安科瑞 鲍静君
摘要：由于传统系统未能考虑水泥企业的能耗标准及绩效指标问题，导致水泥企业资源利用率降低、能量消耗大。为此，本研究结合物联网技术设计了新的水泥企业能耗对标系统。首先设计水泥企业能耗对标体系框架，将水泥生产过程中的主要能耗指标设定为系统的KPI指标，分别计算不同的指标，并制定对应的能耗标准。在此基础上，根据水泥企业能耗标准分析用户需求以及非功能性需求，并结合物联网技术设系统的整体架构图及模块流程图，明确系统需要实现的功能。仿真实验结果表明：该系统能够有效提升水泥企业的资源利用率，减少生产过程的能量消耗。
关键词：物联网技术；水泥企业；能耗对标；能耗标准；资源利用率
引言
随着国家环保力度的日益加强，国内水泥产业在生产过程中开始重视节能减排。同时，由于国家对于能耗评估指标的要求也越来越严格，各水泥生产企业需降低 生产能耗才能够满足新的环境发展需求。现阶段，水泥企业之间的竞争将转换为产品价格竞争，而在价格竞争中，压缩生产成本成为提升企业竞争力的关键因素之一。水泥企业只有在生产过程中有效控制能源消耗，尽可能地降低水泥产业生产过程中能耗成本，才能够使产品在价格上具有优势。
节能降耗工作首先就需要排查能源利用不合理的工序或者产线，根据对工序、产线的能耗数据客观的分析，并且和对应的能耗标准、规模相近的生产线以及设备进行对比，及时查找出自身的不足，从而调整生产线或者对设备进行改进和优化，从而达到降低能耗的目的为此，研究水泥企业能耗对标系统具有重要意义。相关专家也针对该方面的内容展开了研究，例如吴晓雪等人主要通过组态技术完成对远程能耗数据的采集，同时结合能效控制算法完成对能耗对标系统的设计。杨亚勋首先组建基于ARM控制的能耗监测对象，以此为基础，结合数据库模式完成对能耗对标系统的设计。传统系统虽然在一定程度上取得了较为满意的应用效果，但是由于未考虑水泥企业能耗标准及绩效指标问题，导致其存在资源利用率降低等不足。为此，本研究提出一种新的基于物联网技术的水泥企业能耗对标系统。
KPI能耗指标计算
能耗体系指标的建立是对标工作的核心，组建一个科学、合理有效的对标体系，能够有效降低企业的生产过程能耗，提升资源利用率。为此，分析水泥企业的能耗现状，探索符合其自身条件的能耗对比体系，从而进一步增强企业水泥能源的利用率。
水泥企业的生产能源消耗主要表现为电力以及煤的消耗。此外，水泥生产的各个工序需要根据电耗以及煤耗进行划分，主要划分为熟料和水泥生产环节中的电耗以及煤耗。其中，电耗主要通过采集电表数据来获取；煤耗数据主要通过DCS标签数据量获取。
图1 水泥企业能耗对标体系结构图
虽然各个水泥企业之间的生产情况存在差异，但是基本都包含以下程序：生料制备、废气处理、熟料烧成、熟料存储以及运输以及水泥包装等工序。在具有明确界定的范围内，不同工序的单位产品能耗是能够进行对比的，同时能够直观反映水泥产业各个工序的能源消耗情况。在综合考察水泥企业生产过程的基础上，明确了水泥产业的能耗对标框架，具体结构如图1所示。
结合图1，水泥生产过程中的能耗主要包含熟料综合能耗以及水泥综合能耗。其中，熟料综合能耗又可划分为综合电耗以及熟料综合电耗；水泥综合能耗能够划分为水泥综合电耗以及水泥综合煤耗；同时，水泥以及熟料综合能耗又是经过多个工序共同实现的。
在此基础上，本研究引入关键绩效指标(Key Per-formance Indicator，KPI)，主要是利用对组织内部流程的输入端、输出端的关键参数进行设置、取样、计算和分析。KPI是衡量流程绩效的一种目标式量化指标，是企业战略目标分解为可操作工作目标的工具，也是企业绩效管理的基础。由于系统将水泥产业作为研究对象，需要推广到企业发展部署以及应用，所以在指标选择的过程中，需要综合考虑水泥企业的实际发展状况。
KPI指标的确定是对标工作的前提。针对同一企业的内部组织而言，组建具有可操作性的KPI指标是十分重要的。水泥行业会定期对KPI指标进行对标，获取各个企业之间的差距以及企业所在的具体位置。
系统在综合分析水泥企业实际生产情况的基础上，确定以水泥生产过程中的能耗指标作为KPI指标，主要在技术层面针对水泥生产过程进行对比分析。根据对技术指标的对比分析，有效优化水泥企业的生产线，达到节能降耗的目的。以下分别针对各项KPI进行分析：
(1) 熟料综合能耗
熟料综合能耗为生产一吨熟料所消耗的全部能源在折算成标准后获取的能源消耗情况，其中主要包含水泥企业中生料制备、煤粉制备以及其它生产能耗操作环节产生的能源消耗[8]，其中单位为kg/t(千克标准煤/吨)，具体的计算公式为：
式中，Ect代表熟料综合能耗；ect代表熟料综合煤耗；Qct代表熟料综合电耗；0.1229代表电力折算标准煤系数。
(2) 可比熟料综合能耗：
可比熟料综合能耗主要是指熟料综合能耗经过统一修正以及折算成标准煤所获取的能耗取值，具体的计算公式为：
式中，Ekcl代表可比熟料综合能耗；ekcl代表可比熟料综合煤耗；Qkcl代表可比熟料综合电耗。
(3) 熟料综合煤耗：
主要是指生产一吨熟料所需要的煤粉量，实际即为煤粉制备环节所消耗的煤粉量，具体的计算公式为：
式中，PC代表统计期间内水泥总产量；Qnet,ar代表收到基低位发热量；QBM代表标准煤发热量；Pcl代表统计期内熟料综合消耗量。
(4) 可比熟料综合能耗：
即熟料综合煤耗在经过统一修正后获取的标准煤耗，具体的计算式为：
式中，a代表熟料强度等级修正系数；k代表海拔修正系数；ehe代表水泥企业余热发电折算后的单位熟料标准煤量；ehu代表余热发电利用的热量折算的单位熟料标准煤量；efc代表废弃物处理消耗的燃料折算为标准煤耗。
(5) 熟料综合能耗：
即生产一吨熟料所消耗的能量，其具体的计算公式为：
式中，Qcl代表熟料综合电耗；Qsc代表熟料烧成电耗；Qfp代表废气处理电耗；QPS代表原料破碎过程中产生的电耗；Qyjh代表原料预均化电耗；Qyfm代表生料制备电耗；Qjh代表生料均化电耗；Qcs代表熟料存储以及运输电耗；Qfz代表辅助生产电耗；m代表水泥企业生产1吨原料的消耗量；n代表生产1吨熟料燃料的消耗量。
(6) 可比熟料综合电耗：
指对熟料综合电耗进行统一修正后获取的综合电耗，具体的计算式为：
(7) 水泥综合能耗：
指生产一吨水泥消耗的能源经过统一折算成标准煤后获取的能耗，具体的计算式为：
式中，Es代表水泥企业中水泥的综合能耗；Qfm代表水泥粉磨电耗；Qhhg代表混合材料制备电耗；h代表水泥企业中水泥混合材料平均掺量。
(8) 可比水泥综合能耗：
在设定的时间段内，生产一吨水泥所消耗的各种能源通过统一修正并且折算为标准煤所获取的综合能耗，具体的计算式为：
式中，Eks代表可比水泥综合能耗；g代表水泥的熟料平均配比。
(9) 水泥综合电耗：
指生产一吨水泥所消耗的电量，具体的计算式为：
式中，d代表水泥中熟料平均配比。
(10) 可比水泥综合电耗：
将水泥综合电耗统一修正后获取的综合电耗值，具体的计算式为：
分析国内水泥产业的复杂情况，将各种能耗指标等级划分为国家标准、行业标准以及企业标准。其中国际标准的选取主要参照国外大型水泥企业的生产线能耗水平制定，国家标准的确定则需要参照国家投入的水泥生产线的年度运行能耗水平；企业标准通过自身企业的实际情况，由企业员工进行制定。
基于物联网技术的水泥企业能耗对标系统设计
本研究将基于物联网技术的水泥企业能耗对标系统划分为前台界面以及后台界面两部分，主要由多个页面有机组成。不同界面功能以及任务不同，两者共同实现能耗对标工作。系统主要以角色为对象，角色不同权限不同。由于各个用户都有对应的角色，也就是对用户登录进行了限制。系统共设定三个角色，分别为政府、企业和管理员。拥有不同角色的用户能够使用的功能以及权限也存在一定的差异，利用图2-图4分别给出不同角色的对标系统程图。
图2 水泥企业用户界面流程图
图3 政府用户界面流程图
图4 管理员界面流程图
水泥企业能耗对标系统的基本单元是系统数据库，基于物联网技术实现对能耗数据的采集并建立对标系统数据表能够明确数据表的作用，同时为系统中各个数据表之间的关系进行铺垫。基于物联网技术建立的能耗数据库不同的数据表组成的，各个数据表之间存在一定的关联，清理上述关系，即能够通过数据库的组建增强系统的运行速度。水泥企业能耗对标系统主要通过以下模块组成，以下进行详细的介绍以及分析。
(1) 后台管理模块
系统在搭建好运行环境后，主要用于存放原始程序。
(2) 用户界面模块
用户界面模块主要包含两个角色，分别为政府和企业，用户通过不同身份进行注册登录，即能够实现不同界面的操作功能。用户界面主要划分为四个控制器，通过控制器能够判定登录用户是否合法，有效避免非法用户的登录。针对于合法用户，需要判定角色权限，同时进入对应的角色分组，将功能模块节点以及数组的形式利用函数分配到对应的模板页中。
(3) 标准浏览查询模块
模块主要划分为三个模板界面，其中Test控制器负责协调页面的输出；函数负责对应模板的调用；模板页面主要负责页面名称的展示。
(4) 水泥企业能耗对标模块
水泥企业能耗对标模块是系统的核心，用户能够通过该模块完成水泥企业能耗对标。其中对比模板主要划分为四个操作步骤，具体如图5所示。
图5 水泥企业能耗对标模块操作过程
(5) 评估报告管理模块
评估报告模块主要分为三个模板页面，分别为评估报告的展示、评估报告操作按钮的建立以及评估报告查看。当用户点击报告管理按钮时，Test控制器会对应的模板页面，同时将数据表进行实例化处理。根据用户的识别编码筛选用户已经创建的评估报告，同时将上述数据放入到数组中。当用户点击查看报告按钮时，对标系统会载入评估报告的具体信息。当用户点击行业比较按钮时，对标系统会载入用户企业能效信息和同行全部企业的能效信息。
(6) 对标结果统计模块
系统实现了政府用户对于区域内整体能耗水平的把握，它既能够在数据上分析企业达到国家限定值或者*值的百分比，又能够以图形化的形式展示不同水泥企业的对标情况。
当政府用户点击对标统计操作后，操作信息被返回至Test控制器，采取相应的方法进行处理。同时分别对比不同企业实际能耗以及国家能耗限定值、*值，针对未达到国家需求的水泥企业在图形上进行标记，分别计算水泥企业实际能耗以及国家能耗限定值的百分比，统计达到标准的能耗量。
能源管理系统应用优势
能源管理系统是一套综合性强的用能管理系统。系统采用分层式和分布式的系统体系结构，对广汽本田在汽车制造过程中设备所使用到的水、油、汽、电力、燃气等各类型能耗数据自动进行采集并传输储存，整合各类有用信息数据后进行处理分析，以生成能源分析报告的形式，得出能源管理优化调整建议方案，实现节能减排的核心目标。
水泥企业使用的能耗架构一般可分为个体设备层面、工段级别、车间级别、工厂级别及企业分厂。由于所负责的部分以及机械设备的差异，导致每个级别层面所需使用的能耗数据不尽相同，所以如何管理和分析如此繁多复杂的数据，如何将它们分门别类的区分开来，如何对它们进行管控均成为水泥企业进行节能减排途中的绊脚石。
因此水泥企业切需要一套成熟的综合能源管理系统，通过使用正确的管理体系帮助企业各类能源得到充分利用。通过能源管理系统，实现对各类各级能源进行计划、分配、管控及消耗等方面的调整优化，同时对高度耗能的设备进行管理和监测，利用能源计量等多种方法手段尽量减少或降低设备耗能和排污的问题，将节能减排工作落实到实处，切实发挥作用。能源管理系统的应用还能够让公司的管理高层快速掌握工作车间能源的使用情况，从而能快速准确地掌握各生产环节的能耗使用特征和数量关系，可以深化能源管理的分配机制，使节能计划更清晰地发散到各个工作岗位中，人人负责，以助力水泥企业的可持续发展。
能源管理系统应用场景
（1）能耗分析应用
水泥企业在能源管理工作上原来采用人工手动记录的方式，对各类各级能耗数据进行采集、整合、处理以及计算等工作，这样导致了巨大的工作量，并且需要各个部门的配合，顺利实行起来的难度系数高，而且还需要投入大量的人力、物力及时间。因此，采用综合能源管理系统通过实时采集分析日数据、月数据、年数据总能耗趋势、同比环比数据、负荷类型耗能占比分析、能源类型耗能占比分析等，解决了上述诸多痛点，如图 1 所示。
图1 能耗趋势及能源类型耗能占比分析
（2）单耗分析应用
节能减排是每一个行业均需迫切实现的目标，水泥企业想要做到节能减排就需要对企业原本的能源管理体制中的各个系统进行改革，譬如供配电系统、给排水系统等，系统的功能主要表现在其可实时跟踪并自动分析节能减排工作的效果以及完成的情况，得到能源的转化效率和能耗利用的生产效率情况，分析单位产量所需能源作为数据分析依据，规划更加合理的生产工作计划，从而提高生产效益，如图 2 所示。
图2 单耗分析
（3）KPI分析应用
能源管理系统是集能源监控、调度、管理智能化系统，也是集动力能源全过程监管、耗能信息化管理的综合信息管理控制。系统可以实现 KPI 的综合分析规划管理。通过灵活定制各科室、车间、班组的KPI 指标，分析管理能耗和产量的完成率、达标率等，在质量、供需、预测计划、排班等工作中有着巨大的应用价值，为提高生产效益提供有力的数据支撑，如图 3 所示。
图3 KPI分析
（4）统计报表应用
通过能源管理系统能够进行综合能耗统计报表分析，其中能耗分析是根据能源计量的实时信息对水泥企业现场各单位的能源使用和消耗情况进行分析，并快速整合数据提供各类能源使用分析报告。现实工作中很多节能减排的潜能被知晓和投入使用都是通过大量的报告获得的，因为每份报告都准确地抓住了各项设备的主要问题，充分暴露出设备的短板，工程师可以牢牢抓住事故问题的咽喉，从而使能源管理流程简单化，以优化能源管理的结构体系，逐步提高设备的生产效率，实现节能减排的显著效果。
（5）能源分析报告应用
能源管理系统通过对能源数据以及能源设备的监测，结合既有系统的数据和检测试验数据库，利用科学的数据挖掘方法，掌握能源设备、能源利用方面的关键参数，研究结合威布尔分布法、模糊层次分析法、神经网络理论等多种算法和分析模型，建立水泥企业能源利用模型和能源系统生产模型，综合分析自动生成能源使用分析报告。为更加可靠、合理计划和利用能源，降低能源消耗提供有价值的参考依据，同时为水泥企业提高能源利用的经济效益和可持续发展理念提供重要数据支撑，如图 4 所示。
图4 能源分析报告
（6）监测报警应用
能源管理系统将设备数据集中统一式采集监测管理，通过实现 7×24 小时在线监测服务，在一定程度上减轻了设备运维管理工作的负担，从而大大减少了运维成本。更加信息化、自动化、智能化的报警监测运维管理系统，将大幅提高广汽本田各厂区设备和员工的运营工作效率。报警监测应用将通过在线监测服务，及时发现区域、设备故障、越限等报警事件并通知相关负责人员，以保障生产有序进行，如图 5 所示。
图5 实时报警监测
