輪胎制造企業(yè)數(shù)字化智慧能源系統(tǒng)模型構(gòu)建與實(shí)踐

楊開(kāi)九 石 初 吉小亮

（韓泰輪胎有限公司，浙江嘉興 314000）

1 智慧能源系統(tǒng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

智慧數(shù)字化能源是近幾年興起的一個(gè)新概念。早期IBM專家在國(guó)際學(xué)術(shù)界提出要“構(gòu)建”一個(gè)更智慧的地球理念。智慧城市、智慧能源、智能電網(wǎng)、智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等理念與物聯(lián)網(wǎng)整合，隨著新基建5G技術(shù)的成熟，互聯(lián)網(wǎng)+萬(wàn)物互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用，工業(yè)化與信息化融合，即信息化和工業(yè)化同時(shí)發(fā)展，也要融合發(fā)展，簡(jiǎn)稱“兩化融合”。

工業(yè)部門兩化融合發(fā)展分為四個(gè)階段，即起步設(shè)、單向覆蓋、綜合集成、創(chuàng)新突破。前三個(gè)階段都可以購(gòu)買，第四階段原則上需要進(jìn)行創(chuàng)新協(xié)調(diào)。本次介紹的智慧數(shù)字化能源系統(tǒng)將國(guó)際能源管理體系ISO50001從傳統(tǒng)文件管理、年度審查考核，過(guò)渡為通過(guò)創(chuàng)新方式體系要求與能源數(shù)字化智能平臺(tái)融合，實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程實(shí)施管控、能源供給側(cè)效率化、用能側(cè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化和效益最大化。

2 智慧數(shù)字化能源系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)理念

21世紀(jì)，德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家相繼提出工業(yè)4.0，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和制造2025等國(guó)家戰(zhàn)略，宣告即將進(jìn)入智慧時(shí)代，其初級(jí)階段是最近幾年的數(shù)字化時(shí)代和共享時(shí)代，將解決行為數(shù)字化問(wèn)題、智能決策等問(wèn)題，未來(lái)將進(jìn)入高階階段，即智慧時(shí)代。

企業(yè)在數(shù)字化改造過(guò)程中，最底層基本架構(gòu)是制造執(zhí)行系統(tǒng)MES，實(shí)現(xiàn)的功能主要是生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)分析、品質(zhì)管控、設(shè)備狀態(tài)分析等。本次數(shù)字智慧能源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是基于成熟MES系統(tǒng)架構(gòu)二次開(kāi)發(fā)；電力、蒸汽、水等計(jì)量器具數(shù)據(jù)，通過(guò)集中器移動(dòng)SIM卡將數(shù)據(jù)傳送云端服務(wù)器。在數(shù)據(jù)處理方面，實(shí)現(xiàn)采集通用性、可復(fù)制性，持續(xù)擴(kuò)大平臺(tái)數(shù)據(jù)處理能力、設(shè)備接口兼容能力，實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、二次開(kāi)發(fā)能力，關(guān)鍵部位5G通信技術(shù)及大數(shù)據(jù)應(yīng)用。能源數(shù)據(jù)處理和MES生產(chǎn)信息融合；根據(jù)工藝不同數(shù)據(jù)，采樣頻率設(shè)定為1～15 min；實(shí)現(xiàn)不同工藝段、不同車間、不同設(shè)備產(chǎn)量數(shù)據(jù)與能耗數(shù)據(jù)匹配，實(shí)現(xiàn)單位產(chǎn)品能耗過(guò)程曲線趨勢(shì)管理。通過(guò)設(shè)定單位產(chǎn)品耗能基準(zhǔn)目標(biāo)，自動(dòng)測(cè)算達(dá)成率，也可以與上年度實(shí)績(jī)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)督單位產(chǎn)品能耗異常，進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警并生成工單，各管理者通過(guò)差異分析及時(shí)跟進(jìn)措施減少能源浪費(fèi)，提高能源利用效率。對(duì)于同類型的設(shè)備進(jìn)行單位產(chǎn)品能耗的橫向?qū)Ρ?，查找差異原因，必要時(shí)投入技術(shù)改造以提升設(shè)備效率，改造后再通過(guò)單位產(chǎn)品能耗曲線下降趨勢(shì)驗(yàn)證其效果。通過(guò)持續(xù)優(yōu)化，并以最優(yōu)能效工藝、設(shè)備作為標(biāo)桿改善其他設(shè)備能效，通過(guò)PDCA循環(huán)不斷提升公司整體能源管理水平。

3 智慧能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)架構(gòu)

（1）根據(jù)物理部署結(jié)合軟件B/S的架構(gòu)；通過(guò)采集用能設(shè)備的實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)送入平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存檔、統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)現(xiàn)能效利用水平評(píng)估，對(duì)節(jié)能效果和成本收益管理核算，將綜合分析數(shù)據(jù)反饋至生產(chǎn)管理者，提供切實(shí)有效的節(jié)能管控輔助決策依據(jù)。

智慧能源系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧能源系統(tǒng)架構(gòu)

（2）能耗數(shù)據(jù)采用國(guó)際通用通信協(xié)議RS485總線方式實(shí)時(shí)采集計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)，傳輸?shù)郊衅鳎衅髟偻ㄟ^(guò)無(wú)線公網(wǎng)（4G/5G）的方式將數(shù)據(jù)傳輸至需求側(cè)管理平臺(tái)。遵照《用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)技術(shù)要求》（GB/T 38692—2020）的相關(guān)要求，能源計(jì)量器具配備、安裝、管理符合《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》（GB 17167—2006）要求，在此基礎(chǔ)上升級(jí)配備智能化儀表，并保證準(zhǔn)確度等級(jí)，以滿足在線監(jiān)測(cè)的精度要求。安裝符合《電纜線路施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50168—2018）、《自動(dòng)化儀表工程施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50093—2013）要求，與安裝環(huán)境條件相適應(yīng)，安裝形式和外觀與監(jiān)測(cè)對(duì)象、用能設(shè)備本體相協(xié)調(diào)，盡量縮短與用能設(shè)備本體連接的信號(hào)引線、通路長(zhǎng)度，對(duì)信號(hào)與通路實(shí)施有效隔離和絕緣，提高系統(tǒng)可靠性。

4 智慧能源系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果

（1）能效監(jiān)測(cè)與應(yīng)用。

①對(duì)電力、蒸汽、水等關(guān)鍵用能部位實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)采集，與MES生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程匹配，實(shí)現(xiàn)能源日監(jiān)控、周分析、月、年精細(xì)化考核。

②系統(tǒng)可提取各種能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析比較，確定目標(biāo)并對(duì)公司總量、車間級(jí)、部門級(jí)、責(zé)任人級(jí)、重點(diǎn)設(shè)備級(jí)的單位產(chǎn)品能耗和效率進(jìn)行監(jiān)測(cè)、考核。

③系統(tǒng)可通過(guò)積累的大數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析、PDCA循環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)主要能耗管理指標(biāo)的“橫向比較、縱向?qū)?biāo)”，不斷識(shí)別出能源績(jī)效改進(jìn)機(jī)會(huì)并實(shí)施改善。

重點(diǎn)設(shè)備單位產(chǎn)品能耗趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 重點(diǎn)設(shè)備單位產(chǎn)品能耗趨勢(shì)

（2）監(jiān)測(cè)分析配電系統(tǒng)電能質(zhì)量，提高電能質(zhì)量水平。

實(shí)現(xiàn)對(duì)電能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，例如三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、有功電量、無(wú)功電量、功率因數(shù)等。按照用能設(shè)備、用能位置進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，對(duì)造成各種電能質(zhì)量問(wèn)題的原因進(jìn)行分析和判斷，及時(shí)改善電能質(zhì)量。通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)管優(yōu)化功率因素，取得良好效果。

（3）管控公用工程重點(diǎn)能耗設(shè)備，提高設(shè)備利用效率。

本數(shù)字智慧能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空壓系統(tǒng)集中自動(dòng)控制，系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)在現(xiàn)場(chǎng)并優(yōu)先選擇氣電比效率高的空壓機(jī)設(shè)備，優(yōu)先啟動(dòng)達(dá)到壓力穩(wěn)定，能效浪費(fèi)減少。

根據(jù)重點(diǎn)能耗設(shè)備用能情況，評(píng)估重點(diǎn)用能設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行能效管理。例如，可以對(duì)空壓機(jī)產(chǎn)氣量比功率、冷凍機(jī)COP進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)效率低的設(shè)備進(jìn)行評(píng)估分析，查找主要原因，為制定效率提高措施提供有效支撐。

空壓機(jī)比功率及原單位考核如圖3所示。

圖3 空壓機(jī)比功率及原單位考核

（4）全面監(jiān)測(cè)水系，最大限度挖掘節(jié)水潛力。

通過(guò)對(duì)重點(diǎn)用水系統(tǒng)水量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，從取水到排水進(jìn)行全過(guò)程分析，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)警及動(dòng)態(tài)的梯級(jí)利用，最大限度挖掘節(jié)水潛力。

（5）對(duì)標(biāo)管理各能源，幫助企業(yè)提高能效。

對(duì)企業(yè)各能源建立指標(biāo)庫(kù)，通過(guò)內(nèi)部和外部對(duì)標(biāo)，幫助企業(yè)了解自身及各用能單元的能效水平位置，為挖掘節(jié)能潛力、提高能效給予數(shù)據(jù)支撐。

5 本次數(shù)字智慧能源系統(tǒng)配置與功能

（1）平臺(tái)目前能源管理實(shí)現(xiàn)電、蒸汽、水、天然氣、氮?dú)?、柴油等能源管理，開(kāi)放性接口可擴(kuò)展至其他多種能源管理，實(shí)現(xiàn)微能源、分布式能源的管理及多能互補(bǔ)。

（2）本平臺(tái)容量大，目前同時(shí)覆蓋3個(gè)工廠、13個(gè)生產(chǎn)工藝流程及管理環(huán)節(jié)，連接94臺(tái)大型耗能設(shè)備，對(duì)40個(gè)生產(chǎn)及輔助設(shè)備邊界進(jìn)行原單位管理，352個(gè)計(jì)量表、372個(gè)測(cè)量點(diǎn)（含溫度壓力）可根據(jù)硬件支撐擴(kuò)展容納量。

（3）平臺(tái)可根據(jù)設(shè)備能效情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行順序和優(yōu)先級(jí)，如空壓機(jī)的集中壓力控制系統(tǒng)應(yīng)用。

（4）實(shí)時(shí)性好，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要情況設(shè)定采樣頻率；目前設(shè)定15 min時(shí)間單位的數(shù)據(jù)上傳，數(shù)據(jù)傳輸無(wú)滯后。

（5）平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備的流量、壓力等運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，后期建設(shè)方向?yàn)槔?G等新技術(shù)監(jiān)控設(shè)備全面運(yùn)行狀態(tài)。

（6）平臺(tái)具泛物聯(lián)能力，兼容8種物聯(lián)接口。

（7）平臺(tái)建設(shè)有穩(wěn)定的安全保障系統(tǒng)和完善的運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)化程序，平臺(tái)可靠性高投運(yùn)3年以來(lái)基本無(wú)故障。

（8）平臺(tái)開(kāi)放開(kāi)發(fā)端，支持7種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，允許應(yīng)用企業(yè)二次開(kāi)發(fā)。

6 結(jié)語(yǔ)

本數(shù)字化智慧能源系統(tǒng)填補(bǔ)了設(shè)備能耗信息流與MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)工藝流程實(shí)時(shí)匹配細(xì)化監(jiān)控分析的空白，已實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠生產(chǎn)能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，從管理節(jié)能角度為企業(yè)服務(wù)，促進(jìn)企業(yè)的精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)工業(yè)化與信息化的“兩化融合”。通過(guò)智慧能源平臺(tái)，近幾年公司單位產(chǎn)品能耗持續(xù)下降（電力、蒸汽、LNG等在同產(chǎn)能條件下），對(duì)比系統(tǒng)運(yùn)行前參照《輪胎單位產(chǎn)品能耗限額》（GB 29449—2012）要求，單位產(chǎn)品能耗遠(yuǎn)下降約20%以上，跨入行業(yè)能耗先進(jìn)值行列。經(jīng)濟(jì)效益5年通過(guò)財(cái)務(wù)成本核算節(jié)儉1.2億元能源費(fèi)、減排二氧化碳9.9 萬(wàn)t。2019年，公司被工信部認(rèn)證為國(guó)家級(jí)綠色工廠。2020年，本系統(tǒng)列入浙江省工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，關(guān)聯(lián)電力、蒸汽、LNG數(shù)據(jù)已接入浙江省能源監(jiān)測(cè)中心。自身項(xiàng)目與企業(yè)能源管理體系ISO50001理念融合具有通用性，適合企業(yè)推廣實(shí)現(xiàn)能源精細(xì)化管理，成為政府實(shí)現(xiàn)能源“雙控”，引導(dǎo)企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色制造，低碳發(fā)展的重要抓手。不斷融入5G通信技術(shù)、構(gòu)筑各行業(yè)能源消耗大數(shù)據(jù)，有利于行業(yè)能效標(biāo)準(zhǔn)制定。企業(yè)層面實(shí)現(xiàn)各行業(yè)能效行業(yè)橫向?qū)Ρ?、縱向?qū)?biāo)，識(shí)別改善機(jī)會(huì)，投入設(shè)備改造，引領(lǐng)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，利用5G新技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，構(gòu)建“踐行綠水青山、節(jié)能增效理念”的典型示范性平臺(tái)。