工业企业的智慧节能技术研究

刘治恩 徐席东 李传明

（安徽节源环保科技有限公司 安徽省合肥市 230088）

工业企业的智慧节能技术研究

刘治恩 徐席东 李传明

（安徽节源环保科技有限公司 安徽省合肥市 230088）

本文总结了国内节能发展历程，并提出智慧节能理念，紧接着阐述智慧节能产生的背景，明确智慧节能的时代已经到来，并给出了智慧节能的基本原理和实现的技术架构，分析了实现智慧节能的主要技术难点。让读者对智慧节能有一个宏观上的认识和了解。

智慧节能；智慧节能云；工业企业子站；专家知识库；仿真分析库

前言

《中华人民共和国节约能源法》自1998年1月1日起施行以来，中国取得了举世瞩目的成就，我国火力发电、钢铁、水泥等能效水平显著提高，甚至有的企业处于全球领先位置。在看到成绩的同时，也要清醒的认识到容易采取的节能措施已经都做了，剩下的就是啃骨头。目前，节能工作更加关注节能减排的系统效益和综合效益——既要节能，也要环保。在这种情况下，对节能理念创新和节能技术创新都提出了更高要求，同时也呼唤着新的节能理念和节能技术的出现。

1 国内节能发展历程

我国自1998年正式开展节能工作以来，按照采取的节能措施不同，大致可分为技术节能、管理节能、智慧节能三种。

第一种：技术节能

1998年我国出台节约能源法之后，首先通过技术手段实现工业企业的节能。技术节能主要对单体设备或局部工艺进行改造，提高设备的能源利用效率和回收余热、余压等余能实现节能。采用技术节能，优点是节能效果直观、实施相对简单和易操作，缺点是随着时间的推移节能率会逐渐减小。技术节能的典型代表有电动机的变频技术、锅炉烟气余热发电技术、无功补偿技术、空压机余热回收技术等。

第二种：管理节能

随着技术节能的推进，容易采取的单体设备的技术改造和工艺的技术改造已经都做了，那些具有节能空间的、不易被发现的节能潜力点需要进一步挖掘。管理节能全面监测工业企业数据（工业企业数据包括生产数据、运行数据、环境数据、控制信息以及管理信息等），通过软件分析对关键能源指标、生产指标和能耗指标实时处理、分析和统计，提供当前和历史的工业企业数据以及相关参量之间的趋势关系，利用这些对比的数据和信息，可以直观了解能源使用存在的问题，并挖掘节能潜力点，再采取有针对性的节能措施实现节能。采用管理节能，优点是可以深层次挖掘更大节能潜力点，缺点是短期效果不明显、实施较复杂、不能实时自动控制。管理节能的典型代表有企业能源管理中心、能源在线监测系统等。

第三种：智慧节能

随着工业企业能源管理中心和能源在线监测系统的建设，预期的节能目标未能达到，主要原因包括对管理人员专业知识要求较高而实际缺少、需要依赖人去执行且易受人为因素影响等，因此必须采取避免上述原因影响的节能手段。智慧节能基于系统工程原理，依据智慧大脑——专家知识库和仿真分析库，对工业企业数据进行动态实时处理、分析、仿真，并给出最优控制方案和改造方案，利用灵活四肢——自动控制系统，自动调整设备运行状态，使整个系统达到最优化，从而实现最大化的节能。采用智慧节能，优点是节能智慧化、最大化，缺点是投入成本高、技术难度大。智慧节能的典型代表有智慧节能云平台。

本文将重点介绍利用智慧节能云平台实现工业企业的智慧节能。

2 智慧节能产生的背景

2.1 新一代信息技术的快速发展

近几年，继物联网、云计算之后，大数据也成为了新一代信息技术的重要内容。而且，随着新一轮工业革命的到来，云计算、大数据、物联网等新一代信息技术在未来制造业中的作用愈发重要。

智慧节能正式基于新一代信息技术的快速发展为基础，使得实现才成为了可能。工业企业数据的快速采集、识别与获取，需要物联网技术作为支撑；工业企业数据的快速存储、网络传输和基础计算，需要云计算技术作为支撑；工业企业数据的快速处理、分析、挖掘，需要大数据技术作为支撑。再加上智慧大脑——专家知识库、仿真分析库和灵活四肢——自动控制系统，使得工业企业的智慧节能具备了条件。

2.2 工业企业生产管理精细化不断加深

随着技术的不断进步、经济的不断发展，工业企业生产管理大致经历了这样几个阶段：

第一个阶段：在线监测

对工业企业关键的工业企业数据进行监视和测量，能够进行实时监测和基础统计。

第二个阶段：在线管理

以在线监测为基础，注重对重要的工业企业数据进行分析、处理、对标和定额等，实现对车间、班组、人员的考核管理。目前，工业企业正在建设的企业能源管理中心是这一阶段的典型代表，但是由于缺少配套的管理制度、专家知识库和执行设备，对节能促进作用有限。

第三个阶段：在线管控

以在线管理为基础，更加注重对生产设备、生产工艺进行自动化、智能化和统一化管控，配套管理制度、专家知识库、仿真分析库和自动控制系统，使生产设备工作在最优状态，使生产工艺达到最优参数，以降低能源损耗、减少能源消耗、提高设备运行效率，从而实现最大化节能，这正是智慧节能的核心理念。

随着“两化融合”不断加深，工业企业生产管理精细化会不断由第二阶段向第三阶段过度，智慧节能的时代已经到来。

3 智慧节能的基本原理

智慧节能并不是否定技术节能和管理节能，而是以技术节能和管理节能为基础，结合智慧大脑实现更大的节能目标，智慧节能基本原理框图见图1所示。

图1 智慧节能基本原理框图

如图1所示，虚线左边属于私有部分（也称个性部分），在工业企业侧建设；虚线右边属于公共部分（也称共性部分），建设在云端。数据的存储、处理都在工业企业侧，不用担心数据的外泄，云端为工业企业侧提供数据挖掘技术、仿真分析技术和方案评价方法等服务，避免了大数据的转移，提高了数据处理速度。转移计算方法、不转移数据正是云计算和大数据的核心理念。

4 智慧节能的技术手段

将图1中智慧大脑建设成为智慧节能云，虚线左边部分建设成为工业企业子站，就形成了智慧节能的整体架构，见图2所示。

图2 智慧节能整体架构图

4.1 智慧节能云

智慧节能云是智慧节能技术的大脑，分为应用软件和基础硬件。应用软件包括专家知识库和仿真分析库。基础硬件包括服务器、存储器、负载均衡和数据接口等，通过数据接口与工业企业子站通讯。智慧节能云架构见图3所示。

图3 智慧节能云架构图

4.1.1 专家知识库

逐步建立涵盖电力系统知识库、电能质量知识库、热能知识库、能源管理知识库、余热发电知识库、余热回收知识库、锅炉系统知识库和风机水泵知识库等。

4.1.2 仿真分析库

逐步建立电力滤波与无功补偿设计仿真软件、锅炉系统优化控制软件、风机水泵优化控制软件、电弧炉系统优化控制软件和关口节电分析软件等。

4.1.3 数据接口层

智慧节能云和工业企业子站的通讯通道。子站向智慧节能云发出请求，请求获取某种知识或某种数据处理方法，智慧节能云根据子站请求提供对应请求的知识和数据处理方法。

4.2 工业企业子站

工业企业子站建设分三层结构：感知终端层、网络平台层和应用服务层，是标准的物联网三层结构，工业企业子站架构见图4所示。

图4 工业企业子站架构图

感知终端层通过感知终端对工业企业的能源系统、生产系统和生产的辅助系统的工业企业数据进行快速采集、识别与获取。

网络平台层通过互联网、GPRS、Zigbee、以太网、服务器、存储器等对工业企业的能源系统、生产系统和生产的辅助系统的工业企业数据进行快速存储、网络传输和基础计算。

应用服务层通过在线监测、用能分析、项目管理、仿真分析和专家服务五个模块对工业企业的能源系统、生产系统和生产的辅助系统的工业企业数据进行快速处理、分析、挖掘，并以最佳的可视化效果展示出来。另外，针对存在的节能潜力点给出对应的优化控制方案和节能改造方案，作为工业企业采取节能措施的主要依据。

子站完成数据的采集、传输、存储、处理等，向智慧节能云请求所需的专家知识和数据处理方法，挖掘节能潜力、制定节能改造方案和优化控制方案，从而实现智慧节能。

5 智慧节能的主要技术难点

5.1 专家知识库建设

专家知识库涵盖知识面广，非朝夕之功即可建成的，要选择性建设，后期逐步完善；专家知识库的知识要点要易于查找，搜索方便，快速响应子站请求。

5.2 仿真分析库建设

仿真分析库也要选择性建设，后期逐步完善，同时要易于查找，搜索方便，快速响应子站请求。

5.3 子站的智能控制系统建设

子站通过数据处理产生的优化控制命令，必须准确无误地执行，需要一套稳定可靠的智能控制系统，既要快速响应，又要及时反馈。

6 总结及展望

（1）智慧节能的基本原理是基于技术节能和管理节能，并结合智慧大脑——智慧节能云实现智慧节能，并不排斥技术节能和管理节能，而是将两者有机融合在统一的智慧大脑——智慧节能云下；

（2）智慧节能的技术手段主要介绍技术实现架构、智慧节能云架构和子站架构，简要说明了技术实现思路，并未对具体内容详细展开；

（3）智慧节能的主要技术难点宏观上包括专家知识库建设、仿真分析库建设和子站的智能控制系统建设三个大部分，微观上每个部分还包括许多技术难点；

（4）本文介绍的智慧节能，只供读者对其在宏观上有个整体认识和了解，智慧节能的具体实现技术和方法，还有待进一步研究，智慧节能云平台建设、不同行业的工业企业子站建设等存在很大的研究空间，期待志同道合者继续深入研究。

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2016-3-20