王小东

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545005）

1 能源管理系统整体设计

1.1 能源管理系统平台整体价值导向

东风柳汽能源管理平台整体设计，遵循能源管理体系PCDA 循环管理架构，如图1 所示。同时，基于能源自动化、数据可视化、指标精准化、能源管理精细化、管理动态化、决策科学化核心价值，构建能源管理系统平台，使系统真正发挥效能提升、效益扩大价值。

图1 系统价值导向图

1.2 系统平台权限设置

系统平台权限基于东风柳汽能源管理组织架构而设置。东风柳汽有两个整车生产基地，公司能源管理按公司级-厂级、车间级、现场级分级管理，因此，系统平台权限也依据该管理分级进行划分，实现系统用户配置、区域管理、分类分项、分车间、分供能单元、分设备、分班组，分时间段等不同权限的管理，具体分级管理权限如下：

现场级：具备对厂区各车间、各区域、各能耗单元的数据查询和监视，如报表查询、报表手动生成、导出功能等。

车间级：除具现场级全部权限外，增加对责任车间区域范围内的参数设置、数据录入，能耗分析基准数据设置权限。

厂级：具备对各全厂区、各车间、各区域、各能耗单元的数据查询和监视查看权限及报表查询、手动生成、导出功能，能耗分析基准数据设置，全厂能耗数据录入权限，同时，增加厂级以下账号配置和清除账号的登录及操作记录查询、系统维护功能权限。

公司级：具有现场级、车间级、厂级所有权限，增加系统开发维护权限。

1.3 数据采集及储存设计

基于能源精细化、高效化管理需求，东风柳汽的数据采集包含能量流数据、供配电数据、设备状态参数、工艺参数、作业环境参数及通过与东风柳汽设备状态监测系统、MES 系统等多系统交互的生产组织数据。数据采集与储存采用分布式的架构实现数据的分区采集、数据实时存储、优化分析等多个组件的性能均衡布局，满足不同区域和车间的能源管控需求。同时，与东风柳汽所有西门子系统产品的无缝集成（SCADA、仪表、PLC 等），降低维护及投资成本[1]。系统基础数据为各区域PLC 控制器直接采集并处理为标准统一的数据，并通过办公以太网上传至服务器显示及储存处理。在系统监控画面中实时显示车间及其供能单元已有计量仪表的瞬时、累积能源介质消耗（天然气、热水、冷水、自来水和电能）、温度等；气体、液体介质每1 min 记录一个点；电能信号每3 min 记录一个点；实时采集各仪表数据状况，系统自动进行数据归档并形成数据曲线；数据采集具备手动录入功能，对于某些不方便用智能采集设备采集的能源（譬如：柴油、产量、单价、生产时间）以及由于预算或施工难度问题导致无法改造增加智能采集设备的部分数据，提供一个手动录入接口，并把输入数据储存，但是手动录入系统有严格的权限限制和校验机制，能够放置篡改数据并分析出非正常数据，防止手动误录入[2，3]。

2 能源管理系统架构设计

如图2 所示，系统采用主流的ASP.NET 开发，系统软件同时支持B/S 和C/S 两种架构，运行管理人员、东风柳汽管理和决策层人员不受地域时间限制，通过主流浏览器Web 方式不同权限登录，查看系统功能[4，5]。

图2 系统架构设计图

3 能源管理系统通信架构设计

东风柳汽能源管理系统服务器置于公司IT 机房，由专业IT 管理人员进行运行维护管理，如图3 所示。各车间至服务器网络传输部分利用公司IT 办公以太网传输。车间内部数据信号采集、传输采用独立总线传输技术，与车间IT 网络机柜不干涉，同时，为便于信号传输线缆敷设，将远程IO 站装设在公司局域网IT 网络机柜旁。

图3 系统通信架构图

为解决底层数据通信可靠，避免数据经常丢失、丢包等现象，东风柳汽现场通信方案有别于市场主流的数据通信采集器孤岛式、固定式通信方案。东风柳汽基于系统开放性、可扩展性、灵活性等考虑，现场数据采集使用西门子配置系统即西门子PLC+Wincc 架构及开放式的西门子Wincc 上位机系统，并采用开放式的通讯协议modbus-rtu 与PLC 系统进行数据采集，系统上层数据采用工业以太网与PLC 数据通讯，以集散式结构分布，集散式结构综合考虑制冷站、空压站、生产线体设备已有的自控系统通讯。

4 能源管理系统主要应用场景设计

4.1 设备用能状态监控

设备的用能状态，如开关机时刻、运行时长、空载时间、等待时间、有效产出时间等，与工厂的能源消耗息息相关。利用能源管理系统强大的数据采集及数据的解析与分析能力，实现设备运行的精细化管理。东风柳汽的设备用能状态监控功能，基于精细化、精准化管理需求而开发，具体实现过程如下：

设计单独的系统子页面项，可根据设备电流及生产线开线、停线时刻、车辆上线、下线参数等判定基准，对设备的不同运行状态进行区分与储存。然后可根据用户实际需求，查询任何时间段不同设备的各状态数据，以评价设备开关机时刻的合理性，并判断有无提前开机、延后关机现象，同时，评价设备有效运行时间，统计设备空载、设备等待等无产出时间的能耗，为各车间提供节能改善机会挖掘的数据基础。该功能查询画面采用“公司-基地-车间”逻辑架构进行布局，可通过单选或者多选的方式选择各用能设备按天/周/月/季/年查询任意时间段内各设备状态的明细情况，查询结果以报表形式显示。

为满足新增设备或因工艺变更导致的设备状态判定参数发生变化的变更需求，该查询界面支持平台维护人员在线手工录入设备状态判定参数值。

4.2 电能质量分析

东风柳汽建有110 kV 变电站，内部电缆总长度超过120 km，线路损耗较大，利用能源管理系统，实时监测东风柳汽供配电系统多级线损成为重要的应用场景之一。

为满足多级线损统计分析功能，东风柳汽在供电局出口侧、东风柳汽变电站进口侧、主变高低压侧、车间的10 kV 总进线侧、低压总进线侧、低压出线皆配备多功能智能电表，并按四个等级划分：

110 kV 等级线损：供电局110 kV 出线至东风柳汽变电站110 kV 进线之间的架空线路线损。

110 kV/10 kV 主变等级线损：东风柳汽变电站110 kV 进线至主变低压侧（10 kV）之间的变压器损耗。

10 kV 等级线损：主变低压侧（10 kV）至各车间配电室10 kV 高压总进线之间的地下电缆线损。

低压等级线损：车间配电室10 kV 高压总进线至各低压分屏之间的线路损耗及10 kV/380 V 变压器损耗。

基于以上线损分级管理，设立独立的页面项，经过采集涉及的各级电表数据及后台处理，计算出各时段公司各级电能计量误差；以东风柳汽电气主接线图为底板，实时显示各级电能信息及线损率、线损量等状态，同时可以查询并输出任何时间段内公司各等级线损数据，查询单位为“天、周、月”，查询结果以单一特定报表形式输出。

4.3 变压器负载率监控功能

变压器负载率、负荷率是衡量工厂生产排产有序性、均衡性的重要指标，同时，电费里的容量费是公司的主要电费构成之一，降低公司的容量费关键手段便是对变压器负载率、负荷率的监控与改善。

东风柳汽变压器负载率监控功能根据现场实际情况，提供各基地、车间变压器负载率标准值设定界面，该界面支持平台维护人员在线手工录入各变压器的负载率设定值。系统以电气主接线图形式显示变电站主变、各基地、车间实时负载率变化信息；监控画面主要显示各变压器的额定容量、实时使用容量、变压器实时负载率（负载率=实时视在功率/额定视在功率）、负载率设定值等数据；当实时负载率小于设定值时，数据部分变成红色，变压器图标由绿色变成红色；当实时负载率大于等于设定值时，数据部分颜色恢复正常，变压器图标变成绿色。

4.4 报表管理

东风柳汽能源管理系统报表设计为开放式报表，各车间可根据实际需求灵活配置统计项。

按使用区域分类，监测每个区域的天然气、热水、冷水、自来水和电能的当天的能源消耗报表，每周能源消耗报表，每月能源消耗报表，每季度能源消耗报表，每年能源消耗报表。

按能源品种分类，监测每种能源的每天、每周、每月、每季度、每年的消耗报表；可提供手动输入界面，可导入历史数据，并生产报表。

可自动生成产量、生产时间、历史能耗数据报表；能源管理软件可以生成各类能耗的日报表、月报表、年报表等各种报表，实现能源资源分类分项精确计量和能源资源运行监管功能，清晰描述工厂总的用能现状；根据能耗数据，可生成曲线，包括折线图、饼图、柱状图（可根据现场需求进行调用），便于直观的能耗走势分析和比例分析。

导出EXCEL 报表后，报表具备打印、过滤、排序等功能，打印方式支持word、excel、PDF、棒图、曲线等图表打印功能[6-8]。

4.5 能耗分析

东风柳汽利用系统采集的数据，用同环比、与基准值的优劣等预设规则，对能耗数据采集结果进行分析，供公司各用能岗位、机构评估日、周、月、年用能合理性。整体按“能耗预警管理功能”“综合能耗总览功能”“同类车间能耗分析功能”三个功能设计。能源管理工程师能根据公司级、车间级、工序级、设备级能耗定额指标及每年发布的KPI 值设定报警限值，设定的内容包括报警内容、报警类型、报警等级、报警位置、能源类型、周期、指标、单位、设定值等。系统对公司主要的能源消耗总体情况和能源消耗分项情况进行统计，与生产数据结合，分析公司单台产量能耗和产值能耗。通过对水、电、气单项以及分项对比，按照年、季、月、周和天的时间进行统计分析，并以柱状图、曲线、数字表现形式显示和输出，直观反映公司各级实际实时用能情况，并可通过报表形式导出呈现。

4.6 能源绩效参数监控

东风柳汽为整车企业，涵盖冲压、焊接、涂装、总装、发动机五大工艺，设备繁多，且工艺复杂。因此，提高公司设备使用效能，在满足工艺质量要求的前提下，如何优化并合理控制各类压力、频率、温度、湿度、功率因数、电流谐波、电压等参数，成为东风柳汽乃至整个机械行业深入节能的重要突破口。参数的异常，直接影响公司能耗指标及能源绩效的达成。而该部分参数的控制，如仅依靠人为管理控制，很难做到异常快速识别整改、参数持续调优，必须依托参数的自动化采集与处理，依靠系统平台代替人为管理，才能提高参数控制的精准度及参数异常识别与整改效率，降低公司能耗。

能源绩效参数的获取从车间中控室直接采集或通过新增采集设备，实现公司主要参数在线监控、记录、查询、报警提示功能。如图4 所示，能源绩效参数实时监控以车间工艺流程图形式显示所列设备能源绩效参数整体运行情况，且以特定图标反映实时运行状态，能直观区分运行正常、异常状态，点击某设备图标，可进入该设备具体能源绩效参数实时监控页面，如图5 所示。

图4 某工序绩效参数实时监控页面

图5 某工序绩效参数实时监控页面

此外，能源绩效参数可以查询某个车间能源绩效参数任何时间段内的历史运行数据，查询周期为小时、天或月，查询结果采用特定报表格式，以算数平均值输出；能源绩效参数以特定表格形式输出任何时间段的能源绩效参数报警记录，查询周期为每天、每月或每年，查询结果包含异常运行的能源绩效参数名称、运行标准范围、异常运行值、异常运行时间段。同一查询时间段内，查询结果能直观显示某个能源绩效参数有多次运行异常记录的情况[9，10]。

4.7 成本分析

能耗成本作为东风柳汽的主要成本管控项，为便于与公司财会部门业务衔接，特设计了成本分析功能，以提高管理效率。系统设立单独的成本分析功能页面，页面简洁明了，且可以制定报表格式导出；具备公司级和车间级的成本分析，可以根据产量及能耗，计算单台能耗（水、电、气）成本；根据水、电、气系统的耗能累计数据和产出累计量，自动生成单位产出能源介质的成本分析结果。

4.8 绩效考核

能源管理目标、指标达成情况的分解、管控、考核，是能源管理体系必不可少的一环，是公司管理者评价各用能部门、用能管理人员月度、年度绩效的重要手段。基于该考虑，东风柳汽能源管理系统增加了绩效考核页面。

绩效设定页面由公司能源主管部门根据公司能源管理制度和能源绩效考核制度以及公司领导确定的能源绩效目标，对不同部门或组织的能源绩效进行指标分解和分配、权重设定及各指标目标值设定等工作，设定每个车间或组织的年度和月度绩效考核目标。

设置实时绩效统计功能，系统每完成一次数据统计，就与预先设定好的能源绩效目标进行比对，若超限时产生绩效报警信息，发送给报警管理功能模块，由其完成提示、显示和查看等功能。同时，经授权的管理人员也可随时查看当前能源绩效的运行情况，与目标值的距离，以指导下一步的能源使用和管理工作。

设置绩效分析功能，公司各层级管理人员可查看到历史绩效的各种记录数据，给出横向对比、纵向对比、上下级分解数据等多种分析方法。

5 结语

能源管理系统对主要耗能设备、主要办公场所用能进行全面的监视，利于设备开关机等管理制度的落实，提高能源管理水平，降低能源浪费；通过能源消耗与生产排产水平分析，科学经济排产，降低单位产品能耗；通过系统后台监视大部分能源管理绩效参数（电泳槽液温度、烘干室温度、空压机出口压力等）运行情况，提高能源绩效参数遵守率，从而提高能源利用效率，降低用能成本；通过监视主要变配电设备温控仪、继电保护、断路器脱扣器状态及无功补偿与有源滤波设备运行状态，及时识别故障及供电故障预警，降低供电事故发生率，提高无功补偿与有源滤波设备有效运行率，降低无功损耗及谐波污染，提高电能质量。通过设备优化控制系统，对制冷站、空调系统、空压站、锅炉房等主要耗能单元进行智能优化控制，在保证动力站房正常供能的前提下，大大降低动力站房的运行能耗，同时可优化岗位操作人员配置，达到减员增效的目的；利用能耗分析、能耗异常诊断、能源绩效参数运行曲线分析、无功补偿与有源滤波设备运行状态分析等功能，分析及创造出节能改进空间，为设备、工艺技术改造、节能改造提供充分的数据支撑及科学合理的依据，扩大节能改善空间，增加节能改善深度。