重型装备制造企业能源管理系统的设计与实现

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·产品与市场· 修稿日期： 2012－11－06 基金项目： 上海市信息化发展专项资金项目（高压/超高压系列 变 压 器 设 计 制 造 一 体 化 能 源 综 合 优 化 系 统 研 究 与 应 用 201101017）；上海市信息化发展专项资金项目（重型装备企业 生产流程能源优化关键技术研发及应用 201102023） 作者简介： 李小萌（1988-），女，硕士研究生。 研究方向：智能生 产系统，能源系统工程；王坚，教授，博士生导师。 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（Ener- gy 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， Design and Implementation of Energy Management System of Heavy Equipment Manufacture Enterprise LI Xiao-Meng， WANG Jian， DAI Yi-Ru (CIMS Research Center, Tongji University, Shanghai 201804, China) Abstract: In order to better manage energy in manufacture process, this paper put forth a design proposal of energy management system based on C# and SQL Database. Therefore, this paper first introduces energy management system. Then, a structure design of energy man - agement system will be proposed, finally, this thesis presents the functions of the software and gives a .NET framework-based implementation. Key words: energy management system； database； .NET framework 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） 摘 要： 为了更好地实现对重型装备制造企业能源管理， 论文提出了基于 C# 和 SQL 的能源管理系统的设 计方案。 为此， 首先介绍了能源管理系统， 其次对能源管理系统进行了架构设计和网络拓扑结构设 计， 介绍了能源管理系统的功能， 最后提出了基于.NET 平台的功能实现。 关键词： 能源管理系统； 数据库； .NET 框架 中图分类号： TP391.9 文献标识码： A doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2013.01.019 文章编号： 1002－6673 （2013） 01－047－03 机电产品开发与创新 Development ＆ Innovation of Machinery ＆ Electrical Products Vol．26,No．1 Jan．,2013 第 26 卷第 1 期 2013 年 1 月 47 ·产品与市场· 表 2 创建数据表 数据表 表名称 内容项 字段 能源介 质表 Energy- Media 煤气、 天然气等 能源介质 能源介质编号 （EnergyNo）， 能源介质名称 （EnergyName） 等 部门车 间表 WorkShop 回火炉车间， 第 二锻造车间等 车间编号 （WorkshopNo）， 车 间名称 （WorkshopName） 等 能耗设 备表 Device 加热炉， 回火炉 等 能耗设备编号 （DeviceNo）， 所在车间编号 （WorkshopNo）， 能源介质 编号 （EnergyNo） 等 计量设 备表 Measure- Device 煤气流量计， 天 然气流量计等 计量设备编号 （DeviceNo）， 所在车间编号 （WorkshopNo）， 能源介质 编号 （EnergyNo）， 计量等 级 （MeasureLevel） 等 计量数 据表 CoalGas- Natural- Gas 每小时采集的天 然气/煤气使用 累积量 能耗设备编号 （DeviceNo）， 采集时间 （Date）， 天然气/ 煤气使用累积量 （EnergyConsume） 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： 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 Mi- crosoft 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 1 能源消耗预测 产品 年份 产品一 产品二 产品三 产品四 产品五 能耗 总量 2006 a11 a12 a13 a14 a15 b1 2007 a12 a22 a23 a24 a25 b2 2008 a31 a32 a33 a34 a35 b3 2009 a41 a42 a43 a44 a45 b4 2010 a51 a52 a53 a54 a55 b5 2011 a61 a62 a63 a64 a65 b6 48 ·产品与市场· 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。 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。 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。 参考文献: [1] 姜黎萍.宝钢集团能源中心系统工程建设[J].冶金自动化，2012，2. 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