面向铝材生产的实时能耗监测及预警系统



面向铝材生产的实时能耗监测及预警系统

陀树青1,陈文泗1,罗铭强1,梁 鹏2

(1.广东兴发铝业有限公司,佛山,528061;2.广东技术师范学院计算机科学学院,广州,510665)

0　引言

随着工业4.0时代的到来，生产制造企业更多的考虑绿色生产和智能制造所带来的变革，科学的设备节能维护制度是其中的重点问题之一。铝型材生产企业是高能耗、半自动化生产企业，为了保证生产稳定、经济地运行，需要对生产设备进行及时的维护，然而传统的方法是采用人工定期检修的方法，需要工作人员走遍各个机组记录仪表数据，不仅由于厂房面积过大不能及时采集生产数据（一天采集一次）。此外，设备的能耗告警阈值依赖于人工经验进行设定，而且为固定值，随着生产时间的推移，设备的状态也不断改变从而导致生产能耗也发生改变，这时会导致误警率增加而无法真实反映设备的正常生产能耗。

实时能耗监测系统通过串口服务器读取各个数字仪表的实时数据，集中显示挤压生产的用电量、电压、电流、用量、温度、压力、流量等数据（间隔<3秒），可以实时地得到生产过程中的能耗数据，通过对一个时间周期内的能耗数据进行统计，得到这个时间周期的能耗告警阈值，对生产中的能耗异常现象能够及时发现并做出相应的处理。然而这一方法存在严重的滞后性，随着生产时间的不同、机组工作人员的不同、生产产品的不同，这种采用固定能耗告警阈值的方法会产生较大的误差。文献[7]利用回归型支持向量机根据当前生产参数进行能耗预测，与实际能耗值进行比较的节能评估方法，可以有效地解决设备能耗阈值的动态变化问题。

并根据历史能耗进行能效趋势分析与预测分析。在此基础上，建立科学的设备节能维护制度，当设备能效下降至一定阈值后，即启动设备节能维护，如空调过滤网清洗、机器润滑剂添加、磨损零部件更换等，避免设备低能效运行。

为此，本文提出一种面向铝型材生产的实时能耗监测及预警系统，不仅可以实时监测生产设备的实时能耗，还可以检测出生产中的设备异常能耗情况，并可以随着时间推移，动态地改变能耗预警的阈值范围。

图1　总体工艺流程图

图2　工序能源消耗示意图

1　铝型材能耗工序分析

铝型材生产工艺比较成熟，主要以铝锭、镁锭、硅锭为生产铝合金的原料，采用熔铸、挤压、氧化着色和喷涂等生产工艺，加工生产各种规格的铝型材。主要生产车间有：模具车间、熔铸车间、挤压车间、氧化电泳车间、喷涂车间和氟碳车间等。总体工艺流程如下图1所示：

经铝铸造机铸成各种规格的铝棒，铸成的铝棒经均质炉均热处理，再由铝棒锯机锯成各种规格的挤压用铝棒（中间产品），然后送挤压车间作为挤压车间的原料。

熔铸车间生产的铝棒送到挤压车间，经铝棒加热炉加热到适当温度后进入挤压机挤压成各种规格的铝合金建筑型材或工业用铝合金型材，挤压车间生产出来的成品经检验合格后包装直接送工业用铝合金型材成品仓库；挤压车间生产出来的半成品则分别送氧化电泳车间、氟碳车间和喷涂车间等作表面处理，检验合格后包装送建筑用铝合金型材成品仓库。

铝型材生产工艺中，主要消耗电、天然气、水、柴油等能耗介质，其中，熔铸车间是天然气消耗大户，主要消耗在融化工段中，氧化电泳车间为用水大户，主要消耗在多次水洗工段，而挤压车间同时为用电和天然气大户，电主要消耗在挤压工段，天然气主要消耗在模具和铝棒加热。工序能源消耗示意图如下图2所示。

2　系统结构组成

系统结构组成分为网络部署和系统功能两部分。网络部署采用双环冗余网络，保证通信的可靠性。数据中心主要部署前置服务器群集、数据库服务器、应用服务器、报表服务器、接口服务器等。数字计量仪表可通过部署RS485网络就近接入各车间局域网位置，再通过串口服务器实现RS485和以太网的协议转换，实现仪表与局域网的连接，传输过程中不需要无线网络，保证数据可靠、实时地传送到数据中心。

系统网络部署图如图3所示：前置服务器群集主要与现场计量仪表连接，实现能源数据的自动采集；

数据库服务器主要实现能源数据的存储，以及周期性的能耗统计汇总；

图3　系统网络部署图

应用服务器主要响应用户请求，为用户提供在线监控和能效优化分析功能；

报表服务器主要周期性的生成各种分析报表，并定时发送给相关用户；

接口服务器主要为企业内部或协作企业发布能源数据，实现数据共享和系统集成应用。

系统功能有基础管理、能源动力现场接口、能源数据计算存储、能耗运行监控、能源优化管理、系统管理等功能模块。

（1）基础管理模块主要实现对企业的设备系统、空间区域、表计等对象属性进行配置管理，建立企业能源网络的基础模型；同时对能耗介质、碳排放、能耗价格等属性和计量转换规则进行维护管理。

（2）能源动力现场接口主要在工业现场网络的基础上，采用中间件技术开发能源动力现场接口中间件，支持对Modbus、Profibus、DL/T645、OPC数据接口的协议解析，实现对能源计量仪表的自动采集。

（3）能源数据计算存储主要从空间和时间维度进行能耗数据统计汇总，同时根据能源平衡分析需要构建虚拟计量，根据能效评估需要构建能效指标评估体系，并实现能源平衡分析计算和能效评估指标计算。

（4）能耗运行监控在能源数据自动采集的基础上，实现对供电、供水、压缩空气、天然气等现场动力系统的集中监控，实现能耗预警和能耗异常告警管理。

（5）能源优化管理主要通过报表分析、预测分析、平衡分析、多维分析等，支持能耗实绩和计划管理、能源质量管理、节能考核管理、节能决策支持等功能。

（6）系统管理实现用户管理以及用户权限控制，系统操作日志审计等功能，保证系统安全稳定运行。

3　生产设备能耗异常检测

通过使用统计分析方法计算生产产品能耗的能耗异常置信区间，设某设备挤压一吨铝型材的预测耗电量为X1,X2,…Xn服从样本分布(,)，和分别表示预测耗电量的样本均值和样本方差，则随机变量，对于给定的置信度，则该生产设备生产一吨铝型材的预测耗电量均值的置信区间为。以实际生产中的一组挤压能耗数据为例，某挤压设备在2013.7月中5天的耗电量分别为345.24度/吨、343.82度/吨、354.05度/吨、346.44度/吨、353.26度/吨，则置信度为0.99的耗电量置信区间为：，，，则预测耗电量的置信区间为[348.56-9.77, 348.56+9.77]。如实际生产过程中的监测耗电量超过该置信区间，则产生报警信号。

4　系统测试及讨论

从系统的数据库中提取出一组实际生产中的挤压能耗数据作为训练数据，再提取出另一部分数据作为测试数据，用于判断异常置信区间的有效性。提取的训练数据如表1所示：

表1　挤压车间2011.1－2012.8每生产1吨铝型材的耗电量

根据统计好的耗电量异常置信区间去判断实际生产中的设备耗电量异常情况，从数据库中选取其2012.10－2013.2每挤压生产1吨铝型材的耗电量为测试数据。并将新的数据作为统计数据不断更新耗电量异常置信区间，实现动态更新。图4所示是置信度为99%的某挤压机组能耗异常检测结果图，图中可以看出,随着后续数据的不断加入，耗电量异常置信区间也随之变化，此外，超出置信区域的异常点大部分均检测出，只有少部分的异常点过于解决区间边缘而没有被检测出，在实际生产中可以认为是正常的波动范围。

5　结论及未来工作

本文针对铝型材生产过程中能耗较大，传统人工采集能耗数据频率低，采集速度慢等问题，提出了一种包括智能电表、智能天然气表、串口服务器、交换机以及监控服务器，智能电表和智能天然气表等构成的面向铝型材生产的实时能耗监测及预警系统，系统网络部署使用基于MODBUS协议的串口通讯方式将生产现场电表、燃气表与交换机相连接，并通过TCP/IP网络接口将数据发送至服务器，实现对生产能耗数据的实时监测；此外，用统计分析方法计算能耗异常置信区间，根据能耗异常置信区间与实际记录能耗数据进行比较，对生产进行能耗异常预警，及时发现生产中的能源损失、生产参数不当等异常现象。

图4　能耗异常检测结果

参考文献

[1] Drake R M,Yildirim B,Twomey J,et al.Data Collection Framework on Energy Consumption in Manufacturing[R].The Interaction and Entertainment Research Centre, 2006.

[2] Dietmair A,Verl A.Energy Consumption Modeling and Optimization for Production Machines[C].2008 IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies, Computer Society, 2008:574-579.

[3] Mouzona G,Mehmet B, Yildirima. Operational Methods for Minimization of Energy Consumption of Manufacturing Equipment[C].International Journal of Production Research,2007,45:4247-4271.

[4] 侯彬.考虑机器开关的并行机调度研究[J].工业工程与管理,2011,16(2):60-64.

[5] Mouzona G,Mehmet B,Yildirima.A Framework to Minimise Total Energy Consumption and Total Tardiness on a Single Machine[J]. International Journal of Sustainable Engineering,2007,1(2):105-116.

[6] 樊龙，张文爱.基于Modbus协议的智能电表数据采集传输系统的实现[J].制造业自动化, 36(2), 2014:120-124.

[7] 杨爱人.基于能耗预测模型的能源管理系统研究与实现[D],华南理工大学, 2013.

陀树青，男，1967年生，工程师，主要研究方向为有色金属制造，仪表计量。

陈文泗，男，1971年生，工程师，主要研究方向：有色金属加工。

罗铭强，男，1979年生，工程师，主要研究方向：有色金属加工。

梁鹏，男，1981年生，博士讲师，主要研究方向为低碳制造，数据挖掘。

摘要：针对铝型材生产过程中能耗较大，传统人工采集能耗数据频率低，采集速度慢等问题，本文提出一种基于MODBUS通讯协议的铝型材生产实时能耗监测及能耗异常检测系统。该系统分为网络部署和系统功能两部分，网络部署使用基于MODBUS协议的串口通讯方式将生产现场电表、燃气表与交换机相连接，并通过TCP/IP网络接口将数据发送至服务器，实现对生产能耗数据的实时监测；使用统计分析方法计算能耗异常置信区间，根据能耗异常置信区间与实际记录能耗数据进行比较，对生产进行能耗异常预警，及时发现生产中的能源损失、生产参数不当等异常现象。

关键词：能耗异常检测；实时能耗监测；置信区间

Real-time energy consumption monitoring and warning system for aluminium production

Tuo Shuqing1,Chen Wensi1,Luo Mingqiang1,Liang Peng2

（1.XingFa Aluminum Holdings Limited,Foshan,528061; 2.School of Computer Science, GuangDong Polytechnic Normal University,Guangzhou,510665)

Abstract：Due to greatly energy consumption of Production process of aluminum and inefficiently traditional manual energy consumption data collection,this paper proposes a real-time energy consumption monitoring and prediction system on aluminum casting furnace.A MODBUS protocol is used to connect field meter,gas meter and switches,and energy consumption data are sent to server through TCP/IP network interface to achieve real-time monitoring of the production energy consumption data;on the other hand.Statistical analysis method is used to calculate the abnormal energy consumption confidence interval.Abnormal energy consumption detection is computed by comparing actual energy consumption and abnormal energy consumption confidence interval.The experimental result shows that our system can find the production of energy loss,improper production parameters of abnormal phenomenon and etc.

Keywords：Abnormal energy consumption detection;Real-time energy consumption monitoring;Confidence interval

作者简介

基金项目：国家科技支撑计划课题 (2012BAF12B10)；广东省教育部产学研结合项目(2012B010500027).