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面向烟草行业的能源监控系统设计与应用

2022-05-10孙健刘骁林硕

电脑知识与技术 2022年9期
关键词:流程优化互联网

孙健 刘骁 林硕

摘要:在烟草行业,能源系统保证烟草生产的稳定和高效率运行,能源消耗成本在烟草生产成本中占比很大,直接影响企业的经济效益。该文对烟草行业能源进行分析,基于“互联网+”新技术,对能源信息采集、能源监控、能源管控、能源分析进行流程优化,设计并研发了能源监控系统,该系统已在某烟草企业应用,应用结果证明能有效提升烟草行业的能源管控。

关键词:“互联网+”;能源监控;流程优化

中图分类号:TP311     文献标识码:A

文章编号:1009-3044(2022)09-0103-03

烟草行业的信息化建设经过多年的努力,已取得显著成效,建设了许多信息化系统,包括:MES(Manufacturing Execution System,制造执行系统),负责制丝、卷烟车间生产;ERP(Enterprise Resource Planning,企业资源计划)负责卷烟生产计划及销售计划等;EMS(Energy Management System,能源管理系统)负责烟草企业动力能源管控等。

EMS(Energy Management System,能源管理系统)是保障卷烟生产稳定、高效运行的关键,能源指标直接决定着卷烟质量,能耗指标直接影响卷烟成本,做好能源管理,对于烟草行业至关重要[1]。

烟草企业的动力能源主要指水、电、水蒸气、天然气、空压气等能源,这些资源的分布区域涵盖区域大,遍布于整个厂区,数量多,其中电能控制点成百上千。烟草行业的能源特点,在一定程度上加大了能源监控系统的设计与应用。

在经过大量调研的基础上,结合新一代信息技术,依托于“互联网+”和人工智能、物联网、5G等新技术力量,设计和研发了一套新的能源监控系统,该系统能有效提高烟草行业的能源管控水平[2]。

1 应用背景

本系统是以某一卷烟企业为应用背景,实施范围为生产区域,包括制丝、卷包、动力三个车间。

1.1 能源类型

卷烟企业的能源类型为水资源、电力资源、空压气、水蒸气、天然气能源。

1.2 能源分布情况

能源分布除制丝、卷包、动力三个车间外,还包括办公区域。其特点包括:能源分布范围广、分散,能源控制点数量多。

1.3 网络情况

主干网络为工业级千兆光纤以太环网,配备千兆级交换机和无线AP(Access Point,AP)。该企业的网络环境能有效保证对接各个能源控制点。各能源设备具备与MODBUS联通能力[3]。

经上述分析,可得出如下结论:

该企业具备良好的数采条件和网络联通条件。

数采点多,呈分散化,分布范围广,因而采集能源数据量大,能源监控难。

采集信号响应实时性困难。

数据实时存储,数据实时呈现难度大。

2 核心技术介绍

2.1 数据采集

面向烟草行业的能源监控系统数据采集是指采集卷烟生产过程中所需的能源类型,包括水资源、电力资源、空压气、水蒸气、天然气能源等资源进行数据采集,通过对各个能源设备工作和运行时的状态数据,对阈值、累计值等关键数据进行监视与控制,以保证卷烟生产为处于正常、合理的能源环境。数据采集范围为动力车间、制丝车间和卷包车间。数据采集设备包括空压控制系统、换熱控制系统、中水处理控制系统、锅炉控制系统、燃油燃气控制系统、软化水控制系统、真空控制系统、除氧控制系统、能源计量监控系统、空调控制系统等。

能源数据瞬息万变,因而保证数据不丢失,实时性存储是一个关键性指标。实时性的考量标准包括能源设备传感器与PLC(Programmable Logic Controller,可编程控制器)的对接、PLC(Programmable Logic Controller,可编程控制器)到工业网络,工业网络到以太网的互联互通、实时数据存储。其技术标准设计如下:

能源设备传感器与PLC(Programmable Logic Controller,可编程控制器)对接:面向烟草行业的能源设备传感器类型包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器等,其工作原理可分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。传感器与PLC(Programmable Logic Controller,可编程控制器)的对接形式表现为物理信号传输到PLC(Programmable Logic Controller,可编程控制器)。因而传感器与PLC(Programmable Logic Controller,可编程控制器)的对接其考核标准在于PLC(Programmable Logic Controller,可编程控制器)。基于上述分析,PLC(Programmable Logic Controller,可编程控制器)除具备基本的功能外,还需要支持临时存储、模块可扩展,协议除包括RS232、RS485,还需支持4G、5G、WIFI、GPRS、蓝牙等,在内核上采用当前最先进的嵌入式实时(run-time)内核系统,实时性和处理能力很强。

PLC(Programmable Logic Controller,可编程控制器)到工业网络,工业网络到以太网的互联互通。该指标的互联互通依靠工业数据总线支撑。工业数据总线是工业自动化中底层数据的通信网络。常用的工业现场总线包括:PROFIBUS,是程序总线网络(PROcess Field BUS)的简称,在2006年PROFIBUS也成为中华人民共和国的机械工业GB/T20540-2006;MODBUS是一种串行通信协议,已经成为工业领域通信协议的业界标准(De facto),并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备,包括PLC(Programmable Logic Controller,可编程控制器),DCS(Distribute Control System,分布式控制系统),智能仪表等都在使用MODBUS协议作为他们之间的通讯标准。以某一卷烟厂企业特点进行分析,相比于PROFIBUS,MODBUS协议更适合该企业。

实时数据存储:面向烟草行业的能源监控系统数据采集对数据的实时存储、稳定性等指标有着很高的要求。数据库按类型可划分为关系数据库和非关系数据库。从工业应用的角度考虑,选定为关系数据库。关系数据库对于管理类的信息系统,其在数据存储和检索上,很方便、快捷。但对于数据采集、实时监控类的应用系统来说,其在数据响应和处理速度则无法支撑。实时数据库的出现是适应实时工业控制的需要。实时数据库的处理速度一般为关系数据库的10~20倍,实时数据库的存储介质是内存,而关系数据库的存储介质是磁盘。实时数据库中的数据存入磁盘保存即历史数据。从烟草行业的信息化角度考虑,既需要考虑实时数据采集、实时控制的工业需要,同时也要考虑信息管理的需要,二者是不可分离的,实时数据转存为历史数据后,需要集成到关系数据库中。因而在实时存储选择为基于关系数据库基础上的实时数据库。

2.2 数据湖

随着面向烟草行业的能源监控系统的实施,会形成海量的能源数据,对海量数据进行分析和挖掘,有利于实现能源监控预警、合理地利用能源、降低生产能耗。

数据湖的理解比较抽象,Pentaho 的首席技术官 James Dixon 对“数据湖”进行了介绍。之所以将其称为湖,是因为这种数据库可以在自然状态下存储大量数据,就像一片未经过滤或包装的水体。数据从多种来源流入湖中,然后以原始格式存储。

面向烟草行业的能源监控系统从业务应用只是考虑数据采集和数据展示,则过于表面化,其应用价值则会大打折扣。合理地利用能源数据,进行分析、预警,则是能源监控系统的真正价值所在。数据湖技术则是实现这一价值的关键支撑。

2.3 服务网格

随着新一代信息技术的发展,物联网、云计算等新技术,推动着制造业系统升级,烟草行业一直是制造业数字化、自动化、智能化的先行者。随面向烟草行业的能源监控系统在软件设计上也需要考虑这一关键点。

软件架构技术的经历了从面向过程、面向对象、面向服务到当下最流行的面向微服务的发展历程。面向微服务的软件架构是实现企业上云的架构首选。微服务的软件架构是将功能更加细化、模块化,轻量级,跨平台、更适用于高并发的分布式平台,易于开发、维护和部署。但如果面向大型企业应用,微服务的数量将是庞大的,其管理难度将随着数量的增多而变得不可控制。服务网格的架构理念,则是针对这一难题应运而生。服务网格核心架构包括服务注册、服务发现、服务提供者、服务消费者、服务管理、客户端负载均衡、熔断等机制,因而实现微服务的自动化管理。

2.4 图表技术

面向烟草行业的能源监控系统的信息展示需要考虑美观、直观、稳定。BizCharts是阿里通用图表组件库,致力于打造企业中后台高效、专业、便捷的数据可视化解决方案,基于 G2与G2Plot封装的React图表库,已经历阿里复杂业务场景长达三年的洗礼,在灵活性、易用性、丰富度上满足常规图表和高度自定义图表的业务实现。

3 面向烟草行业的能源监控系统架构设计

面向烟草行业的能源监控系统架构设计分为两个部分:网络拓扑架构设计和能源监控系统架构设计。依据设计原则包括:先进性、可扩展、安全性等。遵循的标准包括电器标准和软件工程标准。

面向烟草行业的能源监控系统设计实施范围为制丝车间、卷包车间、动力车间,联网设备包括:空壓控制系统、换热控制系统、中水处理控制系统、锅炉控制系统、燃油燃气控制系统、软化水控制系统、真空控制系统、除氧控制系统、能源计量监控系统、空调控制系统等[4]。

面向烟草行业的能源监控系统网络架构设计分为三层:存储层、网络层和设备层。设备层架设PLC站点,实现数据采集和控制。各站点遵循Modbus RTU协议,与工业总线互联。网络层采用先进的PROFINET/SCALANCE,架设千兆级光纤工业环网,以保障数据实时通讯。存储层采用历史库和关系库,采用archivelog mode方式支持双机热备份,以保证数据不丢失。

面向烟草行业的能源监控系统网络设计如图1所示。

面向烟草行业的能源监控系统软件架构设计采用当下最先进的服务网格设计方法,更加轻量级、跨平台,更适用于高并发的分布式平台,易于开发、维护和部署,可支持系统上云。

该架构设计具备以下优点:

支持分布式配置管理:支持配置外部化,配置信息可实时更改。

支持消息驱动:基于 Spring Cloud Stream 为微服务应用构建消息驱动能力。

支持分布式调度:提供秒级、精准、高可靠、高可用的定时(基于 Cron 表达式)任务调度服务。同时提供分布式的任务执行模型,如网格任务。

支持熔断。

支持软件层的负载均衡和服务器端的负载均衡,支持削峰、削峰添谷等。

支持上云。

前栈和后栈分离,支持组件化开发和动态部署。

采用当下主流的图表控件,如ECHART等,支持能源监控多样呈现模式,包括折线图、柱状图、箱形图、雷达图、散点图、三维图、仪表盘等,方便用户对数据进行分析[5]。

支持多应用动态部署,支持数据分析等应用动态集成。

面向烟草行业的能源监控系统软件架构设计如图2所示:

4 面向烟草行业的能源监控系统模块设计

面向烟草行业的能源监控系统模块设计包括6个核心功能:能源综合监控、设备管理、能源报警、能耗分析、数据采集和能耗绩效考核。如图3所示。

能源综合监控:以图形化形式,包括折线图、柱状图、箱形图、雷达图、散点图、三维图、仪表盘等,实现能源监控的可视化[6]。涵盖制丝车间、卷包车间、动力车间。主要功能包括:工艺图显示、实时趋势曲线、历史趋势曲线等。

设备管理:实现对数据采集站点、控制系统等信息进行管理。对PLC标签、所处设备、设备位置、对应的PLC 站点、对应的功能、能耗类型等信息进行全方位的维护。

报警:对能耗类型进行信息化管理,对各种能耗的报警阈值进行管理,对能源使用情况进行实时监控,并进行超限预警,对设备故障进行报警。

能耗分析:对能源信息进行大数据分析,为能耗预警等提供支持。

数据采集:对PLC进行数据读写,PLC数据上传等。

能耗绩效考核:依据能耗计划信息对能耗使用情况进行考核,生成能耗报表,建立能耗考核标准。

5  面向烟草行业的能源监控系统应用

面向烟草行业的能源监控系统模块已在某卷烟生产厂应用,实现了对能源的精益化管理[7]。精益化管理主要体现为两个方面:能耗分析和能源監控。

5.1 能耗分析

能耗分析支持全厂、各车间、各设备的日、月、年耗能统计。支持台账、支持各指标对比、支持消耗趋势、支持消耗分布。如图4所示:

5.2 能耗监控

能耗监控主要表现为设备状态监控、能耗超限监控。设备状态监控,通过对电流的监控,反映设备运行情况,设备的不同状态,在监控界面以不同颜色的气泡标识,并具备实时短信通知功能。能耗超限监控,对能耗的瞬时流量和日、月的消耗总量进行监控,进行预警和报警,并将报警信息实时短信通知相关管理人员。监控的控制系统包括:空压控制系统、真空控制系统、燃油燃气控制系统、中水软化控制系统等,监控界面如图5所示:

6 结束语

本文通过对某卷烟厂的能源情况进行调研,并借鉴当前主流能源监控系统,以提升卷烟厂能源精益管理为指标,设计和研发了面向烟草行业的能源监控系统,该系统已在该卷烟厂应用,取得显著的效果,有效降低企业能耗,实现能源精益化管理。

参考文献:

[1] 刘季.卷烟生产物流“互联网+”的探索[N].东方烟草报,2019-10-19(2).

[2] 朱敏.卷烟企业能源与环境信息系统的建立与应用[D].青岛:青岛大学,2012.

[3] 刘振奎.烟厂能源管理与信息监控系统平台的开发应用[J].现代工业经济和信息化,2017,7(10):100-101.

[4] 吴聪.统计过程控制方法及应用研究[D].济南:山东大学,2012.

[5] 孙勇.统计过程控制方法在汽车配件行业的应用研究[D].武汉:华中科技大学,2005.

[6] 朱磊.重庆烟厂能源综合管理系统的研究与设计[D].重庆:重庆大学,2009.

[7] 王慧,徐跃明,韩志辉,等.卷烟生产企业能源管理系统开发与应用[J].节能,2012,31(9):12-16,2.

【通联编辑:梁书】

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