关于能源及生产作业管控系统的设计与分析

蔡永丰

摘   要：为了优化集装箱码头的能源管理，提高码头的用能效率，企业层面的能源及生产作业管控系统亟待构建。文章通过系统结构、系统功能等设计，提出码头能源及生产作业管控系统建设整体方案。文章以大型企业数据库—能源及生产作业管控系统为管理数据源，系统采用B/S 方式，Web 服务器充当信息门户，来实现能源管理模式的数据化，以客观的数据、合理的解析算法为考核的基础，以能源管理为主线，以绩效管理为目标，以设备状态和环境变动检测等解析表单为辅助工具，建立完善的能源及生产作业管理機制。目前，码头能源管理得到了系统强大的数据支撑，管理效率大大提升。

关键词：港口;集装箱码头;能源及生产作业管控系统

能源及生产作业管控系统（Energy Management Systeam，EMS）是以码头企业生产管理、节能管理、环境管理为基础，以计算机网络技术、数据自动采集技术、数据库技术等有关信息化技术为依托，构筑网络化、信息化、智能化的综合性管理系统，实现码头主要用能设备设施等能耗情况和港区范围内环境状况的实时监测。通过对设备设施的能耗和环境监测数据情况进行精细化的统计和分析，生成多种数据报表，并且可根据码头实际情况构建的模型，提供节能环保减排的建议，同时借助现场的控制器，实施管控平台发出的智能决策以降低码头整体运维能耗和保持码头整体的环境优良，并对各种节能措施的节能环保效果进行评测，通过分析，得到不同条件下最优的节能环保措施和解决方法，不断迭代，提高生产管理、能源能效管理、环境管理的工作效率和水平。以构建码头能效管理和环境监测的一体化为首要目的，最终实现“绿色码头”的愿景。

1    问题分析

目前，集装箱码头能源及生产作业管控系统存在系统功能单一、系统功能与企业管理体制不配套等问题。有些企业对能源管理认识有所偏差，不恰当地减少能源的使用，未对能源循环利用以及对控制能源生产成本的思考;或只重视技术层面上的管理，却未考虑人的作用，适当的职工管理制度、激励制度、培训制度等能够与能源及生产作业管控系统相辅相成。故而，能源动态监控及数字化管理系统的建立完善，能促使能源平衡趋于最优，实现系统性、一体化的节能降耗管控。

能源及生产作业管控系统建设要对港区内的现有耗能设备、计量仪器和通讯网络进行更新改造，建立“分散采集、集中管理”的能耗管控网络，收集生产作业中大量分散的用水、用电、用油等的能耗数据，采用智能采集汇总的方式，实现“实时监测、自动汇总、灵活报表、动态分析”的能源及生产作业管理模式，提供实时及纵向数据分析、横向比对功能，以发现能源消耗过程和用能结构中存在的问题，通过对用能结构进行优化和管理，建立码头能耗评估管理体系，提高港口现有用能设备的效率，实现高效生产。

2    系统架构

能源及环境管理信息系统采用分层分布式结构，数据的采集、传输及分析通过4层实现：现场设备层、网络通讯层、数据集成层和应用服务层，这4层通过各级通信网络连接在一起。能源及生产作业管控系统网络架构如图1所示。

现场设备层具备运行状态监视功能和设备能耗测量。能耗设备包括龙门吊、桥吊、流机、高杆灯和冷藏箱等。现场设备层设备包括多功能电表、远传水表、油耗仪表等，仪表数据通过具备通信功能的RTU设备进行采集上传，通过光纤、屏蔽双绞线和无线通信等，向上一级数据采集和监控中心传输测量值、信号量信息并执行控制输出。可以通过通信管理机获取设施部分已接入第三方系统仪表的数据。

网络通信层是系统网络构成的纽带，完成数据集成层、应用服务层与现场设备层之间的实时信息交换，完成智能设备的接入，实现通信物理介质和规约的接入和转换。通信接口层设备包括Modbus网关、网络交换机等设备，用于现场间隔层测量设备的数据采集和接入，并与系统的监控平台实现快速稳定的以太网通信。

数据集成层和应用服务层由硬件设备（服务器、计算机等）和软件（采集软件、系统软件、监控软件、数据库等）构成，是系统的控制中心，用于布置能源管理系统平台，显示人机界面，具备对整个系统的数据收集、处理、显示、监视功能，并通过相应权限对设备进行控制。

3    系统功能

3.1  用能实时数据

能源及生产作业管理需要准确、客观的数据作为依据。EMS系统旨在通过对能耗数据的收集和分析，因此，系统具有数据采集的功能，通过对码头的各能源数据采集，可以实现对数据的存储、监视、报警、分析、计算、统计的功能，能源及生产管控的基础是数据采集。

3.1.1  用能预警

数据的分析是整个能源在线监管系统的核心部分，是在对港区采集的能耗、用电特征等信息进行深入分析与挖掘的基础上，实现港区用能的直观展示，为用能策略的制定提供依据。

决策辅助功能是EMS系统自动根据以往的有效数据进行分析，结合生产系统任务分析，设备、设施用能和环境情况是否处于正常范围内，并进行提示预警。

当班用能预警通过监控班组的用能、百箱转场数、用电转场比、移箱比等数据，实时监控生产用能科学性，提供操作部门适时调整资源。相应的当班用能预警的输出按照图x的权重进行计算。

3.1.2  当班单机用能预警

当班用能预警通过监控班组的动作数、实际用能、用电量、用油量、转场数及作业时间等数据，实时评估单机用能科学性，提供操作部门适时调整资源。相应的当班单机用能预警的输出按照权重进行计算。

3.2  能源管理体系化

包括作业队及个人季度及年度能源管理绩效。用于能源管理的持续改进

3.2.1  能源管理基准

建立能源管理基准和标杆是能源管理体系的一项基础的、不可缺少的工作，依据所确定的基准、标杆进行能源绩效的纵向比较和横向比较。同时，基准和标杆也是确定能源目标的基础。码头依据一定边界条件和生产、设备正常状态下一定时期的能源消耗和能源效率水平来确定能源基准。确定基准主要用于自身跨期比较，进而在综合能耗方面确定、评价能源管理目标，评估能源绩效。这里取2017年的综合能源单耗实际值为基准。

3.2.2  能源管理目标

能源目标是指所要实现的降低能源消耗、提高能源利用效率的总体要求。能源目标通常是定性的，针对某一具体的能源因素提出总体要求，而能源指标通常是定量的并且是可测量的，如用电量指标、用电转场率指标、移箱率指标等。能源目标和指标通常是“内外结合的比较要求”。码头在建立能源目标和指标时规定统计计算的方法、考核准则等。码头在总体及各部门层次上建立、实施和保持能源目标和指标，并根据能源使用的客观变化，特别是主要能源使用变更时，例如：龙门吊油改电、龙门吊用电转场等情况，这时应适时更新或调整能源目标和指标，以适用变化的要求。码头每年进行一次能源管理目标的制定。

3.2.3  能源管理参数

明确影响运行控制的绩效参数，能源绩效参数可以是直接测量的参数，也可以是模型计算获得的参数模型，该系统选用操作比、移箱比例、万箱转场次数、用电转场比例等作为能源管理参数。此类参数与监控对象（如用能设备、用能系统）的能源绩效水平密切相关。码头通过对能源绩效参数的监视和测量，可实时掌握能源绩效水平，定期评估，寻找管理提升机会，采取控制措施，确保能源目标和指标的实现。

能源绩效参数和能源基准是能源管理体系中相互关联的两个主要因素。能源绩效参数的主要作用是量化整个码头不同部分的能源绩效。能源基准的主要作用是比较一段时间内的能源绩效并量化能源绩效的变化。

建立能源基准时，应使用在基准期内所收集的数据。在此基础上，使用能源绩效参数的测量值和能源基准对能源绩效的变化进行评估，并评价能源绩效参数和能源基准是否适用。能源绩效参数和能源基准确定、使用和更新过程如图2所示。

通常使用线性回归等统计方法对能耗模型进行归一或建模。用归一化的能源绩效参数和能源基准来计算能源绩效的一般方法如图3所示。将报告期内的实际能耗与归一化后的基准期能耗进行比较，则能够得出能源绩效的优化情况。

能源绩效参数模型通常都基于基准期的相关变量值来建立。能源绩效参数（本例以每月龙门吊用能为例）模型可以用能耗与相关变量之间的数学关系来表达，如果采用线性回归，可以采用表达式（1）：

式中：E为每月能源消耗，单位为tce/month;A为每月能耗基本负荷，单位为tce/month;B为单箱能耗，单位为tce/（month·teu）;P为每月箱量，单位为：箱量/月;C为月平均温度每变化1℃的单箱能耗变化量，单位为tce/℃;ΔT为本月平均温度变化量，单位为℃。A，B，C项来自线性或非线性回归，或来自对一些基于工程理论的系统理解。同时，该模型公式应能通过统计数据的检验，可通过确定系数、变异系数或者方差等方式检验。公式中的独立变量或者相关变量也应是可统计的影响能耗变化的重要参数，为了评估他们的重要性，每个变量都应满足特定的统计学要求。

如果模型计算的数据和统计数据差别很大.则需要进行检查：

（1）相关变量可能缺失。（2）剔除离样数据。（3）改变数据收集频率和时期（例如每小时、每天，或者每月等）。

将报告期内相关变量数值代入已建立的归一化能耗模型，即得到归一化后的基期能耗值，表达式见式（2）：

式中：ER为归一化后的基期能耗值;A，B，C为同3.1式中的系数;PR为报告期内与箱量相关的测量数据;ΔTR为报告期内的月平均温度变化测量数据。

为计算能源绩效的变化，可将归一化后的基期能耗值与报告期的实际能耗值进行比较，能耗的变化量可由式（3）计算：

式中：ΔE为能耗变化值;ER为归一化后的基期能耗值;EA为报告期实际能耗值。这样就能够得出能源绩效的改进情况。

3.3  绩效考核

绩效管理需要有客观、准确的数据支持。随着对EMS系统的摸索应用，EMS对于司机作业的管理已经成为不可或缺的一部分，它所记录的数据信息是死的，但通过对管理所需的数据分析，利用相应的考核算法对作业队及个人进行评分，提供有效的数据支持绩效考核。

作业队考核采取纵向考核即对各个作业队各个季度及年度的能效进行考核的模式。纵向考核分析作业队在不同时段的能效，有助于分析作业队发展的阶段和趋势，使得团队绩效能够持续提升。

机种司机个人考核采取横向考核即对各个司机单耗进行比对的考核模式。横向考核能使司机了解与其他司机的差异，从而引导全员养成学习思考的习惯，认识自己的长处与不足，避免认识上的局限与狭隘，培育职业人素质，强化工作意愿，进而提高工作技能。

3.4  社会效益评估

废气、废水、废渣的排放严重破坏着生态环境。为积极响应国家节能减排，建设节约型社会的号召，码头通过构建能源及生产作业管控系统对环境综合进行监控，对大气污染进行监控。适时地对社会效益进行评估，对万箱节能的吨标煤进行分析计算，达成节能减排实现经济效益与社会效益的双赢的效果。

随着码头产量的与日俱增，各种能源消耗量也日渐增加（见表1）。目前，对于能源管理尚处于分散简单的初级阶段，存在诸多漏洞，无法保证公司生产成本的管控、节能降耗最优化，影响绿色环保码头的建设。所以，建设一套先进的能源管理平台，对能源进行全面合理的管控将具有重大意义。

这一系统将使得企业减少成本和能源消耗趋于最优，使企业的绿色可持续发展更进一步。

这一管理技术革新在充分体现了科学管理和以人为本相结合的理念，拥有良好的社會效益和经济效益。

[参考文献]

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[2]MAHAJAN R，SINGH M，MIGLANI S. ADS：protecting NTFS from hacking[C].Jaipur：International Conference on Recent Advances and Innovations in Engineering （ICRAIE-2014），2014.