工業企業的智慧節能技術研究

劉治恩 徐席東 李傳明

（安徽節源環保科技有限公司 安徽省合肥市 230088）

工業企業的智慧節能技術研究

劉治恩 徐席東 李傳明

（安徽節源環保科技有限公司 安徽省合肥市 230088）

本文總結了國內節能發展歷程，并提出智慧節能理念，緊接著闡述智慧節能產生的背景，明確智慧節能的時代已經到來，并給出了智慧節能的基本原理和實現的技術架構，分析了實現智慧節能的主要技術難點。讓讀者對智慧節能有一個宏觀上的認識和了解。

智慧節能；智慧節能云；工業企業子站；專家知識庫；仿真分析庫

前言

《中華人民共和國節約能源法》自1998年1月1日起施行以來，中國取得了舉世矚目的成就，我國火力發電、鋼鐵、水泥等能效水平顯著提高，甚至有的企業處于全球領先位置。在看到成績的同時，也要清醒的認識到容易采取的節能措施已經都做了，剩下的就是啃骨頭。目前，節能工作更加關注節能減排的系統效益和綜合效益——既要節能，也要環保。在這種情況下，對節能理念創新和節能技術創新都提出了更高要求，同時也呼喚著新的節能理念和節能技術的出現。

1 國內節能發展歷程

我國自1998年正式開展節能工作以來，按照采取的節能措施不同，大致可分為技術節能、管理節能、智慧節能三種。

第一種：技術節能

1998年我國出臺節約能源法之后，首先通過技術手段實現工業企業的節能。技術節能主要對單體設備或局部工藝進行改造，提高設備的能源利用效率和回收余熱、余壓等余能實現節能。采用技術節能，優點是節能效果直觀、實施相對簡單和易操作，缺點是隨著時間的推移節能率會逐漸減小。技術節能的典型代表有電動機的變頻技術、鍋爐煙氣余熱發電技術、無功補償技術、空壓機余熱回收技術等。

第二種：管理節能

隨著技術節能的推進，容易采取的單體設備的技術改造和工藝的技術改造已經都做了，那些具有節能空間的、不易被發現的節能潛力點需要進一步挖掘。管理節能全面監測工業企業數據（工業企業數據包括生產數據、運行數據、環境數據、控制信息以及管理信息等），通過軟件分析對關鍵能源指標、生產指標和能耗指標實時處理、分析和統計，提供當前和歷史的工業企業數據以及相關參量之間的趨勢關系，利用這些對比的數據和信息，可以直觀了解能源使用存在的問題，并挖掘節能潛力點，再采取有針對性的節能措施實現節能。采用管理節能，優點是可以深層次挖掘更大節能潛力點，缺點是短期效果不明顯、實施較復雜、不能實時自動控制。管理節能的典型代表有企業能源管理中心、能源在線監測系統等。

第三種：智慧節能

隨著工業企業能源管理中心和能源在線監測系統的建設，預期的節能目標未能達到，主要原因包括對管理人員專業知識要求較高而實際缺少、需要依賴人去執行且易受人為因素影響等，因此必須采取避免上述原因影響的節能手段。智慧節能基于系統工程原理，依據智慧大腦——專家知識庫和仿真分析庫，對工業企業數據進行動態實時處理、分析、仿真，并給出最優控制方案和改造方案，利用靈活四肢——自動控制系統，自動調整設備運行狀態，使整個系統達到最優化，從而實現最大化的節能。采用智慧節能，優點是節能智慧化、最大化，缺點是投入成本高、技術難度大。智慧節能的典型代表有智慧節能云平臺。

本文將重點介紹利用智慧節能云平臺實現工業企業的智慧節能。

2 智慧節能產生的背景

2.1 新一代信息技術的快速發展

近幾年，繼物聯網、云計算之后，大數據也成為了新一代信息技術的重要內容。而且，隨著新一輪工業革命的到來，云計算、大數據、物聯網等新一代信息技術在未來制造業中的作用愈發重要。

智慧節能正式基于新一代信息技術的快速發展為基礎，使得實現才成為了可能。工業企業數據的快速采集、識別與獲取，需要物聯網技術作為支撐；工業企業數據的快速存儲、網絡傳輸和基礎計算，需要云計算技術作為支撐；工業企業數據的快速處理、分析、挖掘，需要大數據技術作為支撐。再加上智慧大腦——專家知識庫、仿真分析庫和靈活四肢——自動控制系統，使得工業企業的智慧節能具備了條件。

2.2 工業企業生產管理精細化不斷加深

隨著技術的不斷進步、經濟的不斷發展，工業企業生產管理大致經歷了這樣幾個階段：

第一個階段：在線監測

對工業企業關鍵的工業企業數據進行監視和測量，能夠進行實時監測和基礎統計。

第二個階段：在線管理

以在線監測為基礎，注重對重要的工業企業數據進行分析、處理、對標和定額等，實現對車間、班組、人員的考核管理。目前，工業企業正在建設的企業能源管理中心是這一階段的典型代表，但是由于缺少配套的管理制度、專家知識庫和執行設備，對節能促進作用有限。

第三個階段：在線管控

以在線管理為基礎，更加注重對生產設備、生產工藝進行自動化、智能化和統一化管控，配套管理制度、專家知識庫、仿真分析庫和自動控制系統，使生產設備工作在最優狀態，使生產工藝達到最優參數，以降低能源損耗、減少能源消耗、提高設備運行效率，從而實現最大化節能，這正是智慧節能的核心理念。

隨著“兩化融合”不斷加深，工業企業生產管理精細化會不斷由第二階段向第三階段過度，智慧節能的時代已經到來。

3 智慧節能的基本原理

智慧節能并不是否定技術節能和管理節能，而是以技術節能和管理節能為基礎，結合智慧大腦實現更大的節能目標，智慧節能基本原理框圖見圖1所示。

圖1 智慧節能基本原理框圖

如圖1所示，虛線左邊屬于私有部分（也稱個性部分），在工業企業側建設；虛線右邊屬于公共部分（也稱共性部分），建設在云端。數據的存儲、處理都在工業企業側，不用擔心數據的外泄，云端為工業企業側提供數據挖掘技術、仿真分析技術和方案評價方法等服務，避免了大數據的轉移，提高了數據處理速度。轉移計算方法、不轉移數據正是云計算和大數據的核心理念。

4 智慧節能的技術手段

將圖1中智慧大腦建設成為智慧節能云，虛線左邊部分建設成為工業企業子站，就形成了智慧節能的整體架構，見圖2所示。

圖2 智慧節能整體架構圖

4.1 智慧節能云

智慧節能云是智慧節能技術的大腦，分為應用軟件和基礎硬件。應用軟件包括專家知識庫和仿真分析庫。基礎硬件包括服務器、存儲器、負載均衡和數據接口等，通過數據接口與工業企業子站通訊。智慧節能云架構見圖3所示。

圖3 智慧節能云架構圖

4.1.1 專家知識庫

逐步建立涵蓋電力系統知識庫、電能質量知識庫、熱能知識庫、能源管理知識庫、余熱發電知識庫、余熱回收知識庫、鍋爐系統知識庫和風機水泵知識庫等。

4.1.2 仿真分析庫

逐步建立電力濾波與無功補償設計仿真軟件、鍋爐系統優化控制軟件、風機水泵優化控制軟件、電弧爐系統優化控制軟件和關口節電分析軟件等。

4.1.3 數據接口層

智慧節能云和工業企業子站的通訊通道。子站向智慧節能云發出請求，請求獲取某種知識或某種數據處理方法，智慧節能云根據子站請求提供對應請求的知識和數據處理方法。

4.2 工業企業子站

工業企業子站建設分三層結構：感知終端層、網絡平臺層和應用服務層，是標準的物聯網三層結構，工業企業子站架構見圖4所示。

圖4 工業企業子站架構圖

感知終端層通過感知終端對工業企業的能源系統、生產系統和生產的輔助系統的工業企業數據進行快速采集、識別與獲取。

網絡平臺層通過互聯網、GPRS、Zigbee、以太網、服務器、存儲器等對工業企業的能源系統、生產系統和生產的輔助系統的工業企業數據進行快速存儲、網絡傳輸和基礎計算。

應用服務層通過在線監測、用能分析、項目管理、仿真分析和專家服務五個模塊對工業企業的能源系統、生產系統和生產的輔助系統的工業企業數據進行快速處理、分析、挖掘，并以最佳的可視化效果展示出來。另外，針對存在的節能潛力點給出對應的優化控制方案和節能改造方案，作為工業企業采取節能措施的主要依據。

子站完成數據的采集、傳輸、存儲、處理等，向智慧節能云請求所需的專家知識和數據處理方法，挖掘節能潛力、制定節能改造方案和優化控制方案，從而實現智慧節能。

5 智慧節能的主要技術難點

5.1 專家知識庫建設

專家知識庫涵蓋知識面廣，非朝夕之功即可建成的，要選擇性建設，后期逐步完善；專家知識庫的知識要點要易于查找，搜索方便，快速響應子站請求。

5.2 仿真分析庫建設

仿真分析庫也要選擇性建設，后期逐步完善，同時要易于查找，搜索方便，快速響應子站請求。

5.3 子站的智能控制系統建設

子站通過數據處理產生的優化控制命令，必須準確無誤地執行，需要一套穩定可靠的智能控制系統，既要快速響應，又要及時反饋。

6 總結及展望

（1）智慧節能的基本原理是基于技術節能和管理節能，并結合智慧大腦——智慧節能云實現智慧節能，并不排斥技術節能和管理節能，而是將兩者有機融合在統一的智慧大腦——智慧節能云下；

（2）智慧節能的技術手段主要介紹技術實現架構、智慧節能云架構和子站架構，簡要說明了技術實現思路，并未對具體內容詳細展開；

（3）智慧節能的主要技術難點宏觀上包括專家知識庫建設、仿真分析庫建設和子站的智能控制系統建設三個大部分，微觀上每個部分還包括許多技術難點；

（4）本文介紹的智慧節能，只供讀者對其在宏觀上有個整體認識和了解，智慧節能的具體實現技術和方法，還有待進一步研究，智慧節能云平臺建設、不同行業的工業企業子站建設等存在很大的研究空間，期待志同道合者繼續深入研究。

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