CN104834787B - 轴承磨床生产车间能耗的感知和分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴承磨床生产车间能耗的感知和分析方法，步骤包括：首先，根据生产车间内的能耗设备把车间内的能耗分为辅助加工能耗、生产设备能耗与运输设备能耗等三大类，建立车间能耗模型，可以理清能耗的来源及组成，在此基础上减少或消除不必要的能源消耗，根据生产车间的布局研究能耗感知节点的部署分别进行能耗的感知获取。其次，利用来自车间能耗感知网络的能耗数据进行多维度分析处理生成多维度数据集立方体。第三，对得到的能耗数据进行多维度的分析，清楚车间设备能耗的由来进而对其进行能耗的优化。本发明实现了对整个车间能耗数据的采集检测、能耗相关基础信息管理和重点耗能机床的能耗分类统计以及能耗评估。

Description

轴承磨床生产车间能耗的感知和分析方法

技术领域

本发明涉及制造行业中生产车间能耗的感知规划设计，具体的，涉及一种轴承磨床生产车间能耗的感知和分析方法。

背景技术

当今世界能源问题日益突出，能源消耗巨大，环境污染严重，特别是全球变暖、酸雨危害等全球性问题日益突出。有研究表明制造业的能耗比例高达全球能耗总量的30-50％，而我国加工制造业的能源消耗占全国能源消耗总量的60％左右，且这一数据呈增长趋势。能源消耗巨大，继而伴随着CO2、SO2、废水等有害物产生，对人们的生产生活带来一定的危害。但是，目前生产车间能耗进行监控并进行节能分析的工厂、单位并不多。对许多企业而言，能耗管理成本在企业运营成本中所占的比重越来越大，企业管理者也逐渐重视对生产车间产生的能耗数据进行记录、管理和查询，从而调整能源消费结构，科学地制定高效的节能减排策略。

现有轴承磨床生产车间中，除了有数控机床(像西门子840D数控系统、840D sl等)，还有普通机床(摇臂钻床等)。所以对车间的能耗进行感知还是比较困难的。

另一方面，虽然现在有一些能耗监测分析的软件，但是价格高、需要对操作人员进行培训还有后期的维护等等都是需要很大的成本。因此，企业也不是很愿意花高价钱进行购买。所以，对于以上出现的问题，开发轴承磨床生产车间能耗网络感知规划是值得研究的一个焦点问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种轴承磨床生产车间能耗的感知和分析方法，以实现生产车间管理层对于轴承磨床生产车间能源消耗的实时感知，进而进行合理的能源分配，提高车间的能源使用效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：把车间内的能源消耗分为：辅助加工设备能耗、生产设备能耗与运输设备能耗，其中辅助加工设备包括照明、空调与风扇；生产设备包括普通机床和数控机床；运输设备包括行车和平板车；分别进行能耗感知：

a.对辅助加工设备和运输设备，采用功率传感器测量其工作时的功率P_g，并记录下其在各个时间段开始和结束的工作时间T_si、T_ei，按照公式(1)得到能耗的具体值，

其中，E表示在各个工作时段总的能量消耗，P_gi表示在时段i的功率，T_ei表示时段i的结束时间，T_si表示时段i的开始时间，i表示时段的序列号，n表示工作时段的个数；把这些数据存储在后台服务器；

b.对普通机床的能耗感知，一方面采用智能电表测量机床总的用能情况，另一方面安装功率传感器测量待测量机床各个进给轴和主轴的电功率数据，同时记录下各个轴电机的运行开始时间和运行结束时间，按照公式(1)计算出各个能量源的能耗信息并进行存储；

c.对数控机床的能耗感知，步骤如下：

在数控机床的进线端安装智能电表检测机床总的耗电量；

在数控机床开发软件环境下，编写程序嵌入到源操作代码中，把所需的机床运行数据和机床配置数据采集上来并保存到数据库中，用来计算机床各个轴消耗的功率；

通过机床人机界面上的Ethernet网口与数据采集器组成局域网，进行数据的实时传输，把采集的数据传输到数据采集器上，最后传输到数据库服务器，进行能耗的计算和分析。

本发明还对于计算出的能耗数据进行多维度的分析处理生成多维数据集立方体，维度包括：时间维度、设备维度与区域维度；基于生成的多维数据集立方体，对能耗设备进行能耗分析。所述设备维度包括：辅助加工设备、生产设备和运输设备，所述区域维度包括：每个车间。

所述多维数据集立方体中的能耗数据存储于关系型数据库中。

本发明具有以下优点：

1：本发明提供的轴承磨床生产车间的能耗感知对于合理分配能源，杜绝能源的不合理使用具有极大的参考价值，对于有效减少环境污染方面也是值得借鉴的。

2：基于感知网络采集的制造车间内能耗数据，在“完整性、简明性、重要性、层次性、可比性”原则的基础上，基于数据仓库，可以建立能效管理评价指标。进而对车间的能源利用率进行计算，可以感知整个车间和具体生产设备的能源利用情况。

3：本发明可操作性强，简单易行，成本低，并且采集到的车间能耗数据可以为整个车间的优化布局提供借鉴，对于单台加工设备的能耗预测和评估、机床节能技术研究等也提供了一种方法。

附图说明

图1是本发明的总体流程图。

图2是整个车间能源消耗图。

图3是普通机床能耗感知网络硬件部署拓扑图。

图4是数控机床能耗感知网络硬件部署拓扑图。

图5是数据传输图。

图6是本发明实施例的多维数据集立方体的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征与优点能够更为浅显易懂，下边结合附图对本发明做进一步的详细说明。本发明提供了一种生产车间能耗网络的感知规划方法，通过对车间各个设备能耗数据的感知获取，实时掌握车间用能情况，进行合理的能源分配。

如图1所示，本发明的总体流程如下：

(1)车间能耗设备和能耗源的分析；

(2)感知车间耗能设备的能耗数据；

(3)对所述能耗数据进行多维度分析处理生成多维数据集立方体，从多方位、多角度阐述车间的耗能情况；

(4)基于生成的数据集立方体，对能耗设备进行能耗分析，为车间管理层进行车间能源合理性分配提供参考。

如图2所示，本发明将能耗数据分为：生产设备产生的能耗数据、辅助加工设备产生的能耗数据、运输设备产生的能耗数据。

进一步的，所述生产设备能耗包括：普通机床产生的能耗数据与数控机床产生的能耗数据；所述辅助加工设备能耗包括：照明能耗、空调能耗、风扇能耗等；所述运输设备能耗包括：行车能耗和板车能耗。

由于辅助加工设备和运输设备的耗能基本上是定值，称之为车间的不变能耗，而且其工作是离散性的。所以采用功率传感器测量其工作时的功率P_g，并记录下其在各个时间段开始和结束的工作时间T_si、T_ei，按照公式(1)得到不变能耗的具体值。

其中，E表示在各个工作时段总的能量消耗，P_gi表示在时段i的功率，T_ei表示时段i的结束时间，T_si表示时段i的开始时间，i表示时段的序列号，n表示工作时段的个数。

针对普通机床的能耗感知，一方面采用智能电表测量机床总的用能情况，另一方面安装功率传感器测量待测量机床各个进给轴和主轴的电功率数据，同时记录下各个轴电机的运行开始时间和运行结束时间，按照公式(1)计算出各个能量源的能耗信息并进行存储。

数控机床有别于普通机床，它有自己的数控系统与可编程逻辑控制单元，常见的有西门子840D数控系统和PLC(S7-300)等。采用功率传感器或是功率分析仪的话，会对机床造成一定的干扰，影响机床的正常生产，造成加工的零件不合格。有鉴于此，本发明采用一种间接的方法求取数控机床的能耗数据。步骤如下：

1)在机床的进线端安装智能电表检测机床总的耗电量。

2)在数控机床开发软件环境下，编写程序嵌入到源操作代码中，把所需的机床运行数据和机床配置数据采集上来并保存到数据库中，用来计算机床各个轴消耗的功率；

3)为了不在数控机床上做过多的操作，以免对机床造成不必要的损坏，本发明把采集的数据传输到数据采集器上，通过机床人机界面上的Ethernet网口与数据采集器组成局域网，进行数据的实时传输，最后传输到数据库服务器。

为了配合上述方法，本发明设计了相应的硬件感知和分析结构，它包括：数据中心；适于采集能耗设备的能耗数据的数据采集器；与所述数据采集器相连，适于将所述能耗数据经由网络发送至所述数据中心的采集终端。

其中，所述数据中心包括：适于对所述能耗数据进行多维度分析处理以生成多维数据集立方体的数据库服务器；适于接收用户查询请求的应用服务器。

所述网络包括：与所述采集终端相连的采集网关；与所述采集网关相连的以太网；所述数据中心还包括与所述以太网相连的路由器。

以下是本发明进行能耗感知和分析的一个实施例。

步骤1：轴承磨床生产过程是由一个或多个启动时段、空载时段、加工时段和间停时段等四类组成。对于车间的不变能耗(照明、空调与运输设备等的能耗)也是不定时的启动和停止。所以针对生产车间的不变能耗采用功率传感器测量其工作时的功率P_g，并记录下其在各个时间段开始和结束的工作时间T_si，T_ei，按照公式(1)得到不变能耗的具体值并存储起来。

根据功率传感器的通信协议和接口，布置系统拓扑结构。选择带Modbus-RTU通信协议的EDA9033A功率传感器；通信接口选择RS-232串行总线接口。

步骤2：针对普通机床2.1的能耗感知。安装带有RS-485通讯协议的BOERPMW2000智能电表1，在机床主轴电机安装带RS-485协议的EDA9033ED功率传感器1.1，冷却泵、润滑与换刀电机安装带RS-232接口、ASCII协议的三相全参数交流电量变送模块R-8203，搭建出如图3所示的能耗感知的硬件拓扑。图3中，一方面智能电表1测量机床2.1总的用能情况，另一方面功率传感器1.1测量主轴的电功率数据。具体通过安装在各待测机床能量源处的功率传感器1.1采集待测量机床的电功率数据，并进行数据的处理，同时记录下各个轴电机的运行开始时间和运行结束时间，按照公式(1)计算出各个能量源的能耗信息并存储在数据采集器4的本地数据库中，再经过交换机5、光电交换机6(每个区域的光电交换机和主站的光电交换机之间通过光纤7相连)和主交换机8等传输到数据库服务器11，应用服务器10存储各个机床的能耗信息以及能耗分析的结果，上位机9可以实时监测到车间设备的用能情况以供车间管理者实时了解车间设备的用能情况，还可以查看机床的运行情况以供车间调度人员对车间生产进行排产。此外，主交换机8通过路由器12连接到企业主干网络13。

步骤3：针对数控机床2的能耗感知，安装带有RS-485通讯协议的BOERPMW2000智能电表1，冷却泵、润滑与换刀电机安装带RS-232接口、ASCII协议的R-8203，搭建出如图4所示的能耗感知的硬件拓扑。数控机床有别于普通机床，他有自己的数控系统与可编程逻辑控制单元，常见的有西门子840D数控系统、日本富士通FANUC数控系统与华中数控等，本专利以西门子840D数控系统为例。本专利采用一种间接的方法求取机床的能耗数据，步骤如下：

1)智能电表1采集机床总的能量消耗，数据经RJ45网线3传输到数据采集器4上的本地数据库中，再经过交换机5和光电交换机6等传输到数据库服务器11以供管理层实时对车间生产设备的用能情况及时了解。

2)在西门子开发软件OEM(Original Equipment Manufacturer)环境下，用VB与VC编程语言编写程序嵌入到源程序代码中，把所需的机床运行数据和机床配置数据采集上来并保存到数据采集器4的本地数据库中，用来计算机床各个轴消耗的功率。传输数据的简易图如图5所示，人机界面HMI(Human Machine Interface)上有以太网口，用网线将HMI与数据采集器通过交换机组成局域网，以便把采集的数据传输到数据采集器上进而对数据进行操作，这样减少了对机床的操作，对机床也是一种保护。接着把编写好的程序拷贝到HMI下硬盘指定的目录下，采集机床的运行数据和进行NCU(Numerical Control Unit)中变量的访问，通过交换机把数据传输到数据采集器的本地数据库，最后把数据传输到后台数据服务器。

3)能耗的计算和分析，经过上述两步的操作，可以计算出一台机床总的能量消耗和各个进给轴与主轴的能量消耗。此时需要对这些能耗数据进行统计并分析研究，本专利对所述能耗数据进行多维度分析处理以生成多维数据集立方体。由上述两步可以看出采集到的能耗数据来自于不同的能耗设备或者来自于同一能耗设备的不同能量源；另外，采集能耗数据具有一定的时间跨度，如一个小时，一个班组，一周等。因此，对于采集到的数据可以从不同的维度进行分析处理，所谓不同的维度就是从不同的角度进行分析。

在本实例中，所述维度包括时间维度、设备维度以及区域维度。其中，时间维度可以有：年、季度、月、周、日等；所述设备维度按照不同的用途有运输设备，照明设备，通风设备，生产设备等；区域维度分为车间一、车间二、车间三等。根据所确定的不同维度对采集到的数据进行分析处理，分别按照所述时间维度、设备维度与区域维度对所述能耗数据进行统计，并基于三个维度的能耗数据生成多维能耗数据集立方体。如图6所示的是一种多维数据集立方体的结构，图6中，所述多维数据集立方体分为时间维度、设备维度以及区域维度，其中所述时间维度分为一季度、二季度、三季度以及四季度；所述区域维度分为地车间一、车间二、车间三、车间四；所述设备维度分为空调子系统、照明子系统、普通机床子系统、数控机床子系统、运输子系统等。进一步地，根据上述维度分别对能耗数据进行统计，并将统计结果记录在所述多维数据集立方体的单元格内，其中所述统计结果称为度量值。所述多维数据集立方体中的能耗数据存储于关系型数据库中。

需要说明的是，图6所示的多维数据集立方体仅是示意图，其中的维度以及能耗数据的度量值也仅是参考值，并非对本发明技术方案的限定。

此外，基于所述多维数据集立方体中的能耗数据对所述能耗设备进行能耗分析。具体来说，根据生成的所述多维数据集立方体可以从不同的维度或者不同维度的组合来对能耗设备进行能耗分析，通过对能耗数据的比较来观察能耗数据的变化趋势，为节能减排提供合理的参考依据。与现有技术相比，本实施例中利用多维数据集立方体可以从多维度对能耗设备进行能耗分析，从而使得能耗分析更灵活，也提高了能耗分析的效率。

Claims (3)

1.轴承磨床生产车间能耗的感知和分析方法，其特征是，把车间内的能源消耗分为：辅助加工设备能耗、生产设备能耗与运输设备能耗，其中辅助加工设备包括照明、空调与风扇；生产设备包括普通机床和数控机床；运输设备包括行车和平板车；分别进行能耗感知：

a.对辅助加工设备和运输设备，采用功率传感器测量其工作时的功率P_g，并记录下其在各个时间段开始和结束的工作时间T_si、T_ei，按照公式(1)得到能耗的具体值，

$E=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{gi}(T_{ei}-T_{si})---\left(1\right)$

其中，E表示在各个工作时段总的能量消耗，P_gi表示在时段i的功率，T_ei表示时段i的结束时间，T_si表示时段i的开始时间，i表示时段的序列号，n表示工作时段的个数；把这些数据存储在数据库服务器；

b.对普通机床的能耗感知，一方面采用智能电表测量机床总的用能情况，另一方面安装功率传感器测量待测量机床各个进给轴和主轴的电功率数据，同时记录下各个轴电机的运行开始时间和运行结束时间，按照公式(1)计算出各个能量源的能耗信息并进行存储至数据库服务器；

c.对数控机床的能耗感知，步骤如下：

在数控机床的进线端安装智能电表检测机床总的耗电量；

在数控机床开发软件环境下，编写程序嵌入到源操作代码中，把所需的机床运行数据和机床配置数据采集上来并保存到数据采集器的本地数据库中，用来计算机床各个轴消耗的功率；

通过机床人机界面上的Ethernet网口与数据采集器组成局域网，进行数据的实时传输，把采集的数据传输到数据采集器上，再经过交换机、光电交换机和主交换机，最后传输到数据库服务器，进行能耗的计算和分析；

对于能耗数据进行多维度的分析处理生成多维数据集立方体，维度包括：时间维度、设备维度与区域维度；基于生成的多维数据集立方体，对能耗设备进行能耗分析。

2.如权利要求1所述轴承磨床生产车间能耗的感知和分析方法，其特征是，所述设备维度包括：辅助加工设备、生产设备和运输设备，所述区域维度包括：每个车间。

3.如权利要求1所述轴承磨床生产车间能耗的感知和分析方法，其特征是，所述多维数据集立方体中的能耗数据存储于关系型数据库中。