基于精密加工設備效能的能源管理系統設計

珠海羅西尼表業有限公司設備部 高 波

珠海派諾科技股份有限公司軟件部 夏俊武 劉玉明

0 引言

國務院印發“十三五”節能減排綜合工作方案。總體要求：全面貫徹黨的十八大和十八屆三中、四中、五中、六中全會精神，深入貫徹習近平總書記系列重要講話精神，認真落實黨中央、國務院決策部署，緊緊圍繞“五位一體”總體布局和“四個全面”戰略布局，牢固樹立創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，落實節約資源和保護環境基本國策，以提高能源利用效率和改善生態環境質量為目標，以推進供給側結構性改革和實施創新驅動發展戰略為動力，堅持政府主導、企業主體、市場驅動、社會參與，加快建設資源節約型、環境友好型社會，確保完成“十三五”節能減排約束性目標，保障人民群眾健康和經濟社會可持續發展，促進經濟轉型升級，實現經濟發展與環境改善雙贏，為建設生態文明提供有力支撐。主要目標：到2020年，全國萬元國內生產總值能耗比2015年下降15%，能源消費總量控制在50億噸標準煤以內。全國化學需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放總量分別控制在2001萬噸、207萬噸、1580萬噸、1574萬噸以內，比2015年分別下降10%、10%、15%和15%。全國揮發性有機物排放總量比2015年下降10%以上。

實行強度和總量雙控制。落實能源消費總量和單位生產總值能耗“雙控”措施，堅持節約優先的能源戰略，合理引導能源需求，提升能源利用效率，基本形成以低碳能源滿足新增能源需求的能源發展格局，建立科學合理的分解落實和考核機制，嚴格控制煤炭消費，實施珠三角地區煤炭消費減量管理。“十三五”時期，全省能源消費總量控制在3.38億噸標準煤左右，其中煤炭消費總量控制在1.75億噸以內，珠三角地區煤炭消費總量負增長；全社會用電量約6700億千瓦時，基本保持“十二五”期年均增速水平；能源利用效率進一步提高。全面完成國家下達的主要節能減排指標任務，持續保持全國節能減排排頭兵地位。到2020年，全省萬元GDP能耗比2015年下降17%。

1 項目概況

珠海羅西尼表業有限公司是以鐘表制造和鐘表工業旅游為主的工業制造型企業，羅西尼鐘表博物館是由珠海羅西尼表業有限公司出資建成、珠海市文體旅游局批準設立、珠海市民政局登記的文化類博物館。博物館先后榮獲“珠海市工業旅游示范單位”、“珠海市文化旅游示范單位”、“珠海市科普教育基地”、“廣東省科普教育基地”、“4A國家級旅游景區”等榮譽稱號。珠海羅西尼表業有限公司先后榮獲珠海市質量獎，廣東省質量獎，國家質量獎。

企業能源類型以電、水為主。廠區供電主要涉及到辦公室、中央空調和車間大型用電生產設備；廠區供水主要涉及到生活集中用水、園林綠化用水等。

基于設備效率的能源管理系統設計方面貫徹以下幾個基本原則：

（1）按照“統一規劃，分步實施，逐步投用”的原則，對羅西尼能源管理中心系統項目進行統一規劃、設計。

（2）整體系統必須保持初步整合、功能完善的特點，確保系統的完整性、規范性和一致性。

（3）使用先進、成熟、實用和具有良好兼容性的技術，使得系統貫穿能源和設備效率的生命周期管理，既能滿足當前的需求，又能適應未來的發展。

（4）可靠性：高效穩定的系統，能提供全年365*7*24小時的連續運行。

（5）可操作性：采用先進且易于使用的、美觀大方的、中文的圖形人機界面功能，提供便利的信息共享與交流、信息資源查詢與檢索等有效工具。

（6）高效率性：注重各子系統的信息共享，提高整個系統高效率的傳輸與運行能力。

（7）實時性：設備和終端必須反應快速，充分配合實時性的需求。

（8）完整性：提供與各種外界系統的通信功能，確保信息的完整性并充分利用在整體系統的運作上。

（9）安全性：通過在系統部署相關安全措施、以有效地確保系統各個層次安全（包括系統、網絡、應用與工藝配套安全等），包括有效的防病毒技術措施。

（10）可擴展性：把各子系統有機結合起來，充分考慮將來管理需求的提升，所提供的系統平臺與技術將充分考慮未來功能及擴充項目的需求，以避免將來重復的投資。

2 項目目標

本項目針對羅西尼表業能耗監測及設備運行管理效率需求，主要實現分類能耗(電、水、數據采集和分項計量)、重點設備利用率（設備利用效率OEE、完全有效生產率TEEP）。監測及運行管理統計對比分析,最終目標是通過建立該能耗和設備利用率在線監測及分析管理平臺，對廠區的能源供給、能源轉換以及設備利用率的全過程實施動態平衡管理，及時發現存在效率偏差的問題，依據詳盡而準確的數據幫助用戶進行有效管理，實現主動型、精細化的工業管理機制，以便建立長期、可持續化實現節能增效的目標。

總體目標確定如下：

項目覆蓋的范圍：區域覆蓋辦公樓、宿舍樓、生產樓；能源包括：電、水；重點生產設備利用率，包括設備利用效率OEE和完全有效生產率TEEP。

（1）監測：項目要解決的問題是能耗數據在線監控、能耗統計及分析、重點用能設備管理、能耗告警等。

（2）效率：通過分析生產設備效率OEE和完全有效生產率TEEP，分析設備在不同時段的開機時間和有效使用率，及時發現設備空轉、長時間待機或利用率低下等問題，提高生產效率和自動化管理水平。

（3）安全：保障生產的供電安全和延長機電設備運行壽命，通過智慧能源云平臺的實施，實時監測和監控配電和機電設備，通過工單的流轉提高工作效率的同時，全面提高供能設備的安全運行。

3 系統框架及計量點設計

3.1 系統框架

綜合能源管控平臺(Smart PIEMS)后臺設置在控制室，主要通過智慧物聯網大數據采集平臺（Smart IOServer）采集遠傳智能電表、遠傳水表和PLC等數據，并通過人工手動錄入或集成ERP數據，將產品產量、合格品數量、生產用時、生產理論用時、非生產損耗時間等數據對接到系統后臺集中處理，并在綜合能源管平臺(Smart PIEMS)上進行統一的數據分析和展示。

圖1 平臺框架圖

為實現能耗數據的在線實時監控，項目系統部署在企業機房內的私有云服務器上。基于分散采集、集中管理的思想，綜合能效管理平臺(Smart PIEMS)采用三層架構兩層網絡部署，分別為應用管理層、網絡匯聚層、設備采集層。

應用管理層是系統的核心組成部分，是各類能耗數據、設備運行狀態信息、環境條件信息等的集中處理、分析與評估層，同時將分析數據通過友好的人機界面進行展示。

網絡匯聚層是連接應用管理層與設備采集層的中間環節，負責把分散的能耗數據上傳到應用管理層。同時，該層也是系統與其他智能化系統對接的中間接口，實現系統之間的數據共享。網絡匯聚層設備一般包括通訊管理機、工業網絡交換機等。其傳輸介質一般為RS485總線（RVSP 2*0.75屏蔽雙絞線）、四芯單模光纖（GYXTW-4）和超五類網線（UTP5）。其中RS485總線負責連接設備采集層設備與通訊管理機，通訊管理機與應用管理層之間的連接通常會選擇四芯單模光纖或者超五類（UTP）網線。

設備采集層是系統的數據來源，系統大部分基礎數據來自該層。該層設備除具有傳統的計量功能外，還需要具有RS485通訊接口，支持Modbus通訊協議，可準確計量現場能耗數據并傳送至通訊管理機；對于第三方系統的接入，支持OPC等其他標準接口，實現有效的數據共享。

3.2 計量點位設計

項目計量點位設計PLC數據接口、155塊智能電力儀表、10臺MODBUS通訊水表（如表1所示），系統支持能源四級監測，依次為：樓棟—樓層—辦公區域—重點設備。

表1

3.3 設備利用率模型設計

3.3.1 設備綜合效率

OEE（Overall Equipment Effectiveness），即設備綜合效率，計算公式如下：

OEE＝時間開動率×性能開動率×合格品率×100%

在OEE的計算公式中，時間開動率反映了設備的時間利用情況；性能開動率反映了設備的性能發揮情況；而合格品率則反映了設備的有效工作情況。也就是說：一條生產線的可用時間只占運行時間的一部分，在此期間可能只發揮部分的性能，而且可能只有部分產品是合格品。如果追究OEE的本質內涵，其實就是計算周期內用于加工的理論時間和負荷時間的百分比。

OEE＝(理論加工周期×合格產量)/負荷時間＝合格產品的理論加工總時間/負荷時間這也就是實際產量與負荷時間內理論產量的比值。

圖2 設備綜合效率

3.3.2 完全有效生產率

TEEP（Total Effective Equipment Performance），即完全有效生產率，也有資料表述為產能利用率，即把所有與設備有關和無關的因素都考慮在內來全面反映企業設備效率。

TEEP＝設備利用率×OEE

其中，設備利用率＝(日歷工作時間—計劃停機時間—非設備因素停機時間)/日歷工作時間

4 傳輸設置

能耗數據的采集主要有三個來源：通過智能儀表及傳感器采集的數據；通過與第三方系統進行數據交互獲取的數據；通過人工手動錄入的數據。

（1）儀表及傳感器采集的數據

通過安裝智能電表、水表、能量表等獲取能耗數據及設備運行參數，并且可擴展集成第三方的設備，包括儀表、PLC、RTU和其它智能產品的主要數據參數。

（2）通過接口獲取的其他系統數據

系統可通過OPC、IEC104、ModbusTU等標準接口獲取電力監控、光伏發電、暖通、可再生能源系統等系統的數據，并可給ERP、OA等管理系統提供能耗相關數據，供企業管理者決策時使用。

（3）人工錄入數據

用戶可手工錄入設備臺賬信息，企業生產的產品數量、產值等數據，與能耗數據進行綜合分析后評估設備運行效率、企業能源使用效率等指標。

圖3 數據傳輸邏輯圖

表2

5 系統功能

珠海派諾Smart PiEMS綜合能源管控平臺以數據高可靠性、系統可擴展性、用戶易操作性為設計原則，基于綠色的管理理念，協助羅西尼表業公司提升能效水平，在整個生命周期內對羅西尼廠區能效進行有效運維。

根據羅西尼表業廠區的實際用能狀況，對其園區、樓棟、樓層、區域以及重點設備進行了全方位的能源監測與耗能分析，從各個角度尋找企業的能耗漏洞與節能空間，對不合理用能進行及時警告，為有待優化的用能策略進行有效建議，協助企業管理人員及時發現能源浪費，優化用能結構，為更合理的制定企業用能策略提供有效的數據支撐（見表2）。

部分重點主要功能的展示：

（1）能耗KPI

KPI管理功能模塊，對用戶各個環節進行實時監測，根據預設的KPI報警條件對異常事件進行告警。

圖4 KPI管理功能模塊

（2）設備利用率

通過PLC和智能儀表采集重點用能設備的電流、電壓、功率、累計運行時間等數據，計算出設備在每個時段內的有效運行時間，并由系統軟件進行匯總分析，核算小時、天、月、年等時段內的設備利用率，識別出使用效率低下的設備。

圖5 多設備日利用率對比分析

圖6 多設備月利用率對比分析

6 結語

本文結合珠海羅西尼表業有限公司設備利用率和能效系統設計實例，從系統架構、系統功能方面論述了基于精密加工設備的工業能源管理系統設計。

珠海派諾Smart PiEMS綜合能源管控平臺與工業企業管理導則相結合，根據羅西尼表業能耗情況制定節能方針，明確定量指標體系中的設備利用率和能耗節能目標。其中，能耗目標體現能源消耗量，而節能目標體現能源消耗節約量，并分別制定年度目標和長遠目標。系統在用電參數的深度挖掘下對能源轉換的全過程實施動態平衡管理，及時發現存在問題，依據詳盡而準確的數據幫助管理人員進行有效管理，實現主動型、精細型的工業管理機制，以便建立長期、可持續化實現節能增效的目標。有效促進企業“兩化融合”進程，真正做到以信息化帶動工業化、以工業化促進信息化，走新型工業化道路。