工业MES电机监测及节能管理系统设计

马新春，马蔚云

（新疆电子研究所有限公司 ERP中心，新疆 乌鲁木齐 830049）

《国家中长期科学和技术发展纲要》把能源技术放在优先发展的位置，按照自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来的方针，加快推进能源技术。从“十一五”新疆GDP能耗下降趋势来看，连续多年均未能完成能耗下降4%的国家指标。电机产品的广泛使用推动了人类社会的进步，方便了人们的生活；但同时也消耗了大量的能源，严重地污染了环境。据文献介绍，1997年度英国整个产业界能源消费总量为104 455 GWh，其中，仅电机的消费量就占了 65%（约67 896 GWh）。如果能够将电机的效率提高2%，那么一年就可以节约电能1 350 GWh；如果按消费量计算，则一年就可减少向大气中排放75万吨C02。据东京电力（株）对日本电力消费情况做的调查，工业企业电力最终用途的70%是由电机（动力负荷）消费的。为保护环境、节约能源和提高经济效益，就必须对电机进行监测并采取节能措施。除了设备节能、工序节能，还要靠技术管理节能对企业生产流程进行全面、动态分析和优化，实现能源的管理和节约，而电机节能系统将是技术、管理节能的重要手段[1]。

1 主要研究内容

工业流程制造执行单元（MES）电机监测及节能管理系统的研究开发内容主要包括：电机监测系统设计；电机实时节能分析及最优节能方案；制造执行单元（MES）与电机监测节能一体化、系统化；电机监测节能系统与ERP系统的无缝链接；电机综合管理系统。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Block diagram of system structure

1.1 电机监测系统设计

在企业自动化生产过程中，通过工控设备对电机电流、电压、电机转数等各项参数的实时监测，将采集到的原始数据经过变换输入到计算机当中[2]。

电机的运行过程，电机过流、欠电流、电流不平衡、过压/欠压、缺相、振动超标等是常见的故障[3]。对电机的运行状态进行在线监测，可以提前发现问题并采取相应保护措施，对电机进行保护，可以有效地避免或防止故障扩大。通过和预先设置的报警值比较，分析电机是否工作在异常状态。

1.2 电机实时节能分析及最优节能方案

根据电机的实时运行数据和节能算法得出电机是否处在最佳节能运行方式，给出最优的节能方案，并且给出历史最佳运行记录[4]。

1.3 制造执行单元（MES）与电机监测节能的一体化、系统化

制造执行系统MES（Manufacturing Execution System）处于企业信息系统ERP和过程控制系统DCS/PLC的中间位置。MES上承ERP等计划系统，下接车间现场控制，填补了ERP与车间控制之间的断层，提供信息在垂直方向的集成。MES可看作是一个通信工具，它为其他各种应用系统提供现场实时信息。MES向上层ERP提交生产盘点、物料盘点、实际订单执行等涉及生产运行的数据；向PCS系统发布生产指令及有关生产运行的各种参数。生产维护是MES中的主要内容。在目前的工业企业中，电机已经是生产中的主要动力装置，因此电机的正常工作与否对企业的连续生产影响至关重要。本系统将电机监测纳入到MES系统之中，保障企业的生产过程。同时，本系统还与上层的ERP系统相连，可以动态关注电机配件的库存情况。

1.4 电机监测节能系统与ERP系统的无缝链接

监测节能系统利用工控机对电机的主要工作参数进行监测，在发现故障时，由于该系统和企业ERP系统是无缝链接的，就可以知道某种电机的配件是否充足，为企业减少电机维修时间，提高效率。

1.5 电机综合管理

电机是绝大多数设备的驱动设备，电机的可靠性和有效性会影响到工厂整个生产业务。电机管理项目包括：预防性和预见性维护；故障检修、停机和启动程序；电机采购；可靠性维护；电机修理；备件管理；持续改进；故障根源分析；电机数据管理系统[5]。

通过电机的平均无故障运行时间（MTBF），系统可以对目前所有的在用设备进行统计分析，提前告知即将报废或没有维修价值的电机，同时制定全面的电机管理项目：预防性和预见性维护、故障检修、停机和启动程序、电机采购、可靠性维护、备件管理、故障根源分析。

2 系统硬件设计

系统硬件采用华控伟业DZJ电机智能综合监控器。该监控器采用微处理技术的新一代智能电机保护装置，可对300 kW以下低压电机进行实时监测及时保护。采用人性化管理，对涉及电机故障运行的各种参数时行显示记录，有跟踪性和追溯性。具有4～20 mA模拟输出和开关量输入/输出功能。设置通讯接口，可与各种带串行输入/输出的设备进行双向通讯，组成网络控制系统，实现大范围跨地域的电力能量的综合监测和电机运行状态的监测。

3 软件设计

该系统的软件设计主要包括电机数据采集分析模块、电机综合管理模块、电机节能及故障预警、生产管理等模块，如图2所示。

3.1 电机数据采集分析模块

通过智能监控仪对电机的基本数据进行采集，将数据发送到系统的数据库中来。主要是对电机的电枢电流、电压、转速、励磁电流等数据进行实时存储并进行分析。

图2 软件界面图Fig.2 Interface chart of software

3.2 电机综合管理模块

电机是绝大多数设备的驱动设备，电机的可靠性和有效性会影响到工厂整个生产业务。电机管理项目包括：预防性和预见性维护；故障检修、停机和启动程序；电机采购；可靠性维护；电机修理；备件管理；持续改进；故障根源分析；电机数据管理系统。通过对电机的平均无故障运行时间（MTBF），系统可以对目前所有的在用设备进行统计分析，提前告知即将报废或没有维修价值的电机，同时制定全面的电机管理项目：预防性和预见性维护、故障检修、停机和启动程序、电机采购、可靠性维护、备件管理、故障根源分析。

3.3 电机节能及故障预警

将接收到的有用数据进行挖掘和处理，并且通过分析和对比实现电机工作故障的预警和节能状况分析。该模块将建立电能负荷数据库，最优节能控制方案等功能，达到经济使用能源、有效管理电能，提高综合经济效益的目的[6]。

3.4 生产管理

MES与上层ERP等业务系统和底层PCS等生产设备控制系统一起构成企业的神经系统，一是把业务计划的指令传达到生产现场，二是将生产现场的信息及时收集、上传和处理。MES作为上、下2个层次之间双方信息的传递系统，是链接现场层和经营层，改善生产经营效益的前沿系统。

4 结 论

采用该系统对新疆某造纸企业进行了试验。将该系统安装在生产线上，采集电机数据并进行分析。通过2组数据来体现该系统的实际效果。第一组数据是该企业每月维修的电机数，即该系统通过故障预警、备件管理等功能对电机维修效率的提高，通过监测数据显示，该企业使用本系统后，电机维修效率明显提高，保障了企业的正常生产，提高了企业的经济效益。

第二组通过企业年用电量对比显示，使用该系统后，达到了节能效果，用电量较前一年有所下降，节能效果达到2.03%。

本文阐述了制造执行单元与电机监测节能的一体化和系统化，实现了电机监测与ERP系统的无缝链接，在制造执行单元环节对电机进行监测及节能。实验表明，该系统可使电机维修效率提高33.3%，节能效果达到2.03%，经过厂家考证，该系统成本处在厂家可接受范围之内，可带来可观的经济效益和社会效益。然而，节能效果是目前企业关心的重点问题，如何进一步提高节能效果，并根据工业现场情况给出节能方案，是本系统要做的改进工作。

表1 电机维修时间对比Tab.1 Maintenance time contrast of motor

表2 用电量对比Tab.2 Contrast power consumption

[1]周永良.基于实时历史数据库技术的钢铁能源管理系统[J].冶金能源，2010，17（2）：34-36.ZHOU Yong-liang.EMS for iron and steel production based on real-time historian[J].Energy For Metallurgical Industry，2010，17（2）：34-36.

[2]吴兆明.智能能源管理系统设计研究[J].工业控制计算机，2009，11（5）：7-11.WU Zhao-ming.Research of intelligent energy management system[J].Industrial Control Computer， 2009，11（5）：7-11.

[3]沈裕钟.电工学[M].北京：高等教育出版社，1982：21-28.

[4]卲群涛.电机及拖动基础 [M].北京：机械工业出版社，2003：45-48.

[5]Goly K.电机——被忽略的资产[J].中国设备工程，2009，10（3）：66-69.Goly K.Motor-neglected assets[J].China Plant Engineering，2009，10（3）：66-69.

[6]陈岗.新型电机监控预警系统方案[EB/OL].（2009-11-23）.http：//www.cheminfo.gov.cn/HezuoPage/gongkong.aspx?code=cheminfo&action=detail&type=Paper&infoId=2009112315115 200002.