CN102053608A - 一种生产过程中能耗交互处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产过程中能耗交互处理方法。该方法为：利用能耗采集设备与生产设备相关联，实时采集生产设备能耗数据，通过无线网络将采集到的能耗数据传输到服务器进行数据存储，并对所述的能耗数据进行预处理得到规范化的能耗数据，对规范化的能耗数据进行分析处理，并对单班次和单批次以及综合能耗波动情况进行诊断，若超限，则给予报警提示，并将异常信息反馈到生产过程中，使生产管理人员能够有针对性地对能耗异常的各生产设备能耗进行调整，使得能耗恢复正常。本发明方法能及时获取、分析处理并反馈生产过程中各种能耗数据，使生产管理者有效监控车间能耗信息，控制生产过程能耗量，促进企业节能减排工作的顺利进行。

Description

一种生产过程中能耗交互处理方法

技术领域

本发明涉及数据采集与处理技术，尤其是涉及一种生产过程中能耗交互处理方法。

背景技术

现代制造业在将制造资源转化为供人们使用的工业品和生活消费品的同时，也消耗掉大量的资源并对环境造成严重的污染，节能减排已成为企业当前的迫切需要，车间生产过程是企业能源消耗和废弃物排放的主要环节，所以企业要实现节能减排的目标，就需要能够确切地知道企业在生产的各个过程中能源的消耗量，并进行相应的分析和控制。

目前，我国很多离散制造企业在生产过程中，会采集很多类型的数据，如：产量数据、质量数据、生产环境数据等，进行研究分析，作为生产管理的依据，为管理者制提供决策支持，然而，这类企业中却很少会采集生产过程中的能耗数据，作为分析的对象，这就导致离散企业想要在控制能源消耗量上有所突破时，缺乏必要的数据支持，使得企业节能减排工作进行得比较艰难；即使是比较关注能源消耗的流程型企业，它们在采集生产过程中能耗数据的方法基本是靠人工采集并统计汇总，也缺乏一套实用的生产过程中能耗数据采集、分析处理和反馈方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产过程中能耗交互处理方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种生产过程中能耗交互处理方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)建立生产设备与能耗采集设备的对应关系，使得每一台生产设备各与一种以上能耗采集设备对应；

(2)所述能耗采集设备分别实时采集对应生产设备的能耗数据，得到各采样时刻每一台生产设备的每一种能耗数据值E_ijt，在E_ijt中，t表示采样时刻，i表示生产设备的编号，j表示能耗类型，且i＝1，2，…，M；j＝1，2，…，N，M表示生产设备的总数量，N表示能耗的类型总数；

(3)将步骤(2)所采集的能耗数据值E_ijt及其所对应的能耗类型、采集时刻传输到数据库中存储；

(4)根据各班次的起始、终止时刻以及各批次产品的生产起始、终止时刻，对所述数据库中所存储的能耗数据值E_ijt及其所对应的能耗类型、采集时刻进行预处理，分别得到每个班次内所有生产设备的各种能耗消耗总量BE_j和所有生产设备生产每一批次产品的各种能耗消耗总量PE_j；

(5)从生产信息系统中分别获取各班次的总产量BQ和各批次产品的批量值PQ；

(6)根据每个班次内所有生产设备的各种能耗消耗总量BE_j、所有生产设备生产每一批次产品的各种能耗消耗总量PE_j、各班次的总产量BQ和各批次产品的批量值PQ，按照公式(1)和公式(2)对应得到各班次的单位产量能耗和各批次产品所对应的单位产量能耗

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{BE}}_j}={\mathrm{BE}}_j/\mathrm{BQ}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{PE}}_j}={\mathrm{PE}}_j/\mathrm{PQ}---\left(2\right)$

(7)将各班次的单位产量能耗

与预先设定的同种类的能耗的单位产量能耗值的报警下限

同种类的能耗的单位产量能耗值的报警上限

进行比较：若满足关系式(3)，则表明能耗正常，否则报警提示能耗异常的班次，并将能耗异常的班次及各能耗异常班次内的每一台处于工作状态中的生产设备的每一种能耗数据值E_ijt反馈到电子看板，

$\stackrel{\‾}{E_{L_j}}\≤\stackrel{\‾}{{\mathrm{BE}}_j}\≤\stackrel{\‾}{E_{U_j}}---\left(3\right)$

并且，将各批次产品所对应的单位产量能耗

与预先设定的同种类的能耗的单位产量能耗值的报警下限

同种类的能耗的单位产量能耗值的报警上限进行比较：若满足关系式(4)，则表明能耗正常，否则报警提示能耗异常的产品批次，并将能耗异常的产品批次及各能耗异常产品批次所对应的每一台处于工作状态中的生产设备的每一种能耗数据值E_ijt反馈到电子看板，

$\stackrel{\‾}{E_{L_j}}\≤\stackrel{\‾}{{\mathrm{PE}}_j}\≤\stackrel{\‾}{E_{U_j}}---\left(4\right)$

并且，将各班次的单位产量能耗与各批次产品所对应的单位产量能耗

的综合波动情况进行比较：若同时满足关系式(5)和关系式(6)，则表明能耗正常，否则报警提示能耗异常的班次和产品批次，并将能耗异常的班次、能耗异常产品批次以及与各能耗异常班次、各能耗异常产品批次所对应的每一台处于工作状态中的生产设备的每一种能耗数据值E_ijt反馈到电子看板，

$\stackrel{\‾}{E_{L_j}}\≤{\stackrel{\‾}{E_j}}^{*}-\sqrt{{|{\mathrm{BE}}_j-{\stackrel{\‾}{E_j}}^{*}|}^2+{|{\mathrm{PE}}_j-{\stackrel{\‾}{E_j}}^{*}|}^2}---\left(5\right)$

${\stackrel{\‾}{E_j}}^{*}+\sqrt{{|{\mathrm{BE}}_j-{\stackrel{\‾}{E_j}}^{*}|}^2+{|{\mathrm{PE}}_j-{\stackrel{\‾}{E_j}}^{*}|}^2}\≤\stackrel{\‾}{E_{U_j}}---\left(6\right)$

其中，

为第j种能耗的单位产量能耗目标值；

(8)生产人员根据步骤(7)的报警提示以及显示在电子看板上的能耗数据值E_ijt，对能耗异常的各生产设备能耗进行调整，使得能耗恢复正常。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明方法通过能耗采集设备和无线通信模块实时获取生产过程中的各种能耗数据，并通过对能耗数据的预处理，将能耗数据有序化和规范化，并对规范化的能耗数据进行分析和处理，不仅分析单班次和单批次的能耗波动，并且分析综合能耗波动情况，使得该方法能够及时诊断出能耗异常，给予报警提示，提高了诊断的效果和灵敏度，并将异常信息反馈到生产过程中，使生产管理人员有根据有针对性地对能耗异常的各生产设备能耗进行调整，使得能耗恢复正常，从而降低了生产过程中的能耗。本发明方法使生产管理者能有效监控生产过程中的能耗信息，有利于提高企业能耗管理水平，促进企业节能减排工作的顺利进行。

附图说明

图1是实现本发明方法的设备配置示意图；

图2是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实例并结合附图1对本发明做进一步详细的阐述。

参见图1，本发明涉及的设备配置主要包括数字式电表，数字式水表，数字式汽表，ZigBee无线传输模块，电子看板，数据库服务器，交换机，应用程序服务器。

应用程序服务器用来运行系统所需的软件程序，并通过交换机以TCP/IP协议与数据库服务器进行通讯；数据库服务器安装Sql Server或Oracle数据库，为系统的运行提供数据服务；各能耗采集设备，如：数字式电表、数字式水表和数字式汽表分别于生产设备相连，有些设备只消耗一种能量则只需要连接一个能耗采集设备；有些设备消耗两种类型的能量，则需要同时连接两种能耗采集设备；有些设备消耗多种类型的能量，则需要同时连接多种能耗采集设备，一台生产设备相连的所有能耗数据采集设备可以公用一个ZigBee子节点；各能耗采集设备自带有RS-485接口，用于数据通信；电子看板带有RS-232接口，用于显示能耗异常信息；ZigBee带有RS-232或RS-485接口，用于数据传输。

数据库服务器通过RS-232接口连接一个ZigBee主节点，ZigBee主节点与各ZigBee路由通信，各生产设备连接的数字式电表、数字式水表和数字式汽表分别通过RS-485/RS-232接口与ZigBee子节点相连，再通过ZigBee路由的衔接作用，形成一个有许多子网组成的车间无线传输网络，传输采集到的能耗数据。

如图2所示，本发明方法共包括八个步骤，具体实施方法如下：

1.将能耗采集设备编号与生产设备编号相关联，首先从生产设备档案中选择一台生产设备，再选择要与其绑定的采集设备，建立起关联关系，一台生产设备由于采集能耗类型的不同可绑定多台能耗采集类型不同的采集设备(例如电表、水表、汽表等)，而一台采集设备只能与一台生产设备绑定，建立关联关系的数据以SQL Server或者Oracle的数据表的方式存储在数据服务器中，从而建立生产设备与能耗采集设备的对应关系，使得每一台生产设备各与一种以上能耗采集设备对应。

2.如图1所示，各能耗采集设备通过RS-485/RS-232接口连接ZigBee通信模块，ZigBee模块以设定好的频率发送指令，记录能耗数据值E_ijt并记录采集时刻和能耗类型，在E_ijt中，t表示采样时刻，i表示生产设备的编号，j表示能耗类型，且i＝1，2，…，M；j＝1，2，…，N，M表示生产设备的总数量，N表示能耗的类型总数，这里的能耗类型除了水耗、电耗、汽耗外，还可以包括热耗、冷耗等。为了后面说明的方便性，此处定义j＝1表示水耗、j＝2表示电耗、j＝3表示汽耗，采集频率可自行设定，为提高有效数据的可获性将采集频率设为1次/分钟，采集时间精确到分，具体格式为yyyy-mm-dd hh:mm，由于ZigBee模块在向不同类型的采集设备发送采集指令时，所采用的指令不同，所以可通过指令的不同将能耗采集类型区分开，这样所采集到的能耗数据就包括能耗数据值E_ijt、对应采集时刻和能耗类型。

3.步骤2所采集的能耗数据值E_ijt及其所对应的能耗类型、采集时刻可以通过网线有线传输，采用TCP/IP协议，也可以通过无线传输，采用ZigBee协议；为了提高系统实施的方便性，缩短实施周期，增强可扩展性，本发明采用无线传输，具体传输方法就是将所采集的数据利用与采集设备相连的ZigBee无线通信模块传送到ZigBee通信主节点，ZigBee通信主节点再通过RS232串行通信接口与服务器相连，进行数据存储。

4.能耗数据预处理，由于采集频率很高，采集到的原始能耗数据是海量的，而能耗数据分析是所直接应用的数据也不是原始能耗数据，所以就要对原始数据进行预处理，得到能耗数据分析所直接应用的数据，并可以将数据的存储量大大降低；预处理之后的数据可进行长期存储，而采集到的原始能耗数据则可定期更新。

数据预处理包括对各种能耗数据的预处理，为了更加方便，以下以电耗数据预处理为例说明数据预处理的方法：

班次级别的数据预处理是将采集到的与生产设备相连的数字式电表的读数、相应采集时刻和能耗类型，结合各班次的起始时刻和终止时刻，可得到与此电表相连的生产设备的一个班次的耗电量。例如，每天可分为甲、乙、丙三个班次，甲班起始时刻为8:00，终止时刻为16:00；乙班起始时刻为16:00，终止时刻为24:00；丙班起始时刻为第二天的0:00，终止时刻为第二天的8:00；用一个工作日的16:00电表的读数减去该电表8:00的读数，可得到与此电表相连的生产设备的甲班次的耗电量；将甲班次运行的所有设备的耗电量累加，进而可得甲班次所有设备的耗电量BE₂；同样的方法，可得到其他各个班次的耗电量。对于其他的类型的能耗数据也采取同样的方法。

对于在班次起始时刻或终止时刻上恰好没有采集数据的情况，采取的解决办法是：取班次起始时刻或终止时刻前的第一个采集数据和之后的第一个采集数据求平均值，作为该时刻的值；承接上面的例子，若电表恰好在08:00丢失了一个数据，也就是说，在甲班次的起始时刻08:00，没有采集到数据，那么可以取电表在07:59时刻的读数和08:01时刻的读数，求平均值作为08:00的值。对于其他无采集数据的时刻，则采取同样的方法。

仍以电耗数据预处理为例，说明产品批次级别的数据预处理方法，产品批次级别的数据预处理是根据与生产设备相连的数字式电表的读数、相应采集时刻和能耗采集类型，并与生产信息系统相连，获取每一批次产品与生产设备的关联关系以及每一批次产品的起始时刻和终止时刻，如一批次的产品的起始时刻为10:00，终止时刻为18:00；则用终止时刻18:00的电表读数减去起始时刻10:00该电表的读数，可计算出本批产品的在与该电表相连的生产设备上的耗电量；再根据每一批次产品与生产设备的关联关系可得出本批产品的耗电量PE₂，同样的方法，可得到其他各批次的耗电量。对于其他的类型的能耗数据也采取同样的方法。

5.通过与生产信息系统相连，获取产量信息，从生产信息系统中可获得的产量信息是很多条的入库记录，每一条入库记录包括入库产品名称、入库量和入库时刻等信息，将一个班次的起始时刻和终止时刻之间的所有入库产量累加得到该班次总产量BQ，各批次产品的批量值PQ可以从生产信息系统直接获取。

6.根据每个班次内所有生产设备的各种能耗消耗总量BE_j和各班次的总产量BQ，并通过公式

可以计算得出各班次的单位产量能耗

仍承接上面电耗的例子，若设某一工作日甲班次所有设备的耗电量BE₂＝110度，且该班次的总产量BQ＝10件，则该班次的单位产量电耗度/件。

并且，根据所有生产设备生产每一批次产品的各种能耗消耗总量PE_j和各批次产品的批量值PQ，并通过公式

可以计算得出每一批次产品对应的单位产量能耗

例如，若设生产设备生产某一批次产品的耗电量PE₂＝850度，且该批次产品的批量PQ＝100件，则该产品批次对应的单位产量电耗

度/件；其他各种能耗可采取同样的方法。

7.将各班次的单位产量能耗

与预先设定的同种类的能耗的单位产量能耗值的报警下限

同种类的能耗的单位产量能耗值的报警上限

进行比较：若满足关系式

则表明能耗正常，否则报警提示能耗异常的班次，并将能耗异常的班次及各能耗异常班次内的每一台处于工作状态中的生产设备的每一种能耗数据值E_ijt反馈到电子看板。

本发明的单位产量能耗值的报警下限和报警上限的设定依据能耗历史数据统计并结合管理者的经验来确定。若设单位产量电耗的报警下限

设为8度/件，报警上限

设为12度/件，承接上面电耗的例子，则甲班次的单位产量电耗

度/件，则

满足关系式

表明能耗正常。

并且，将各批次产品所对应的单位产量能耗

与预先设定的同种类的能耗的单位产量能耗值的报警下限

同种类的能耗的单位产量能耗值的报警上限

进行比较：若满足关系式

则表明能耗正常，否则报警提示能耗异常的产品批次，并将能耗异常的产品批次及各能耗异常产品批次所对应的每一台处于工作状态中的生产设备的每一种能耗数据值E_ijt反馈到电子看板。承接前例，计算得出某一批次产品单位产量电耗

度/件，则

满足关系式表明能耗正常。

并且，将各班次的单位产量能耗

与各批次产品所对应的单位产量能耗

的综合波动情况进行比较：若同时满足关系式

和关系式

则表明能耗正常，否则报警提示能耗异常的班次和产品批次，并将能耗异常的班次、能耗异常产品批次以及与各能耗异常班次、各能耗异常产品批次所对应的每一台处于工作状态中的生产设备的每一种能耗数据值E_ijt反馈到电子看板，其中，

为第j种能耗的单位产量能耗目标值。

值的设定依据能耗历史数据统计并结合管理者的经验来确定。承接前例，若将单位产量电耗目标值

设为10度/件，则电耗的综合波动情况如下：

${\stackrel{\‾}{E_2}}^{*}-\sqrt{{|{\mathrm{BE}}_2-{\stackrel{\‾}{E_2}}^{*}|}^2+{|{\mathrm{PE}}_2-{\stackrel{\‾}{E_2}}^{*}|}^2}=10-\sqrt{{|11-10|}^2+{|8.5-10|}^2}=8.197\≥\stackrel{\‾}{E_{L_2}}=8,$ 并且，

${\stackrel{\‾}{E_2}}^{*}+\sqrt{{|{\mathrm{BE}}_2-{\stackrel{\‾}{E_2}}^{*}|}^2+{|{\mathrm{PE}}_2-{\stackrel{\‾}{E_2}}^{*}|}^2}=10+\sqrt{{|11-10|}^2+{|8.5-10|}^2}=11.803\≤\stackrel{\‾}{E_{U_2}}=12,$

表明电耗的综合波动在正常范围，同样的情况下，若假设甲班次的单位产量能耗

变为11.5度/件，虽然单从甲班次来看，仍然满足关系式

但根据对综合能耗波动的分析，

${\stackrel{\‾}{E_2}}^{*}-\sqrt{{|{\mathrm{BE}}_2-{\stackrel{\‾}{E_2}}^{*}|}^2+{|{\mathrm{PE}}_2-{\stackrel{\‾}{E_2}}^{*}|}^2}=10-\sqrt{{|11.5-10|}^2+{|8.5-10|}^2}=7.879\≤\stackrel{\‾}{E_{L_2}}=8,$ 且

${\stackrel{\‾}{E_2}}^{*}+\sqrt{{|{\mathrm{BE}}_2-{\stackrel{\‾}{E_2}}^{*}|}^2+{|{\mathrm{PE}}_2-{\stackrel{\‾}{E_2}}^{*}|}^2}=10+\sqrt{{|11.5-10|}^2+{|8.5-10|}^2}=12.121\≥\stackrel{\‾}{E_{U_2}}=12,$

可见不满足关系式

和关系式

则报警提示该班次和产品批次电耗波动异常，并将该班次和产品批次以及与所对应的每一台处于工作状态中的生产设备的每一种电耗数据值E_ijt反馈到电子看板。

8.生产人员根据步骤7的报警提示以及显示在电子看板上的异常的每一种能耗数据值E_ijt，对能耗异常的各生产设备能耗进行调整，使得能耗恢复正常。

Claims (1)

1.一种生产过程中能耗交互处理方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)建立生产设备与能耗采集设备的对应关系，使得每一台生产设备各与一种以上能耗采集设备对应。

(2)所述能耗采集设备分别实时采集对应生产设备的能耗数据，得到各采样时刻每一台生产设备的每一种能耗数据值E_ijt，在E_ijt中，t表示采样时刻，i表示生产设备的编号，j表示能耗类型，且i＝1，2，…，M；j＝1，2，…，N，M表示所述生产设备的总数量，N表示能耗的类型总数。

(3)将步骤(2)所采集的能耗数据值E_ijt及其所对应的能耗类型、采集时刻传输到数据库中存储；

(4)根据各班次的起始、终止时刻以及各批次产品的生产起始、终止时刻，对所述数据库中所存储的能耗数据值E_ijt及其所对应的能耗类型、采集时刻进行预处理，分别得到每个班次内所有生产设备的各种能耗消耗总量BE_j和所有生产设备生产每一批次产品的各种能耗消耗总量PE_j；

(5)从生产信息系统中分别获取各班次的总产量BQ和各批次产品的批量值PQ；

(6)根据每个班次内所有生产设备的各种能耗消耗总量BE_j、所有生产设备生产每一批次产品的各种能耗消耗总量PE_j、各班次的总产量BQ和各批次产品的批量值PQ，按照公式(1)和公式(2)对应得到各班次的单位产量能耗和各批次产品所对应的单位产量能耗

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{BE}}_j}={\mathrm{BE}}_j/\mathrm{BQ}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{PE}}_j}={\mathrm{PE}}_j/\mathrm{PQ}---\left(2\right)$

(7)将各班次的单位产量能耗

与预先设定的同种类的能耗的单位产量能耗值的报警下限同种类的能耗的单位产量能耗值的报警上限

进行比较：若满足关系式(3)，则表明能耗正常，否则报警提示能耗异常的班次，并将能耗异常的班次及各能耗异常班次内的每一台处于工作状态中的生产设备的每一种能耗数据值E_ijt反馈到电子看板，

$\stackrel{\‾}{E_{L_j}}\≤\stackrel{\‾}{{\mathrm{BE}}_j}\≤\stackrel{\‾}{E_{U_j}}---\left(3\right)$

并且，将各批次产品所对应的单位产量能耗

与预先设定的同种类的能耗的单位产量能耗值的报警下限

同种类的能耗的单位产量能耗值的报警上限

进行比较：若满足关系式(4)，则表明能耗正常，否则报警提示能耗异常的产品批次，并将能耗异常的产品批次及各能耗异常产品批次所对应的每一台处于工作状态中的生产设备的每一种能耗数据值E_ijt反馈到电子看板，

$\stackrel{\‾}{E_{L_j}}\≤\stackrel{\‾}{{\mathrm{PE}}_j}\≤\stackrel{\‾}{E_{U_j}}---\left(4\right)$

并且，将各班次的单位产量能耗

与各批次产品所对应的单位产量能耗的综合波动情况进行比较：若同时满足关系式(5)和关系式(6)，则表明能耗正常，否则报警提示能耗异常的班次和产品批次，并将能耗异常的班次、能耗异常产品批次以及与各能耗异常班次、各能耗异常产品批次所对应的每一台处于工作状态中的生产设备的每一种能耗数据值E_ijt反馈到电子看板，

$\stackrel{\‾}{E_{L_j}}\≤{\stackrel{\‾}{E_j}}^{*}-\sqrt{{|{\mathrm{BE}}_j-{\stackrel{\‾}{E_j}}^{*}|}^2+{|{\mathrm{PE}}_j-{\stackrel{\‾}{E_j}}^{*}|}^2}---\left(5\right)$

${\stackrel{\‾}{E_j}}^{*}+\sqrt{{|{\mathrm{BE}}_j-{\stackrel{\‾}{E_j}}^{*}|}^2+{|{\mathrm{PE}}_j-{\stackrel{\‾}{E_j}}^{*}|}^2}\≤\stackrel{\‾}{E_{U_j}}---\left(6\right)$

其中，为第j种能耗的单位产量能耗目标值；

(8)生产人员根据步骤(7)的报警提示以及显示在电子看板上的能耗数据值E_ijt，对能耗异常的各生产设备能耗进行调整，使得能耗恢复正常。

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