流程生产能效管控系统 设计要求

ICS

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中华人民共和国国家标准

GB/TXXXXX—XXXX

`

流程生产能效管控系统设计规范

Energyefficiencymanagementandcontrolsysteminprocessproduction—Design

specifications

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（工作组讨论稿）

（本草案完成时间：2021-01-27）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

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前言

本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定

起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由中国机械工业联合会提出。

本文件由全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC124）归口。

本文件起草单位：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、陕煤集团榆林化学有限责任公司、石化

盈科信息技术有限责任公司、中机生产力促进中心、重庆大学。

本文件主要起草人：牛鹏飞、岳磊、闫晓风。

II

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流程生产能效管控系统设计规范

1范围

本文件界定了流程生产能效管控系统在企业功能层级中的定位，规定了流程生产企业能效管控系统

的系统架构、网络架构、功能分类和信息流；给出了能效管控系统功能的设计规范。

本文件适用于冶金、石化等流程生产企业能效管控系统的设计。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T20720.1—2006企业控制系统集成第1部分：模型和术语

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

能源energy

电、燃料、蒸汽、热力、压缩空气以及其他类似介质。

注1：在本文件中，能源包括可再生能源在内的各种形式，可被购买、贮存、处置，在设备或过程中使用以及被回

收利用。

注2：能源可被定义为一个系统产生外部活动或开展工作的动力。

[来源：GB/T23331—2012,3.5]

3.2

能耗energyconsumption

使用的能源量。

[来源：GB/T23331—2012,3.7]

3.3

节能energysaving

实施能效提升行动后，能耗的减少。

3.4

能效energyefficiency

输出的能源、产品、服务或绩效与输入的能源之比或其他数量关系。如：转换效率，能源需求/能

源实际使用，输出/输入，理论运行的能源量/实际运行的能源量。

1

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注：输入和输出都需要在数量及质量上进行详细说明，并且能够测量。

[来源：GB/T23331—2012,3.8]

3.5

能效指标energyefficiencyindicator

能效的指示值。

3.6

能源管理energymanagement

指导和控制实体的能源使用的协调活动。

4缩略语

下列缩略语适用于本文件。

KPI：关键性能指标（KeyPerformanceIndicator）

DCS：集散控制系统（DistributedControlSystem）

MES：制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem）

MOM：制造运行管理（ManufacturingOperationsManagement）

SCADA：数据采集与监视控制系统（SupervisoryControlAndDataAcquisition）

OPCUA：OPC统一架构（OPCUnifiedArchitecture）

5系统架构

5.1能效管控系统定位

流程生产能效管控系统与MOM/MES、ERP系统、智能电网网关进行信息交互，流程生产能效管控系统

在GB/T20720.1第5.2.1条所定义的企业功能层级中的定位见图1所示。

流程生产能效管控系统可能是独立的信息系统，也可能是MOM/MES中的一个功能模块。

图1能效管控系统在企业功能层级中的定位

5.2系统总体架构

流程生产能效管控系统总体架构划分为五层，包括设备感知层、网络传输层、企业平台层、业务应

用层、终端用户层。系统架构见图2所示。

2

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图2系统总体架构

各层级功能描述如下：

——设备感知层，由用能企业的水、电、气等能源计量仪表、检测装置、设备等组成。实现能源

设备的自动识别与感知、能源数据的自动采集与存储，为上层能源管理系统提供原始数据；

——网络传输层，通过有线、无线的公用网络或专用网络，将设备感知层采集的能源信息传输到

企业平台层；

——企业平台层，向下为设备感知层提供数据采集与存储管理的服务；向上为业务应用层提供业

务分析与处理的基础支撑平台；

——业务应用层，是能源业务管理层，实现能源数据的采集、能源数据的分析及能效优化；

——终端用户层，通过PC终端、移动终端、监控中心大屏幕等方式访问、监控和操作能源管理

系统的业务功能。

6网络设计

流程生产能效管控系统网络拓扑包括数据库服务器、应用服务器、防火墙、采集网关等组成单元，

各组成单元的拓扑结构如图3所示。

3

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图3系统网络拓扑

服务器宜采用本地化部署或云端虚拟化部署，其中：

——工业控制网把企业的水表、电表、汽表、热表、检测仪表等智能仪表通过采集网关实现企业

能源数据的采集。

——工业以太网把采集网关采集的能源数据向上传输给企业能源网，并通过工业隔离网关进行安

全隔离，确保工业控制网络的安全性。

——企业能源网对能源信息进行采集、存储、处理、分析、展示，由现场I/O服务器和实时数据

库、关系数据库、能源服务器、Web服务器等组成。

7功能分类与信息流

7.1功能分类

流程生产能效管控系统功能一般分为计划、执行、分析、优化四类，功能分类如图3所示。

4

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图4功能分类

其中各分类中包括的功能如下：

——计划，包括能源计划、能耗预测；

——执行，包括数据采集、能源监控、能源报警；

——分析，包括能源实绩、统计分析、能效对标；

——优化，包括优化调度。

7.2信息流

流程生产能效系统各功能间数据流见图5。

5

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MES

运行状态及进

传感器数据控制器数据

度信息

能源监控

能源计划数据采集

能耗预测

优

化能源报警

方能

案源

原

始

数

据

统计分析

能源实绩数据

能源实绩能

优化调度效

指

标

能效对标

图5信息流图

流程生产能效管控系统各功能间信息流的输入数据和输出数据，见表1。

表1流程生产能效管控系统各功能间的信息流

功能功能的输入数据功能的输出数据

传感器数据、能耗及相关数据、运行状态及进度

数据采集能源原始数据

信息

能源监控能源原始数据设置参数

能源报警能源原始数据无

能源计划生产计划、预测结果用能计划

能耗预测能源实绩数据、能效指标能耗预测结果

能源实绩能源原始数据、生产信息能源实绩数据

统计分析能源实绩数据能效指标

能效对标能源实绩数据、能效指标对标结果

优化调度能源实绩数据、对标结果优化方案、设置参数

8能效模型需考虑的因素

8.1能源预测模型需考虑的因素

能源预测需考虑供应侧和需求侧等多方面的因素：

——能源供应侧的供应量；

——能源价格；

——生产计划；

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——历史消耗数据；

——环境要求；

——安全要求。

8.2能源优化调度模型需考虑的因素

能源优化需考虑供应侧和需求侧等多方面的因素：

——能源价格；

——生产时间；

——生产计划；

——生产率；

——质量；

——交付；

——生产成本；

——利润；

——环境要求；

——安全要求。

9功能设计

9.1计划

9.1.1能源计划

基于企业能源网络模型及能源控制模型，计算能源供需平衡关系，在确定年度用能目标基础上，制

定能源年度需求计划，实现能源计划从制定、审核、审批、到下达的全过程管理。主要功能包括：

——根据企业能源预测模型，计算能源的供需平衡关系，在确定年度用能目标的基础上，编制能

源年度需求计划，并制定能源消耗计划和外购计划；

——根据年度用能计划，逐级分解形成季度、月度和日用能计划；

——根据企业的实际生产及需求情况，将能源定额细化到各生产工序及生产设备。

9.1.2能耗预测

根据企业生产计划和实际能耗趋势变化，通过能耗模型自动分析并预测将来某段时间内各项能源的

消耗量。主要功能包括：

——预测某段时间内重点能耗设备的能耗；

——预测某段时间内工厂、车间、产线的能耗；

——预测某段时间内生产某种产品的能耗。

9.2执行

9.2.1数据采集

采用数据采集网关设备，实现企业智能仪表、DCS、PLC、SCADA等能源数据的采集，能源介质涵盖：

水、电、蒸汽、燃气、热力，以及煤、石油、可再生能源等，支持OPC接口、多种工业通信协议等。

电量数据采集的范围包括照明用电、空调用电、动力用电和特殊用电，并考虑如下因素：

——采集参数包括三相电流、电压、有功功率、功率因数、有功电能、最大需量、总谐波含量；

——通讯接口宜具有数据远传功能，具有符合行业标准的物理接口；

——通信协议宜采用ModBus协议或相关行业标准协议。

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非电量数据采集的范围包括水、蒸汽、燃气、石油、煤炭等，并考虑如下因素：

——采集参数包括温度、压力、流量、重量等；

——测量仪表包括温湿度仪、压力表、流量计、地磅等；

——通信接口宜具有数据远传功能，具有符合行业标准的物理接口；

——通信协议宜采用ModBus协议或相关行业标准协议。

9.2.2能源监控

系统对企业生产经营活动中涉及到的水、电、汽、燃气、热力、煤炭等各种能源的消耗进行集中监

控与管理。主要功能包括：

——能源流程图监控画面，实时监控能源运行状态，包括电力系统、燃气管网、水系统、热力系

统、冷风系统、压缩气体系统等；

——实时监控重点能耗设备的运行状态、运行参数、能效参数等；

——宜通过动画等方式，实时监控企业各区域能耗情况；

——对企业的废气、废水等污染物排放情况进行监控。

9.2.3能源报警

监测企业生产过程及重点设备的能耗情况，并对能耗异常或超标进行报警。主要包括：

——能耗超标报警，根据企业的用能需求，分时段设置不同的报警策略，当能耗异常时，系统自

动报警；

——设备用能超负荷报警，对于高能耗设备，宜根据用能高峰低谷，以及设备运行时段的要求，

设置不同的报警策略，对于超负荷进行自动报警。

9.3分析

9.3.1能源实绩

针对企业用能单元的实际能耗情况进行数据采集、汇总。主要功能包括：

——根据各能源介质的原始计量数据，按照计量规则得出能耗每小时、每日结算数据；

——根据能耗日结数据，计算出每周、每月的能耗值和年度能耗值；

——设置能源消耗的上限值、准入值，与能耗实绩数据进行对比分析。

9.3.2统计分析

针对企业的基础能源数据进行汇总、统计，进行同比、环比及趋势变化分析，计划与实绩的对比等，

为能源管理与决策提供数据支撑。主要功能包括：

——按照任意时间段，对企业的能耗数据进行统计分析，主要包括：能耗趋势变化分析、能耗成

本分析、企业能效分析、设备能耗分析、环境质量分析等；

——生成各类统计分析报表，能够生成各种统计图表，包括：饼图、柱状图、曲线图等；

——实现计划与实绩的对比分析，跟踪能源计划的执行情况。

9.3.3能效对标

基于大数据平台，汇总企业、国家及行业标杆企业能耗及能效指标数据，进行统计及对标分析，找

出企业生产工艺、设备运行中的高能耗或能耗异常、不合理的环节，以及能源管理的薄弱点，发现节能

机会，制定相应的节能改造目标，进行设备及工艺的改造、管理流程的调整。主要功能包括：

——针对同一企业进行不同时段的对标；

——建立设备级、过程级和系统级不同粒度的能效指标体系。

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——与同业标杆企业的对标，掌握企业能耗与先进水平的差距，为企业优化工艺、改造设备提供

参考建议；

——对具体的节能量进行计算、评估，主要包括：节水量、节电量、节约蒸汽量、节约燃料等；

——通过国家能耗限额对标、行业对标、生产工艺历史对标等，对节能潜力进行分析、论证。

9.4优化

9.4.1优化调度

能效优化调度需要从以下几个方面考虑：

——建立模型库，结合机理分析和数据拟合建立典型设备、生产过程的能耗模型，能源负荷预测

模型，能源控制模型等。

——建立能源动态调控优化调度策略、能耗异常决策等节能调优控制策略。

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目次

前言...........................................................................II

1范围................................................................................1

2规范性引用文件......................................................................1

3术语和定义..........................................................................1

4缩略语..............................................................................2

5系统架构............................................................................2

5.1能效管控系统定位................................................................2

5.2系统总体架构....................................................................2

6网络设计............................................................................3

7功能分类与信息流....................................................................4

7.1功能分类........................................................................4

7.2信息流..........................................................................5

8能效模型需考虑的因素................................................................6

8.1能源预测模型需考虑的因素........................................................6

8.2能源优化调度模型需考虑的因素....................................................7

9功能设计............................................................................7

9.1计划............................................................................7

9.2执行............................................................................7

9.3分析............................................................................8

9.4优化............................................................................9

图1能效管控系统在企业功能层级中的定位...............................................2

图2系统总体架构.....................................................................3

图3系统网络拓扑.....................................................................4

图4功能分类.........................................................................5

表1流程生产能效管控系统各功能间的信息流.............................................6

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流程生产能效管控系统设计规范

1范围

本文件界定了流程生产能效管控系统在企业功能层级中的定位，规定了流程生产企业能效管控系统

的系统架构、网络架构、功能分类和信息流；给出了能效管控系统功能的设计规范。

本文件适用于冶金、石化等流程生产企业能效管控系统的设计。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T20720.1—2006企业控制系统集成第1部分：模型和术语

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

能源energy

电、燃料、蒸汽、热力、压缩空气以及其他类似介质。

注1：在本文件中，能源包括可再生能源在内的各种形式，可被购买、贮存、处置，在设备或过程中使用以及被回

收利用。

注2：能源可被定义为一个系统产生外部活动或开展工作的动力。

[来源：GB/T23331—2012,3.5]

3.2

能耗energyconsumption

使用的能源量。

[来源：GB/T23331—2012,3.7]

3.3

节能energysaving

实施能效提升行动后，能耗的减少。

3.4

能效energyefficiency

输出的能源、产品、服务或绩效与输入的能源之比或其他数量关系。如：转换效率，能源需求/能

源实际使用，输出/输入，理论运行的能源量/实际运行的能源量。

1

GB/TXXXXX—XXXX

注：输入和输出都需要在数量及质量上进行详细说明，并且能够测量。

[来源：GB/T23331—2012,3.8]

3.5

能效指标energyefficiencyindicator

能效的指示值。

3.6

能源管理energymanagement

指导和控制实体的能源使用的协调活动。

4缩略语

下列缩略语适用于本文件。

KPI：关键性能指标（KeyPerformanceIndicator）

DCS：集散控制系统（DistributedControlSystem）

MES：制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem）

MOM：制造运行管理（ManufacturingOperationsManagement）

SCADA：数据采集与监视控制系统（SupervisoryControlAndDataAcquisition）

OPCUA：OPC统一架构（OPCUnifiedArchitecture）

5系统架构

5.1能效管控系统定位

流程生产能效管控系统与MOM/MES、ERP系统、智能电网网关进行信息交互，流程生产能效管控系统

在GB/T20720.1第5.2.1条所定义的企业功能层级中的定位见图1所示。

流程生产能效管控系统可能是独立的信息系统，也可能是MOM/MES中的一个功能模块。

图1能效管控系统在企业功能层级中的定位

5.2系统总体架构

流程生产能效管控系统总体架构划分为五层，包括设备感知层、网络传输层、企业平台层、业务应

用层、终端用户层。系统架构见图2所示。

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