工業(yè)MES電機監(jiān)測及節(jié)能管理系統(tǒng)設(shè)計

馬新春，馬蔚云

（新疆電子研究所有限公司 ERP中心，新疆 烏魯木齊 830049）

《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展綱要》把能源技術(shù)放在優(yōu)先發(fā)展的位置，按照自主創(chuàng)新、重點跨越、支撐發(fā)展、引領(lǐng)未來的方針，加快推進能源技術(shù)。從“十一五”新疆GDP能耗下降趨勢來看，連續(xù)多年均未能完成能耗下降4%的國家指標。電機產(chǎn)品的廣泛使用推動了人類社會的進步，方便了人們的生活；但同時也消耗了大量的能源，嚴重地污染了環(huán)境。據(jù)文獻介紹，1997年度英國整個產(chǎn)業(yè)界能源消費總量為104 455 GWh，其中，僅電機的消費量就占了 65%（約67 896 GWh）。如果能夠?qū)㈦姍C的效率提高2%，那么一年就可以節(jié)約電能1 350 GWh；如果按消費量計算，則一年就可減少向大氣中排放75萬噸C02。據(jù)東京電力（株）對日本電力消費情況做的調(diào)查，工業(yè)企業(yè)電力最終用途的70%是由電機（動力負荷）消費的。為保護環(huán)境、節(jié)約能源和提高經(jīng)濟效益，就必須對電機進行監(jiān)測并采取節(jié)能措施。除了設(shè)備節(jié)能、工序節(jié)能，還要靠技術(shù)管理節(jié)能對企業(yè)生產(chǎn)流程進行全面、動態(tài)分析和優(yōu)化，實現(xiàn)能源的管理和節(jié)約，而電機節(jié)能系統(tǒng)將是技術(shù)、管理節(jié)能的重要手段[1]。

1 主要研究內(nèi)容

工業(yè)流程制造執(zhí)行單元（MES）電機監(jiān)測及節(jié)能管理系統(tǒng)的研究開發(fā)內(nèi)容主要包括：電機監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計；電機實時節(jié)能分析及最優(yōu)節(jié)能方案；制造執(zhí)行單元（MES）與電機監(jiān)測節(jié)能一體化、系統(tǒng)化；電機監(jiān)測節(jié)能系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)的無縫鏈接；電機綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of system structure

1.1 電機監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

在企業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，通過工控設(shè)備對電機電流、電壓、電機轉(zhuǎn)數(shù)等各項參數(shù)的實時監(jiān)測，將采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過變換輸入到計算機當中[2]。

電機的運行過程，電機過流、欠電流、電流不平衡、過壓/欠壓、缺相、振動超標等是常見的故障[3]。對電機的運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測，可以提前發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)保護措施，對電機進行保護，可以有效地避免或防止故障擴大。通過和預先設(shè)置的報警值比較，分析電機是否工作在異常狀態(tài)。

1.2 電機實時節(jié)能分析及最優(yōu)節(jié)能方案

根據(jù)電機的實時運行數(shù)據(jù)和節(jié)能算法得出電機是否處在最佳節(jié)能運行方式，給出最優(yōu)的節(jié)能方案，并且給出歷史最佳運行記錄[4]。

1.3 制造執(zhí)行單元（MES）與電機監(jiān)測節(jié)能的一體化、系統(tǒng)化

制造執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System）處于企業(yè)信息系統(tǒng)ERP和過程控制系統(tǒng)DCS/PLC的中間位置。MES上承ERP等計劃系統(tǒng)，下接車間現(xiàn)場控制，填補了ERP與車間控制之間的斷層，提供信息在垂直方向的集成。MES可看作是一個通信工具，它為其他各種應(yīng)用系統(tǒng)提供現(xiàn)場實時信息。MES向上層ERP提交生產(chǎn)盤點、物料盤點、實際訂單執(zhí)行等涉及生產(chǎn)運行的數(shù)據(jù)；向PCS系統(tǒng)發(fā)布生產(chǎn)指令及有關(guān)生產(chǎn)運行的各種參數(shù)。生產(chǎn)維護是MES中的主要內(nèi)容。在目前的工業(yè)企業(yè)中，電機已經(jīng)是生產(chǎn)中的主要動力裝置，因此電機的正常工作與否對企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)影響至關(guān)重要。本系統(tǒng)將電機監(jiān)測納入到MES系統(tǒng)之中，保障企業(yè)的生產(chǎn)過程。同時，本系統(tǒng)還與上層的ERP系統(tǒng)相連，可以動態(tài)關(guān)注電機配件的庫存情況。

1.4 電機監(jiān)測節(jié)能系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)的無縫鏈接

監(jiān)測節(jié)能系統(tǒng)利用工控機對電機的主要工作參數(shù)進行監(jiān)測，在發(fā)現(xiàn)故障時，由于該系統(tǒng)和企業(yè)ERP系統(tǒng)是無縫鏈接的，就可以知道某種電機的配件是否充足，為企業(yè)減少電機維修時間，提高效率。

1.5 電機綜合管理

電機是絕大多數(shù)設(shè)備的驅(qū)動設(shè)備，電機的可靠性和有效性會影響到工廠整個生產(chǎn)業(yè)務(wù)。電機管理項目包括：預防性和預見性維護；故障檢修、停機和啟動程序；電機采購；可靠性維護；電機修理；備件管理；持續(xù)改進；故障根源分析；電機數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)[5]。

通過電機的平均無故障運行時間（MTBF），系統(tǒng)可以對目前所有的在用設(shè)備進行統(tǒng)計分析，提前告知即將報廢或沒有維修價值的電機，同時制定全面的電機管理項目：預防性和預見性維護、故障檢修、停機和啟動程序、電機采購、可靠性維護、備件管理、故障根源分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件采用華控偉業(yè)DZJ電機智能綜合監(jiān)控器。該監(jiān)控器采用微處理技術(shù)的新一代智能電機保護裝置，可對300 kW以下低壓電機進行實時監(jiān)測及時保護。采用人性化管理，對涉及電機故障運行的各種參數(shù)時行顯示記錄，有跟蹤性和追溯性。具有4～20 mA模擬輸出和開關(guān)量輸入/輸出功能。設(shè)置通訊接口，可與各種帶串行輸入/輸出的設(shè)備進行雙向通訊，組成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)大范圍跨地域的電力能量的綜合監(jiān)測和電機運行狀態(tài)的監(jiān)測。

3 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括電機數(shù)據(jù)采集分析模塊、電機綜合管理模塊、電機節(jié)能及故障預警、生產(chǎn)管理等模塊，如圖2所示。

3.1 電機數(shù)據(jù)采集分析模塊

通過智能監(jiān)控儀對電機的基本數(shù)據(jù)進行采集，將數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中來。主要是對電機的電樞電流、電壓、轉(zhuǎn)速、勵磁電流等數(shù)據(jù)進行實時存儲并進行分析。

圖2 軟件界面圖Fig.2 Interface chart of software

3.2 電機綜合管理模塊

電機是絕大多數(shù)設(shè)備的驅(qū)動設(shè)備，電機的可靠性和有效性會影響到工廠整個生產(chǎn)業(yè)務(wù)。電機管理項目包括：預防性和預見性維護；故障檢修、停機和啟動程序；電機采購；可靠性維護；電機修理；備件管理；持續(xù)改進；故障根源分析；電機數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。通過對電機的平均無故障運行時間（MTBF），系統(tǒng)可以對目前所有的在用設(shè)備進行統(tǒng)計分析，提前告知即將報廢或沒有維修價值的電機，同時制定全面的電機管理項目：預防性和預見性維護、故障檢修、停機和啟動程序、電機采購、可靠性維護、備件管理、故障根源分析。

3.3 電機節(jié)能及故障預警

將接收到的有用數(shù)據(jù)進行挖掘和處理，并且通過分析和對比實現(xiàn)電機工作故障的預警和節(jié)能狀況分析。該模塊將建立電能負荷數(shù)據(jù)庫，最優(yōu)節(jié)能控制方案等功能，達到經(jīng)濟使用能源、有效管理電能，提高綜合經(jīng)濟效益的目的[6]。

3.4 生產(chǎn)管理

MES與上層ERP等業(yè)務(wù)系統(tǒng)和底層PCS等生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)一起構(gòu)成企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng)，一是把業(yè)務(wù)計劃的指令傳達到生產(chǎn)現(xiàn)場，二是將生產(chǎn)現(xiàn)場的信息及時收集、上傳和處理。MES作為上、下2個層次之間雙方信息的傳遞系統(tǒng)，是鏈接現(xiàn)場層和經(jīng)營層，改善生產(chǎn)經(jīng)營效益的前沿系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

采用該系統(tǒng)對新疆某造紙企業(yè)進行了試驗。將該系統(tǒng)安裝在生產(chǎn)線上，采集電機數(shù)據(jù)并進行分析。通過2組數(shù)據(jù)來體現(xiàn)該系統(tǒng)的實際效果。第一組數(shù)據(jù)是該企業(yè)每月維修的電機數(shù)，即該系統(tǒng)通過故障預警、備件管理等功能對電機維修效率的提高，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該企業(yè)使用本系統(tǒng)后，電機維修效率明顯提高，保障了企業(yè)的正常生產(chǎn)，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

第二組通過企業(yè)年用電量對比顯示，使用該系統(tǒng)后，達到了節(jié)能效果，用電量較前一年有所下降，節(jié)能效果達到2.03%。

本文闡述了制造執(zhí)行單元與電機監(jiān)測節(jié)能的一體化和系統(tǒng)化，實現(xiàn)了電機監(jiān)測與ERP系統(tǒng)的無縫鏈接，在制造執(zhí)行單元環(huán)節(jié)對電機進行監(jiān)測及節(jié)能。實驗表明，該系統(tǒng)可使電機維修效率提高33.3%，節(jié)能效果達到2.03%，經(jīng)過廠家考證，該系統(tǒng)成本處在廠家可接受范圍之內(nèi)，可帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。然而，節(jié)能效果是目前企業(yè)關(guān)心的重點問題，如何進一步提高節(jié)能效果，并根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場情況給出節(jié)能方案，是本系統(tǒng)要做的改進工作。

表1 電機維修時間對比Tab.1 Maintenance time contrast of motor

表2 用電量對比Tab.2 Contrast power consumption

[1]周永良.基于實時歷史數(shù)據(jù)庫技術(shù)的鋼鐵能源管理系統(tǒng)[J].冶金能源，2010，17（2）：34-36.ZHOU Yong-liang.EMS for iron and steel production based on real-time historian[J].Energy For Metallurgical Industry，2010，17（2）：34-36.

[2]吳兆明.智能能源管理系統(tǒng)設(shè)計研究[J].工業(yè)控制計算機，2009，11（5）：7-11.WU Zhao-ming.Research of intelligent energy management system[J].Industrial Control Computer， 2009，11（5）：7-11.

[3]沈裕鐘.電工學[M].北京：高等教育出版社，1982：21-28.

[4]卲群濤.電機及拖動基礎(chǔ) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：45-48.

[5]Goly K.電機——被忽略的資產(chǎn)[J].中國設(shè)備工程，2009，10（3）：66-69.Goly K.Motor-neglected assets[J].China Plant Engineering，2009，10（3）：66-69.

[6]陳崗.新型電機監(jiān)控預警系統(tǒng)方案[EB/OL].（2009-11-23）.http：//www.cheminfo.gov.cn/HezuoPage/gongkong.aspx?code=cheminfo&action=detail&type=Paper&infoId=2009112315115 200002.