轮胎企业能源管理系统的应用研究

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为了应对环境和资源的压力，全球正在掀起-场以高能效、低排放为核心的低碳革命”。欧美各国纷纷提出了量化的碳排放减排约束性指标，并提出对高碳产品征收碳关税1.1。我国在十- 五”规划和十二”规划中均制定了具体的节能减排目标 ，并开始实施差异电价、阶梯电价和分时段电价等电价政策躅。中国是制造大国，据统计，2008年我国制造业的能源消耗占当年总能源消耗量的59% 。在环境污染排放物中，有超过70%的来自于制造业，每年产生无害废物约55亿吨，有害废物约7亿吨171。因此，在新的环境和资源压力下，实现碳排放的有效控制，是我国制造业需要解决的迫切问题之-。综合以上背景及当前的研究实 隋况，以高能耗的轮胎制造系统的节能减排为出发点，研究低碳制造系统的模型框架及其制造过程中的能源消耗，将制造工艺与能耗分析相结合；建立低碳生产调度模型和低碳异常检测模型圊，将设备或工艺的节能与实际生产决策和执行过程中的能耗相关联起来，实现轮胎制造的节能减排。

现代轮胎制造企业大多数已经建设包括锅炉系统、空压系统、制冷系统、制氮系统等自控系统，但是，目前的系统存在以下主要问题：(1)各系统独立建设，由于缺乏统-标准，能源数据难以共享；(2)系统侧重于流程控制，缺乏对能源的统计分析；(3)能源介质数据不完整，缺乏实时性和准确性；(4)能源管理停留在人工统计，无法对能耗进行科学的分析和有效的管理～基于文献目提出的低碳优化模型，结合轮胎制造企业能源管理的迫切需求及能源管理的实际，将低碳生产调度模型及低碳异常检测模型应用于能源管理系统中。

2系统架构设计从各被管对象，如：供电系统、空调系统、锅炉系统、供水系统、空压系统、制氮系统等分布式地采集各能源参数，接入能源管理信息平台；能源管理信息平台提供企业服务总线，规范各管理子系统的接入接口，未来需要扩展管理子系统时，也可将采集参数按照规范接人接口接人。在实时接人各子系统采集数据的基础上 ，能源管理信息平台再实现数据管理、生产调度、异常检测等能源相关的业务管理，并通过客户端提供统计分析功能。同时，能源管理信息平台的企业服务总线同时以规范的系统接口向MIS、MES、ERP等外部业务系统发布能源管理的相关数据。其系统架构图，如图 1所示。

来稿日期 ：2012-08-04基金项目：省部产学研结合项目(2009B090300054)；省部产学研结合项 目(2011A090200050)；广东势技计划项目(2011BO10700030)作者简介：杨文人，(1988-)，男，广东湛江人，硕士研究生，主要研究方向：信息系统工程；戴宏跃，(1974-)，男，湖南武冈人，博士，讲师，主要研究方向：信息系统工程第6期 杨文人等：轮胎企业能源管理系统的应用研究 245能源管理信息平台匾 基因 匾 姻 系统接口数据采集ERPMESMIS图 1能源管理系统架构图Fig.1 Energy Management System Structure Diagram3系统主要功能拈设计与实现3.1系统功能拈架构根据系统架构设计以及轮胎企业的具体实际情况，特设计出系统功能拈图，如图2所示。主要包括数据采集、低碳生产调度、低碳异常检测、统计分析、系统管理等拈。

耗电量数据采集器系蠡据基于低碳优化模型的能源管理系统数据l l 低碳 l l 低碳 l l统计 l l系统 采集 生产调度 异常检测 1分析 管理耗水量数据采集蒸汽数据采集氮气数据采集耗油量数据采集能源计量统计能耗成本 分析能耗预测分析耗油量数据采集档案管理权限管理日志管理图2系统功能拈图Fig.2 System Function Module Diagram3.1.1系统的数据采集数据采集是对能源的消耗进行监视、管理及各类统计分析的基础，以下将从电力系统 、空调系统、锅炉系统、供水系统、空压系统及制氮系统对基于低碳优化的能源管理系统的数据采集进行阐述。耗电量数据采集主要是对轮胎生产整个过程的耗电设备的耗电量进行采集。基于供配电设备配置的智能电参数检测表和电能质量检测仪表提供的通道接口，利用采集前置机从接口中采集各种电参数和电能质量参数，并通过企业服务总线传送到能源管理信息平台。锅炉系统的数据采集：在锅炉房配置-个数据采集及上传终端，负责汇总各台锅炉和蒸汽输送系统的实时参数，并通过企业服务总线上传给能源管理信息平台≌压系统数据采集，主要采集指标包括：温度、压力、流量、湿度等。采集范围：各级别压缩空气。氮气系统能源参数采集，主要采集指标包括：温度、压力、流量、纯度等。采集范围：氮气供应和回收过程。

3.1.2低碳生产调度和低碳异常检测为了将低碳生产调度模型及轮胎低碳异常检测模型等理论模型应用于系统中，切实解决企业管理人员对生产调度的安排、轮胎生产过程中的能耗异常现象的有效管理和跟踪，从而在提高企业能源利用效率、降低能耗成本的同时，充分实现能源信息化的管理模式。在对橡胶轮胎企业的用能情况进行多次调研后，将低碳生产调度拈和低碳异常检测拈设计成三层体系结构，分别是数据仓库层、服务处理层及用户层。如图3所示。

内部数据外部数据- - ，J o P 人 生产调度 0 机 优化分析l、、L 调 型 交· E 互D 界B检翥粪型 面 ：能耗预测分析 。-服务处理层 用户层 图3三层架构图Fig.3 Three Layer Structure Diagram(1)数据仓库层：数据仓库层是利用企业基础数据库中采集到的能耗源数据，经过验证、筛寻整理后装载到数据仓库中的过程。数据仓库的设计能够为低碳生产调度、低碳异常检测、能耗预测提供基础数据，为进-步的模型优化、异常检测模型与企业能源管理的有效结合与实现奠定了坚实的基矗能源管理数据仓库需要定期的进行数据的更新及维护。(2)/I务处理层：服务器处理层是在数据仓库建立的多维能耗数据模型的基础上，利用联机分析处理 (OLAP)及相关低碳优化模型和异常检测模型将其分析、优化或检测的结果送至前台服务器。主要通过遗传算法来对轮胎企业的生产调度进行优化，并采用 GA-SVR、SVR、RBF等智能算法获取硫化能效的预测区间，通过对观察值是否在预测区间内来判断能耗是否异常，实现对轮胎硫化的异常检测分析。(3)用户层：用户层是给决策用户提供的-个人机交互环境，将分析的结果以告警、图形、表格等形式呈现，帮助用户进行决策。

3.1.3统计分析统计分析是在相关能耗数据都采集到系统中后进行的-系列统计和分析，它是整个系统的通用平台。主要包括综合能耗统计、能源计量统计、能耗成本分析及能耗预测分析等多个不同的子功能。它是利用相关优化模型及智能算法，对采集到系统中的能耗数据进行全面而综合的分析、诊断的过程，对企业的节能降耗及能源管理系统作用的充分发挥起着关键性的作用。

3.1.4系统管理系统管理拈包括档案管理 、权限管理及日志管理三个方面的功能 。档案管理包括对接入系统的所有计量装置资料、工序资料、设备资料、指标等资料的管理。提供资料录入、资料变更、资料注销、资料查询、资料打印等功能。还包括企业组织结构、设备负责人员的统-管理，作为系统权限管理的基矗权限管理按照系统功能和管理对象分割权限单元，将权限授权给系统角色。用户按照赋予角色的方式授予权限，以实现对敏感操作和敏感信息的控制。日志管理是对于涉及信息修改的各类操作，均记录系统日志，便于进行安全审计。

3.2系统主要功能拈的实现3.2.1低碳生产调度拈的设计与实现通过对橡胶轮胎企业的生产环境、生产流程等的分析，明确了轮胎低碳生产调度的核 tb问题，该拈能够实现低碳优化调度 ，实现低能耗的轮胎生产。

(1)关键流程描述系统接收车间的生产订单，然后进行基于低碳优化的排产，得到相应的生产计划，然后车间按照其优化的结果安排生产。该嚣圆 综合能耗统计机械设计与制造No.6June.2013拈的关键流程，如图4所示。流程的具锌描述：系统计讨器Timer负责发送调度任务给调度管理器SM，SM接收并启动调度流程。游标值i用于循环遍历tm中的每个任务，同时，将所有的调度任务追加至SM中∮收到任务后，调用优化算法模型A进行调度计算，并反劳输出相应的调度结果，进而按照调度优化方案安排生产。

图4调度优化的基本流程图Fig.4 Flow Diagram of Scheduling Optimization(2)数据模型设计根据低碳生产调度模型，结合轮胎企业的实际需求，将各个实体间的关系进～步的关联，得到低碳生产调度的数据模型，如图5所示。

操作人员表- J 磐 辱工龄i J班组编号f班组名称 l班组类型 I组描述工作中心PK l工作中心编号l工作中心名称 I班次I工时l效率FK I 擘磊 记录机器PK l机器编号J机器名称l机器额定功率所在车间l机器状态FK-I壬窆蒙莓物料信息工艺l工艺编号I工艺名称工艺描述 l物料编码FK1I工序编号i f物料编号称述加工时间加工批量开始日期交货Et期调度结果 时间时间图 5低碳生产调度的数据模型图Fig.5 Data Model Diagram of Low-Carbon Production Scheduling为了方便调度算法的实现，将调度过程中需要用到的关键数据如：任务编号、工序编号、设备编号用对应的标号表示。相应的转换结果存储在调度任务表中。下面对关键实体进行描述：调度任务：存储调度过程中需要用到的关键数据，并且关键数据用标号表示，另外，记录任务的加工时间，任务的数量，交货期等信息。调度结果：存储经过生产调度优化后的调度结果信息。包括：工序编号、工序名称、机器编号、加工时间等。

(3)数据接口说明低碳生产调度拈涉及的数据交互接口有内部接口和外部接口。生产调度的内部数据接口：有与数据采集的接口，用来获取任务加工开始时间、结束时间、加工时间等信息；有与统计分析的接口，用来回传生产调度优化的结果，用于对生产调度的低碳优化情况按周期进行统计分析。生产调度的外部数据接口：有与ERP的接口，用来接收订单信息；有与MES的接口，用来回传调度优化后的工单；有与MIS的接口，用来获取-些基础信息包括机器、机器功率、车间、人员、工序等。

3.2.2低碳异常检测拈的设计与实现(1)关键流程描述低碳异常检测的流程：①获取影响轮胎硫化能效的相关因素的实时训练样本数据；②选择训练样本进行训练，可选的训练方法有：SVM，GA'SVR，RBF；③获取待检测的数据；④选取训练效果最好的方法进行检测；⑤输出检测结果。该拈的关键流程，如图6所示。

图6低碳异常检测关键流程图Fig.6 Key Flow Diagram of Low-Carbon Anomaly Detection(2)数据模型设计根据轮胎硫化低碳异常检测模型涉及的相关数据，结合企业的实际需求，将各个实体间的关系进-步的关联，得到硫化能效低碳异常检测的数据模型，如图7所示。

硫化影响因素参数正常范围表 能效影响因素参数名称 数据采集表最大值 PK- 绽曼 小单位 日期描述 时间 曝作人员表 FK1机器编号机器 轮胎重量 PK 操作人员编号PK 机器编号 环境温度 姓名硫化温度 类型机器名称 硫化压力 职位机器额定功率 Ff(2 硫化时间 -- 所在车间 操作人员编号 班组编号机器状态 硫化能效 操作人员工龄能效是否正常图7硫化能效异常检测的数据模型图Fig.7 Data Model Diagram of Vulcanization EnergyEficiency Anomaly Detection其中，硫化影响因素参数表是-个存储影响硫化能效的相关 6个参数的数据正常范围，包括轮胎重量、环境温度、硫化压名描量料料存物物库-号 -号号号---蜥- 调r 号称号始束问 编名编开结时序器工工工机加加盘-K -