🚀前言

随着全球对食品安全和可持续发展的关注日益增强，乳制品行业面临着诸多挑战，包括生产效率的提升、能源消耗的降低以及环境影响的最小化。数字孪生技术的引入，为乳制品生产工厂提供了新的解决方案，使得企业能够在实现高效生产的同时，确保资源的可持续利用。

本期文章将围绕“数字孪生构建乳制品生产工厂可视化能源监测体系”的案例展开，深入探讨这一技术如何在乳制品生产中发挥重要作用。通过构建虚拟模型与实际生产过程的实时数据连接，我们将展示如何实现对能源使用的全面监控与优化，进而提高生产效率、降低运营成本，并推动企业向绿色生产转型。

🚀一、案例：数字孪生构建乳制品生产工厂可视化能源监测体系

🔎1.行业现状

乳制品作为日常生活中必不可少的食物，其生产是中国食品工业的重要组成部分。虽然乳制品行业并非传统意义上的高碳排放行业，但从牧场原奶到成品奶的生产过程仍然涉及大量能源消耗。生产流程复杂且精细，涵盖了电、蒸汽、压缩空气、制冷、加热等多种能源消耗形式。不同类型的乳品生产、不同生产环节的能源消耗差异较大，且各环节的能耗设备也各不相同，因此能耗检测系统的配置也有差异。

根据一些数据与研究，乳制品行业的能耗情况大致如下：

• 电力消耗：乳制品加工企业中的电力消耗占总能耗的40%左右。主要电能消耗来自电机设备（如搅拌器、泵等），以及冷却设备和空调设备等。

• 燃气消耗：燃气消耗占总能耗的约20%，主要用于提供蒸汽、加热水和烘干等工艺需求。

• 水消耗：水消耗在乳制品加工企业中占总能耗的15%~20%，主要用于设备清洗、消毒和牛奶注入酸化等工艺。

• 其他能耗：如照明、通风、压缩空气等其他能源消耗占总能耗的10%左右。

为了有效控制乳制品行业的能耗，企业需要采取一系列措施，如提高能源利用效率、开发新型能源、推广节能技术、优化设备结构和运行效率、改善生产工艺、提高生产率、减少能源消耗，并建立完善的能耗检测系统。只有通过这些手段，才能促进乳制品行业的可持续发展。

🔎2.行业背景

为了提升能源利用效率，推动节能减排，降低生产成本并增强市场竞争力，政府针对乳制品生产企业提出了多项能耗管理要求和标准：

• 能效限制标准：国家对乳制品生产企业实施能效限制标准，严格管控和限制企业能源消耗，以促进节能与环保工作。

• 能耗计量与监控：政府要求乳制品生产企业配备完善的能源计量和监控系统，定期进行能耗数据监测与分析，及时发现和处理能源浪费或排放问题。

• 能源管理体系建设：企业需建立完善的能源管理体系，结合管理和技术手段实施能耗管控，优化能源使用，降低能耗成本。

• 技术支持与应用：政府通过技术支持与示范，鼓励企业应用新技术、新设备和新工艺，提升能源利用效率。

• 加强监管与考核：政府加强对乳制品生产企业的监管与考核，严格监督企业的能耗状况，并对不达标的企业实施处罚。

🔎3.国家规定

国家对乳制品生产企业的能耗管控有着严格的规定，企业需要严格遵守相关法律法规，强化技术改进与管理创新，以降低生产成本并提高经济效益。具体的法规与标准包括：

1. 《中华人民共和国节约能源法》：该法要求企业制定能源管理规定，实施严格的能源规划和措施，强化能源监测与评估，以节约能源、减少消耗和排放。企业需遵守国家节能政策，落实能源管理制度，履行节能责任。

2. 《国家工业和信息化领域节能技术装备推荐目录（2022年版）》：该目录列出了多种节能技术和设备，鼓励乳制品生产企业采用高效节能设备，提升能源利用效率，降低能源消耗。

3. 《能源管理体系要求》（GB/T 23331-2012）：该标准帮助企业建立和实施能源管理体系，通过改进能源绩效来降低能源消耗并减少碳排放。标准包括能源绩效指标、能源审计、目标和计划、绩效评估等内容。

4. 《工业节能管理办法》：该办法明确工业和信息化部需推广适用的节能技术和高效节能设备，同时加快节能技术、工艺和设备的应用。办法还强调加强能源需求侧管理，推进工业企业节能技术进步。

这些规定和措施的实施，旨在促进乳制品行业的节能减排，提升行业整体能源利用效率，推动绿色生产与可持续发展。

🔎4.项目说明

随着现代化工业企业的发展，能源计量、实时展示和检测已经成为生产过程中不可或缺的一部分。为了响应国家节能降耗和精细化能源管理的号召，某乳制品行业领军企业（见图5-20）构建了一个先进的工厂能源计量管理系统，旨在提供全面的技术支撑。该系统能够实时监控能源消耗，及时反馈消耗数据，从而有效控制能源使用，达到节能降耗的目标。此外，它还实现了能源消耗的精细化管理，并提供实时分析，帮助企业提升效率和生产率。通过这一系统，企业不仅能够响应国家的节能号召，提升节能水平，还能够增强其在国内乃至国际乳制品行业的竞争力。

系统的具体功能：

1. 节能计划制定：该系统可帮助企业制订详细的节能计划，方便地将能源消费任务分解到各个生产车间，实时了解整个系统的能源和物料消耗情况，从而最大化能源和物料的利用效率。

2. 能耗数据实时展示与监控：通过软硬件系统展示能耗数据，实施实时能源监控，确保数据的及时反馈和处理。

3. 能耗数据存储与管理：系统采集的能耗数据可以进行存储和管理，形成详尽的能源统计报告，便于后续分析和优化。

4. 数据对比分析：系统能对实际能耗数据和历史能耗数据进行对比，分析趋势，帮助企业发现潜在节能机会。

5. 设备数字化管理：重点能耗设备和能源计量设备可通过该系统进行数字化、规范化管理，确保设备高效运行。

该乳制品生产基地的能源计量管理系统基于HART协议采集现场仪表数据，能够集中管理车间、班组及大型耗能设备的热、水、气、电、汽、风等能源的使用情况。

🔎5.项目需求

🦋5.1 能源监控需求

为了确保生产工艺的顺利进行，能源系统作为生产辅助系统，存在明显的超标运行和过度供能现象，约20%的能源被浪费。当前，能源监控存在不足，导致能源浪费的原因之一是缺乏一个统一的能源监控平台。不同能源的使用数据未能整合，使得管理人员无法及时获取全面的能源消耗信息。例如，水、压缩空气、电、冷、热等多种能源数据缺乏集中监控平台，导致设备的运行和维护缺乏精准的数据支持。这样的信息滞后，容易错失节能优化的机会。为此，需要建立一个综合的监控系统，及时呈现各类能源消耗数据，帮助管理人员做出有效的决策和优化措施。

🦋5.2 各类能源设备和系统联动需求

当前，企业中的能源设备往往独立运行，缺乏协同和交互的能力。每个设备按照自身的设定参数和运行模式工作，但这导致多个设备可能会同时供能，或某些设备过度供能，从而产生能源浪费。在具体的生产过程中，需要建立基于生产需求的联动机制，使不同的能源设备能够互相配合和调节，以实现优化的能源利用效率。

例如，当生产需求减少时，联动机制可以感知到这一变化，并自动调节锅炉的供能、制冷系统的制冷量、空压系统的运行压力等，从而减少能源消耗。而当生产需求增加时，联动机制可以迅速调整设备供能和运行参数，以确保生产需求得到满足。

为了实现这一联动机制，企业需要引入先进的智能控制系统和监测设备。这些系统能实现能源设备之间的信息交互和协调，基于实时的生产需求和能耗情况自动调度和优化能源使用，从而降低能源浪费，提升能源使用效率。

🔎6.功能设计

数字孪生工厂监管体系及系统功能规划设计如图5-21所示，以下是各个子系统的详细功能设计：

🦋6.1 锅炉数字孪生检测系统

该系统需要对锅炉房间及相关物理设备进行建模，包括以下元素：

• 锅炉房房屋建模
• 锅炉体建模
• 锅炉其他元素建模（详细情况见表5-1）

为实现锅炉数字孪生检测，需要采集并展示以下数据：

• 分气缸流量数据
• 分气缸压力数据
• 蒸汽流量数据
• 蒸汽压力数据
• 给水流量数据
• 符合反馈百分比数据
• 锅炉水位数据
• 水箱水位数据

通过这些数据的实时采集、3D空间展示和检测，可以全面掌握锅炉的运行状况，提高锅炉的运行效率，降低锅炉运行成本。锅炉孪生实体及数据标识详细情况如图5-22和表5-2所示。

🦋6.2 空调数字孪生检测系统

空调数字孪生检测系统需要对空调及相关物理设备进行建模，建模元素包括：

• 水处理房屋建模
• 反渗透设备建模
• 软化器设备建模
• 管道及流向建模
• 纯水输送系统设备
• 软水输送系统设备（详细情况见表5-3）

需要实时采集以下数据以便检测空调系统运行状况：

• 总进水压力数据
• 多介质过滤器数据
• 软化过滤器数据
• 纯水输送数据
• 饮水输送数据

通过建模与数据采集，能够提高空调系统的可靠性和安全性。空调系统孪生实体及数据标识详细情况如图5-23和表5-4所示。

🦋6.3 空压数字孪生检测系统

空压数字孪生检测系统需要对空压空间及相关物理设备进行建模，建模元素包括：

• 空压设备空间建模
• 空压设备建模
• 各类传感器建模（详细情况见表5-5）

为了更好地检测空压系统的运行状况，还需要采集以下数据：

• 空压机压力数据
• 油压数据
• 中冷器压力数据
• 冷却水出口温度数据
• 油温数据

这些数据将被用于分析与模拟，帮助更好地掌握空压系统的运行状态。空压系统孪生实体及数据标识详见图5-24和表5-6。

🦋6.4 水处理数字孪生检测系统

水处理数字孪生检测系统需要对水处理空间及物理设备进行建模，建模元素包括：

• 水处理房屋建模
• 反渗透设备建模
• 软化器设备建模
• 管道及流向建模
• 纯水输送系统设备
• 软水输送系统设备（详细情况见表5-7）

该系统实时采集以下数据，以便控制水处理系统的运行状态：

• 总进水压力数据
• 多介质过滤器数据
• 软化过滤器数据
• 纯水输送数据
• 饮水输送数据

水处理系统的孪生实体及数据标识见图5-25和表5-8。

🦋6.5 制冷数字孪生检测系统

制冷数字孪生检测系统需要对制冷空间及设备进行建模，建模元素包括：

• 制冷室房屋建模
• 压缩机组
• 蒸发冷风机
• 回水罐和供水罐
• 冰水外循环泵
• 管道及流向
• 高压集油器、气压集油器
• 空调板换、冰水板换
• 贮氨器、塔水罐、冷却塔（详细情况见表5-9）

该系统通过采集制冷设备的实时数据，并将其与数字孪生模型进行对比，检测设备故障和性能问题。通过模拟设备的运行状态，包括温度、压力、流量等参数，可以发现潜在问题，从而提高设备的效率与可靠性。制冷系统孪生实体及数据标识见图5-26和表5-10。

🦋6.6 低压配电数字孪生检测系统

低压配电数字孪生检测系统需要对低压配电空间及设备进行建模，建模元素包括：

• 高压配电室
• 综合配电室
• 制冷配电室
• 配电柜等设备（详细情况见表5-11）

该系统通过数字孪生技术监测低压配电系统的运行状态，实时采集和模拟数据，提供对系统的全面监控与评估，确保系统的高效运行。低压配电系统孪生实体及数据标识见图5-27和表5-12。

🔎7.应用成效

数字孪生技术是一种新兴的技术，能够帮助企业更好地监管和控制工厂能耗，从而提高效率、降低能耗。具体成效体现在以下几个方面：

1. 打造3D可视化工厂
   数字孪生技术通过建立3D模型，将工厂的各个部分（如机器、设备、管道、电气系统等）进行建模，形成3D可视化工厂。这样，企业能够直观地看到各个能耗空间的结构，轻松掌握工厂能耗的状况。通过3D空间展示，可以为能耗数据的展示提供物理支撑，增强对能耗监控的可视性。

2. 汇聚能耗数据进行统一监控和展示
   数字孪生技术可以整合不同能源监控系统的数据，包括锅炉、制冷、空调、空压、水处理、低压配电等系统的能耗数据，实现多维度的能源数据统一监控。企业管理者能够实时获取能源数据，便于及时发现并解决能源使用中的问题。

3. 多渠道、多维度展示能源使用情况
   数字孪生技术不仅统一展示能耗数据，还能提供多种展示方式，使管理者可以更直观地查看和分析能源使用情况。通过对实时监测数据的分析，能够识别能耗变化趋势，从而优化能源使用，提升能源利用效率，降低能源消耗和污染，实现节能减排。

4. 助力打造安全生产工厂
   数字孪生技术能够收集设备运行和安全措施相关的数据，进行安全状况分析，帮助企业提前发现潜在的安全问题并进行预警。通过实时监控，企业可以及时采取有效的措施，确保安全生产。

5. 丰富的应用体验
   数字孪生技术提供多种应用方式，如计算机端、手机APP、应用小程序和可视化大屏等，支持交互式服务。通过这些丰富的应用手段，企业管理者可以更加灵活地监控能耗情况，提升管理效率，降低成本。

综上所述，数字孪生技术为企业提供了丰富的管理工具，不仅提升了资源管理效率，还优化了信息流通和业务流程，帮助企业在节能降耗、提高效率、降低成本和确保安全等方面达到更高的管理水平。

🔎8.实施过程

该项目的实施过程包括7个主要步骤，具体如下：

1. 需求分析
   对乳制品加工企业的能耗管理需求进行全面调研，了解企业的能源消耗情况、存在的问题及目标需求，明确数字孪生监控系统的核心功能和技术指标。

2. 数据采集与整理
   收集乳制品加工企业的各类能耗数据，如供电信息、用水量、锅炉能耗、制冷能耗等。这些数据可以通过现有监测设备、计量表和传感器获取，也可安装新的设备进行收集。

3. 建立数学模型
   根据企业的能耗数据，利用数学建模和统计分析方法，建立能源系统的数学模型。该模型将动态反映企业能耗的变化，并能够进行预测和优化分析。

4. 数字孪生平台开发
   基于数学模型，开发数字孪生平台，对乳制品加工企业的能源系统进行虚拟复制。实现系统与数字孪生平台之间的数据交互与信息同步，开发相关软件和算法，完成能耗数据的实时采集、处理和展示。

5. 系统集成与部署
   将数字孪生监控系统与企业现有系统进行集成，确保能耗数据的准确性与实时性。配置所需的硬件设备和软件平台，确保系统的稳定运行和有效管理。

6. 监控与优化
   启动能耗数字孪生监控系统，实时监测和分析企业的能耗数据。通过数据可视化展示和报表分析，掌握能耗变化趋势，及时发现问题并采取优化措施。

7. 持续改进
   根据监控和分析结果，不断评估和优化系统性能。根据实际情况进行系统调整，并加强员工培训，提升系统使用效果和管理水平。

通过这些步骤的实施，企业能够建立起完善的能耗管理体系，提高能源利用效率，降低能耗成本，增强安全生产水平，实现更高效、更环保的运营模式。