陈枢彦,韦 帅
(佛山技研智联科技有限公司,广东佛山 528000)
印染行业在纺织工业中占据着重要的地位,而我国大部分印染企业都属于中小型的劳动密集型企业,随着企业规模的扩大,企业运作过程中需要管理的信息日益繁杂,传统的管理模式已经不能满足实际的需求,特别是企业的能源管理方式还存在相对落后的人手抄表和人工记录耗损的情况。为此,本方案提出了工业互联网能源管理解决方案,集“物联网”“大数据”“云计算”“AI”“边缘计算”“智能网关”等技术于一体,服务于园区、企事业单位在能源的生产、输配、使用过程中对能源管理的两化(信息化、自动化)融合需求,服务于安全用能、经济用能以及精细化管理的需求。具体如下:(1)能耗管理系统采用分层分布式系统体系结构,对电力、天然气、水、蒸汽等各分类能耗数据进行采集、处理,并分析能耗状况,实现节能应用;(2)采用仪表管理、能源监控、能源统计、能耗预测分析、重点能耗设备管理、能源计量设备管理等多种手段,使企业管理者对企业的能源成本比重、发展趋势有准确的掌握;(3)让电力、用水、天然气、蒸汽等用能信息可视化,并与生产运营相结合,形成单位制品能耗、日均网损、平均(水电气)价格等指标,协助管理者精准掌控企业状况,进行客观、科学的分析,为企业精细化管理提供新的数据化维度。
业务架构图如图1所示。
图1 业务架构图
能耗管理系统采用分层分布式系统体系结构,对电力、天然气、水、蒸汽等各分类能耗数据进行采集、处理,并分析能耗状况,实现节能应用。技术路线为采集终端智能仪表水、电、蒸汽、天然气等数据,并将数据通过以太网、4G/5G的形式传输、存储至技研工业云平台进行相关的分析处理[1],用户只需打开相应系统的应用软件(Windows、Android、IOS)即可通过手机APP、电脑客户端完成对用能数据的调取、监控、分析、管理等需求,让用能信息变得简单和直观,使决策者、管理者更有效地掌控企业能源管理信息。
1.1.1 终端感知层
终端感知层提供的数据主要来自现场的水表、天然气表、蒸汽表以及安装在现场的智能电表、电气安全预警仪等。
1.1.2 网络传输层
网络传输层主要提供工业网关,负责终端智能表(计)与平台应用层的连接,实时采集设备数据,上报到云上的物联网服务[2]。
1.1.3 平台应用层
平台应用层基于技研云平台工业PaaS服务搭建,提供面向能源管理领域的特定场景应用。其中,通用PaaS提供云计算、大数据、应用开发、物联网等基础PaaS服务能力,提供以数据为核心的工业数据服务、机理模型服务和业务微服务。应用层提供安全预警、能耗管理、设备监控等功能,服务安全用能、经济用能以及精细化管理的需求,同时支持PC端和移动端(微信小程序)访问,满足不同用户群体的使用需求。
能耗业务逻辑:通过计量表管理对能源系统的底层现场设备进行定义,计量表数据通过485通讯自动采集与人工录入作为基础数据的输入端,将指定的计量表与统计对象(包括区域、设备等)进行运算赋值、绑定连接,最终生成各时间段的区域、设备等能耗明细。
单耗业务逻辑:在能耗统计的基础上,结合各统计对象的产量情况及各产品类型的系数加成,定时核算单耗数据。系统设定统计对象的单耗基准,在实际单耗与设定的单耗基准出现一定的偏差时,自动发起警报。
批耗业务逻辑:在能耗与单耗的基础上,结合每个订单/批次的工艺数据、配方数据、机台排程数据、订单/批次的开始与结束节点等信息,核算出每个订单/批次/工艺的生产能耗。
能源管理业务流程如图2所示。
图2 能源管理业务流程图
能源管理系统实时信息采集管理系统的目标是建立数据通信网络,实现对能耗信息的自动监测,进而完成能源的管理,实现安全、优良供能,提高工作效率,降低能耗,从而达到降低产品成本的目的。包括数据采集、数据发布和数据分析管理,主要功能是实现所有能耗数据的采集,并在企业内部范围内实现数据的发布[3]。
整个能源管理系统采用可靠的硬件平台辅以成熟的软件平台,构成集中式数据采集监控分析管理系统,并实现能耗数据的集中管理和归档,通过网络在企业内部范围内实现数据发布。
通过数据采集器自动采集现场仪表的能耗数据信息,为能源信息管理提供原始数据。
2.1.1 通信协议与网络接口
本系统涉及到电、水、天然气、蒸汽等能耗监测仪表设备的采集工作;提供的监测仪表设备必须支持RS-485、RS-232、RJ45、CDMA3G/4G等多种网络接口或支持OPC、MODBUS、104、CDT、DLT645等多种通信协议的数据接入,实现企业、分厂、车间、设备等多级能源介质的采集、存储管理。
2.1.2 断网本地预存
在网络中断或者主数据存储设备出现无法通信的情况时,数据采集设备应当继续采集能耗数据,并将采集到的能耗数据保存在本地[4],在网络联通或者与主数据存储设备恢复通信后将预存的数据上传到云存储设备中。
2.1.3 远程抄表
对指定区域内的能耗监测设备进行远程抄表,而且选择指定的日期与时间对能耗仪表进行远程抄表,将对应的时间累积能耗数据推送给技研云平台数据采集库。
2.1.4 运行监测
(1)系统以数据列表、分布图、曲线等形式直观展示企业实时或历史生产能耗数据、生产指标、能耗指标和数据通信报警。
(2)通过集中监控生产和能源系统指标、生产异常实时报警、系统巡检到位等措施提高企业能源系统的运行管理水平及整体安全水平,确保生产安全进行。
2.2.1 计量分析
能源管理系统计量分析采用饼状图的形式展现指定时间段内各类能耗所占总能耗的百分数;能耗趋势分析采用折线图的形式展现指定时间段内指定能源的消耗[5]。
能耗报表管理:自动生成所需要的数据(日/月/季度/年)报表、定期阶段报表和事件报表,并能以用户所需要的格式和方式保存、导出或打印。报表的类型、内容和格式可由用户动态调整,如图3所示。
图3 能耗分析环比图
能耗报表分析:系统可提取各类能耗数据进行自动分析,确立标杆值,并对各监控点的能耗情况进行水耗、电耗、气耗判定,对能耗改善提出一套完整的诊断流程,并提供能耗分析报告,帮助用户进行节能措施及设备改造。
人工数据上传:针对尚未安装自动采集仪的支路或无法使用数据采集仪进行自动采集的能源消耗(机械式仪表)提供人工数据上传及审核的功能,避免数据缺失导致的各类问题。
数据备份管理:用户手动或系统自动备份保存各项数据;当发生特殊情况导致数据丢失时,可自动导入最近的备份数据进行数据恢复,避免特殊情况出现数据丢失导致的各项损失。
2.2.2 单耗分析
能源管理系统实时监控整厂各区域、各设备的单位产量耗费的能源情况。单耗通常作为各管理人员所管辖区域的能源考核指标,可通过监控、分析实际单耗与设定绩效的偏差来判断能源管理水平的优劣;单耗超出控制线出现异常时自动发起警报,通过及时的反馈提高能源的利用效率。
2.2.3 批耗分析
能源管理系统实时监控各订单/批次在各工序的能耗情况,实现订单/批次级别高颗粒度的能源分析。在大量的批次能耗数据采集后,系统通过分布拟合的方法制定各订单、批次、工艺的标准能耗模型,当实际生产能耗与标准能耗模型偏差较大时发起警报,促进能源问题的解决与完善,同时系统通过行业BI大数据自动输出工艺改进的方案建议,提高染整工厂的能源利用效率。
以客观数据为依据,以企业整体、分厂、车间、生产线、主要用能设备为对象,并结合历史能耗数据,对未来的能耗情况进行预测分析:(1)利用历史能耗数据分析未来能耗趋势;(2)按照日、月、年的日期形式分别统计出对应的能耗趋势数据;(3)与企业的生产线、主要用能设备的使用情况相结合;(4)趋势图表界面美观,条目清晰,并提供在线打印与导出功能。
企业可根据不同厂区、不同支路、不同设备的用能需求,分时间段设置不同的警报策略。当发生不合理的能源消耗时,系统按照所设置的警报方式对用户进行提醒,避免设备故障或人为原因造成的能源浪费[6]。在一段时间后,用户可通过历史警报记录分析当前的节能策略是否需要修改,最大限度地确保能源和资金的合理利用。此外,当系统发生能源警报时,消息可推送给相关的生产角色(工人、主管、企业高层管理者)。
能源管理采用高性能智能网关作为硬件采集及通信设备。该网关拥有自主嵌入式操作系统,具有强大的功能扩展和系统升级的空间,用于能源管理中各类能耗仪表的数据采集、存储与管理,可实现用能数据智能处理等边缘计算功能,可通过物联网、以太网等与云平台进行数据交互,具备边缘计算能力,具备断点续传功能。
智慧能源网关特点:(1)水电气热4表合一,一台网关可支持水、电、气、热等各类能耗仪表的信息采集,支持多点位高速采集;(2)支持各类工业规约,支持符合DLT645-2007与DLT645-1997规约的所有电能表(计),支持符合CJ 188-2004-T规约的所有水、气、热表(计),支持协议扩展;(3)下行支持多协议RS485、M-Bus、CAN、红外等,上行支持多通信方式如以太网、GPRS(2G/3G/4G)、WIFI、LORA、NB-IOT 等;(4)安装方式灵活,导轨式、壁挂式任意可选,终端设有4个固定孔位,可采用Φ3的标准螺丝进行固定安装。
系统面向传统印染纺织企业染色机、定形机、丝光机、煮漂机、开幅机等通用生产设备,针对企业能源管理粗放、存在用能监测黑箱、能耗高、设备寿命短、问题点查找困难等,基于对整个车间的通用生产设备及传感器的实时数据采集,利用边缘计算和云服务器实现对车间设备运行参数的智能优化控制,提高企业的能源利用水平和用能安全水平,降低能耗。
普遍使用场景:(1)管理人员对工厂的能耗有基本的了解与整体的把控;(2)作为进一步分析的基础数据;(3)给抄表人员提供方便实用的工具;(4)区域单耗作为各车间管理人员的考核指标,及时反馈分析总结;(5)设备单耗作为能耗异常的深度分析;(6)单耗异常发起警报,发起查异常解决问题的流程;(7)能源预信(分布拟合);(8)工艺改进;(9)制定订单工艺的能耗标准;(10)订单批号的耗能预警。
能源管理系统是综合运用现代信息技术和能源互联网技术,实现对印染企业能耗的在线监测、动态分析和集中管理,建立“多能互补,需求响应”新机制,精细化、信息化的能源管理方式[7],可提升印染企业能源管理水平,降低能源成本,实现能源的动态需求响应和企业能源的优化调度。系统具体的优势如下:(1)易部署、易实施、见效快。能源管理服务根据当前印染企业现状进行实际调研与分析,帮助企业制定一套轻量化的能效监控系统,系统基于云平台模式搭建,可以快速部署,免去复杂的系统设计与安装。在不影响当前生产的前提下进行实施,可以使企业减少在安装实施过程中带来的损失。能源管理服务在整个系统部署完毕后2个月就会有明显的优化效果,见效快,效果显著。(2)便捷的使用方式。系统提供PC端、手机端等丰富的展示方式,提供简易的人性化的使用界面,帮助用户快速地获取所需用能信息,降低使用者学习的成本;同时为设备管理人员、企业领导等管理者提供数字化的设备模型和实时运行情况的各种健康指标,作为决策分析依据。(3)实时的自动预警通知。系统可以向移动APP应用自动推送预警通知,实时告知相关人员能源事件信息。
设计了一种基于工业云平台的针对印染企业的能源管理系统,对印染企业传统能耗管理进行了深层次的信息整合,实现了全厂设备的互通互联,有效地帮助企业提高了设备的综合运行效率,并运用信息化手段改善企业的业务流程。未来,工业互联网将迎来加速发展期,不断打造和完善面向染整行业、覆盖全技术层次和全生命周期业务流程的工业互联网平台,以微服务、工业APP等多种技术和形式提供资源整合、个性化定制等综合服务,将帮助更多的企业实现数字化转型升级。