安科瑞 鮑靜君　

摘要：由于傳統(tǒng)系統(tǒng)未能考慮水泥企業(yè)的能耗標準及績效指標問題，導(dǎo)致水泥企業(yè)資源利用率降低、能量消耗大。為此，本研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了新的水泥企業(yè)能耗對標系統(tǒng)。首先設(shè)計水泥企業(yè)能耗對標體系框架，將水泥生產(chǎn)過程中的主要能耗指標設(shè)定為系統(tǒng)的KPI指標，分別計算不同的指標，并制定對應(yīng)的能耗標準。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)水泥企業(yè)能耗標準分析用戶需求以及非功能性需求，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖及模塊流程圖，明確系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能。仿真實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠有效提升水泥企業(yè)的資源利用率，減少生產(chǎn)過程的能量消耗。能耗管理云平臺水泥企業(yè)中的設(shè)計與應(yīng)用

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；水泥企業(yè)；能耗對標；能耗標準；資源利用率

　　引言

　　隨著國家環(huán)保力度的日益加強，國內(nèi)水泥產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)過程中開始重視節(jié)能減排。同時，由于國家對于能耗評估指標的要求也越來越嚴格，各水泥生產(chǎn)企業(yè)需降低 生產(chǎn)能耗才能夠滿足新的環(huán)境發(fā)展需求。現(xiàn)階段，水泥企業(yè)之間的競爭將轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品價格競爭，而在價格競爭中，壓縮生產(chǎn)成本成為提升企業(yè)競爭力的關(guān)鍵因素之一。水泥企業(yè)只有在生產(chǎn)過程中有效控制能源消耗，盡可能地降低水泥產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中能耗成本，才能夠使產(chǎn)品在價格上具有優(yōu)勢。

　　節(jié)能降耗工作首先就需要排查能源利用不合理的工序或者產(chǎn)線，根據(jù)對工序、產(chǎn)線的能耗數(shù)據(jù)客觀的分析，并且和對應(yīng)的能耗標準、規(guī)模相近的生產(chǎn)線以及設(shè)備進行對比，及時查找出自身的不足，從而調(diào)整生產(chǎn)線或者對設(shè)備進行改進和優(yōu)化，從而達到降低能耗的目的為此，研究水泥企業(yè)能耗對標系統(tǒng)具有重要意義。相關(guān)專家也針對該方面的內(nèi)容展開了研究，例如吳曉雪等人主要通過組態(tài)技術(shù)完成對遠程能耗數(shù)據(jù)的采集，同時結(jié)合能效控制算法完成對能耗對標系統(tǒng)的設(shè)計。楊亞勛首先組建基于ARM控制的能耗監(jiān)測對象，以此為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫模式完成對能耗對標系統(tǒng)的設(shè)計。傳統(tǒng)系統(tǒng)雖然在一定程度上取得了較為滿意的應(yīng)用效果，但是由于未考慮水泥企業(yè)能耗標準及績效指標問題，導(dǎo)致其存在資源利用率降低等不足。為此，本研究提出一種新的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水泥企業(yè)能耗對標系統(tǒng)。

　　KPI能耗指標計算

　　能耗體系指標的建立是對標工作的核心，組建一個科學(xué)、合理有效的對標體系，能夠有效降低企業(yè)的生產(chǎn)過程能耗，提升資源利用率。為此，分析水泥企業(yè)的能耗現(xiàn)狀，探索符合其自身條件的能耗對比體系，從而進一步增強企業(yè)水泥能源的利用率。

　　水泥企業(yè)的生產(chǎn)能源消耗主要表現(xiàn)為電力以及煤的消耗。此外，水泥生產(chǎn)的各個工序需要根據(jù)電耗以及煤耗進行劃分，主要劃分為熟料和水泥生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的電耗以及煤耗。其中，電耗主要通過采集電表數(shù)據(jù)來獲?。幻汉臄?shù)據(jù)主要通過DCS標簽數(shù)據(jù)量獲取。

圖1 水泥企業(yè)能耗對標體系結(jié)構(gòu)圖

　　雖然各個水泥企業(yè)之間的生產(chǎn)情況存在差異，但是基本都包含以下程序：生料制備、廢氣處理、熟料燒成、熟料存儲以及運輸以及水泥包裝等工序。在具有明確界定的范圍內(nèi)，不同工序的單位產(chǎn)品能耗是能夠進行對比的，同時能夠直觀反映水泥產(chǎn)業(yè)各個工序的能源消耗情況。在綜合考察水泥企業(yè)生產(chǎn)過程的基礎(chǔ)上，明確了水泥產(chǎn)業(yè)的能耗對標框架，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　結(jié)合圖1，水泥生產(chǎn)過程中的能耗主要包含熟料綜合能耗以及水泥綜合能耗。其中，熟料綜合能耗又可劃分為綜合電耗以及熟料綜合電耗；水泥綜合能耗能夠劃分為水泥綜合電耗以及水泥綜合煤耗；同時，水泥以及熟料綜合能耗又是經(jīng)過多個工序共同實現(xiàn)的。

　　在此基礎(chǔ)上，本研究引入關(guān)鍵績效指標(Key Per-formance Indicator，KPI)，主要是利用對組織內(nèi)部流程的輸入端、輸出端的關(guān)鍵參數(shù)進行設(shè)置、取樣、計算和分析。KPI是衡量流程績效的一種目標式量化指標，是企業(yè)戰(zhàn)略目標分解為可操作工作目標的工具，也是企業(yè)績效管理的基礎(chǔ)。由于系統(tǒng)將水泥產(chǎn)業(yè)作為研究對象，需要推廣到企業(yè)發(fā)展部署以及應(yīng)用，所以在指標選擇的過程中，需要綜合考慮水泥企業(yè)的實際發(fā)展狀況。

　　KPI指標的確定是對標工作的前提。針對同一企業(yè)的內(nèi)部組織而言，組建具有可操作性的KPI指標是十分重要的。水泥行業(yè)會定期對KPI指標進行對標，獲取各個企業(yè)之間的差距以及企業(yè)所在的具體位置。

　　系統(tǒng)在綜合分析水泥企業(yè)實際生產(chǎn)情況的基礎(chǔ)上，確定以水泥生產(chǎn)過程中的能耗指標作為KPI指標，主要在技術(shù)層面針對水泥生產(chǎn)過程進行對比分析。根據(jù)對技術(shù)指標的對比分析，有效優(yōu)化水泥企業(yè)的生產(chǎn)線，達到節(jié)能降耗的目的。以下分別針對各項KPI進行分析：

　　(1) 熟料綜合能耗

　　熟料綜合能耗為生產(chǎn)一噸熟料所消耗的全部能源在折算成標準后獲取的能源消耗情況，其中主要包含水泥企業(yè)中生料制備、煤粉制備以及其它生產(chǎn)能耗操作環(huán)節(jié)產(chǎn)生的能源消耗[8]，其中單位為kg/t(千克標準煤/噸)，具體的計算公式為：

　　式中，Ect代表熟料綜合能耗；ect代表熟料綜合煤耗；Qct代表熟料綜合電耗；0.1229代表電力折算標準煤系數(shù)。

　　(2) 可比熟料綜合能耗：

　　可比熟料綜合能耗主要是指熟料綜合能耗經(jīng)過統(tǒng)一修正以及折算成標準煤所獲取的能耗取值，具體的計算公式為：

　　式中，Ekcl代表可比熟料綜合能耗；ekcl代表可比熟料綜合煤耗；Qkcl代表可比熟料綜合電耗。

　　(3) 熟料綜合煤耗：

　　主要是指生產(chǎn)一噸熟料所需要的煤粉量，實際即為煤粉制備環(huán)節(jié)所消耗的煤粉量，具體的計算公式為：

　　式中，PC代表統(tǒng)計期間內(nèi)水泥總產(chǎn)量；Qnet,ar代表收到基低位發(fā)熱量；QBM代表標準煤發(fā)熱量；Pcl代表統(tǒng)計期內(nèi)熟料綜合消耗量。

　　(4) 可比熟料綜合能耗：

　　即熟料綜合煤耗在經(jīng)過統(tǒng)一修正后獲取的標準煤耗，具體的計算式為：

　　式中，a代表熟料強度等級修正系數(shù)；k代表海拔修正系數(shù)；ehe代表水泥企業(yè)余熱發(fā)電折算后的單位熟料標準煤量；ehu代表余熱發(fā)電利用的熱量折算的單位熟料標準煤量；efc代表廢棄物處理消耗的燃料折算為標準煤耗。

　　(5) 熟料綜合能耗：

　　即生產(chǎn)一噸熟料所消耗的能量，其具體的計算公式為：

　　式中，Qcl代表熟料綜合電耗；Qsc代表熟料燒成電耗；Qfp代表廢氣處理電耗；QPS代表原料破碎過程中產(chǎn)生的電耗；Qyjh代表原料預(yù)均化電耗；Qyfm代表生料制備電耗；Qjh代表生料均化電耗；Qcs代表熟料存儲以及運輸電耗；Qfz代表輔助生產(chǎn)電耗；m代表水泥企業(yè)生產(chǎn)1噸原料的消耗量；n代表生產(chǎn)1噸熟料燃料的消耗量。

　　(6) 可比熟料綜合電耗：

　　指對熟料綜合電耗進行統(tǒng)一修正后獲取的綜合電耗，具體的計算式為：

　　(7) 水泥綜合能耗：

　　指生產(chǎn)一噸水泥消耗的能源經(jīng)過統(tǒng)一折算成標準煤后獲取的能耗，具體的計算式為：

　　式中，Es代表水泥企業(yè)中水泥的綜合能耗；Qfm代表水泥粉磨電耗；Qhhg代表混合材料制備電耗；h代表水泥企業(yè)中水泥混合材料平均摻量。

　　(8) 可比水泥綜合能耗：

　　在設(shè)定的時間段內(nèi)，生產(chǎn)一噸水泥所消耗的各種能源通過統(tǒng)一修正并且折算為標準煤所獲取的綜合能耗，具體的計算式為：

　　式中，Eks代表可比水泥綜合能耗；g代表水泥的熟料平均配比。

　　(9) 水泥綜合電耗：

　　指生產(chǎn)一噸水泥所消耗的電量，具體的計算式為：

　　式中，d代表水泥中熟料平均配比。

　　(10) 可比水泥綜合電耗：

　　將水泥綜合電耗統(tǒng)一修正后獲取的綜合電耗值，具體的計算式為：

　　分析國內(nèi)水泥產(chǎn)業(yè)的復(fù)雜情況，將各種能耗指標等級劃分為國家標準、行業(yè)標準以及企業(yè)標準。其中國際標準的選取主要參照國外大型水泥企業(yè)的生產(chǎn)線能耗水平制定，國家標準的確定則需要參照國家投入的水泥生產(chǎn)線的年度運行能耗水平；企業(yè)標準通過自身企業(yè)的實際情況，由企業(yè)員工進行制定。

　　能耗管理云平臺水泥企業(yè)中的設(shè)計與應(yīng)用

　　本研究將基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水泥企業(yè)能耗對標系統(tǒng)劃分為前臺界面以及后臺界面兩部分，主要由多個頁面有機組成。不同界面功能以及任務(wù)不同，兩者共同實現(xiàn)能耗對標工作。系統(tǒng)主要以角色為對象，角色不同權(quán)限不同。由于各個用戶都有對應(yīng)的角色，也就是對用戶登錄進行了限制。系統(tǒng)共設(shè)定三個角色，分別為政府、企業(yè)和管理員。擁有不同角色的用戶能夠使用的功能以及權(quán)限也存在一定的差異，利用圖2-圖4分別給出不同角色的對標系統(tǒng)程圖。

圖2 水泥企業(yè)用戶界面流程圖

圖3 政府用戶界面流程圖

圖4 管理員界面流程圖

　　水泥企業(yè)能耗對標系統(tǒng)的基本單元是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對能耗數(shù)據(jù)的采集并建立對標系統(tǒng)數(shù)據(jù)表能夠明確數(shù)據(jù)表的作用，同時為系統(tǒng)中各個數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系進行鋪墊。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的能耗數(shù)據(jù)庫不同的數(shù)據(jù)表組成的，各個數(shù)據(jù)表之間存在一定的關(guān)聯(lián)，清理上述關(guān)系，即能夠通過數(shù)據(jù)庫的組建增強系統(tǒng)的運行速度。水泥企業(yè)能耗對標系統(tǒng)主要通過以下模塊組成，以下進行詳細的介紹以及分析。

　　(1) 后臺管理模塊

　　系統(tǒng)在搭建好運行環(huán)境后，主要用于存放原始程序。

　　(2) 用戶界面模塊

　　用戶界面模塊主要包含兩個角色，分別為政府和企業(yè)，用戶通過不同身份進行注冊登錄，即能夠?qū)崿F(xiàn)不同界面的操作功能。用戶界面主要劃分為四個控制器，通過控制器能夠判定登錄用戶是否合法，有效避免非法用戶的登錄。針對于合法用戶，需要判定角色權(quán)限，同時進入對應(yīng)的角色分組，將功能模塊節(jié)點以及數(shù)組的形式利用函數(shù)分配到對應(yīng)的模板頁中。

　　(3) 標準瀏覽查詢模塊

　　模塊主要劃分為三個模板界面，其中Test控制器負責協(xié)調(diào)頁面的輸出；函數(shù)負責對應(yīng)模板的調(diào)用；模板頁面主要負責頁面名稱的展示。

　　(4) 水泥企業(yè)能耗對標模塊

　　水泥企業(yè)能耗對標模塊是系統(tǒng)的核心，用戶能夠通過該模塊完成水泥企業(yè)能耗對標。其中對比模板主要劃分為四個操作步驟，具體如圖5所示。

圖5 水泥企業(yè)能耗對標模塊操作過程

　　(5) 評估報告管理模塊

　　評估報告模塊主要分為三個模板頁面，分別為評估報告的展示、評估報告操作按鈕的建立以及評估報告查看。當用戶點擊報告管理按鈕時，Test控制器會對應(yīng)的模板頁面，同時將數(shù)據(jù)表進行實例化處理。根據(jù)用戶的識別編碼篩選用戶已經(jīng)創(chuàng)建的評估報告，同時將上述數(shù)據(jù)放入到數(shù)組中。當用戶點擊查看報告按鈕時，對標系統(tǒng)會載入評估報告的具體信息。當用戶點擊行業(yè)比較按鈕時，對標系統(tǒng)會載入用戶企業(yè)能效信息和同行全部企業(yè)的能效信息。

　　(6) 對標結(jié)果統(tǒng)計模塊

　　系統(tǒng)實現(xiàn)了政府用戶對于區(qū)域內(nèi)整體能耗水平的把握，它既能夠在數(shù)據(jù)上分析企業(yè)達到國家限定值或者*值的百分比，又能夠以圖形化的形式展示不同水泥企業(yè)的對標情況。

　　當政府用戶點擊對標統(tǒng)計操作后，操作信息被返回至Test控制器，采取相應(yīng)的方法進行處理。同時分別對比不同企業(yè)實際能耗以及國家能耗限定值、*值，針對未達到國家需求的水泥企業(yè)在圖形上進行標記，分別計算水泥企業(yè)實際能耗以及國家能耗限定值的百分比，統(tǒng)計達到標準的能耗量。

　　能源管理系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

　　能源管理系統(tǒng)是一套綜合性強的用能管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分層式和分布式的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，對廣汽本田在汽車制造過程中設(shè)備所使用到的水、油、汽、電力、燃氣等各類型能耗數(shù)據(jù)自動進行采集并傳輸儲存，整合各類有用信息數(shù)據(jù)后進行處理分析，以生成能源分析報告的形式，得出能源管理優(yōu)化調(diào)整建議方案，實現(xiàn)節(jié)能減排的核心目標。

　　水泥企業(yè)使用的能耗架構(gòu)一般可分為個體設(shè)備層面、工段級別、車間級別、工廠級別及企業(yè)分廠。由于所負責的部分以及機械設(shè)備的差異，導(dǎo)致每個級別層面所需使用的能耗數(shù)據(jù)不盡相同，所以如何管理和分析如此繁多復(fù)雜的數(shù)據(jù)，如何將它們分門別類的區(qū)分開來，如何對它們進行管控均成為水泥企業(yè)進行節(jié)能減排途中的絆腳石。

　　因此水泥企業(yè)切需要一套成熟的綜合能源管理系統(tǒng)，通過使用正確的管理體系幫助企業(yè)各類能源得到充分利用。通過能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對各類各級能源進行計劃、分配、管控及消耗等方面的調(diào)整優(yōu)化，同時對高度耗能的設(shè)備進行管理和監(jiān)測，利用能源計量等多種方法手段盡量減少或降低設(shè)備耗能和排污的問題，將節(jié)能減排工作落實到實處，切實發(fā)揮作用。能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用還能夠讓公司的管理高層快速掌握工作車間能源的使用情況，從而能快速準確地掌握各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗使用特征和數(shù)量關(guān)系，可以深化能源管理的分配機制，使節(jié)能計劃更清晰地發(fā)散到各個工作崗位中，人人負責，以助力水泥企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

　　能源管理系統(tǒng)應(yīng)用場景

　　（1）能耗分析應(yīng)用

　　水泥企業(yè)在能源管理工作上原來采用人工手動記錄的方式，對各類各級能耗數(shù)據(jù)進行采集、整合、處理以及計算等工作，這樣導(dǎo)致了巨大的工作量，并且需要各個部門的配合，順利實行起來的難度系數(shù)高，而且還需要投入大量的人力、物力及時間。因此，采用綜合能源管理系統(tǒng)通過實時采集分析日數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)、年數(shù)據(jù)總能耗趨勢、同比環(huán)比數(shù)據(jù)、負荷類型耗能占比分析、能源類型耗能占比分析等，解決了上述諸多痛點，如圖 1 所示。

圖1 能耗趨勢及能源類型耗能占比分析

　　（2）單耗分析應(yīng)用

　　節(jié)能減排是每一個行業(yè)均需迫切實現(xiàn)的目標，水泥企業(yè)想要做到節(jié)能減排就需要對企業(yè)原本的能源管理體制中的各個系統(tǒng)進行改革，譬如供配電系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等，系統(tǒng)的功能主要表現(xiàn)在其可實時跟蹤并自動分析節(jié)能減排工作的效果以及完成的情況，得到能源的轉(zhuǎn)化效率和能耗利用的生產(chǎn)效率情況，分析單位產(chǎn)量所需能源作為數(shù)據(jù)分析依據(jù)，規(guī)劃更加合理的生產(chǎn)工作計劃，從而提高生產(chǎn)效益，如圖 2 所示。

圖2 單耗分析

　?。?）KPI分析應(yīng)用

　　能源管理系統(tǒng)是集能源監(jiān)控、調(diào)度、管理智能化系統(tǒng)，也是集動力能源全過程監(jiān)管、耗能信息化管理的綜合信息管理控制。系統(tǒng)可以實現(xiàn) KPI 的綜合分析規(guī)劃管理。通過靈活定制各科室、車間、班組的KPI 指標，分析管理能耗和產(chǎn)量的完成率、達標率等，在質(zhì)量、供需、預(yù)測計劃、排班等工作中有著巨大的應(yīng)用價值，為提高生產(chǎn)效益提供有力的數(shù)據(jù)支撐，如圖 3 所示。

圖3 KPI分析

　　（4）統(tǒng)計報表應(yīng)用

　　通過能源管理系統(tǒng)能夠進行綜合能耗統(tǒng)計報表分析，其中能耗分析是根據(jù)能源計量的實時信息對水泥企業(yè)現(xiàn)場各單位的能源使用和消耗情況進行分析，并快速整合數(shù)據(jù)提供各類能源使用分析報告?，F(xiàn)實工作中很多節(jié)能減排的潛能被知曉和投入使用都是通過大量的報告獲得的，因為每份報告都準確地抓住了各項設(shè)備的主要問題，充分暴露出設(shè)備的短板，工程師可以牢牢抓住事故問題的咽喉，從而使能源管理流程簡單化，以優(yōu)化能源管理的結(jié)構(gòu)體系，逐步提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)節(jié)能減排的顯著效果。

　　（5）能源分析報告應(yīng)用

　　能源管理系統(tǒng)通過對能源數(shù)據(jù)以及能源設(shè)備的監(jiān)測，結(jié)合既有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和檢測試驗數(shù)據(jù)庫，利用科學(xué)的數(shù)據(jù)挖掘方法，掌握能源設(shè)備、能源利用方面的關(guān)鍵參數(shù)，研究結(jié)合威布爾分布法、模糊層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等多種算法和分析模型，建立水泥企業(yè)能源利用模型和能源系統(tǒng)生產(chǎn)模型，綜合分析自動生成能源使用分析報告。為更加可靠、合理計劃和利用能源，降低能源消耗提供有價值的參考依據(jù)，同時為水泥企業(yè)提高能源利用的經(jīng)濟效益和可持續(xù)發(fā)展理念提供重要數(shù)據(jù)支撐，如圖 4 所示。

圖4 能源分析報告

　?。?）監(jiān)測報警應(yīng)用

　　能源管理系統(tǒng)將設(shè)備數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一式采集監(jiān)測管理，通過實現(xiàn) 7×24 小時在線監(jiān)測服務(wù)，在一定程度上減輕了設(shè)備運維管理工作的負擔，從而大大減少了運維成本。更加信息化、自動化、智能化的報警監(jiān)測運維管理系統(tǒng)，將大幅提高廣汽本田各廠區(qū)設(shè)備和員工的運營工作效率。報警監(jiān)測應(yīng)用將通過在線監(jiān)測服務(wù)，及時發(fā)現(xiàn)區(qū)域、設(shè)備故障、越限等報警事件并通知相關(guān)負責人員，以保障生產(chǎn)有序進行，如圖 5 所示。

圖5 實時報警監(jiān)測