷史數據、開發等工作站。過程工作站為操作人員提供進行監控的人機接口，實現對企業用能情況的實時監控；通過專門的軟件對企業能耗狀況進行分析；對各車間班組用能進行單號考核；對重點工序、機臺實現優化運行以降低能耗。能源監控過程工作站設置于調度室，并按專業調度進行設置。過程工作站也是一系列大容量、高速度的計算機，按操作人員分工、系統開發以及系統維護等要求設置于計算機值班室。

所有的數據采集站、服務工作站和過程工作站均以光纖構成兩級以太網，各站之間所產生和處理的信息通過該網絡進行通信，以實現數據資源的共享。采集站按數據源分布情況在信息集中點設置，對來自各數據源的原始數據進行初步處理，然后再通過以太網傳送給服務工作站。服務工作站也接收過程工作站傳來的指令，對現場相應設備進行控制。

2.4關鍵問題

由于能源管理系統的特殊性，在應用到某具體工礦企業時，尤其需要注意解決以下問題：

a)與現有信息系統的兼容性?，F有企業大多數都已經上馬了一些信息系統，如生產設備/工藝裝置的DCS/PLC系統、庫存管理系統、生產監控系統、ERP和MES系統等。因為這些系統大都是由不同公司開發，并在不同時段上馬，系統架構和數據格式差異很大。為了節約成本，新系統應該盡可能發揮現有系統的潛力，充分利用已經獲得的能源計量數據。

b)系統平臺的可擴展性。隨著廠礦規模擴大，新的設備會不斷增加，網絡復雜程度也在不斷增長。能源管理系統需要考慮如何方便地增刪設備，并且不影響整體性能；如何在局部失效的情況下維持系統整體的運行。

c)關鍵流程的先進控制技術。工礦企業中，關鍵設備和關鍵流程的能耗占其總能耗的絕大部分。如果這些關鍵設備和流程能夠處于最佳運行狀態，將能夠極大地改善能源消耗的狀況。系統需要考慮如何在最短時間內獲取最佳的運行參數，從而實現設備高效低耗的運行狀態。

d)設備負荷的分析預測技術。設備負荷是一個動態的目標，實用化的能源管理系統應該在運行期間能夠進行預測，并及時采取相應的節能措施。如何利用現有的人工智能技術(如神經網絡、機器學習和數據挖掘等)實現此目標是需要認真考慮的。

e)海量信息的處理技術。系統的對象設備有幾千個，每臺設備的警報有幾種，如何處理如此龐大的信號種類，并且使得監控和調節系統互不干擾就至為重要。

3模塊示例

冶金行業屬于能源消耗的重點行業，其能源支出在生產成本中所占比例較大。根據安陽鋼鐵公司2006的年報數據，該公司當年的純利潤約為5.56億元，其能源成本支出為0.59億元（其中水電氣的支出約為0.50億元，氧氣和氬氣的支出約為0.09億元），占公司純利潤10%以上。

圖4就以某冶金企業為例，說明節能降耗平臺中的能源分析與分配模塊是如何為企業降低能源成本。此模塊根據所需能量的數量、品質和時間，從庫存、財務、MES等系統獲取相關信息，如各種能源介質的當前價格、燃燒品質、當前儲量、可替代品種等，然后根據介質間的能量換算公式，獲得最科學的能源介質搭配，最后將調配好的各種能源介質的數量發送給庫存系統，進行配送或購買。模塊的運行要求在保證滿足能量需求的同時，將能源成本降到最低。如果該系統整體投入運行成功，預計能夠為企業降低能耗5%以上，將會產生巨大的經濟效益；同時讓企業實實在在地體會到節能降耗的好處，具有長遠的社會效益。 

4結束語

節能降耗是我國經濟發展所迫切需要解決的問題和難點。雖然目前很多工礦企業已經意識到節能的重要性，但僅僅局限于對某些設備進行局部改造，缺乏對能源消耗進行系統化管理的理念。本文從企業管理角度出發，提出了節能降耗系統平臺，從企業管理、流程監測、設備控制等三個層面，對企業中的能量轉換平衡流程實現全面管控，實現了信息化與能源結合、能源與管理結合、能源管理與生產管理結合。

能源管理的信息化可以大大提高企業對能源的管理和利

用能力，充分發掘企業節能潛力，降低企業能耗成本，在提高企

業競爭力的同時，也為節約資源、保護環境做出了貢獻。另外，企業實施信息化能源管理也有利于政府節能部門及時了解企業節能信息。總之，節能降耗系統平臺能夠發揮能源管理整體優化的特點和長期效應，將是企業節能發展的必然方向和實現長效節能的有效機制。

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