浅谈造纸企业能耗监测系统的设计与分析
安科瑞 陈聪
摘要：某造纸企业进行工业智能化升级改造，筹建能源管理中心，既能达到政府部门要求能源在线监测所需的功能和目的，又能满足自身工艺管理需求和自备电厂实际运作需求。实现能源数据在线监测与政府平台稳定传输，同时利用整合后的数据发现有用的价值数据，实现区域内节能增效。
关键词：能源管理中心；问题与数据价值挖扳；案例与效益；节能减排；数字化；智慧工厂
1、建设背景
永丰余造纸（扬州）有限公司为了实现自身高质量发展，需要对设备和工艺进行工业智能化升级改造，以满足自身造纸工艺和能源管理运作需求，同时实现公司能耗数据在线与政府平台的稳定传输。
公司能源管理中心建设的创新点在于:能源在线监测的所有功能均能满足规范要求，同时又符合公司多年来运作习惯需求，能够实现新的智能化监测、智能化能耗分析与优化方案的解决。
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建设目的和设计原则
公司主要消耗的能源有煤炭、电力和蒸汽（热力）等,建设能源管理中心的目的是将各种能源消耗的实时数据,通过有线或无线搭建工业通讯网络,整合原有的SCADA、PLC、DCS和ERP等工业系统，将各系统上数据传输至新建的能源系统数据服务器中进行处理。从而规避人为抄表误差，降耗提效，减缓设备老化速度，利用系统发现数据价值，并通过优化、改造和管理等手段来实现区域内节能增效。
能源管理系统建设的设计原则要求如下：整体性、性、前瞻性、稳定性、可操作性、完整性、可查询性、易维护性、数据安全性和成本控制等。
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系统实现功能分析
3.1系统功能总要求
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实现在线监测功能:将实时数据传输至扬州市级能源在线监测平台；
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实时监测能源质量和效率，对能耗和运行参数异常能够自动报警和追溯；
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能够实现各生产车间、生产线、重要工序、重点耗能设备和班组的能耗统计与对标分析，挖掘节能潜力；
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能够对重点耗能设备进行重点管理；
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能够实现能耗准确统计、自动抄表和填报报表。能源8大分类管理见图1。
图1能源8大分类管理图
3.2系统遵循标准
系统设计时需要符合MESA规定的标准及公司内部各相关验收规范的要求。
3.3系统建设路线与设计
能源管理系统框架如图2所示。
图2 能源管理系统框架图
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项目实施过程中存在的问题
公司部分三级以下计量器具没有安装到位，导致在线监测系统不具备数据传输功能。因此，需要通过加装能源计量器具，加装Lora远距离无线传输终端,才能直接将测试能源数据传输给原DCS系统或能源管理中心的采集服务器。数据传输终端参数设置见表1。
表1 数据传输终端参数设置
SCADA系统对接程序自身程序不能够高频次和多数据读取，通过将原有使用的USB转串口更换为热电前置机自带串口直接对接传输，系统才能够恢复稳定传输。将原本采用数据变位上送,更改为定时上送，使通讯通道更加稳定。改善后能够稳定对接传输,SCADA数据对接表见表2。
表2 SCADA数据对接表
公司IT人员通过数据比对发现:能源管理系统平台每天08:0536=05和0：05这3个时间点，由于少量纸卷在复卷机上还没有称重，而生管系统平台纸卷重量输出值显示为0。原因是能源管理系统数据读取时间太早，数据还没有来得及处理。解决的方法是将能源管理系统平台数据抓取时间分别推迟8h,也就是改为每天16：05、0：05、08：05这3个时间点读取。改善后能源管理系统产量数据与原ERP系统数据一致。
通过人工数据与系统数据比对,找出对接计量器具存在选型错误、接口错误、线路虚接、PT和CT 二次仪表内部参数设定错误、程序内部计算公式错误、热力的温度压力补偿错误和产能逻辑关系错误等问题，经过一对一进行修正后恢复正常。
通过2个月的观察及不断修正和完善,能源管理中心能源数据按照规范和要求与扬州市能源在线监测平台实现了稳定对接。
5、测试数据价值挖掘
空压机的型式与厂商不同，其设定的压力值和控制的方式都会有所不同。造纸企业采用较多的还是离心式和螺杆式空压机。在传统空压系统中,空压机由其内部的压力传感器监控，这些传感器压力参数设置后，便于多台空压机能随着压力的降低而一台台开启，形成压力阶梯控制。为了确保较大压缩空气消耗量时的压力能达到较低的压力水平，习惯的做法是将空压机维持在较高的压力水平，以避免生产过程中出现因欠压而跳机问题。但不必要的较高压力会造成能源的浪费，其表现在以下两个方面:一是空压机需要在高压的情况下运作,消耗的电量更多;二是当管网空气压力较高时，所有用气设备就会使用更多的压缩空气。女口：如果所需的压力为0.6MPa,而系统平均压力需保持在0.65MPa,那么多余的0.05MPa压力就需要增加5%~10%的能耗。
如何达到数据价值化，就需要跨界集成,协同创新:通过集成螺杆式空压机的加载/卸载命令控制，通过变频和离心式压缩机内部压力设定控制，经过集成优化控制后，压缩机仅输出实际所需的压力和空气量,系统压力始终保持稳定。
公司压缩机的总功率为1770kW,输出所需的空气量为242mVmin,通过系统优化后，系统压力由0.65MPa降为0.6MPa稳定运行,其节能量计算见表3。
由此得出：旧的习惯、思维和信息闭锁等一旦被打破，各系统运作才会流通顺畅;创新工作来自于日常节能技术的整合;改善一点点，就可以获得较大成效。从表3可知，降低压缩空气系统压力0.05MPa,压缩机本体能耗可下降3%，空气管网消耗功率下降5.8%;按照公司自发电力成本电价0.30元/kW计算,年节能收益达27.14万元。
表3 节能量计算表
6、项目实施效果
利用信息和通信技术，实现了将实时收集单位能耗数据和可视数据分析结果稳定传输至扬州市能源在线监测平台。同时公司自身能根据系统平台监控,及时发现设备异常状况，及时优化设备不合理的参数，及时消缺与优化，降低能耗。另外还可以根据告警追溯，提升稳定电力系统的功率因数，降低电力消耗，促进造纸企业节能降耗工作顺利开展,提升造纸业智能制造的水平，从而实现造纸企业绿色化发展。
7、安科瑞企业能源管控系统概述
安科瑞企业能源管控系统采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。
8、应用场所
钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。
9、系统结构
现场通过厂区局域网和平台通讯，平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能与局域网联通的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。
系统可分为三层：即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。
现场设备层：主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任，这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。
网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。
平台管理层：包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器，一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。
平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：
10、系统功能
平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。
10.1平台登录
在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。
10.2大屏展示
用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。
10.3首页
首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。
10.4数据监控
对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快的掌握点位的报警，并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。
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能源实时监控：对于水、电、气等能源消耗进行实时监测，确保用能环节的持续稳定运行，显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。
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能流图：需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示；当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等；
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配电图：将配电房真实情况画入配电图，实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。
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实时统计：实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值；
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数据展示：通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数；
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检测：对能源报警信息进行集中显示，可以对报警阈值信息进行相关处理操作，可以对报警参数进行在线设置，当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示；
10.5视频监控
接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。
10.6变压器监控
展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。
10.7仪表实时监控
展示各个水电气仪表的实时参数变化，以曲线图的方式展示。
10.8能源中控
将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中，能从多个维度对比分析，实现各个产业线的对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。
10.9用能统计
从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。
10.10 分析成本
统计各个监测节点（工厂、车间）的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用，其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。
10.11产品单耗统计
与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。
10.12绩效分析
对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、相应时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力，评定能源消耗是否合理。
10.13运行监测
系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。
10.14自定义能耗报表
用户可通过自定义报表头与列，灵活生产各种报表，查看企业各个节点的能耗，单耗，成本，综合能耗等信息，并同比、环比报表，支持导出报表。
10.15同比、环比
提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。
同比
环比
10.16分析报告
以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。
10.17能耗设备用能
监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。
10.18线损分析
根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。
10.19碳排放管理
按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现超标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。
10.20电能质量监测
实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不低于供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。
10.21运维管理
系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。
10.22报警管理
针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。
10.23能耗抄表
可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。
10.24能耗分析自定义时间抄表
可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。
10.25容需量报表
提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。
10.26复费率报表
对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。
10.27文档管理
对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。
10.28 3D可视化大屏
对场景进行虚拟仿真，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。
10.29 3D子系统
对各动力子系统进行虚拟仿真，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。
10.30工业组态
可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。
10.31自定义驾驶舱
可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。
10.32基础数据管理
对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。
10.33手机APP
APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。
10.34知识产权证书
11、系统硬件配置
参考文献
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[2]]赵宁，李继庚，吴波，等.造纸企业能量系统优化信息平台数据交互机制设计与开发[J].中华纸业,2010,31 (24)：12-16.
[3]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.
[4]安科瑞企业能源管控平台.2020.08版.