安科瑞 鮑靜君
摘要：由于傳統系統未能考慮水泥企業的能耗標準及績效指標問題，導致水泥企業資源利用率降低、能量消耗大。為此，本研究結合物聯網技術設計了新的水泥企業能耗對標系統。首先設計水泥企業能耗對標體系框架，將水泥生產過程中的主要能耗指標設定為系統的KPI指標，分別計算不同的指標，并制定對應的能耗標準。在此基礎上，根據水泥企業能耗標準分析用戶需求以及非功能性需求，并結合物聯網技術設系統的整體架構圖及模塊流程圖，明確系統需要實現的功能。仿真實驗結果表明：該系統能夠有效提升水泥企業的資源利用率，減少生產過程的能量消耗。能耗管理云平臺水泥企業中的設計與應用
關鍵詞：物聯網技術；水泥企業；能耗對標；能耗標準；資源利用率
引言
隨著國家環保力度的日益加強，國內水泥產業在生產過程中開始重視節能減排。同時，由于國家對于能耗評估指標的要求也越來越嚴格，各水泥生產企業需降低 生產能耗才能夠滿足新的環境發展需求。現階段，水泥企業之間的競爭將轉換為產品價格競爭，而在價格競爭中，壓縮生產成本成為提升企業競爭力的關鍵因素之一。水泥企業只有在生產過程中有效控制能源消耗，盡可能地降低水泥產業生產過程中能耗成本，才能夠使產品在價格上具有優勢。
節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線，根據對工序、產線的能耗數據客觀的分析，并且和對應的能耗標準、規模相近的生產線以及設備進行對比，及時查找出自身的不足，從而調整生產線或者對設備進行改進和優化，從而達到降低能耗的目的為此，研究水泥企業能耗對標系統具有重要意義。相關專家也針對該方面的內容展開了研究，例如吳曉雪等人主要通過組態技術完成對遠程能耗數據的采集，同時結合能效控制算法完成對能耗對標系統的設計。楊亞勛首先組建基于ARM控制的能耗監測對象，以此為基礎，結合數據庫模式完成對能耗對標系統的設計。傳統系統雖然在一定程度上取得了較為滿意的應用效果，但是由于未考慮水泥企業能耗標準及績效指標問題，導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網技術的水泥企業能耗對標系統。
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、合理有效的對標體系，能夠有效降低企業的生產過程能耗，提升資源利用率。為此，分析水泥企業的能耗現狀，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水泥能源的利用率。
水泥企業的生產能源消耗主要表現為電力以及煤的消耗。此外，水泥生產的各個工序需要根據電耗以及煤耗進行劃分，主要劃分為熟料和水泥生產環節中的電耗以及煤耗。其中，電耗主要通過采集電表數據來獲取；煤耗數據主要通過DCS標簽數據量獲取。
圖1 水泥企業能耗對標體系結構圖
雖然各個水泥企業之間的生產情況存在差異，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，不同工序的單位產品能耗是能夠進行對比的，同時能夠直觀反映水泥產業各個工序的能源消耗情況。在綜合考察水泥企業生產過程的基礎上，明確了水泥產業的能耗對標框架，具體結構如圖1所示。
結合圖1，水泥生產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過多個工序共同實現的。
在此基礎上，本研究引入關鍵績效指標(Key Per-formance Indicator，KPI)，主要是利用對組織內部流程的輸入端、輸出端的關鍵參數進行設置、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，是企業戰略目標分解為可操作工作目標的工具，也是企業績效管理的基礎。由于系統將水泥產業作為研究對象，需要推廣到企業發展部署以及應用，所以在指標選擇的過程中，需要綜合考慮水泥企業的實際發展狀況。
KPI指標的確定是對標工作的前提。針對同一企業的內部組織而言，組建具有可操作性的KPI指標是十分重要的。水泥行業會定期對KPI指標進行對標，獲取各個企業之間的差距以及企業所在的具體位置。
系統在綜合分析水泥企業實際生產情況的基礎上，確定以水泥生產過程中的能耗指標作為KPI指標，主要在技術層面針對水泥生產過程進行對比分析。根據對技術指標的對比分析，有效優化水泥企業的生產線，達到節能降耗的目的。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中生料制備、煤粉制備以及其它生產能耗操作環節產生的能源消耗[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。
(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過統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：
主要是指生產一噸熟料所需要的煤粉量，實際即為煤粉制備環節所消耗的煤粉量，具體的計算公式為：
式中，PC代表統計期間內水泥總產量；Qnet,ar代表收到基低位發熱量；QBM代表標準煤發熱量；Pcl代表統計期內熟料綜合消耗量。
(4) 可比熟料綜合能耗：
即熟料綜合煤耗在經過統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；k代表海拔修正系數；ehe代表水泥企業余熱發電折算后的單位熟料標準煤量；ehu代表余熱發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生的電耗；Qyjh代表原料預均化電耗；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代表輔助生產電耗；m代表水泥企業生產1噸原料的消耗量；n代表生產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：
指生產一噸水泥消耗的能源經過統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代表水泥企業中水泥混合材料平均摻量。
(8) 可比水泥綜合能耗：
在設定的時間段內，生產一噸水泥所消耗的各種能源通過統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：
將水泥綜合電耗統一修正后獲取的綜合電耗值，具體的計算式為：
分析國內水泥產業的復雜情況，將各種能耗指標等級劃分為國家標準、行業標準以及企業標準。其中國際標準的選取主要參照國外大型水泥企業的生產線能耗水平制定，國家標準的確定則需要參照國家投入的水泥生產線的年度運行能耗水平；企業標準通過自身企業的實際情況，由企業員工進行制定。
能耗管理云平臺水泥企業中的設計與應用
本研究將基于物聯網技術的水泥企業能耗對標系統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不同，兩者共同實現能耗對標工作。系統主要以角色為對象，角色不同權限不同。由于各個用戶都有對應的角色，也就是對用戶登錄進行了限制。系統共設定三個角色，分別為政府、企業和管理員。擁有不同角色的用戶能夠使用的功能以及權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程圖。
圖2 水泥企業用戶界面流程圖
圖3 政府用戶界面流程圖
圖4 管理員界面流程圖
水泥企業能耗對標系統的基本單元是系統數據庫，基于物聯網技術實現對能耗數據的采集并建立對標系統數據表能夠明確數據表的作用，同時為系統中各個數據表之間的關系進行鋪墊。基于物聯網技術建立的能耗數據庫不同的數據表組成的，各個數據表之間存在一定的關聯，清理上述關系，即能夠通過數據庫的組建增強系統的運行速度。水泥企業能耗對標系統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
系統在搭建好運行環境后，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，用戶通過不同身份進行注冊登錄，即能夠實現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，需要判定角色權限，同時進入對應的角色分組，將功能模塊節點以及數組的形式利用函數分配到對應的模板頁中。
(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控制器負責協調頁面的輸出；函數負責對應模板的調用；模板頁面主要負責頁面名稱的展示。
(4) 水泥企業能耗對標模塊
水泥企業能耗對標模塊是系統的核心，用戶能夠通過該模塊完成水泥企業能耗對標。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控制器會對應的模板頁面，同時將數據表進行實例化處理。根據用戶的識別編碼篩選用戶已經創建的評估報告，同時將上述數據放入到數組中。當用戶點擊查看報告按鈕時，對標系統會載入評估報告的具體信息。當用戶點擊行業比較按鈕時，對標系統會載入用戶企業能效信息和同行全部企業的能效信息。
(6) 對標結果統計模塊
系統實現了政府用戶對于區域內整體能耗水平的把握，它既能夠在數據上分析企業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的對標情況。
當政府用戶點擊對標統計操作后，操作信息被返回至Test控制器，采取相應的方法進行處理。同時分別對比不同企業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在圖形上進行標記，分別計算水泥企業實際能耗以及國家能耗限定值的百分比，統計達到標準的能耗量。
能源管理系統應用優勢
能源管理系統是一套綜合性強的用能管理系統。系統采用分層式和分布式的系統體系結構，對廣汽本田在汽車制造過程中設備所使用到的水、油、汽、電力、燃氣等各類型能耗數據自動進行采集并傳輸儲存，整合各類有用信息數據后進行處理分析，以生成能源分析報告的形式，得出能源管理優化調整建議方案，實現節能減排的核心目標。
水泥企業使用的能耗架構一般可分為個體設備層面、工段級別、車間級別、工廠級別及企業分廠。由于所負責的部分以及機械設備的差異，導致每個級別層面所需使用的能耗數據不盡相同，所以如何管理和分析如此繁多復雜的數據，如何將它們分門別類的區分開來，如何對它們進行管控均成為水泥企業進行節能減排途中的絆腳石。
因此水泥企業切需要一套成熟的綜合能源管理系統，通過使用正確的管理體系幫助企業各類能源得到充分利用。通過能源管理系統，實現對各類各級能源進行計劃、分配、管控及消耗等方面的調整優化，同時對高度耗能的設備進行管理和監測，利用能源計量等多種方法手段盡量減少或降低設備耗能和排污的問題，將節能減排工作落實到實處，切實發揮作用。能源管理系統的應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環節的能耗使用特征和數量關系，可以深化能源管理的分配機制，使節能計劃更清晰地發散到各個工作崗位中，人人負責，以助力水泥企業的可持續發展。
能源管理系統應用場景
（1）能耗分析應用
水泥企業在能源管理工作上原來采用人工手動記錄的方式，對各類各級能耗數據進行采集、整合、處理以及計算等工作，這樣導致了巨大的工作量，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通過實時采集分析日數據、月數據、年數據總能耗趨勢、同比環比數據、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）單耗分析應用
節能減排是每一個行業均需迫切實現的目標，水泥企業想要做到節能減排就需要對企業原本的能源管理體制中的各個系統進行改革，譬如供配電系統、給排水系統等，系統的功能主要表現在其可實時跟蹤并自動分析節能減排工作的效果以及完成的情況，得到能源的轉化效率和能耗利用的生產效率情況，分析單位產量所需能源作為數據分析依據，規劃更加合理的生產工作計劃，從而提高生產效益，如圖 2 所示。
圖2 單耗分析
（3）KPI分析應用
能源管理系統是集能源監控、調度、管理智能化系統，也是集動力能源全過程監管、耗能信息化管理的綜合信息管理控制。系統可以實現 KPI 的綜合分析規劃管理。通過靈活定制各科室、車間、班組的KPI 指標，分析管理能耗和產量的完成率、達標率等，在質量、供需、預測計劃、排班等工作中有著巨大的應用價值，為提高生產效益提供有力的數據支撐，如圖 3 所示。
圖3 KPI分析
（4）統計報表應用
通過能源管理系統能夠進行綜合能耗統計報表分析，其中能耗分析是根據能源計量的實時信息對水泥企業現場各單位的能源使用和消耗情況進行分析，并快速整合數據提供各類能源使用分析報告。現實工作中很多節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備的主要問題，充分暴露出設備的短板，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，以優化能源管理的結構體系，逐步提高設備的生產效率，實現節能減排的顯著效果。
（5）能源分析報告應用
能源管理系統通過對能源數據以及能源設備的監測，結合既有系統的數據和檢測試驗數據庫，利用科學的數據挖掘方法，掌握能源設備、能源利用方面的關鍵參數，研究結合威布爾分布法、模糊層次分析法、神經網絡理論等多種算法和分析模型，建立水泥企業能源利用模型和能源系統生產模型，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，同時為水泥企業提高能源利用的經濟效益和可持續發展理念提供重要數據支撐，如圖 4 所示。
圖4 能源分析報告
（6）監測報警應用
能源管理系統將設備數據集中統一式采集監測管理，通過實現 7×24 小時在線監測服務，在一定程度上減輕了設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、智能化的報警監測運維管理系統，將大幅提高廣汽本田各廠區設備和員工的運營工作效率。報警監測應用將通過在線監測服務，及時發現區域、設備故障、越限等報警事件并通知相關負責人員，以保障生產有序進行，如圖 5 所示。
圖5 實時報警監測
