重型装备制造企业能源管理系统的设计与实现

李小萌，王 坚，戴毅茹

（同济大学 CIMS研究中心，上海 201804）

0 引言

企业能源消费过程包括能源的购入、转化、储存、使用、回收和放散几大过程。能源管理系统EMS（Energy Management System）是企业信息化系统的一个重要组成部分。企业能源管理系统就是在生产过程中对电、煤气、天然气等能耗数据进行采集、存储、查询、统计和分析，提供企业能耗统计、能源消耗计划等管理。

重型装备制造企业是一家大型锻铸件制造企业，生产流程包括冶铸，锻造，热处理，机加工等。能源消耗十分巨大，节能潜力很可观。在企业开展以节能减排为目标的能源管理工作，将会产生巨大的经济效益。本文以重型装备制造企业的节能减排为需求，介绍了重型装备制造企业能源管理系统的设计与实现。该能源管理系统主要对能源介质、能耗设备、计量设备、计量数据、能耗统计、能源消耗预测进行管理。

1 系统设计

1.1 系统设计思想

（1）能源消耗统计。本系统以能耗设备为统计单位，对能耗设备基础数据进行统计分析，可以实现车间、能源介质、设备等统计对象在任意（年、季、月、日）时间单位内的能耗统计，进行图表和表格输出。搭建好数据库后，建立部门车间、能源介质、设备，计量数据等数据表，并创建表与表之间的关系。然后通过编写程序进行能源介质、设备、计量数据的查询、增删改等操作，并进行能耗统计。所有操作都是通过触发控件事件，在事件里按不同条件情况写好查询语句和操作步骤，然后在数据库执行查询计算，增删改等操作，并在界面上展示出来。C#和SQL Server数据库的交互通过ADO.NET实现。

（2）能源消耗预测。在能耗统计基础上可以进行能源消耗预测，能源消耗预测是基于历年各个产品的产量和当年的能源消耗量来进行的，给定预测年份各个产品的产量，采用最小二乘法，即可得到该预测年份的能源消耗预测值。

矩阵A为6×5维度的由a11～a65组成，即为往年各个产品数量矩阵，矩阵B为6×1维度的由b1～b6组成，即为往年总能耗矩阵。矩阵X为5×1维度的由x1～x5组成，x1～x5为产品一到产品五在预测年份（如2013年）的产品单耗，通过矩阵计算求出矩阵X，得到x1～x5的值。矩阵P为1×5维度的由p1～p5组成，p1到p5为产品一到产品五在预测年份的产品数量，预测年份的总能耗为E：

表1 能源消耗预测

E=p1x1+p2x2+p3x3+p4x4+p5x5。矩阵计算如下：

AX=B，ATAX=ATB，X=（ATA）-1ATB，E=PX

1.2 系统架构设计

系统的总体架构由应用层、模型层和数据层组成。应用层包括能耗统计及图表输出以及能源消耗预测。模型层为应用层提供各类计算模型，包括支持能耗统计的设备能耗统计模型、车间能耗统计模型、介质能耗统计模型和支持能耗预测的最小二乘法预测模型。数据层为模型层和应用层提供制造设备参数及基础能耗数据。

1.3 网络拓扑结构设计

网络拓扑结构包括：①能源计量设备，如煤气表、天然气表等，经由通信接口将数据输出至现场总线；②数据传输网络，有现场数据传输电缆、交换机等，将采集到的数据通过现场总线输出到数据库服务器；③能源管理系统客户端，连接到以太网内部的客户端访问基础能源消耗数据库服务器。

2 系统功能

本软件功能模块如下：①能源介质管理。本系统涉及到的能源介质有煤气、天然气。按能源介质形态（固、液、气）对能源介质进行查询及增删改等；②设备管理。按部门、设备类型、能源介质、使用状况等对设备进行查询，及增删改等，设备信息导出Excel表格；③计量数据管理。按能耗设备对计量数据进行查询等管理；④计量设备管理。包括计量设备档案管理、检定管理和维修管理。按计量设备等级对计量设备进行查询，增删改等；按计量设备对检定记录和维修记录进行查询，增删改等；⑤能源消耗统计。对车间、设备、介质等不同统计对象类型进行能耗统计分析。按部门、能源介质等不同分类选择统计对象，按照统计类型（年、季、月、日），选择统计时间段，即可绘出所选对象在该时间段内的能耗值，用图表和表格显示统计结果，并导出到Excel；⑥能源消耗预测。根据往年的各个产品数量和当年的能耗总量，给定预测年份各个产品数量，对该预测年份的能源消耗总量进行预测，预测结果用图表表示，同时显示历史数据和预测值。

3 系统实现

重型装备制造企业能源综合管理系统采用客户端/服务器端（C/S）模式，在.NET框架内，运用Visual Studio 2010开发环境，使用C#语言开发。数据库使用Microsoft的SQL Server 2008数据库。C#程序与数据库连接部分采用ADO.NET技术实现。

3.1 数据库设计

首先创建数据库，详见表2。然后创建系统所需数据表，其中计量数据表是按照能源介质建表的，即分为天然气计量数据表和煤气计量数据表，计量数据是按小时采集的。表与表之间通过外键连接，可以实现级联更新和删除。各个表之间的外键连接关系如数据表关系详见图3。

表2 创建数据表

图3 数据表关系图

3.2 同步更新数据库

计量数据表设计好后，可以通过主界面 “系统”菜单里的 “更新数据库”选项来将重型装备制造企业能源消耗基础数据库里的数据同步到本软件数据库。此功能通过ADO.NET技术实现。本软件同时连接到重型装备制造企业数据库和本软件数据库，从重型装备制造企业数据库选择出计量数据插入到本软件数据库相应数据表里面。

3.3 计量数据管理

更新本系统数据库后，就可以选择计量数据管理模块，在左边树状导航窗体里面按车间列出能耗设备，单击选择某个能耗设备，就可以查看对应的所有计量数据。还可以进行 “查询”操作，查询该设备一段时间内的计量数据。

3.4 能耗统计

能耗统计就是基于计量数据来进行的。打开能耗统计功能模块，选择统计类型（年、季、月、日），然后在统计时间下拉框里勾选多个（年、季、月、日）时间点，再在统计对象里勾选多个（车间、能源介质、设备类型等类型）统计对象，双击 “绘图”，即可出现统计结果的图表和表格。图表包括直线图、柱形图、饼图、散点图、条形图和面积图。双击某个图还可以单独显示该图。能耗统计的实现就是通过用户选择的统计类型、统计对象、统计时间等不同条件，分别编写数据库查询语句，对查询结果进行计算得到统计值，以图表和表格的形式呈现给用户。可以选择图例，3D，网格线等丰富的界面元素使得图表更生动。

图4 能耗统计结果

3.5 能源消耗预测

能源消耗预测是基于往年的各个产品数量和当年的能耗总量，通过给定要预测年份的各个产品数量，采用最小二乘法算法，来预测该年份的能耗总量的。因此，要进行能源消耗预测，用户首先要输入各个产品的数量，得到预测年份各个产品数量矩阵P，然后指定预测年份，选择 “最小二乘法预测”，即可显示预测结果图表，得到能耗预测值。能源消耗预测所进行的矩阵计算，由Matrix类实现，该类有矩阵相乘，矩阵求逆等实现方法。从数据库中查询出历年各个产品数量和当年的总能耗，得到往年各个产品数量矩阵A和对应往年总能耗矩阵B，通过Matrix类进行矩阵计算，求出预测年份各个产品单耗矩阵X。预测年份的总能耗为E=PX。

4 结束语

大型制造企业须借助能源管理系统来进行信息化管理。通过能耗设备管理，能源计量设备管理能耗统计，能源消耗预测等多种形式，使企业管理者对企业能源消耗过程及未来走向有准确把握，可详细了解各个生产部门车间甚至每台能耗设备的能源消耗情况，能够方便制定各个部门车间能耗计划任务，明确各个部门车间的职责，促进企业健康稳定发展。

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