涂装车间能源管理系统的开发与应用

李 清，庄国全，杨永刚，龚永春，袁海田

(上海外高桥造船海洋工程有限公司，上海 201306)

涂装车间能源管理系统的开发与应用

李 清，庄国全，杨永刚，龚永春，袁海田

(上海外高桥造船海洋工程有限公司，上海 201306)

结合对涂装车间精细化设备能源管理模型与信息化管理需求的跟踪研究，通过建立统计模型、集成关联信息和数据分析，在原涂装管理系统平台基础上设计开发能源管理系统并加以实践运用，为实现能源管理精细化、降低生产成本，提高管理效益提供参考与帮助。结果表明：能源管理系统的开发与实践应用，不仅提升了能源的管理及其利用效率，降低了单位生产成本，而且还提供了一种实际可行的系统化、数字化、信息化能源管理模式。

管理信息系统；涂装；车间；能源

0 引 言

受全球经济环境及航运市场低迷的影响，船舶工业经济下行压力加大，我国船舶工业三大指标同比下降，行业发展面临更为严峻的挑战[1]。这使得船舶与海工装备制造企业的接单量大幅度降低，企业发展及利润空间进一步缩小。企业降本增效工作因而成为重中之重，也是企业在当前经济背景下提质增效、谋求发展的必经之路。而相对于其他先进制造行业，我国面向船舶行业的能源管理信息系统研究工作起步较晚，基础工作相对薄弱，目前尚处于初级发展阶段[2]。因此在能源系统管理方面国内成功案例少之又少。

自2010年本公司涂装车间试生产伊始，持续开展能源管理工作，积极响应降本增效各项管理决策，切实从生产实际抓好成本控制，通过对生产工艺流程的深入剖析研究，挖掘设备能源节约点；通过精细化管理手段推进设备使用及用能节约，提升整体盈利能力。经过5年的管理与经验积累，已经形成一套完善的能源管理体系。但体系的高效、可持续运行更需依托数据化、信息化、系统集成处理等工具平台加以实现，在减少管理成本的同时，实现更高效的管理。本文介绍的涂装车间能源管理系统，从能源管理方面成功实现了降本增效。

1 能源管理系统设计开发需求分析

涂装车间集控室设有涂装管理系统，主要有集中控制各类设备的开启与关闭、提供设备运行与操作记录等功能。但该系统未能对设备管理及能源消耗等相关数据进行利用与信息集成处理，不能为能源管控提供支持，而现有设备基础完全具备改善空间并且资本投入相对较少。因此，若结合现有先进的设备与能源管理理念，必然会提升设备与能源管理水平，以达到降本增效之目的。

涂装车间每年消耗大量电能，约500～700万千瓦时，是公司能源消耗“大户”，约占公司总耗电量12%。经过5年的管理提升与持续改进，年能源消耗总量得到有效控制，同时单位面积电能消耗显著下降，如图1和图2所示。但在能源消耗总量控制方面空间已逐渐缩小，管理难度逐渐加大，急需采取新思路、新方法来进行“内涵式”及“破格式”管理，即利用“系统化” “数据化”“信息化”等工具手段进行进一步分析与改进。 正因为涂装车间是用能大户，其总体能源消耗约占涂装部总能源消耗的60%～70%，如果能够对其能源消耗进行有效控制，将显著降低生产成本，提升经济效益。

图1 涂装车间年度电能消耗Fig.1 Annual electricity consumption in the painting workshop

图2 涂装车间年度单位面积能源消耗Fig.2 Annual energy consumption per unit in the painting workshop

目前涂装车间能源管理以人工操作与统计为主，要完成能源数据的统计、分析需要消耗较多的人力、物力，约2.3万元/年。

结合实际需要及现实可行性，控制能源消耗、提升管理效益等对于设计开发能源管理系统存在着较为强烈的需求。

2 能源管理系统数据统计原理和系统设计开发

2.1 能源管理系统数据统计原理

能源数据统计原理是本系统的技术基础，也是技术要求的核心内容与关键点。其主要包含电子式电能表及其信息通信技术、电能消耗理论计算、峰平谷时分区间能源消耗统计、基于能源消耗与生产物量的能效技术指标等。系统所应用的能源数据统计原理是在充分减少项目投资情况下，通过精确能源计算而创造产生的，其在能源系统管理领域属于技术创新应用。

2.1.1峰平谷时分区间

考虑到制造业企业工业用电按峰平谷时分区间收费，故该系统在设计时充分考虑了峰平谷时分区间，以便于实际电能费用的统计与结算。峰平谷时分区间为：18:00—21:00，21:00—22:00，22:00—6:00，6:00—8:00，8:00—11:00，11:00—18:00。

2.1.2设备实动台时统计

原涂装管理系统与上位机控制系统已经实现对每台设备开启、关闭等信息的记录，即通过其“操作记录”及“运行记录”界面可以查询设备的实动台时信息。但该信息不能为能源管理提供信息数据支持，存在局限性。

以原系统为基础平台，开发峰平谷时分区间实动台时统计功能。将每台设备18:00至次日18:00按峰平谷时分区间，单独核算实动台时T，形成设备峰平谷台时报表。

2.1.3设备功率

涂装车间各类设备额定功率及能源消耗占比如表1所示。

由于真空吸砂机组、四季型除湿机均安装了电子式电能表，故真空吸砂机组、四季型除湿机平均功率等于日峰平谷电能表读数之和除以日实动台时之和。

表1涂装车间各类设备额定功率及能源消耗占比

Table1Equipmentratedpowerandenergyconsumptionproportioninpaintingworkshop

2.1.4设备能源消耗统计

(1)真空吸砂机组、四季型除湿机能源消耗统计。真空吸砂机组、四季型除湿机在涂装车间能源消耗占比最大，为52.2%，且在运行时会处于不同负载状态，其平均功率较额定功率偏离大。为此，在设计之初，即提出每台真空吸砂机组、四季型除湿机安装电子式电能表，以期准确地核算能源消耗。开发时要求按照峰平谷时分区间从电子式电能表自动取值，统计每台设备能源消耗。

(2) 其他设备能源消耗统计。其他设备也存在不同负载状态，但由于运行环境相对稳定，电能消耗可以按照额定功率核算，即电能消耗W=额定功率P×时间T×功率因数cosη[3]。结合电力部门电力数据cosη取值0.92。因此，按上述公式与对应设备峰平谷实动台时数据，核算各设备峰平谷能源消耗。

2.1.5其他数据统计

(1) 设备能源消耗价格等于设备峰平谷能源消耗与对应的峰平谷时分区间电价乘积之和。

(2) 设备台时利用率等于设备实动台时之和除以按每台每天8h计算的台时。

(3) 单位面积能源消耗等于设备能源消耗与对应时间区间物量产出之商。

(4) 其他数据指标均通过以上数据组合计算而来。

2.2 能源管理系统架构

原涂装管理系统主要架构如图3所示，由上位机系统、管理系统、操作台、以太网、控制及触摸显示屏等组成。现能源管理系统架构如图4所示，在原有基础上新增了若干电子式电能表。

图3 原系统架构Fig.3 Original system architecture

2.3 能源管理系统设计开发

2.3.1系统设计开发平台及主要软件技术

能源管理系统设计开发基于上位机组态王Kingview软件、Visual Basic编程软件以及Microsoft SQL企业管理器平台，所采用的操作系统为Windows Server2008R2Standard。

组态王软件Kingview(见图5)能为用户提供丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口[4]。Visual Basic(见图6)是一种由微软公司开发的结构化、模块化、面向对象、包含协助开发环境的以事件驱动为机制的可视化程序设计语言[5]。利用Visual Basic 程序设计语言实现管理系统的功能开发，是系统设计开发最主要、最关键的技术工作。Microsoft SQL企业管理器是SQL Server2000中最重要的一个产品组件。用户和系统管理员通过SQL企业管理器不仅能够配置系统环境和管理SQL Server，而且所有SQL Server 对象的建立与管理都可以通过它来完成。系统主要使用Microsoft SQL企业管理器(见图7)的创建和管理数据库及各种数据库对象与备份和恢复数据库。

综上所述，能源管理系统主要软件技术就是采用Visual Basic 程序设计语言编程实现实时能源数据采集技术在生产制造执行中的应用[6]，将上位机采集到的电能数据及有关能源信息存放在SQL数据库，再通过Visual Basic 程序设计语言编程核算出能源消耗，生成报表从而开发出能源管理系统。

图5 Kingview软件界面Fig.5 Kingview software interface

图6 Visual Basic软件界面Fig.6 Visual Basic software interface

图7 Microsoft SQL企业管理器界面Fig.7 Microsoft SQL Enterprise Manager interface

2.3.2系统主要功能设计

能源管理系统的主要功能设计为：极少部分数据如每日生产信息为人工输入，其他能源数据全部由系统自动采集、存储、计算实现，最终通过人机界面的实时显示与查询功能实现能源数据信息的获取，从而为能源管理提供信息技术支持。

主要功能设计有：(1)峰平谷时分区间电价设置功能；(2)查询显示各设备如真空吸砂机等峰平谷时分区间能源消耗；(3)实时显示电子式电能表所对应设备的三相电流、三相电压、电能表计数值；(4)实时显示设备总功率及趋势等信息；(5)设备自动关机功能；(6)能源日报查询功能；(7)自由报表查询功能；(8)每日生产信息登录。

2.3.3系统设计框图

系统将采集到的数据存储在SQL数据库中，再结合每日生产信息登陆的数据，由系统通过程序设定的电能计算公式[其中包含单位如元、kW·h、元/(kW·h)等，有求和、平均等运算]自动运算、更新，集成至数据库中；再通过报表控件等调出数据查看、打印等处理。系统设计框图如图8所示。

图8 系统设计框图Fig.8 System design block diagram

3 能源管理系统应用及流程

3.1 能源管理系统应用

与系统主要设计功能对应，介绍其各功能的应用。

3.1.1峰平谷时分区间电价设置功能应用

电价与峰平谷时分区间相对应。电价参数的设置可用于设备能源消耗真实成本的核算统计，并在系统各报表中予以体现。系统管理员可自由设置电价参数，分别为：峰时、平时、谷时。设置界面如图9所示。设定电价不会对历史数据产生任何影响，只会对设定后的数据产生影响。

图9 峰平谷电价设置Fig.9 Peak/flat/valley electricity price setting

3.1.2 峰平谷时分区间设备台时、能源消耗核算统计功能应用

设备峰平谷时分区间台时统计功能，可查询各设备在任意日期任意峰平谷时分区间实动台时数、功率及合计台时数。

峰平谷时分区间设备能源消耗统计功能，可查询各设备在任意日期任意峰平谷时分区间能源消耗、功率及合计能源消耗。生成的报表如图10所示。

峰平谷时分区间设备能源消耗核算(元)统计功能，可查询各设备在任意日期任意峰平谷时分区间能源消耗(元)、功率及合计能源消耗(元)。

图10 峰平谷时分区间能源消耗报表Fig.10 Energy comsumption report of peak/flat/valley partition

图11 设备定时关机界面Fig.11 Equipment timing shutdown interface

3.1.3定时关机功能应用

定时关机功能可减少因人为疏忽延迟或忘记关闭设备而造成的能源浪费。如在喷涂结束后，根据油漆固化时间核算去湿机及排风系统的关闭时间，在系统内设置定时关机(见图11)，设备将在指定时间关闭，从而减少能源消耗。

3.1.4电表数据界面应用

通过电表数据界面(见图12)的三相电流值是否均衡判断设备供电系统是否正常、安全。通过三相电流值的大小判断设备负载的情况。若设备长期处于低或高负载状态，应通知现场操作人员检查设备使用情况，是否存在空放或人为造成的高负载，从而减少能源消耗。

图12 电表数据界面Fig.12 Electric meter data interface

3.1.5总功率趋势图应用

通过总功率趋势图(见图13)可精确判断当前设备能源消耗状态，结合生产物量及能效指标，通过减少设备开启降低总功率值，使瞬时功率维持在较低水平，从而降低电能消耗。

图13 总功率趋势图界面Fig.13 Total power trend chart interface

3.1.6每日生产信息登录

每日生产信息登录界面如图14所示，可登记和查询每日生产信息，如作业项目、生产物量、作业时间等信息。所登录的信息为日报表及自由报表的生产信息来源，便于核算单位面积能源消耗及生产作业的衔接情况。

图14 每日生产信息登录界面Fig.14 Daily production information login interface

3.1.7日报表功能应用

日报表(见图15)通过公司内部网络传输至相关管理人员。管理人员通过日报表查看每天能源消耗及能效指标，判断能效指标正常或超标、冲砂与收砂作业是否无缝衔接、峰平谷电能使用情况等。若某日指标超标，则可结合日报表分析出原因，第一时间采取改进措施，最终再依据日报表验证管理的成效。

图15 日报表界面Fig.15 Daily report interface

3.1.8自由报表应用

通过自由报表界面(见图16)可查询任意时间区间能源效益报表，可进行阶段总结分析。

图16 自由报表界面Fig.16 Free report interface

3.2 能源管理系统流程

图17 能源管理系统流程图Fig.17 Flow chart of the energy management system

如图17所示，能源管理系统的信息输入主要通过人工实现，主要有系统设置、生产信息登录、查询信息登录、自动关机信息等。信息的输入是系统功能实现的有效保证。此外，过程中的数据处理、最终的结果输出均由系统自动处理生成。只要确保管理人员信息输入的准确性，即可确保能源信息结果输出的准确性。

生产过程中能源管理过程及结果的实现主要依托管理和操作人员及时查询和检查系统输出的各类图表信息，及时判断能源绩效指数及其异常情况，结合报表的详细数据结果快速判断并采取纠正或持续改进措施，从而实现对涂装车间能源的实时管控，达到能源绩效的目标要求。

4 小 结

4.1 经济效益

该系统2015年初投入生产应用，为使系统与管理人员做到“人-机”结合，制定了涂装车间设备能源管理操作规程，将系统功能与涂装车间各生产管理环节紧密联系；同时编制设备开启标准予以实施；成立能源管理工作组，分析能源数据报表并将信息共享实现管理可持续性。

根据图2所示数据，2014年单位面积能源消耗为4.04×104kW·h，2015年为3.08×104kW·h。2015年较2014年下降24%。2015年涂装车间生产物量为1641338m2。以2014实际能源数据指标4.04×104kW·作为2015年目标指标，则2015年度该成果投入应用后所创造的经济价值约为157.6万元。

该系统的开发与应用费用约为11万元，因而2015年度的经济效益为146.6万元。在创造了巨大的经济效益之外，涂装车间能源管理跨入了系统化、数字化与信息化管理时代。

4.2 管理成果

能源管理系统可大量减少设备操作工的文本与数据统计工作，节约工时及材料消耗，更加适应精益生产管理的发展趋势；通过对设备峰平谷能源消耗统计与实时监控，第一时间采取管控与改进措施，合理使用设备资源，从而降低能源消耗；系统所形成的各类报表有助于保存、查询和分析统计，对生产管理起到促进改善作用。

该能源管理系统的开发与应用，已使公司成为国内首家船舶制造业涂装车间设备能源管理体系，树立了行业先进的管理标杆。本文完成之时，该项管理创新正在申报2016年上海市企业管理创新成果，并将在二期“一喷一涂”涂装车间建设项目上予以实施与推广应用。受益于涂装部精细化全过程生产管理及涂装车间能源管理系统的实施与推进，“涂装部”于2015年荣获中国质量协会“全国现场管理星级评价五星级现场”等荣誉称号。

5 结 语

综上所述，研究并开发能源管理系统，实现了涂装车间设备及能源管理的系统化、数字化、信息化，保证了能源信息数据传输的准确性、及时性、共享性，提升了能源管理效率与涂装设备智能化管理水平。再结合涂装精细化生产管理与实践应用，实现了巨大的经济效益。此外，该管理系统还提供了一种实际可行的系统化、数字化、信息化能源管理模式。它具有充分可移植性，对于其他行业生产制造车间的设备及能源管理具有深远的借鉴意义。

[1] 彭新启. 节能减排“动真格”船舶业开启严管模式[J]. 中国远洋航务,2016(1)：39.

[2] 叶小列，王楠，任婷婷，等. 面向船舶行业的能源管理信息系统研究[C]. 第十六届中国科协年会——分8绿色造船与安全航运论坛论文集,2014.

[3] 陶梅.能源计量数据平台的建设[J]. 工业计量,2014，24(2)：67.

[4] 王孝红, 韩丹, 景绍洪.组态软件上位机监控系统设计与开发[J]. 信息技术与信息化,2005(6)：78.

[5] 桂在吾，沈俊杰，陈久康.VB在组态软件设计中的应用[J]. 机械与电子，2002，24(1)：15.

[6] 王雪寒，辇玉玉，姚翠红，等.实时数据采集技术在生产制造执行中的应用[J]. 工业控制计算机,2013，26(2)：18.

DevelopmentandApplicationofEnergyManagementSysteminPaintingWorkshop

LI Qing, ZHUANG Guo-quan, YANG Yong-gang, GONG Yong-chun, YUAN Hai-tian

(ShanghaiWaigaoqiaoShipbuildingandOffshoreEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai201306,China)

By combing the follow-up study on the energy management system for painting workshop fine equipment and the needs of information management, we develop the energy management system through statistical modelling, correlation information integration, and data analysis. The purpose of this research is to help to achieve management refinement of energy, reduce the production cost, and improve the management. The results show that the energy management system development and practical application not only improve the energy management and efficiency, but also reduce the cost of production. It provides a practical energy management model with systematization, digitization, and informatization.

management information system; painting; workshop; energy

2016-07-18

李清(1980—)，男，工程师，主要从事船舶与海洋工程项目建造工作。

U671；C931.6

A

2095-7297(2016)04-0261-08