轮胎制造企业数字化智慧能源系统模型构建与实践

杨开九 石 初 吉小亮

（韩泰轮胎有限公司，浙江嘉兴 314000）

1 智慧能源系统与工业互联网

智慧数字化能源是近几年兴起的一个新概念。早期IBM专家在国际学术界提出要“构建”一个更智慧的地球理念。智慧城市、智慧能源、智能电网、智能制造、工业互联网、云计算、大数据等理念与物联网整合，随着新基建5G技术的成熟，互联网+万物互联技术应用，工业化与信息化融合，即信息化和工业化同时发展，也要融合发展，简称“两化融合”。

工业部门两化融合发展分为四个阶段，即起步设、单向覆盖、综合集成、创新突破。前三个阶段都可以购买，第四阶段原则上需要进行创新协调。本次介绍的智慧数字化能源系统将国际能源管理体系ISO50001从传统文件管理、年度审查考核，过渡为通过创新方式体系要求与能源数字化智能平台融合，实现工艺过程实施管控、能源供给侧效率化、用能侧经济运行标准化和效益最大化。

2 智慧数字化能源系统模型的设计理念

21世纪，德国、美国等国家相继提出工业4.0，工业互联网和制造2025等国家战略，宣告即将进入智慧时代，其初级阶段是最近几年的数字化时代和共享时代，将解决行为数字化问题、智能决策等问题，未来将进入高阶阶段，即智慧时代。

企业在数字化改造过程中，最底层基本架构是制造执行系统MES，实现的功能主要是生产计划、产量统计分析、品质管控、设备状态分析等。本次数字智慧能源系统开发是基于成熟MES系统架构二次开发；电力、蒸汽、水等计量器具数据，通过集中器移动SIM卡将数据传送云端服务器。在数据处理方面，实现采集通用性、可复制性，持续扩大平台数据处理能力、设备接口兼容能力，实现云存储数据、二次开发能力，关键部位5G通信技术及大数据应用。能源数据处理和MES生产信息融合；根据工艺不同数据，采样频率设定为1～15 min；实现不同工艺段、不同车间、不同设备产量数据与能耗数据匹配，实现单位产品能耗过程曲线趋势管理。通过设定单位产品耗能基准目标，自动测算达成率，也可以与上年度实绩进行对比。通过实时监督单位产品能耗异常，进行自动预警并生成工单，各管理者通过差异分析及时跟进措施减少能源浪费，提高能源利用效率。对于同类型的设备进行单位产品能耗的横向对比，查找差异原因，必要时投入技术改造以提升设备效率，改造后再通过单位产品能耗曲线下降趋势验证其效果。通过持续优化，并以最优能效工艺、设备作为标杆改善其他设备能效，通过PDCA循环不断提升公司整体能源管理水平。

3 智慧能源系统的设计及基础架构

（1）根据物理部署结合软件B/S的架构；通过采集用能设备的实时能耗数据，利用网络送入平台数据库进行存档、统计和分析，实现能效利用水平评估，对节能效果和成本收益管理核算，将综合分析数据反馈至生产管理者，提供切实有效的节能管控辅助决策依据。

智慧能源系统架构如图1所示。

图1 智慧能源系统架构

（2）能耗数据采用国际通用通信协议RS485总线方式实时采集计量仪表数据，传输到集中器，集中器再通过无线公网（4G/5G）的方式将数据传输至需求侧管理平台。遵照《用能单位能耗在线监测技术要求》（GB/T 38692—2020）的相关要求，能源计量器具配备、安装、管理符合《用能单位能源计量器具配备和管理通则》（GB 17167—2006）要求，在此基础上升级配备智能化仪表，并保证准确度等级，以满足在线监测的精度要求。安装符合《电缆线路施工及验收标准》（GB 50168—2018）、《自动化仪表工程施工及质量验收规范》（GB 50093—2013）要求，与安装环境条件相适应，安装形式和外观与监测对象、用能设备本体相协调，尽量缩短与用能设备本体连接的信号引线、通路长度，对信号与通路实施有效隔离和绝缘，提高系统可靠性。

4 智慧能源系统的功能设计与应用效果

（1）能效监测与应用。

①对电力、蒸汽、水等关键用能部位实现在线实时采集，与MES生产系统工艺流程匹配，实现能源日监控、周分析、月、年精细化考核。

②系统可提取各种能耗数据进行自动分析比较，确定目标并对公司总量、车间级、部门级、责任人级、重点设备级的单位产品能耗和效率进行监测、考核。

③系统可通过积累的大数据进行趋势分析、PDCA循环管理，实现主要能耗管理指标的“横向比较、纵向对标”，不断识别出能源绩效改进机会并实施改善。

重点设备单位产品能耗趋势如图2所示。

图2 重点设备单位产品能耗趋势

（2）监测分析配电系统电能质量，提高电能质量水平。

实现对电能动态监测，例如三相电压、电流、有功功率、无功功率、有功电量、无功电量、功率因数等。按照用能设备、用能位置进行电能质量监测，对造成各种电能质量问题的原因进行分析和判断，及时改善电能质量。通过系统监管优化功率因素，取得良好效果。

（3）管控公用工程重点能耗设备，提高设备利用效率。

本数字智慧能源系统实现空压系统集中自动控制，系统根据现场在现场并优先选择气电比效率高的空压机设备，优先启动达到压力稳定，能效浪费减少。

根据重点能耗设备用能情况，评估重点用能设备，对其进行能效管理。例如，可以对空压机产气量比功率、冷冻机COP进行监测，对效率低的设备进行评估分析，查找主要原因，为制定效率提高措施提供有效支撑。

空压机比功率及原单位考核如图3所示。

图3 空压机比功率及原单位考核

（4）全面监测水系，最大限度挖掘节水潜力。

通过对重点用水系统水量进行在线监测，从取水到排水进行全过程分析，通过在线监测、诊断、预警及动态的梯级利用，最大限度挖掘节水潜力。

（5）对标管理各能源，帮助企业提高能效。

对企业各能源建立指标库，通过内部和外部对标，帮助企业了解自身及各用能单元的能效水平位置，为挖掘节能潜力、提高能效给予数据支撑。

5 本次数字智慧能源系统配置与功能

（1）平台目前能源管理实现电、蒸汽、水、天然气、氮气、柴油等能源管理，开放性接口可扩展至其他多种能源管理，实现微能源、分布式能源的管理及多能互补。

（2）本平台容量大，目前同时覆盖3个工厂、13个生产工艺流程及管理环节，连接94台大型耗能设备，对40个生产及辅助设备边界进行原单位管理，352个计量表、372个测量点（含温度压力）可根据硬件支撑扩展容纳量。

（3）平台可根据设备能效情况，自动调节生产设备运行顺序和优先级，如空压机的集中压力控制系统应用。

（4）实时性好，可根据现场需要情况设定采样频率；目前设定15 min时间单位的数据上传，数据传输无滞后。

（5）平台可实现部分设备的流量、压力等运行状态实时监控和管理，后期建设方向为利用5G等新技术监控设备全面运行状态。

（6）平台具泛物联能力，兼容8种物联接口。

（7）平台建设有稳定的安全保障系统和完善的运维标准化程序，平台可靠性高投运3年以来基本无故障。

（8）平台开放开发端，支持7种开发语言，允许应用企业二次开发。

6 结语

本数字化智慧能源系统填补了设备能耗信息流与MES生产管理系统工艺流程实时匹配细化监控分析的空白，已实现对工厂生产能耗进行监测和分析，从管理节能角度为企业服务，促进企业的精细化管理，实现了企业工业化与信息化的“两化融合”。通过智慧能源平台，近几年公司单位产品能耗持续下降（电力、蒸汽、LNG等在同产能条件下），对比系统运行前参照《轮胎单位产品能耗限额》（GB 29449—2012）要求，单位产品能耗远下降约20%以上，跨入行业能耗先进值行列。经济效益5年通过财务成本核算节俭1.2亿元能源费、减排二氧化碳9.9 万t。2019年，公司被工信部认证为国家级绿色工厂。2020年，本系统列入浙江省工业互联网平台，关联电力、蒸汽、LNG数据已接入浙江省能源监测中心。自身项目与企业能源管理体系ISO50001理念融合具有通用性，适合企业推广实现能源精细化管理，成为政府实现能源“双控”，引导企业实现绿色制造，低碳发展的重要抓手。不断融入5G通信技术、构筑各行业能源消耗大数据，有利于行业能效标准制定。企业层面实现各行业能效行业横向对比、纵向对标，识别改善机会，投入设备改造，引领企业高质量发展，利用5G新技术实现数字化转型，构建“践行绿水青山、节能增效理念”的典型示范性平台。