基于生产用能边界优化的节能方法及其评估系统

1.本发明涉及生产制造过程的能耗计量管理领域，特别是一种基于生产用能边界优化的节能方法及其评估系统。


背景技术：

2.节能减排是高质量发展的必由之路，在工业生产中的制造环节往往需要消耗大量的水、电、蒸汽等能源，如何不断提高能源的质量标准和降低单位产品的能耗成为了制造业面临的主要难题之一。当前各行业在节能减排实践探索的过程中，逐渐构建出了适用于本行业的能源管理评价指标体系，但设计的各项指标大多是基于能源计量数据而对能源用量的统计分析，该种方法受限于计量仪器仪表的部署安装和数据采集，对于大型制造业企业而言，其局限性较强，成本较高，且虽能定位用能异常点，但很多情况下难以准确得知造成能源浪费的原因。另外，在生产制造加工环节，产线及设备的用能边界是由产品/过程品加工时间段决定的，而在实际生产中，该边界因受能源调度缺乏协同、生产排程不合理、设备操作不规范、生产人员用能习惯差等问题的影响，过早供能、过早开机、延迟供能、延迟停机的现象非常普遍，造成了大量的无效能耗，而当前的指标和方法无法对这些问题进行直观准确的表达，如何基于合理的、低投入的能管指标发现这些问题，从而采取技术性和管理性手段对生产用能边界进行优化成为了企业的难题之一。当前，亟需一种不依赖能源计量手段即可实施的方法及其配套指标，据此对生产用能边界进行优化。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于生产用能边界优化的节能方法及其评估系统，不依赖能源计量数据，无需额外增加计量器具，实现对于生产用能边界过程指标的计算，减少因无效用能时间过长造成的能源浪费。
4.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于生产用能边界优化的节能方法，包括：在生产过程中，实时采集各项生产用能边界数据，并计算相应的当前指标值t
present
，将当前指标值与能源基准值t
baseline
进行比对，若t
present
≤t
baseline
，则认为本次生产的用能状态良好；若t
present
＞t
baseline
，则认为本次生产用能待优化；
5.所述当前指标值t
present
包括以下指标中的一种或多种：
6.生产开始前动能供应达标提前量t
supply_ahead
：t
supply_ahead
＝t
start-t
ready
；
7.生产完成后停止动能供应滞后量t
cutoff_lag
：t
cutoff_lag
＝t
cutoff-t
stop
；
8.生产开始前用能单元开机提前量t
using_ahead
：t
us
ing_ah
ead
＝t
start-t
poweron
；
9.生产结束后用能单元关机滞后量t
using_lag
：t
using_lag
＝t
poweroff-t
stop
；
10.其中，t
start
为生产设备或制造单元实际开始生产时间；t
ready
为供能系统能源供应达标时间；t
cutoff
为供能系统停止供能时间；t
stop
为生产设备或制造单元实际停止生产时间；t
start
为生产设备或制造单元实际开始生产时间；t
poweron
为生产设备或制造单元开机时间；t
stop
为生产设备或制造单元实际停止生产时间；t
poweroff
为生产设备或制造单元关机时
间。
11.本发明结合工业生产制造用能需求与特点，构建了基于时间量的生产用能边界模型，并据此提出了依靠“生产开始前用能单元开机提前量”、“生产完成后停止动能供应滞后量”、“生产开始前用能单元开机提前量”、“生产结束后用能单元关机滞后量”四项指标实现节能优化的方法，这些指标可不依赖能源计量数据，无需额外增加计量器具，仅以各项生产相关关键时间节点为基础数据，实现了对于生产用能边界过程指标的计算，数据源获取方式简易，指标计算方法简单。通过对这些指标的分析和优化，可帮助工业企业减少因无效用能时间过长而造成的能源浪费，进一步促进企业节能减排工作和能源精细化管理的实现。
12.本发明中，可以采用理论分析法计算生产开始前动能供应达标提前量的能源基准值，即，生产开始前动能供应达标提前量的能源基准值的计算公式为：其中，为增加的达标冗余安全时间。
13.本发明中，还可以采用历史数据法计算生产开始前动能供应达标提前量的能源基准值，生产开始前动能供应达标提前量的能源基准值的计算公式为：其中，为生产开始前动能供应达标提前量t
supply_ahead
的历史数据。
14.同理，对于其余指标对应的能源基准值，本发明也可以采用理论分析法或历史数据法进行分析计算，具体如下：
15.生产完成后停止动能供应滞后量的能源基准值的计算公式为：其中，为设定的能源供停提前时间量。
16.或者，生产完成后停止动能供应滞后量的能源基准值的计算公式为：的计算公式为：为生产完成后停止动能供应滞后量t
cutoff_lag
的历史数据。
17.生产开始前用能单元开机提前量的能源基准值的计算公式为：其中，为增加的开机冗余安全时间；t
warmup
为设备/制造单元的规定预热时间。
18.或者，生产开始前用能单元开机提前量的能源基准值的计算公式为：其中，生产开始前用能单元开机提前量t
using_ahead
的历史数据。
19.生产结束后用能单元关机滞后量的能源基准值的计算公式为：其中，为增加的关机冗余安全时间。
20.或者，生产结束后用能单元关机滞后量的能源基准值的计算公式为：的计算公式为：为生产结束后用能单元关机滞后量t
using_lag
的历史数据。
21.作为一个发明构思，本发明还提供了一种基于生产用能边界优化的节能评估系
统，其特征在于，包括计算机设备，所述计算机设备被配置或编程为用于执行上述方法的步骤。
22.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明结合工业生产制造用能需求与特点，构建了基于时间量的生产用能边界模型，并据此设计了利用“生产开始前用能单元开机提前量”、“生产完成后停止动能供应滞后量”、“生产开始前用能单元开机提前量”、“生产结束后用能单元关机滞后量”四项指标实现节能优化的方案，这些指标可不依赖能源计量数据，无需额外增加计量器具，仅以各项生产相关关键时间节点为基础数据，实现了对于生产用能边界过程指标的计算，数据源获取方式简易，指标计算方法简单。通过对这些指标的分析和优化，可帮助工业企业减少因无效用能时间过长而造成的能源浪费，进一步促进企业节能减排工作和能源精细化管理的实现。本发明的方案解决了现有基于能耗计量的能管指标对非生产性时段用能的发现能力不足的问题，呈现了供能和用能之间的依赖和协同关系，并据此对生产用能边界进行优化，同时本发明指标值可反映生产用能典型边界，促使企业采取有效的管理手段，极大减少非生产用能时间。
附图说明
23.图1为本发明实施例基于时间量的生产用能边界模型；
24.图2为本发明实施例基于生产开始前动能供应达标提前量和生产完成后停止动能供应滞后量的用能边界优化原理图；
25.图3为本发明实施例基于“生产开始前用能单元开机提前量”和“生产结束后用能单元关机滞后量”的用能边界优化原理图；
26.图4为本发明实施例指标计算流程图；
27.图5为本发明实施例方法流程图。
具体实施方式
28.如图1所示，本发明实施例边界模型中，生产用能边界依据设备开关机、生产启停和供能启停等的时间节点值来表示，模型如图1所示。
29.各用能边界的表示及定义如下：
30.t
poweron
—生产设备或制造单元开机时间，绝对时间点，时间变量；
31.t
poweroff
—生产设备或制造单元开机时间，绝对时间点，时间变量；
32.t
warmup
—生产设备或制造单元完成预热并达到生产开始状态，绝对时间点，时间变量；
33.t
start
—生产设备或制造单元实际开始生产时间，绝对时间点，时间变量；
34.t
stop
—生产设备或制造单元实际停止生产时间，绝对时间点，时间变量；
35.t
switchon
—供能系统开启供能时间，绝对时间点，时间变量；
36.t
cutoff
—供能系统停止供能时间，绝对时间点，时间变量；
37.t
ready
—供能系统能源供应达标时间，绝对时间点，时间变量。
38.本发明实施例生产用能边界优化指标设计具体包括：
39.(1)生产开始前动能供应达标提前量
40.生产开始前动能供应达标提前量是指动能供应达标提前于规定要求达标的时间
量，按如下式计算：
41.t
supply_ahead
＝t
start-t
ready
42.式中：
43.t
supply_ahead
—生产开始前动能供应达标提前量，单位为分钟；
44.t
start
—生产设备或制造单元实际开始生产时间，绝对时间点，时间变量；
45.t
ready
—供能系统能源供应达标时间，绝对时间点，时间变量。
46.注：此处指标值计算的边界采用能源达标时间t
ready
而未采用开启供能时间t
switchon
，其原因是按照生产工艺规范及安全性等要求，在生产开始前用于生产的工艺能源供应必须达标，而从开启供能到达标需要一定的时间过程，如蒸汽、空调等二次能源等其达标过程长短t
uptostandard
(t
uptostandard
＝t
ready-t
switchon
)往往与环境因素及供能系统参数相关，在不同的条件下t
uptostandard
的值不一致且可能相差较大，因此应更加关注于能源供应达标时间t
ready
，并据此反推开启供能时间t
switchon
，才使得本指标更具有显示意义和生产实用性。
47.(2)生产完成后停止动能供应滞后量
48.生产完成后停止动能供应滞后量是指动能供应结束滞后于用能结束时间量，按下式计算：
49.t
cutoff_lag
＝t
cutoff-t
stop
50.式中：
51.t
cutoff_lag
—生产完成后停止动能供应滞后量，单位为分钟；
52.t
cutoff
—供能系统停止供能时间，绝对时间点，时间变量；
53.t
stop
—生产设备或制造单元实际停止生产时间，绝对时间点，时间变量。
54.(3)生产开始前用能单元开机提前量
55.生产开始前用能单元开机提前量是指生产设备或制造单元开机到实际开始生产时间间隔，按下式计算：
56.t
using_ahead
＝t
start-t
poweron
57.式中：
58.t
using_ahead
—生产开始前用能单元开机提前量，单位为分钟；
59.t
start
—生产设备或制造单元实际开始生产时间，绝对时间点，时间变量；
60.t
poweron
—生产设备或制造单元开机时间，绝对时间点，时间变量。
61.注：此处指标值计算的边界采用设备开机时间t
poweron
而未采用设备预热完成时间t
warmup
，其原因是：一方面，通常情况下生产设备的预热过程时间t
warmup
(t
warmup
＝t
warmup-t
poweron
)较为固定，该值一般在生产规程或者设备操作手册中有明确的要求和规定；另一方面，预热完成时间t
warmup
数据系统往往难以采集到，而设备开机时间t
poweron
数据较为容易获取。因此，从生产实用性和系统落地两个角度来考虑而设计了本指标。
62.(4)生产结束后用能单元关机滞后量
63.生产结束后用能单元关机滞后量是指生产设备或制造单元结束生产到关机时间间隔，按如下式计算：
64.t
using_lag
＝t
poweroff-t
stop
65.式中：
66.t
using_lag
—生产结束后用能单元关机滞后量，单位为分钟；
67.t
stop
—生产设备或制造单元实际停止生产时间，绝对时间点，时间变量；
68.t
poweroff
—生产设备或制造单元关机时间，绝对时间点，时间变量；
69.以下对基于上述实施例中提及的模型和指标的生产用能边界优化方法过程进行说明。
70.(1)生产开始前动能供应达标提前量
71.该指标反映了供能系统是否过早开机或过早能源供应，也能反映出动能供应的及时到位率(若为正则及时到位，若为负则供应不及时)。供应提前量指标一方面反映了动能调度和操作人员对于供能系统的熟悉程度，是否能够根据系统特点和环境因素进行精准供应，以减少过早开机等待时间过长造成的能源浪费，另一方面也能够用于精准开机的分析，作为一个关键优化目标用于各种分析模型之中。
72.该指标可用于如下的业务场景：
①
节能：辅助调度和操作人员不断缩减从动能达标到实际开始生产的提前量，以此制定精准的开机计划和执行开机动作；
②
预测：用于供能系统开机提前量预测分析，既可以作为建模的输入量也可作为验证的指标项；
③
评价：对动能人员的经验能力进行评价，具有更丰富经验和更强责任心的人员将可能产生较低的指标值。
73.(2)生产完成后停止动能供应滞后量
74.该指标反映了供能系统是否过晚关闭能源供应。与生产开始前动能供应达标提前量相似，该指标也是系统操作时间点对于能源浪费的评价指标，只是本指标关注是否能够及时关机，避免生产已经结束而动能却还在一直供应而造成的浪费。
75.该指标可用于如下的业务场景：
①
节能：辅助调度和操作人员不断缩减用能单元停止用能时间和供能系统停止供能时间的时间差值；
②
协同：供能系统和用能单元之间应实现协同，生产现场的信息(例如结束生产等)应该及时传递给动能车间，并能够及时提醒其尽快关机；
③
余能：当未来能够精准获知到生产将要停止的时间，则部分供能系统(如空调和锅炉等)可以提前关机，利用余能进行供应；
④
考核：作为一个考核指标，督促供能系统操作人员尽早关机，至少要在获知生产结束的第一时间执行关机动作。
76.(3)生产开始前用能单元开机提前量
77.该指标反映了反映生产操作人员是否过早提前开机。在实际开始生产(投料加工)之前，制造单元或生产设备都会先于生产提前开机，其目的是为了设备预热、物料准备等，但若该提前开机的时间量过早，设备一直在等待投料加工，则这段时间会造成能源的浪费，最经济和节能的方法是一旦完成了预热和准备就马上开始生产，因此设计了该指标，用于统计从开机到正式生产之间的时间间隔。该指标不仅能够辅助生产管理者从能耗的角度摸索出最佳开机时间，同时也能够对一线操作人员的用能(开机)习惯进行评估。
78.该指标可用于如下的业务场景：
①
预热分析：最佳开机预热时间分析；
②
用能习惯分析：生产设备用能习惯(开机)分析，督促一线操作人员避免过早开机。
79.(4)生产结束后用能单元关机滞后量
80.该指标反映了生产设备操作人员是否生产结束后过晚关机。与生产完成后停止动能供应滞后量不同的是，虽然两个指标都与结束相关，但生产设备关机一般是不能够提前的(动能设备可利用余能而提前结束供应)，生产设备只需要完成生产后及时关闭即可，该
指标一方面反映了生产协同的状况，另一方面从节能角度主要反映了生产设备操作人员的良好用能习惯。
81.该指标可用于如下的业务场景：
①
协同：生产完成组织协同一致性；
②
用能习惯分析：生产设备用能习惯(关机)分析，督促一线操作人员生产完成后及时关机。
82.本发明所涉及的各项指标其数据源可来自于企业的各类生产系统，从生产监控系统、设备控制系统等之中提取相关用能边界时间点，其数据需求如下表所示。
83.表1数据源的定义与获取
[0084][0085][0086]
本发明设计的四种生产用能边界优化指标的计算方法及流程如图4所示。首先，从相关系统之中获取到用能边界时间点的时间戳；其次，将这些时间戳以中国标准时间(gmt 08:00)1970年1月1日00:00:00为起始解析为相对时间长度量；再次，按照指标计算公式对相关时间量进行差值计算；最后，将差值结果转换为以时、分、秒为单位的绝对时间长度量，此即本次测算的指标结果值。
[0087]
本发明中的四项生产用能边界优化指标，按照《gb/t36713-2018能源管理体系能源基准和能源绩效参数》的规定和要求，可作为能源绩效参数用以量化生产过程中的能源绩效，通过组织能源评审获得与能源绩效相关的信息，对能源绩效参数进行测量或计算，从
而建立能源基准。
[0088]
注：
[0089]
能源绩效是与能源效率、能源使用和能源消耗有关的、可测量的结果(gb/t36713-2018能源管理体系能源基准和能源绩效参数)。
[0090]
能源绩效参数是由组织确定，可量化能源绩效的数值或量度(gb/t36713-2018能源管理体系能源基准和能源绩效参数)。
[0091]
能源基准是用于比较能源绩效的定量参考依据(gb/t36713-2018能源管理体系能源基准和能源绩效参数)。
[0092]
能源基准可反映用能对象某特定时间段的能源利用水平，可依据一定边界条件和生产、设备正常状态下一定时期的能源绩效参数值来确定，可以是历史某一段时间的平均值或累计值，也可以是历史某一时间点的最佳值。典型的能源基准制定方法包括：理论分析法和历史数据法。理论分析法是通过对生产工艺、设备、人员等相关因素的综合分析和计算，从而得出能源基准值的方法；历史数据法是通过对能源绩效参数的历史数据值的分析，从而得出能源基准值的方法。
[0093]
(1)生产开始前动能供应达标提前量的能源基准值制定
[0094]
①
理论分析法
[0095]
在动能供应时，其最优的策略是开始实际生产的时刻动能刚好达标，此时生产设备或制造单元实际开始生产时间t
start
应和供能系统能源供应达标时间t
ready
相等
[0096]
t
start
＝t
ready
[0097]
即t
supply_ahead
的理论最优值
[0098]
考虑到安全性因素，动能达标一般需要提前于生产开始时间，因此可在基准值制定时人为增加达标冗余时间量则
[0099][0100]
其中，为人为增加的达标冗余安全时间。以锅炉系统蒸汽供应为例，为蒸汽供应的及时性和安全性，一般规定锅炉系统应至少提前于生产开始前30min蒸汽达标，则据此可设定
[0101]
②
历史数据法
[0102]
应提取t
supply_ahead
的历史数据并进行分析(并进行分析(分别为第1～n个历史时刻的生产开始前动能供应达标提前量的指标值)，可选取其中的最小值作为其能源基准值。
[0103][0104]
(2)生产完成后停止动能供应滞后量的能源基准值制定
[0105]
①
理论分析法
[0106]
一般情况下，当生产结束后应立刻停止能源供应，此时供能系统停止供能时间
t
cutoff
应和生产设备或制造单元实际停止生产时间t
stop
相等
[0107]
t
cutoff
＝t
stop
[0108]
即t
cutoff_lag
的理论最优值
[0109]
很多种情况下当停止能源供应后，能源供应并不是马上切断或者立即下降到达标值以下，由于余能的存在其关闭过程往往具有一定的延迟时间，以蒸汽和真空为例，当关闭管道阀门后，供能下降是一个缓变过程，仍会有一段时间能源达标。考虑到余能的充分利用，因此供能系统停止供能时间t
cutoff
是可以早于制造单元实际停止生产时间t
stop
，因此可在基准值制定时人为设置一个能源供停提前时间量(负值)，则
[0110][0111]
其中，为人为设置的能源供停提前时间量。以空调供应为例，按照经验或历史数据，在某季节的一定环境条件下，某车间的空调系统在关闭后至少仍可以保证在20min之内温湿度达标，则据此可设定即空调系统可提前于生产结束20min前停供，所剩余能仍可保证直到生产结束的需要。
[0112]
注：在数值的制定时应特别注意生产状态和环境因素等的匹配性，另外建议取值应采取较为保守的策略，以避免过早结束供能造成余能不足而影响尾料生产。
[0113]
②
历史数据法
[0114]
可提取t
cutoff_lag
的历史数据并进行分析，选取其中的最小值作为其能源基准值。
[0115][0116]
(3)生产开始前用能单元开机提前量的能源基准值制定
[0117]
①
理论分析法
[0118]
针对某台特定的设备或者制造单元，通过查询生产规程或者设备操作手册等方式获得该设备/制造单元的规定预热时间t
warmup
，则理论上最佳的开机提前量为
[0119][0120]
即刚好设备预热完成就开始生产。
[0121]
考虑到安全性等因素时，在能源基准值制定时往往会对其适当放宽，则t
using_ahead
的能源基准值可表示为
[0122][0123]
其中，为人为增加的开机冗余安全时间。以某生产设备为例，在正常条件下其设备开启预热时间t
warmup
≤10min，但考虑到极端环境条件或突发性事件的发生，为保证生产的安全性，管理上规定需增加开机冗余安全时间则能源基准值应设置为
[0124]
②
历史数据法
[0125]
针对某台特定的设备或者制造单元，应提取t
using_ahead
的历史数据并进行分析，可选取其中的最小值作为其能源基准值。
[0126][0127]
(4)生产结束后用能单元关机滞后量的能源基准值制定
[0128]
①
理论分析法
[0129]
一般情况下，当生产结束后生成设备或制造单元(用能单元)应该立刻关机，以避免用能浪费和机器额外损耗，此时生产设备或制造单元关机时间t
poweroff
应和生产设备或制造单元实际停止生产时间t
stop
相等
[0130]
t
poweroff
＝t
stop
[0131]
即t
using_lag
的理论最优值
[0132]
考虑到生产设备关机往往并非由系统自动控制的，而大多是由生产人员手动操作关机，因此不可避免会出现一定的滞后，因此可在基准值制定时人为增加关机冗余时间量则
[0133][0134]
其中，为人为增加的关机冗余安全时间。以某一条产线某一个工艺环节的机台设备为例，当mes系统告知生产班组此加工环节已经生产完毕后，由于生产操作人员还需步行5min至机台处才能执行关机操作，因此从生产完毕到设备关机仍需增加关机冗余安全时间且为操作人员留出一定的时间执行关机操作前的动作。
[0135]
②
历史数据法
[0136]
针对某台特定的设备或者制造单元，应提取t
using_lag
的历史数据并进行分析，可选取其中的最小值作为其能源基准值。
[0137][0138]
本发明实施例生产用能边界优化流程图如图5所示。
[0139]
在生产过程中，实时采集各项生产用能边界数据并计算相应的当前指标值t
present
，将当前指标值与能源基准值t
baseline
进行比对，若t
present
≤t
baseline
则认为本次生产的用能状态为良好，后续生产维持本次生产的供能和用能的规则和方法；若t
present
＞t
baseline
则认为本次生产用能具有优化空间，应采取相应的节能措施(包括管理改进)，在下一次生产中继续对这些节能措施的效果予以验证。
[0140]
其中，本实施例中的上述当前指标值是指生产开始前动能供应达标提前量t
supply_ahead
；生产完成后停止动能供应滞后量t
cutoff_lag
；生产开始前用能单元开机提前量t
using_ahead
；生产结束后用能单元关机滞后量t
using_lag
。
[0141]
本实施例中的上述能源基准值包括生产开始前动能供应达标提前量的能源基准值生产完成后停止动能供应滞后量的能源基准值生产开始前用能单元
开机提前量的能源基准值和生产结束后用能单元关机滞后量的能源基准值
[0142]
基于“生产开始前动能供应达标提前量”和“生产完成后停止动能供应滞后量”的用能边界优化可采取如下的节能优化措施：加强动能供应与实际生产的协同性，在制定能源供应调度计划时，在确保能源及时充足供应的基础上，尽量确保动能供应达标时间尽量接近于实际开始生产时间，且尽量生产结束后即立刻停止动能供应。
[0143]
基于“生产开始前用能单元开机提前量”和“生产结束后用能单元关机滞后量”的用能边界优化可采取如下的节能优化措施：制定相应的生产规范，明确规定设备开启/关闭的时间提前/滞后量，并监督一线生产人员严格按照此规范进行生产操作，以此改善其用能操作习惯。
[0144]
本发明另一实施例还提供了一种基于生产用能边界优化的节能评估系统，其包括计算机设备，该计算机设备被配置或编程为用于执行上述实施例方法的步骤。
[0145]
本发明实施例中的计算机设备，可以是上位机等计算机设备。