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摘要： 圍繞工業生產等領域節能降耗實際需求,提出基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案,面向政府、行業、企業提供能耗管理信息化管理與服務;研究設計能耗監測終端，支持多種工業總線及工業協議，實現電表、油表、水表、氣表、煤氣表等能耗計量設備以及工業控制系統的能耗數據采集:研發能耗在線監測平臺,實現能耗實時監控、能效分析、計量器具管理等功能;以平臺為依托,在淄博某化工企業開展了應用示范,切實為企業提運行管理水平、強化能源管理提供支撐。
關鍵詞：物聯網；能耗；實時監測
0、引言
能源是人類社會發展的物質基礎,能源消耗水平與環境、生態和全球氣候變化等息息相關。隨著節能工作向系統化、精細化、信息化方向發展，節能領域運用物聯網、大數據等信息技術手段深挖、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企業等行業節能降耗的實際需求，國家有關部門聯合印發了《用能單位能耗在線監測系統推廣建設工作方案》，對于能耗在線監測系統采用“國家平臺+省級平臺+用能單位接入端系統”的架構;同時,水泥等行業已針對運行先進技術開展了能耗監測和能源管理系統的研究、應用的探索。通過對已有能耗在線監測系統的研究,企業級能耗監測系統是基礎,其關鍵是能耗監測終端的功能和性能實現;平臺級能耗監測系統是支撐，其關鍵是如何為企業、節能主管部門等提供信息服務的支撐,實現有利化的資源共享和可持續、標準化的服務體系建設。
基于此,本文提出基干物聯網的能耗在線監測平臺總體方案，并針對企業級、平臺級的軟硬件進行設計、研發,并在化工企業能耗管理方面進行了實踐應用,探索我國行業節能降耗的信息化支撐。
平臺總體方案
基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案架構如圖1所示，該方案從采集層、網絡層、數據層、應用層等層面,對實現能耗監測的技術和方案進行分析，為下步開展具體的軟硬件設計和研發打下基礎。
(1)采集層。采集層與物理層直接通訊,主要基于部署在企業端的用能單位能耗采集端設備實現對能源消耗數據的采集、對能源計量器具的識別和動態管理。
目前,能耗數據的采集主要基于三種方式實現:一是通過傳感器、數據采集器等設備實現現場級數據采集,支持多種不同協議的能源計量傳感器,可同時對電表、水表、燃氣表等多種智能儀表進行數據采集;二是通過與 PLC、DCS.OPC 服務器等管理系統對接實現控制級數據采集;三是部分無法通過在線采集方式獲取的能耗數據,通過手工填報方式采集。
為減少平臺端數據處理的壓力,采集的數據經拆分、清洗,將來自不同儀表、不同傳輸協議的數據轉換成平臺可以識別的標準協議數據，經過解析和校驗，進行歸一化處理,終傳輸至平臺端。
圖1 平臺總體方案架構
(2)網絡層。網絡層主要包括互聯網、企業有線或無線網絡、端系統存儲數據庫等。采集層的能源消耗數據采集以后,在網絡層進行初步解析、校驗和存儲,并隨時準備上傳數據層。網絡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。數據層主要實現對采集上傳數據的進一步處理、存儲等操作。依據各行業數據采集指南中數據驗證要求,采集數據時對接入數據進行驗證,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能源結構、能耗水平、能耗趨勢等信息從多個維度進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類型應用到實際生活中。針對不同的用戶,提供相應的信息技術服務。如:面向節能監管部門,提供相關數據報表,實時監測企業能耗情況,進一步細化和落實節能任務,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,提供更優化的生產方案,為企業提能源利用效率、降低生產成本、減少能源浪費提供支撐;面向社會大眾,及時提供新的節能信息,推廣節能技術產品,提全社會節能環保意識。
平臺設計與研發
2.1 能耗采集終端設計
能耗數據的準確、實時采集是平臺運用的基礎。在該方案中,能耗采集終端主要實現能耗數據的實時采集。終端整體結構框圖如圖2所示。
圖2 能耗監測終端功能框圖
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。控制模塊采用低功耗處理器，主要實現對通訊模塊、存儲單元、安全管理單元、電源模塊、顯示模塊的控制,確保終端功能和實現，以及終端的長時間運行。
(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總線以及 MODBUS OPC 等工業協議,實現與電表、油表、水表、氣表、煤氣表等能耗計量設備的數據接口,實現數據的采集。終端具備以太網接口，支持終端與平臺間的互聯互通;同時平臺通過該以太網接口,實現對終端的遠程監控和配置功能,包括:外網主機部分的上傳地址、采集點信息、計算公式等參數的配置以及安裝、卸載、升級等操作。
(3)存儲單元。終端具備本地存儲功能,上傳數據經過 HTTPS 協議加密,如果傳輸超時或失敗設備將重發數據,直到接收成功反饋消息,防止因為斷電、網絡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“內網主機+外網主機+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與內外網主機連接,以此將內網與外網隔離,防止企業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
能耗在線監測平臺是面向企業、節能安全監管部門等用戶的窗口。軟件部分主要功能模塊包括:用能單位子系統、政府子系統、公眾服務子系統，基于 B/S 三層架構、asp. net 技術開發實現(圖3)。
圖3 平臺功能框圖
2.2.1 政府監管子系統
政府監管子系統主要面向區/市/省相關，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的企業和區域能耗分析,并形成圖表等可視化表示形式:服務政府各級節能部門的數據匯總,報表填報等信息化工作需求。
(2)能效分析。提供從宏觀監測、地區、行業及產品的角度進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)能管理。提供總量及強度控制、節能業務管理、節能監察、節能標準法規與技術產品發布等功能;對能源“雙控”指標進行分配并對節能形勢進行分析和預測預警;對企業管理崗位、主要負責人進行備案;提供節能公司和節能審核機構的注冊與查詢功能。
(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、檢定校準情況進行匯總查詢，對即將到期或已到期的進行標注預警。
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用戶提供相關能耗數據、計量器具、政策法規等信息的維護查詢。
能耗監測。對能耗監測終端采集的煤、油、水、電、氣、汽等實時能耗數據進行監測,實現。
(2)能效分析。企業內部能耗數據,進行能耗分析和成本分析,主要包括大需量配置、大需量查詢、峰平谷電耗分析、能源綜合成本分析的查詢功能,并支持企業與同行業其他企業進行相應節能指標的對比分析和改進指導。
(3)能源報表。匯總企業的電力損耗信息、能耗綜合成本、單位產品能耗、班次單位產品能耗、班組單位產品能耗、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。統計各報警類型的報警次數和報警時長,為企業開展能耗管理決策提供參考。
(5)能源計量器具管理。對企業能源計量器具的使用、檢驗、計量等情況進行記錄和管理，從而提升企業能耗監測的準確性和有效性。
(6)能源管理標準規范查詢。方便企業及企業人員實時在線查詢國家有關法律法規、政策文件、標準規范等資料。
2.2.3 公眾服務子系統
公眾服務子系統主要面向社會公眾提供服務，具備發布相關的政策法規、標準規范、新聞動態、節能技術產品等信息的功能,是平臺的門戶窗口,為實現節能降耗的多元共治局面提供支撐。
應用案例
基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案目前已在山東省淄博市某化工企業進行了實際應用。該企業目前主要使用的能源類型包括:原煤、電、天然氣、蒸汽,其中:企業利用工業水進行自發電,部分電力上網,同時有外供蒸汽給周邊企業使用。部分能源數據已經采集到企業自建的 MES 系統中。
根據企業實際情況,結合有關政策要求,在平臺總體方案的基礎上,研究提出了符合企業需求的能源在線監測方案,如圖4所示。在邊緣采集側,部署能耗監測終端,與企業的 MES 系統進行對接,通過 RJ45 接口實現能耗數據的采集，同時終端通過有線網絡/4G/無線局域網等數據通訊模式將能耗數據定時發送到能耗在線監測平臺。在云服務平臺側，主要面向企業、節能安全監管部門，以軟件即服務的模式開展信息技術服務。
圖4 應用企業部署架構圖
（1）面向企業的云服務。企業登錄能耗在線監測平臺,開展企業能耗信息化管理，對本企業實時能耗情況、計量器具情況等進行管理，對企業歷史能耗情況、能耗趨勢等進行分析,形成各類預警信息,如企業能耗指標預警、節能量預警、能源儲備預警等并為企業提出安全生產和能源使用的具體改進措施提供數據支撐。如:針對企業各類能耗比例進行同比或環比分析,結合企業生產情況進行分析，發現企業能耗過程中的問題提出生產或能源使用的改進措施。
（2）面向節能安全監管部門的云服務。依托平臺實現企業能耗信息的匯聚和分析,為節能安全監管部門開展管理提供數據化和平臺化支撐。如:監管部門可通過分析企業的能耗數據,分析行業和企業能源結構,為能源管理決策和規劃提供支撐。
4、安科瑞企業能源管控系統概述
安科瑞企業能源管控系統采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業加強能源管理，提能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。
5、應用場所
鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、造紙、化工、物流、食品、水廠、電廠、供熱站、軌道交通、航空工業、木材、工業園區、醫院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產品、工器具制造等離散制造業。
6、系統結構
現場通過廠區局域網和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。
系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。
現場設備層：主要是連接于網絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構建該配電、耗水、耗氣系統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。
網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。
平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。
平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：
7、系統功能
平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理。實時監測企業各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業加強能源管理，提能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。
在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。
用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業及各區域的能耗折標、產值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區域展示該區域的分類能耗、產值等相關信息。
7.3首頁
首頁展示峰谷平用電、變壓器情況、年能耗趨勢、單耗趨勢、分類能耗等企業級統計數據。
對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。
能源實時監控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監測，確保用能環節的持續穩定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網絡圖、能源計量網絡圖等功能。
能流圖：需要在能流圖上對水、電、氣的消耗情況進行實時展示；當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，同時支持APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗報警提示等；
配電圖：將配電房真實情況畫入配電圖，實時展示接入的門禁、水浸、電水氣等儀表的實時參數、門禁水浸狀態及能耗數據。
實時統計：實時統計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；
數據展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區域、不同設備的不同的能耗參數；
檢測：對能源報警信息進行集中顯示，可以對報警閾值信息進行相關處理操作，可以對報警參數進行在線設置，當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，具備APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗等報警提示；
接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。
展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。
展示各個水電氣儀表的實時參數變化，以曲線圖的方式展示。
將所有有關能源的能源參數集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現各個產業線的對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。
從能源使用種類、監測區域、車間、生產工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。
統計各個監測節點（工廠、車間）的當年、季度、月、周、日各類能源消耗費用，其中電包括峰電量、峰電費、谷電量、谷電費以及平均電量和平均電費。
與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。同時將產品單耗與行業/國家/國際指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。
對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、*時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力，評定能源消耗是否合理。
系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視。可直接從動態監測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。
用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產各種報表，查看企業各個節點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環比報表，支持導出報表。
提供能耗成本的圖形對比分析，包括分時段（日、月、年）的同比、環比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。
同比
環比
以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統計分析，讓用戶更加了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。
監控耗能設備運行、停機及異常狀態，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。
根據節點、能源分類，查詢各個節點線路上的能源損耗數據，及時發現能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。
按照區域對碳排放總量的變化趨勢進行統計，并進行同環比分析。對單位產值碳排放量進行計算，并結合減排指標實現超標預警，提升區域減排水平，促進碳達峰目標實現。
實時監測諧波含量、三相不平衡度、功率因數等，確保功率因數不低于供電局考核指標，避免被罰款和設備出現故障。
系統支持設備日常巡檢計劃、派工、消缺、報修、派工等設備運維管理，方便運行管理人員的制定巡檢計劃、派工，巡檢人員執行巡檢、完成工單、巡檢發現問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養需要。
針對于電氣正常開展、限電和能耗雙控，實現電參量異常報警、電氣火災隱患報警、能耗超標報警、限電報警等，幫助企業提前預警，避免發生火災事故和被罰款導致用能成本過。支持分級分類報警，可對報警進行派發與閉環處理。
可自定義時間段抄儀表的抄表值以及差值，可自定義抄表的分類分項。
可自定義時間段內各個拓撲節點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。
提供容需量報表，實時展示容量需量價格的變化情況，幫助企業實現容改需，降低基本電費。
對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析，為企業分時用電，優化成本效益提供數據支持。
對國標、能源管理制度、能源指標體系等文件進行歸檔，可快速查詢相關文檔。對儀表臺賬進行系統管理，支持文件的上傳和下載。
對場景進行虛擬仿真，展示各區域運行及能源消耗情況，可實現分層預覽、轉場展示、風格切換、智能巡檢等效果，支持模型與監測點位的自定義綁定。
對各動力子系統進行虛擬仿真，展示子系統的動力管線、設備的實時狀態及能源消耗情況，可實現動態的能源流向效果。
可通過圖形化的編輯方式自定義組態圖，展示設備運行狀態及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監測數據。
可通過圖形化的操作方式自定義駕駛艙，以折線圖、餅圖、表格等圖形展示采集數據及各類統計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。
對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節點、能源、公示、及相關參數進行配置、修改、刪除等管理、進行用戶添加和授權管理、合同管理。
APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、產線比對、效率分析、同環比分析、能耗折標、事件記錄、運行監視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。
8、結語
基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案基于國家政策導向、行業節能需要、企業管理實際研究提出。在總體方案的基礎上，重點研究設計了基于物聯網和云計算的能耗監測終端、能耗在線監測平臺等支撐性的軟硬件系統，實現能耗數據實時動態采集、監測以及分析、預警等功能。平臺方案和技術產品在典型化工企業能耗管理中得到了實踐應用，滿足了企業提運行管理水平、政府強化能源管理等各方需求,具有較好的推廣應用前景。
參考文獻
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作者簡介：翟雪玲，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為工業能源管理系統。
