پایان نامه : بررسی کاربرد فناوری اطلاعات در مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی مطالعه موردی :سیستم های …
استاد راهنما :
دکتر منصور ذوالقدری جهرمی
شهریور ماه ۱۳۹۲
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
چکیده
با توجه به افزایش قیمت حامل های انرژی در سالهای اخیر و مشکلات زیست محیطی که در اثر مصرف کنترل نشده این حامل ها ایجاد شده است امروزه بهینه سازی و مدیریت مصرف انرژی با هدف کاهش مصرف در کشورهای جهان جایگاه ویژه ای یافته است. مهمترین مرحله در مدیریت مصرف انرژی فرآیند ممیزی می باشد که به معنی بررسی دقیق اطلاعات محیطی و شناسایی عواملی است که کنترل آنها در کاهش مصرف انرژی موثر می باشد. در سالهای اخیر با پیشرفت های چشمگیر در علم فناوری اطلاعات امکان پایش و ثبت مداوم پارامترهای محیطی که در مصرف انرژی موثر هستند فراهم شده است و سیستم های SCADA[1] به عنوان بخشی از زیرساخت این فناوری در راستای پایش وکنترل داده های محیطی توسعه یافته اند. با به کارگیری سیستم های SCADA امکان یک ممیزی دقیق از مصرف انرژی فراهم می گردد همچنین با اعمال فرآیندهای کنترلی با بهره گرفتن از سیستم های SCADA امکان کاهش مصرف انرژی میسر می گردد که با دستیابی به این هدف ضمن کاهش هزینه ها ، بهره وری افزایش پیدا می کند .دررساله حاضر روش های کاربردی سیستم های SCADA در مدیریت و کاهش مصرف انرژی با توجه به تحقیقات پیشین مورد بررسی قرار می گیرد و در ادامه به عنوان یک مطالعه کاربردی ، روش استفاده از سیستم های نرم افزاری SCADA در مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی در کوره های الکتریکی که کاربرد زیادی در صنایع ایران دارند پیاده سازی می گردد ودر انتها ضمن تحلیل نتایج حاصل از اجرای این روش کاربردی پیشنهاداتی در مورد بهبود عملکرد روش ها در تحقیقات آینده ارائه خواهد گردید .
کلمات کلیدی : سیستم های SCADA ، مصرف انرژی ، مدیریت انرژی ، بهینه سازی
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه . ۱
۱-۱-پیشگفتار ۱
۱-۱-۱-عوامل اقتصادی مدیریت مصرف انرژی ۱
۱-۱-۲-تعریف مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی ۲
۱-۳-نقش فناوری اطلاعات در بهینه سازی و مدیریت مصرف انرژی ۳
۱-۴-تعریف سیستم های SCADA ۴
۱-۵-سیستم های SCADA و مدیریت مصرف انرژی ۵
۱-۶-ضرورت انجام تحقیق ۵
۱-۷-اهداف تحقیق ۶
۱-۸-مروری بر فصل های پایان نامه ۷
فصل دوم :مبانی نظری تحقیق.۸
۲-۱-مقدمه ۸
۲-۲-تاریخچه مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی ۸
۲-۲-۱-دوره اول :صرفه جویی ۱۹۸۱-۱۹۷۳ ۹
۲-۲-۲-دوره دوم :مدیریت انرژی ۱۹۹۳-۱۹۸۱ ۹
۲-۲-۳-دوره سوم:خرید انرژی به بهای کمتر ۲۰۰۰-۱۹۹۳ ۱۰
۲-۲-۴-دوره چهارم :توجه به مسائل زیست محیطی ۲۰۱۰-۲۰۰۰ ۱۱
۲-۲-۵-دوره پنجم :فناوری پاک ۲۰۲۰-۲۰۱۰ ۱۱
۲-۳-مراحل مدیریت مصرف انرژی ۱۲
۲-۳-۱-مرحله اول: :شناسایی فرصت ها ۱۲
۲ -۳-۲-مرحله دوم :اولویت بندی فعالیت ها ۱۳
۲-۳-۳-مرحله سوم :به انجام رساندن فرآیندها به طور موفقیت آمیز ۱۳
۲-۳-۴-مرحله چهارم :مرحله بازبینی و اصلاح مستمر ۱۳
۲-۴-کاربرد فناوری اطلاعات در مدیریت مصرف انرژی ۱۴
۲-۴-۱-نقش اینترنت و تجارت الکترونیک در مدیریت مصرف انرژی ۱۴
۲-۴-۲-مدیریت و برآورد نیاز به مصرف انرژی ۱۵
۲-۴-۳-روش های کنترل شبکه ای ۱۶
۲-۴-۳-۱-سیستم های SCADA ۱۶
۲-۴-۳-۲-سیستم ذخیره سازی اطلاعات تجهیزات ۱۷
۲-۴-۳-۳-سیستم مدیریت انرژی EMS ۱۷
۲-۴-۳-۴-سیستم مدیریت تولید انرژی GMS ۱۸
۲-۴-۳-۵-سیستم مدیریت توزیع انرژی DMS ۱۸
۲-۴-۴ –سیستم اطلاعات جغرافیایی GIS ۱۹
۲-۴-۴-۱-منابع اطلاعات در سیستم GIS ۲۰
۲-۴-۴-۲-کاربردهای GIS در صنعت انرژی ۲۰
۲-۴-۵-سیستم اطلاعات مشتری CIS و CRM ۲۱
۲-۴-۶-سیستم اطلاعات انرژی EIS ۲۳
۲-۴-۷-برنامه ریزی منبع انرژی ERP ۲۴
۲-۴-۸-ممیزی خریداران انرژی و برنامه های کاربردی ۲۴
۲-۶-بررسی سیستم های SCADA ۲۵
۲-۶-۱-تاریخچه سیستم های SCADA ۲۶
۲-۶-۲-ساختار سیستم های SCADA ۲۷
۲-۶-۳-عملیات در سیستم های SCADA ۲۸
۲-۶-۴-مزایای استفاده از سیستم های SCADA ۲۹
۲-۶-۵-کاربرد سیستم های SCADA در مدیریت مصرف انرژی ۳۰
۲-۷-نتیجه گیری فصل ۳۱
فصل سوم :پیشینه پژوهشی .۳۲
۳-۱-مقدمه ۳۲
۳-۲-کاربرد سیستم های SCADA در مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی ۳۲
۳-۲-۱-صرفه جویی در مصرف انرژی ۳۲
۳-۲-۲-کاربرد سیستم های SCADA در افزایش بازدهی سازمان ۳۲
۳-۲-۳-مزایای صرفه جویی در مصرف انرژی ۳۳
۳-۲-۴-آنالیز ROI ۳۳
۳-۳-مراحل و روش های به کارگیری سیستم های SCADA در مدیرت انرژی ۳۴
۳-۳-۱-آنالیز و بررسی دقیق میزان مصرف انرژی و اوج بار مصرفی ۳۴
۳-۳-۲-آنالیز و اندازه گیری سایر داده های مورد نیاز در مدیریت مصرف انرژی ۳۵
۳-۴-کاربرد سیستم های SCADA در افزایش راندمان ۳۶
۳-۵-زمانبندی کارکرد مصرف کننده ها به وسیله سیستم های SCADA ۳۸
۳-۶-کاربرد سیستم های SCADA در مدیریت سیستم روشنایی ۳۸
۳-۷-کاربرد سیستم های SCADA در مدیریت و کنترل تجهیزات ۴۰
۳-۸-کاربرد سیستم های SCADA در سازماندهی پرسنل فنی ۴۰
۳-۹-کاربرد سیستم های SCADA در کاهش استهلاک تجهیزات ۴۱
۳-۹-۱-کاهش استهلاک تجهیزات با کم کردن حجم کاری ۴۲
۳-۹-۲-کاهش استهلاک با اعمال روش های کنترلی ۴۲
۳-۱۰-کاربردسیستم های SCADA در صنعت برق ۴۲
۳-۱۰-۱-کاربرد سیستم هایSCADA درافزایش راندمان نیروگاه های برق ۴۲
۳-۱۰-۲-ایجاد شبکه های هوشمند و بهبود راندمان شبکه برق سراسری ۴۳
۳-۱۱-کاربرد منطق فازی و هوش مصنوعی در مدیریت و بهینه سازی مصرف ۴۳
۳-۱۱-۱-استفاده از هوش مصنوعی در پیش بینی مقدار مصرف انرژی ۴۳
۳-۱۱-۲-بهره گیری از منطق فازی برای پیش بینی مقدار مصرف ۴۴
۳-۱۲-کاربرد منطق فازی در کاهش مصرف انرژی در کوره های صنعتی ۴۵
۳-۱۳-کاربرد سیستم های SCADA در مدیریت سیستم های مرتبط با دما ۴۶
۳-۱۳-۱-کاربرد سیستم های SCADA در مدیریت سیستم های گرمایشی ۴۶
۳-۱۳-۲-پایش و ثبت دقیق دما بر حسب زمان ۴۶
۳-۱۳-۳-امکان پیاده سازی روش های پیشرفته کنترل دما ۴۷
۳-۱۳-۴-امکان استفاده از تقویم زمانی برای کارکرد سیستم تهویه مطبوع ۴۸
۳-۱۴-داده کاوی اطلاعات سیستم های SCADA جهت افزایش امنیت ۴۸
۳-۱۵-استفاده از میکرو کنترولرجهت بهبود عملکرد سیستم های SCADA ۴۹
۳-۱۶-استفاده از قابلیت های نرم افزارSCADA در فرآیند کنترل ۴۹
۳-۱۷-امکان استفاده از OPC در نرم افزار SCADA ۵۰
۳-۱۸-استفده از سیستم های SCADA بر مبنای وب ۵۰
۳-۱۹-استفاده از روش های مدل سازی در مدیریت انرژی ۵۱
۳-۲۰-جمع بندی تحقیقات گذشته ۵۲
۳-۲۱-نتیجه گیری فصل ۵۳
فصل چهارم :روش پیاده سازی ، آزمایش ها و نتایج.۵۵
۴-۱-مقدمه ۵۵
۴-۲-اهداف مدیریت انرژی در کوره های الکتریکی ۵۵
۴-۲-۱-کاهش انرژی مصرفی در کوره های الکتریکی ۵۶
۴-۲-۲-کاهش اوج بار مصرفی در کوره های الکتریکی ۵۶
۴-۳-فرآیند مصرف انرژی در یک کوره الکتریکی ۵۶
۴-۳-۱-اندازه گیری دما ۵۹
۴-۳-۲-اندازه گیری پارامترهای مرتبط با مصرف انرژی ۶۰
۴-۳-۳-کنترل توان در کوره های الکتریکی ۶۱
۴-۴-طراحی فرآیند مدیریت مصرف انرژی در کوره های الکتریکی ۶۳
۴-۴-۱-تععین پارامترهای مورد نیاز جهت اندازه گیری و کنترل ۶۳
۴-۴-۲-انتخاب RTU ها جهت فرآیند مدیریت مصرف انرژی ۶۴
۴-۴-۳-ارتباط نرم افزار SCADA با RTU ها ۶۵
۴-۴-۴-پروتکل های ارتباطی ۶۶
۴-۴-۵-نصب تجهیزات جهت فرآیند آزمایشی ۷۱
۴-۴-۶-نصب RTU ها در نرم افزار SCADA ۷۶
۴-۴-۷-بررس عملکرد سیستم کنترل توان ۷۸
۴-۵-آزمایش اول:بررسی روند مصرف انرژی در روش کنترل ON/OFF ۷۹
۴-۵-۱-طراحی نرم افزار جهت آزمایش اول ۷۹
۴-۵-۲-بررسی وتحلیل نمودارهای مرتبط با مصرف انرژی در آزمایش اول ۸۲
۴-۶-آزمایش دوم :بررسی روند مصرف انرژی در روش کنترل ON/OFF
با اعمال محدودیت در اوج بار مصرفی ۸۵
۴-۶-۱-اصلاح برنامه نرم افزاری جهت آزمایش دوم ۸۶
۴-۶-۲-بررسی وتحلیل نمودارهای مرتبط با مصرف انرژی درآزمایش دوم ۸۷
۴-۷-آزمایش سوم :بررسی روند مصرف انرژی در روش کنترل PID ۸۹
۴-۷-۱-طراحی نرم افزار جهت انجام آزمایش سوم-روش کنترلی PID ۸۹
۴-۷-۲- بررسی وتحلیل نمودارهای مرتبط با مصرف انرژی درآزمایش سوم ۹۲
۴-۸-آزمایش چهارم : بررسی روند مصرف انرژی در روش کنترل PID
همراه با اعمال محدودیت توان ۹۴
۴-۸-۱-طراحی نرم افزار جهت انجام آزمایش چهارم ۹۵
۴-۸-۲- بررسی وتحلیل نمودارهای مرتبط با مصرف انرژی درآزمایش سوم ۹۵
۴-۹-آزمایش پنجم :بررسی روند مصرف انرژی در روش PID همراه با
اعمال محدودیت توان در پیش بینی کوتاه مدت ۹۷
۴-۹-۱-طراحی نرم افزار جهت انجام آزمایش پنجم ۹۷
۴-۹-۲-بررسی و تحلیل نمودارهای آزمایش پنجم ۹۹
۴-۱۰-نتیجه گیری فصل ۱۰۲
فصل پنجم : بحث و نتیجه گیری و پیشنهادها ۱۰۴
۵-۱-مقدمه ۱۰۴
۵-۲-نتایج بدست آمده از فرآیندهای آزمایشی ۱۰۴
۵-۲-۱-تحلیل نتایج حاصل از آزمایش اول ۱۰۵
۵-۲-۲-تحلیل نتایج حاصل از آزمایش دوم ۱۰۶
۵-۲-۳-تحلیل نتایج حاصل از آزمایش سوم ۱۰۶
۵-۲-۴-تحلیل نتایج حاصل از آزمایش چهارم ۱۰۷
۵-۲-۵-تحلیل نتایج حاصل از آزمایش پنجم ۱۰۷
۵-۳-مزایای استفاده از طرح ارائه شده در تحقیق ۱۰۷
۵-۳-۱-کاهش هزینه های مستقیم ۱۰۸
۵-۳-۲-کاهش هزینه های غیر مستقیم ۱۰۸
۵-۳-۳-بهبود فرآین تولید و تاثیر آن بر افزایش کیفیت ۱۰۸
۵-۴-پیشنهادات جهت ادامه کار در آینده ۱۰۹
۵-۴-۱-استفاده از روش های کنترل نوین ۱۰۹
۵-۴-۲-محاسبه نرخ بازگشت سرمایه ۱۰۹
۵-۴-۳-استفاده از سیستم های مدیریت انرژی اقتصادی ۱۰۹
۵-۵-۴-ارتباط با سایر نرم افزار های سازمانی ۱۱۰
۵-۴-۵-افزایش راندمان تجهیزات با بهره گرفتن از ظرفیت بهینه ۱۱۰
مراجع ۱۱۱
چکیده به زبان انگلیسی ۱۱۵
فهرست جدول ها
صفحه
جدول ۴-۱-RTU های استفاده شده در فرآیند آزمایشی ۶۵
جدول ۴-۲-قالب بسته های اطلاعاتی در پروتکل Modbus RTU ۶۹
جدول ۴-۳-ارسال یک در خواست از Master ۷۰
جدول ۴-۴-ارسال یک پاسخ از Slave ۷۰
جدول ۴-۵-لیست تجهیزات استفاده شده در فرآیند آزمایشی مدیریت مصرف انرژی ۷۳
جدول ۴-۶-تعیین مقدار اوج بار در هر مرحله ۸۶
جدول ۵-۱-مشخصات ۵ فرآیند آزمایشی ۱۰۵
جدول ۵-۲-نتایج حاصل از ۵ فرآیند آزمایشی ۱۰۵
فهرست شکل ها
صفحه
شکل ۱-۱-ساختار کلی سیستم های SCADA ۲۸
شکل ۳-۱-کاربرد سیستم های SCADA در کنترل اوج بار مصرفی ۳۵
شکل ۳-۲-افزایش راندمان پمپ های آبرسان با بهره گرفتن از سیستم های SCADA ۳۷
شکل ۳-۳-کاهش هزینه انرژی ماهینه در اثر افزایش راندمان پمپ ها ۳۸
شکل ۳-۴-کاربرد سیستم های SCADA در کنترل سیستم های روشنایی ۴۰
شکل ۳-۵-کاربرد سیستم های SCADA در پایش مداوم انرژی ۴۱
شکل ۳-۶-کاربرد منطق فازی در پیش بینی مقدار مصرف انرژی ۴۵
شکل ۳-۷-نمودار مقایسه مصرف انرژی در سیستم کنترل Fuzzy وon/off ۴۷
شکل ۴-۱-یک نمای کلی از یک کوره الکتریکی ۵۹
شکل ۴-۲-تغییر ولتاژ موثر با تغییر زاویه آتش تریستور ها ۶۲
شکل ۴-۳-سیستم کنترل توان scr با ورودی آنالوگ ۶۲
شکل ۴-۴-نحوه ارتباط rtu ها با سرور مرکزی در استاندارد rs485 ۶۶
شکل ۴-۵-دیاگرام سیستم طراحی شده جهت مدیریت مصرف انرژی کوره های الکتریکی ۷۲
شکل ۴-۶-تصویر تجهیزات نصب شده جهت فر آیند مدیریت مصرف انرژی ۷۶
شکل ۴-۷-نصب rtu در نرم افزار SpecView ۷۷
شکل ۴-۸-رابطه بین مقدار DAC و توان خروجی در فرآیند مورد آزمایش ۷۸
شکل ۴-۹-نمودار فرآیند حرارتی آزمایشی ۷۹
شکل ۴-۱۰-پروگرامر طراحی شده در محیط نرم افزاری SpecView ۸۰
شکل ۴-۱۱-اضافه کردن نمودار ها در نرم افزار SpecView ۸۲
شکل۴-۱۲-نمودار پارامترهای دما بر حسب زمان در آزمایش اول ۸۳
شکل ۴-۱۳-نمودار پارامترهای مصرف انرژی در آزمایش اول ۸۴
شکل ۴-۱۴-نمودار پارامترهای دما و انرژی به صورت توام در آزمایش اول ۸۵
شکل۴-۱۵-نمودار پارامترهای دما بر حسب زمان در آزمایش دوم ۸۷
شکل ۴-۱۶-نمودار پارامترهای مصرف انرژی در آزمایش دوم ۸۸
شکل ۴-۱۷-نمودار پارامترهای دما و انرژی به صورت توام در آزمایش دوم ۸۹
شکل ۴-۱۸-پیاده سازی الگوریتم کنترلی PID در نرم افزار SpecView ۹۱
شکل ۴-۱۹-کنترلر PID طراحی شده در نرم افزار SpecView ۹۲
شکل۴-۲۰-نمودار پارامترهای دما بر حسب زمان در آزمایش سوم ۹۳
شکل ۴-۲۱-نمودار پارامترهای مصرف انرژی در آزمایش سوم ۹۳
شکل ۴-۲۲-نمودار پارامترهای دما و انرژی به صورت توام در آزمایش سوم ۹۴
شکل۴-۲۳-نمودار پارامترهای دما بر حسب زمان در آزمایش چهارم ۹۵
شکل ۴-۲۴-نمودار پارامترهای مصرف انرژی در آزمایش چهارم ۹۶
شکل ۴-۲۵-نمودار پارامترهای دما و انرژی به صورت توام در آزمایش چهارم ۹۷
شکل ۴-۲۶-طراحی یک سیستم کنترل PID با قابلیت بیش بینی کوتاه مدت توان ۹۸
شکل۴-۲۷-نمودار پارامترهای دما بر حسب زمان در آزمایش پنجم ۹۹
شکل ۴-۲۸-نمودار پارامترهای مصرف انرژی در آزمایش پنجم ۱۰۰
شکل ۴-۲۹-نمودار پارامترهای دما و انرژی به صورت توام در آزمایش پنجم ۱۰۱
شکل ۴-۳۰-بررسی عملکرد پیش بینی کوتاه مدت توان ۱۰۲
مقدمه
