油漆車間能源智能化管理系統(tǒng)規(guī)劃與應(yīng)用

徐春 王瑋

摘 要：油漆車間作為整車廠的能源消耗主體，車間的能源管理較為重要。隨著數(shù)字化技術(shù)和工業(yè)4.0的不斷推進(jìn)和發(fā)展，油漆車間能源管理系統(tǒng)通過大量的能源計量儀表和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)能源耗量的有效計量，同時結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，可實現(xiàn)能源消耗預(yù)測和耗量異常的分析功能。能源智能化管理系統(tǒng)可有效指導(dǎo)車間的能源管理，減少能耗浪費(fèi)，輔助工廠的生產(chǎn)管理。

關(guān)鍵詞：油漆車間;能源管理;智能化;大數(shù)據(jù);節(jié)能

中圖分類號：TP391 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）14-228-03

Abstract： As the main body of energy consumption in the vehicle factory， the energy management of the paintshop is more important. With the continuous promotion and development of digital technology and industry 4.0， the energy management system of paintshop realizes the statistical report of energy consumption by a large number of energy instruments and network technology. Meanwhile， combined with big data technology， it can effectively predict energy consumption and analyze abnormal consumption. The intelligent energy management system can effectively guide the energy management of the paintshop， reduce the waste of energy consumption， and assist the production management of the factory.

Keywords： Paintshop; Energy management; Intelligence; Big data technology; Energy conservation

CLC NO.： TP391 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-228-03

前言

傳統(tǒng)整車廠的能源管理方式呈現(xiàn)為管理過程粗放化、數(shù)據(jù)采集人工化、分析整理復(fù)雜化以及問題處理滯后化和數(shù)據(jù)不充分化的特點。伴隨信息技術(shù)發(fā)展和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，能源管理系統(tǒng)旨在建立一個實時化、透明化、集成化、數(shù)據(jù)共享化、智能化的能源數(shù)字化管理平臺，基礎(chǔ)層面通過儀器儀表實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的實時的采集和傳輸，過程層面通過規(guī)則或者大數(shù)據(jù)提供能耗異常的及時判定與預(yù)警，應(yīng)用層面借助采集的大數(shù)據(jù)給出不同維度的能源報表為管理層提供可視，最終指導(dǎo)相關(guān)人員了解相關(guān)設(shè)備的能耗梯度，找出存在的浪費(fèi)或者供求關(guān)系的不平衡，以降低車間的能耗及碳排放。[1][2][3]

1 能源智能化管理系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 能源系統(tǒng)的簡介

油漆車間能源智能化管理系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)的油漆車間能源計量平臺進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)，同時與車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)、物流生產(chǎn)管理系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)了能源消耗計量與統(tǒng)計功能、能源異常分析以及能耗預(yù)測功能。該能源管理系統(tǒng)是對油漆車間內(nèi)部的工業(yè)水、純水（RO1、RO2）、冷凍水、熱水、電、天然氣、壓縮空氣、廢水全介質(zhì)、全范圍進(jìn)行耗量采集，分析，控制，實施的系統(tǒng)管理。對于生產(chǎn)過程中每類能源消耗存在的異常，該系統(tǒng)做到及時報警，并從儀表的自檢狀況、生產(chǎn)過程工藝、設(shè)備的變化、開關(guān)機(jī)時間以及外界環(huán)境變化等多維度進(jìn)行有效的分析，并提示出指導(dǎo)建議。隨著后續(xù)生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)的不斷收集和積累，最終可實現(xiàn)在不同生產(chǎn)模式條件下的能耗預(yù)測功能。

1.2 能源系統(tǒng)的架構(gòu)

此能源智能化管理系統(tǒng)分硬件和軟件兩部分，硬件系統(tǒng)由計量儀表系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)組成，軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)統(tǒng)計量統(tǒng)計系統(tǒng)以及大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成。其中，硬件系統(tǒng)由194套的能源計量儀表、30個協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)、2臺服務(wù)器以及1套客戶端組成的，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。每一種能源系統(tǒng)管網(wǎng)規(guī)劃均需考慮能源計量的工藝性、能源消耗重要性和計量便利性，能源計量儀表的安裝位置是根據(jù)管網(wǎng)的布局進(jìn)行選擇定位，計量儀表的選擇要考慮能源實際應(yīng)用范圍，對于超出流量范圍的計量是無法做到準(zhǔn)確計量。其系統(tǒng)的計量儀表的分布模式如圖2所示。

系統(tǒng)的軟件架構(gòu)均分為信息發(fā)布層，業(yè)務(wù)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)管理層三部分。信息發(fā)布層是實現(xiàn)個性化的顯示界面和數(shù)據(jù)報表，業(yè)務(wù)應(yīng)用層是實現(xiàn)數(shù)據(jù)計算統(tǒng)計，能耗曲線（餅圖）以及單車能耗分析功能;數(shù)據(jù)管理層是用于數(shù)據(jù)采集和存儲。

2 能源智能化系統(tǒng)的功能規(guī)劃

2.1 數(shù)據(jù)收集與報表功能

系統(tǒng)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)主要分為兩類，一類是能耗用量，一類是成本計算。為了進(jìn)一步細(xì)化分析能源的消耗狀況，分別從時段、工藝段及生產(chǎn)組織階段三個維度進(jìn)行數(shù)據(jù)細(xì)化。時段能耗分析主要針對每年/月/日/班次的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，目的用于評估固定時間段內(nèi)能耗狀況和能源績效狀況。工藝段能耗分析主要針對油漆車間不同工藝段的能耗占比進(jìn)行分析，確定能源管理的重點。生產(chǎn)組織階段能耗分析主要針對車間開機(jī)、運(yùn)行以及關(guān)機(jī)三個階段的能耗進(jìn)行分析，用于判定是否存在開關(guān)機(jī)浪費(fèi)以及停機(jī)階段非正常能耗問題（如跑冒滴漏問題）的有效管理。

通過能耗數(shù)據(jù)的收集，主要是為了給管理人員一目了然的數(shù)據(jù)或者分析圖表，同時為后續(xù)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析奠定基礎(chǔ)。在收集能耗數(shù)據(jù)的同時，也收集能耗的相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，如物流生產(chǎn)產(chǎn)量信息，外界環(huán)境溫濕度、車身進(jìn)出工藝段的AVI信息、公用動力的性能參數(shù)信息（冷凍水送回水溫度、熱水的溫度、壓縮空氣的壓力等），設(shè)備開關(guān)機(jī)信號、停機(jī)信息及工藝參數(shù)監(jiān)測信息等，這些數(shù)據(jù)之間的打通與關(guān)聯(lián)用于后續(xù)能耗異常的分析。

2.2 能耗數(shù)據(jù)異常分析功能

油漆車間在生產(chǎn)或者非生產(chǎn)階段難免會出現(xiàn)能耗異常的情況，目前整車廠較為先進(jìn)的能源管理系統(tǒng)對于異常能耗狀況只做到報警提示，后續(xù)需工程技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場的實際情況進(jìn)行人工分析，費(fèi)時費(fèi)力，而且對技術(shù)人員有一定的技術(shù)要求。該能源智能化管理系統(tǒng)結(jié)合平時能耗失效分析的模式經(jīng)驗，開發(fā)了能源異常分析模塊，系統(tǒng)能及時給出能耗異常的原因，引導(dǎo)工程技術(shù)人員及時進(jìn)行問題的發(fā)現(xiàn)和整改。

能耗數(shù)據(jù)的異常主要從儀表異常和生產(chǎn)狀態(tài)異常兩個維度進(jìn)行考慮。計量儀表的損壞是常見能耗數(shù)據(jù)異常因素之一，系統(tǒng)首先進(jìn)行計量儀表是否有異常的判定。儀表的自身故障的報警信號要接入能源系統(tǒng)，同時能源儀表自檢的結(jié)果也也是作為儀表異常的判定依據(jù)之一。若儀表正常，則從生產(chǎn)工藝狀況角度進(jìn)行能源分析，判定失效的工藝設(shè)備范圍，再針對該工藝設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行失效因素的判定，其中包含對該時間段的產(chǎn)量、外界環(huán)境條件、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。對于能源系統(tǒng)應(yīng)用的前2年時間是屬于數(shù)據(jù)收集階段，此階段能耗異常分析是通過能源計算規(guī)則進(jìn)行失效判定，2年之后是系統(tǒng)大數(shù)據(jù)成熟階段，可以通過日常收集的同類大數(shù)據(jù)進(jìn)行異常對比分析。其能源異常診斷分析的思維導(dǎo)圖如圖3所示。

2.3 能源負(fù)荷率分析

在油漆車間規(guī)劃階段，能源規(guī)劃值是根據(jù)設(shè)備用能額定值以及地區(qū)的氣候條件進(jìn)行理論經(jīng)驗計算得到，在現(xiàn)場實際運(yùn)營過程中，規(guī)劃值與實際運(yùn)行值有一定程度偏差，能源負(fù)荷率就是這個偏差的評價指標(biāo)，能源負(fù)荷率是指某一能源能耗實際運(yùn)行值與規(guī)劃最大值之間的比例。系統(tǒng)的最大能源負(fù)荷率在80%-95%范圍內(nèi)較為合理，高于95%的能源負(fù)荷率會產(chǎn)生一定條件下能源供應(yīng)不足的風(fēng)險，同時后續(xù)車間改造優(yōu)化有會產(chǎn)生限制，若能源供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，涉及改造工作量比較大。若最大能源負(fù)荷率低于80%，則會造成站房能源資源浪費(fèi)。對于后續(xù)工廠站房的規(guī)劃或者改造，車間能源負(fù)荷率的變化規(guī)律是供能資源的優(yōu)化配置的重要參考數(shù)據(jù)之一。

2.4 能源大數(shù)據(jù)的開發(fā)應(yīng)用

隨著能源消耗及相關(guān)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的不斷收集，剔除一定的異常偏差值后，剩下的海量的數(shù)據(jù)通過相關(guān)優(yōu)化算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)一步開發(fā)能源管理新功能[4]。利用學(xué)習(xí)后的數(shù)據(jù)，可以預(yù)測每一種生產(chǎn)模式條件下能耗，可以作為判定能源異常判定標(biāo)準(zhǔn)，能源大數(shù)據(jù)的應(yīng)用和開發(fā)也是目前行業(yè)內(nèi)熱點研究內(nèi)容，需要不斷的研究和探索。

3 能源智能化管理系統(tǒng)應(yīng)用

能源系統(tǒng)對各類能源每幾分鐘進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，通過計算實現(xiàn)能耗的統(tǒng)計分析功能，根據(jù)車間管理人員要求差異分層級界面顯示，主界面顯示如圖4所示。對于每一工藝段做實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，出現(xiàn)能耗異常時可做出及時報警和分析，其界面如圖5所示。

根據(jù)目前系統(tǒng)運(yùn)行的報警分析的信息，能源消耗異常的主要三個原因是：設(shè)備或生產(chǎn)停線故障（小時產(chǎn)量不足）、外界溫濕度變化大、設(shè)備提早開機(jī)及延時關(guān)機(jī)（包含調(diào)試或延時生產(chǎn)），該系統(tǒng)判定分析的異常原因與實際生產(chǎn)狀況較為接近。

4 結(jié)論

油漆車間能源智能化管理系統(tǒng)的建立和使用是體現(xiàn)國家“互聯(lián)網(wǎng)”+智慧能源發(fā)展的戰(zhàn)略，通過對生產(chǎn)全過程各類能源消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、加工、分析和處理，讓車間管理者更充分、深入的了解車間能源利用狀況，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)和設(shè)備運(yùn)行節(jié)能空間，實現(xiàn)能源精細(xì)化管控，優(yōu)化生產(chǎn)能耗，均衡實際生產(chǎn)與能耗之間的關(guān)系，提高能源利用效率，降低單車能源消耗[5]。結(jié)合后續(xù)不斷積累的能源大數(shù)據(jù)，不斷開發(fā)和完善能耗大數(shù)據(jù)在能耗異常分析和能耗預(yù)測模型的功能，不斷挖掘出最優(yōu)的能源消耗與價值創(chuàng)造之間的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

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