基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能耗在線(xiàn)監測平臺的架構設計 與應用

摘要：圍繞工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域節能降耗實(shí)際需求，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線(xiàn)監測平臺總體方案，面向 、行業(yè)、企業(yè)提供能耗管理信息化管理與服務(wù);研究設計能耗監測終端，支持多種工業(yè)總線(xiàn)及工業(yè)協(xié)議，實(shí)現電表、油表、水表、氣表、煤氣表等能耗計量設備以及工業(yè)控制系統的能耗數據采集;研發(fā)能耗在線(xiàn)監測平臺，實(shí)現能耗實(shí)時(shí)監控、能效分析、計量器具管理等功能;以平臺為依托，在淄博某化工企業(yè)開(kāi)展了應用示范，切實(shí)為企業(yè)提高運行管理水平、強化能源管理提供支撐。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 能耗 實(shí)時(shí)監測

0 引言

能源是人類(lèi)社會(huì )發(fā)展的物質(zhì)基礎，能源消耗水平與環(huán)境、生態(tài)和氣候變化等息息相關(guān)。隨著(zhù)節能工作向系統化、精細化、信息化方向發(fā)展，節能領(lǐng)域運用物聯(lián)網(wǎng)、大數據等信息技術(shù)手段深挖、細挖節能潛力成為必然趨勢。針對國家戰略規劃落地以及工業(yè)企業(yè)等行業(yè)節能降耗的實(shí)際需求，國家有關(guān)部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了《用能單位能耗在線(xiàn)監測系統推廣建設工作方案》，對于能耗在線(xiàn)監測系統采用“國家平臺 + 省級平臺 + 用能單位接入端系統”的架構;同時(shí)，水泥等行業(yè)已針對運行先進(jìn)技術(shù)開(kāi)展了能耗監測和能源管理系統的研究、應用的探索。通過(guò)對已有能耗在線(xiàn)監測系統的研究，企業(yè)級能耗監測系統是基礎，其關(guān)鍵是能耗監測終端的功能和性能實(shí)現;平臺級能耗監測系統是支撐，其關(guān)鍵是如何為企業(yè)、節能主管部門(mén)等提供信息服務(wù)的支撐，實(shí)現較大的資源共享和可持續、標準化的服務(wù)體系建設。

基于此，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線(xiàn)監測平臺總體方案，并針對企業(yè)級、平臺級的軟硬件進(jìn)行設計、研發(fā)，并在化工企業(yè)能耗管理方面進(jìn)行了實(shí)踐應用，探索我國行業(yè)節能降耗的信息化支撐。

1 平臺總體方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線(xiàn)監測平臺總體方案架構如圖 1 所示，該方案從采集層、網(wǎng)絡(luò )層、數據層、應用層等層面，對實(shí)現能耗監測的技術(shù)和方案進(jìn)行分析，為下步開(kāi)展具體的軟硬件設計和研發(fā)打下基礎。

(1)采集層。采集層與物理層直接通訊，主要基于部署在企業(yè)端的用能單位能耗采集端設備實(shí)現對能源消耗數據的采集、對能源計量器具的識別和動(dòng)態(tài)管理。

目，能耗數據的采集主要基于三種方式實(shí)現:一是通過(guò)傳感器、數據采集器等設備實(shí)現現場(chǎng)級數據采集，支持多種不同協(xié)議的能源計量傳感器，可同時(shí)對電表、水表、燃氣表等多種智能儀表進(jìn)行數據采集;二是通過(guò)與 PLC、DCS、OPC 服務(wù)器等管理系統對接實(shí)現控制級數據采集;三是部分無(wú)法通過(guò)在線(xiàn)采集方式獲取的能耗數據，通過(guò)手工填報方式采集。為減少平臺端數據處理的壓力，采集的數據經(jīng)拆分、清洗，將來(lái)自不同儀表、不同傳輸協(xié)議的數據轉換成平臺可以識別的標準協(xié)議數據，經(jīng)過(guò)解析和校驗，進(jìn)行歸一化處理，傳輸至平臺端。

圖 1 平臺總體方案架構

(2)網(wǎng)絡(luò )層。網(wǎng)絡(luò )層主要包括互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、端系統存儲數據庫等。采集層的能源消耗數據采集以后，在網(wǎng)絡(luò )層進(jìn)行初步解析、校驗和存儲，并隨時(shí)準備上傳數據層。網(wǎng)絡(luò )層作為采集層和數據層的中間層，起到承上啟下的作用。

(3)數據層。數據層主要實(shí)現對采集上傳數據的進(jìn)一步處理、存儲等操作。依據各行業(yè)數據采集指南中數據驗證要求，采集數據時(shí)對接入數據進(jìn)行驗證，判斷其數據是否合法、信息是否匹配、是否有丟包漏包、目的地址是否正確等。數據層數據是對企業(yè)能源結構、能耗水平、能耗趨勢等信息從多個(gè)維度進(jìn)行匯總分析以及可視化展示的基礎。

(4)應用層。應用層主要負責將數據層匯總分析的數據按照平臺用戶(hù)類(lèi)型應用到實(shí)際生活中。針對不同的用戶(hù)，提供相應的信息技術(shù)服務(wù)。如:面向節能監管部門(mén)，提供相關(guān)數據報表，實(shí)時(shí)監測企業(yè)能耗情況，進(jìn)一步細化和落實(shí)節能任務(wù)，逐步形成系統化、信息化的能源消耗監管體系;面向用能企業(yè)，提供化的生產(chǎn)方案，為企業(yè)提高能源利用效率、降低生產(chǎn)成本、減少能源浪費提供支撐;面向社會(huì )大眾，及時(shí)提供較新的節能信息，推廣節能技術(shù)產(chǎn)品，提高全社會(huì )節能環(huán)保意識。

2 平臺設計與研發(fā)

2.1能耗采集終端設計

能耗數據的準確、實(shí)時(shí)采集是平臺運用的基礎。在該方案中，能耗采集終端主要實(shí)現能耗數據的實(shí)時(shí)采集。終端整體構框圖如圖 2 所示。

該終端包括控制模塊、通訊模塊、存儲單元、安全管理單元、電源模塊、顯示模塊等。其中:

(1)控制模塊?？刂颇K采用低功耗處理器，主要實(shí)現對通訊模塊、存儲單元、安全管理單元、電源模塊、顯示模塊的控制，確保終端功能和實(shí)現，以及終端的長(cháng)時(shí)間運行。

(2)通訊模塊。通訊模塊支持數據采集通訊、以及終端與平臺間的數據通訊。終端支持RS485總線(xiàn)以及 MODBUS、OPC 等工業(yè)協(xié)議，實(shí)現與電表、油表、水表、氣表、煤氣表等能耗計量設備的數據接口，實(shí)現數據的采集。終端具備以太網(wǎng)接口，支持終端與平臺間的互聯(lián)互通;同時(shí)平臺通過(guò)該以太網(wǎng)接口，實(shí)現對終端的遠程監控和配置功能，包括:外網(wǎng)主機部分的上傳地址、采集點(diǎn)信息、計算公式等參數的配置以及安裝、卸載、升級等操作。

圖 2 能耗監測終端功能框圖

(3)存儲單元。終端具備本地存儲功能，上傳數據經(jīng)過(guò) HTTPS 協(xié)議加密，如果傳輸超時(shí)或失敗，設備將重發(fā)數據，直到接收成功反饋消息，防止因為斷電、網(wǎng)絡(luò )異常等意外事故導致的數據丟失。

(4)安全管理單元。設備采用“內網(wǎng)主機 + 外網(wǎng)主機 + 安全數據交換單元”的“獨立雙主機 2+1”架構，其中，安全數據交換單元不同時(shí)與內外網(wǎng)主機連接，以此將內網(wǎng)與外網(wǎng)隔離，防止企業(yè)內部數據泄露和外部病毒木馬程序入侵，保證數據傳輸安全。

(5)電源模塊。電源模塊支持交流電壓 220V±10%，雙路冗余熱備電源輸入。

(6)顯示模塊。支持 7 寸液晶觸摸屏，方便顯示監控數據以及設置參數等操作。

2.2平臺軟件設計與研發(fā)

能耗在線(xiàn)監測平臺是面向企業(yè)、節能安全監管部門(mén)等用戶(hù)的窗口。軟件部分主要功能模塊包括:用能單位子系統、 子系統、公眾服務(wù)子系統，基于B/S三層架構、asp．net 技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)現(圖3)。

圖 3 平臺功能框圖

2.2.1 監管子系統

監管子系統主要面向區/市/省相關(guān) 部門(mén)，提供能耗監測、能效分析、節能管理、計量管理等功能。

(1)能耗監測。提供對用能單位的能耗數據的統計分析功能，包括:能源消費強度、能源消費構成及各能源品種消費量指標統計分析;基于GIS的企業(yè)和區域能耗分析，并形成圖表等可視化表示形式;服務(wù) 各級節能部門(mén)的數據匯總，報表填報等信息化工作需求。

(2)能效分析。提供從宏觀(guān)監測、地區、行業(yè)及產(chǎn)品的角度進(jìn)行能效的統計分析功能，基于歷史能效指標狀況預測能效趨勢。

(3)節能管理。提供總量及強度控制、節能業(yè)務(wù)管理、節能監察、節能標準法規與技術(shù)產(chǎn)品發(fā)布等功能;對能源“雙控”指標進(jìn)行分配并對節能形勢進(jìn)行分析和預測預警;對企業(yè)管理崗位、主要負責人進(jìn)行備案;提供節能公司和節能審核機構的注冊與查詢(xún)功能。

(4)計量管理。提供用能單位計量器具配備情況匯總查詢(xún)功能，對用能單位計量器具的配備數、配備率、檢定校準情況進(jìn)行匯總查詢(xún)，對即將到期或已到期的進(jìn)行標注預警。

2.2.2用能單位管理子系統

用能單位管理子系統主要為企業(yè)用戶(hù)提供相關(guān)能耗數據、計量器具、政策法規等信息的維護查詢(xún)。

(1) 能耗監測。對能耗監測終端采集的煤、油、水、電、氣、汽等實(shí)時(shí)能耗數據進(jìn)行監測，實(shí)現。

(2)能效分析。企業(yè)內部能耗數據，進(jìn)行能耗分析和成本分析，主要包括大需量配置、大需量查詢(xún)、峰平谷電耗分析、能源綜合成本分析的查詢(xún)功能，并支持企業(yè)與同行業(yè)其他企業(yè)進(jìn)行相應節能指標的對比分析和改進(jìn)指導。

(3)能源報表。匯總企業(yè)的電力損耗信息、能耗綜合成本、單位產(chǎn)品能耗、班次單位產(chǎn)品能耗、班組單位產(chǎn)品能耗、峰平谷電耗、能耗單位匯總、能耗成本單位匯總、能耗費用匯總、能耗比較等報表信息。

(4)能耗預警。統計各報警類(lèi)型的報警次數和報警時(shí)長(cháng)，為企業(yè)開(kāi)展能耗管理決策提供參考。

(5)能源計量器具管理。對企業(yè)能源計量器具的使用、檢驗、計量等情況進(jìn)行記錄和管理，從而提升企業(yè)能耗監測的準確性和有效性。

(6)能源管理標準規范查詢(xún)。方便企業(yè)及企業(yè)人員實(shí)時(shí)在線(xiàn)查詢(xún)國家有關(guān)法律法規、政策文件、標準規范等資料。

2.2.3公眾服務(wù)子系統

公眾服務(wù)子系統主要面向社會(huì )公眾提供服務(wù)，具備發(fā)布相關(guān)的政策法規、標準規范、新聞動(dòng)態(tài)、節能技術(shù)產(chǎn)品等信息的功能，是平臺的門(mén)戶(hù)窗口，為實(shí)現節能降耗的多元共治局面提供支撐。

3 應用案例

基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線(xiàn)監測平臺總體方案目已在山東省淄博市某化工企業(yè)進(jìn)行了實(shí)際應用。該企業(yè)目主要使用的能源類(lèi)型包括:原煤、電、天然氣、蒸汽，其中:企業(yè)利用工業(yè)水進(jìn)行自發(fā)電，部分電力上網(wǎng)，同時(shí)有外供蒸汽給周邊企業(yè)使用。部分能源數據已經(jīng)采集到企業(yè)自建的 MES 系統中。根據企業(yè)實(shí)際情況，結合有關(guān)政策要求，在平臺總體方案的基礎上，研究提出了符合企業(yè)需求的能源在線(xiàn)監測方案，如圖4所示。在邊緣采集側，部署能耗監測終端，與企業(yè)的 MES 系統進(jìn)行對接，通過(guò)RJ45 接口實(shí)現能耗數據的采集，同時(shí)終端通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )/4G/無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等數據通訊模式將能耗數據定時(shí)發(fā)送到能耗在線(xiàn)監測平臺。在云服務(wù)平臺側，主要面向企業(yè)、節能安全監管部門(mén)，以軟件即服務(wù)的模式開(kāi)展信息技術(shù)服務(wù)。

(1)面向企業(yè)的云服務(wù)。企業(yè)登錄能耗在線(xiàn)監測平臺，開(kāi)展企業(yè)能耗信息化管理，對本企業(yè)實(shí)時(shí)能耗情況、計量器具情況等進(jìn)行管理，對企業(yè)歷史能耗情況、能耗趨勢等進(jìn)行分析，形成各類(lèi)預警信息，如企業(yè)能耗指標預警、節能量預警、能源儲備預警等，并為企業(yè)提出安全生產(chǎn)和能源使用的具體改進(jìn)措施提供數據支撐。如:針對企業(yè)各類(lèi)能耗比例進(jìn)行同比或環(huán)比分析，結合企業(yè)生產(chǎn)情況進(jìn)行分析，發(fā)現企業(yè)能耗過(guò)程中的問(wèn)題，提出生產(chǎn)或能源使用的改進(jìn)措施。

圖 4 應用企業(yè)部署架構圖

(2)面向節能安全監管部門(mén)的云服務(wù)。依托平臺實(shí)現企業(yè)能耗信息的匯聚和分析，為節能安全監管部門(mén)開(kāi)展管理提供數據化和平臺化支撐。如:監管部門(mén)可通過(guò)分析企業(yè)的能耗數據，分析行業(yè)和企業(yè)能源結構，為能源管理決策和規劃提供支撐。

4 安科瑞用能單位能耗在線(xiàn)監測系統

4.1系統概述

工業(yè)能耗在線(xiàn)監測系統是一個(gè)集成Intranet/Internet網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)、Web Service軟件技術(shù)、數據庫技術(shù)等于一體的大型數據綜合管理系統。系統為管理者、各級能耗內部用戶(hù)、瀏覽者提供了一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)的網(wǎng)絡(luò )通道，搭建了一個(gè)合理、信息傳輸平臺和管理平臺。工業(yè)能耗在線(xiàn)監測系統的開(kāi)發(fā)應用為 管理部門(mén)、企業(yè)生產(chǎn)管理、計量管理、節能管理提高到一個(gè)新的高度，是我們對節能減排、節能降耗實(shí)現的一種行之有效的解決方案。

能源組成及監測內容：

圖5 能源組成

圖6 監測內容

用電類(lèi)：采集采暖、鍋爐、空調、制冷、照明、辦公、電梯、水泵、風(fēng)機、通風(fēng)機等耗電設備的用電信息。主要監測其用電量，對于大耗電設備監測其電流、電壓及功率因數等信息。

配電類(lèi)：采集6kv/10kv配電開(kāi)關(guān)設備、變壓器，狀態(tài)信號、電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數、電能質(zhì)量、電能量等。

用水：自來(lái)水和蒸汽；采集具有485通訊功能的智能熱量表、蒸汽流量計、水表等；

用氣：煤氣、天然氣；采集具有485通訊功能燃氣表；

環(huán)境參數：采集具有485通訊功能的溫度/濕度計；采暖空調供回水溫度；

4.2系統框架

圖7 系統框架

(1)能源消費管理系統：該系統可以對用能企業(yè)煤、電、油、氣、熱、水等能源和耗能工質(zhì)進(jìn)行定期錄入和實(shí)時(shí)采集，并將收集到的能耗數據進(jìn)行整理存儲，為匯總分析和上報作數據支持。

(2)能源利用狀況信息報送系統

用能企業(yè)可通過(guò)該系統將企業(yè)本年度的《能源利用狀況報告》，報送至市節能監察中心，經(jīng)初審核后，上傳至省節能監察總隊審核，而后上報國家有關(guān)部門(mén)。

(3)單位能耗水平識別評價(jià)系統

利用用能單位能耗數據，對企業(yè)用能狀況進(jìn)行分析評價(jià)，查找問(wèn)題。為 節能管理部門(mén)掌握、分析信息和研究節能改造并制定相關(guān)政策措施提供科學(xué)的依據和平臺。

(4)決策服務(wù)和專(zhuān)家咨詢(xún)服務(wù)系統

系統提供直觀(guān)、簡(jiǎn)明、快捷的數據信息查詢(xún)和決策支持服務(wù)。對用能企業(yè)的能耗進(jìn)行科學(xué)、合理的咨詢(xún)指導，幫助用能企業(yè)做出及時(shí)、正確、可行、有效的解決方案。

(5)能耗預測、能源安全預警系統

通過(guò)系統全面掌握用能企業(yè)能源購置、使用、消耗及生產(chǎn)情況，對企業(yè)的用能情況進(jìn)行綜合的評判和分析，對比同期值和限定值，對能耗超標情況予以預警提示。

在全面獲取能源使用的基礎上，進(jìn)行數據挖掘分析，實(shí)現能耗的預測功能，為 相關(guān)部門(mén)的宏觀(guān)決策提供支撐體系。

(6)節能監察及信息發(fā)布、法律法規知識培訓系統：

通過(guò)該系統平臺，可對省耗能企業(yè)做全面節能監察工作；發(fā)布節能法律法規標準以及能源基礎知識、能源統計知識、節能監測方法等資料；處理日常節能管理工作相關(guān)的公文、通知、公告等。

4.3系統網(wǎng)絡(luò )結構

 系統把數據信息從各個(gè)企業(yè)的能源監控中心采集到后臺的數據庫系統，經(jīng)分析與處理，提供分析預測和預警功能。同時(shí)通過(guò)門(mén)戶(hù)網(wǎng)站、無(wú)線(xiàn)終端等手段為省、市領(lǐng)導以及相關(guān)委辦局提供了多方位、可視化的便捷服務(wù)。

圖8 系統結構

4.4能耗監測系統產(chǎn)品選型

5.結論

基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線(xiàn)監測平臺總體方案基于國家政策導向、行業(yè)節能需要、企業(yè)管理實(shí)際研究提出。在總體方案的基礎上，研究設計了基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算的能耗監測終端、能耗在線(xiàn)監測平臺等支撐性的軟硬件系統，實(shí)現能耗數據實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集、監測以及分析、預警等功能。平臺方案和技術(shù)產(chǎn)品在典型化工企業(yè)能耗管理中得到了實(shí)踐應用，滿(mǎn)足了企業(yè)提高運行管理水平、 強化能源管理等各方需求，具有較好的推廣應用景。

【參考文獻】

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