基于物聯(lián)網(wǎng)技術的能耗在線監(jiān)測平臺的架構設計與應用

摘要：圍繞工業(yè)生產(chǎn)等領域節(jié)能降耗實際需求，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)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;研究設計能耗監(jiān)測終端，支持多種工業(yè)總線及工業(yè)協(xié)議，實現(xiàn)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(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)采集;研發(fā)能耗在線監(jiān)測平臺，實現(xiàn)能耗實時監(jiān)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)開展了應用示范，切實為企業(yè)提高運行管理水平、強化能源管理提供支撐。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 能耗 實時監(jiān)測

0 引言

   能源是人類社會發(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。隨著節(jié)能工作向系統(tǒng)化、精細化、信息化方向發(fā)展，節(jié)能領域運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術手段深挖、細挖節(jié)能潛力成為必然趨勢。針對家戰(zhàn)略規(guī)劃落地以及工業(yè)企業(yè)等行業(yè)節(jié)能降耗的實際需求，家有關部門聯(lián)合印發(fā)了《用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設工作方案》，對于能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)采用“家平臺 + 省級平臺 + 用能單位接入端系統(tǒng)”的架構;同時，水泥等行業(yè)已針對運行技術開展了能耗監(jiān)測和能源管理系統(tǒng)的研究、應用的探索。通過對已有能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究，企業(yè)級能耗監(jiān)測系統(tǒng)是基礎，其關鍵是能耗監(jiān)測終端的功能和性能實現(xiàn);平臺級能耗監(jiān)測系統(tǒng)是支撐，其關鍵是如何為企業(yè)、節(jié)能主管部門等提供信息服務的支撐，實現(xiàn)較大的資源共享和可持續(xù)、標準化的服務體系建設。

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

1 平臺總體方案

   基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺總體方案架構如圖 1 所示，該方案從采集層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層、應用層等層面，對實現(xiàn)能耗監(jiān)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(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現(xiàn)對能源消耗數(shù)據(jù)的采集、對能源計量器具的識別和動態(tài)管理。

目，能耗數(shù)據(jù)的采集主要基于三種方式實現(xiàn):是通過傳感器、數(shù)據(jù)采集器等設備實現(xiàn)現(xiàn)場級數(shù)據(jù)采集，支持多種不同協(xié)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(shù)據(jù)采集;二是通過與 PLC、DCS、OPC 服務器等管理系統(tǒng)對接實現(xiàn)控制級數(shù)據(jù)采集;三是部分無法通過在線采集方式獲取的能耗數(shù)據(jù)，通過手工填報方式采集。為減少平臺端數(shù)據(jù)處理的壓力，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)拆分、清洗，將來自不同儀表、不同傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成平臺可以識別的標準協(xié)議數(shù)據(jù)，經(jīng)過解析和校驗，進行歸化處理，傳輸至平臺端。

圖 1 平臺總體方案架構

(2)網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層主要包括互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)有線或無線網(wǎng)絡、端系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)庫等。采集層的能源消耗數(shù)據(jù)采集以后，在網(wǎng)絡層進行初步解析、校驗和存儲，并隨時準備上傳數(shù)據(jù)層。網(wǎng)絡層作為采集層和數(shù)據(jù)層的中間層，起到承上啟下的作用。

(3)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)對采集上傳數(shù)據(jù)的進步處理、存儲等操作。依據(jù)各行業(yè)數(shù)據(jù)采集指南中數(shù)據(jù)驗證要求，采集數(shù)據(jù)時對接入數(shù)據(jù)進行驗證，判斷其數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)是對企業(yè)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(shù)據(jù)層匯總分析的數(shù)據(jù)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(jié)能監(jiān)管部門，提供相關數(shù)據(jù)報表，實時監(jiān)測企業(yè)能耗情況，進步細化和落實節(jié)能任務，逐步形成系統(tǒng)化、信息化的能源消耗監(jiān)管體系;面向用能企業(yè)，提供更化的生產(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;面向社會大眾，及時提供較新的節(jié)能信息，推廣節(jié)能技術產(chǎn)品，提高全社會節(jié)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(shù)據(jù)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(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的實時采集。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，主要實現(xiàn)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(xiàn)，以及終端的長時間運行。

(2)通訊模塊。通訊模塊支持數(shù)據(jù)采集通訊、以及終端與平臺間的數(shù)據(jù)通訊。終端支持RS485總線以及 MODBUS、OPC 等工業(yè)協(xié)議，實現(xiàn)與電表、油表、水表、氣表、煤氣表等能耗計量設備的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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;同時平臺通過該以太網(wǎng)接口，實現(xiàn)對終端的遠程監(jiān)控和配置功能，包括:外網(wǎng)主機部分的上傳地址、采集點信息、計算公式等參數(shù)的配置以及安裝、卸載、升級等操作。

圖 2 能耗監(jiān)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(shù)據(jù)經(jīng)過 HTTPS 協(xié)議加密，如果傳輸超時或失敗，設備將重發(fā)數(shù)據(jù)，直到接收成功反饋消息，防止因為斷電、網(wǎng)絡異常等意外事故導致的數(shù)據(jù)丟失。

(4)安全管理單元。設備采用“內(nèi)網(wǎng)主機 + 外網(wǎng)主機 + 安全數(shù)據(jù)交換單元”的“獨立雙主機 2+1”架構，其中，安全數(shù)據(jù)交換單元不同時與內(nèi)外網(wǎng)主機連接，以此將內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)隔離，防止企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)泄露和外部病毒木馬程序入侵，保證數(shù)據(jù)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(jiān)控數(shù)據(jù)以及設置參數(shù)等操作。

2.2平臺軟件設計與研發(fā)

能耗在線監(jiān)測平臺是面向企業(yè)、節(jié)能安全監(jiān)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(tǒng)、子系統(tǒng)、公眾服務子系統(tǒng)，基于B/S三層架構、asp．net 技術開發(fā)實現(xiàn)(圖3)。

圖 3 平臺功能框圖

2.2.1監(jiān)管子系統(tǒng)

監(jiān)管子系統(tǒng)主要面向區(qū)/市/省相關部門，提供能耗監(jiān)測、能效分析、節(jié)能管理、計量管理等功能。

(1)能耗監(jiān)測。提供對用能單位的能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)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(tǒng)計分析;基于GIS的企業(yè)和區(qū)域能耗分析，并形成圖表等可視化表示形式;服務各級節(jié)能部門的數(shù)據(jù)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(jiān)測、地區(qū)、行業(yè)及產(chǎn)品的角度進行能效的統(tǒng)計分析功能，基于歷史能效指標狀況預測能效趨勢。

(3)節(jié)能管理。提供總量及強度控制、節(jié)能業(yè)務管理、節(jié)能監(jiān)察、節(jié)能標準法規(guī)與技術產(chǎn)品發(fā)布等功能;對能源“雙控”指標進行分配并對節(jié)能形勢進行分析和預測預警;對企業(yè)管理崗位、主要負責人進行備案;提供節(jié)能公司和節(jié)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(shù)、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(tǒng)

用能單位管理子系統(tǒng)主要為企業(yè)用戶提供相關能耗數(shù)據(jù)、計量器具、政策法規(guī)等信息的維護查詢。

(1) 能耗監(jiān)測。對能耗監(jiān)測終端采集的煤、油、水、電、氣、汽等實時能耗數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，實現(xiàn)。

(2)能效分析。企業(yè)內(nèi)部能耗數(shù)據(jù)，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(yè)與同行業(yè)其他企業(yè)進行相應節(jié)能指標的對比分析和改進指導。

(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(tǒng)計各報警類型的報警次數(shù)和報警時長，為企業(yè)開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、計量等情況進行記錄和管理，從而提升企業(yè)能耗監(jiān)測的準確性和有效性。

(6)能源管理標準規(guī)范查詢。方便企業(yè)及企業(yè)人員實時在線查詢家有關法律法規(guī)、政策文件、標準規(guī)范等資料。

2.2.3公眾服務子系統(tǒng)

公眾服務子系統(tǒng)主要面向社會公眾提供服務，具備發(fā)布相關的政策法規(guī)、標準規(guī)范、新聞動態(tài)、節(jié)能技術產(chǎn)品等信息的功能，是平臺的門戶窗口，為實現(xiàn)節(jié)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)的能耗在線監(jiān)測平臺總體方案目已在山東省淄博市某化工企業(yè)進行了實際應用。該企業(yè)目主要使用的能源類型包括:原煤、電、天然氣、蒸汽，其中:企業(yè)利用工業(yè)水進行自發(fā)電，部分電力上網(wǎng)，同時有外供蒸汽給周邊企業(yè)使用。部分能源數(shù)據(jù)已經(jīng)采集到企業(yè)自建的 MES 系統(tǒng)中。根據(jù)企業(yè)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(yè)需求的能源在線監(jiān)測方案，如圖4所示。在邊緣采集側，部署能耗監(jiān)測終端，與企業(yè)的 MES 系統(tǒng)進行對接，通過RJ45 接口實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的采集，同時終端通過有線網(wǎng)絡/4G/無線局域網(wǎng)等數(shù)據(jù)通訊模式將能耗數(shù)據(jù)定時發(fā)送到能耗在線監(jiān)測平臺。在云服務平臺側，主要面向企業(yè)、節(jié)能安全監(jiān)管部門，以軟件即服務的模式開展信息技術服務。

(1)面向企業(yè)的云服務。企業(yè)登錄能耗在線監(jiān)測平臺，開展企業(yè)能耗信息化管理，對本企業(yè)實時能耗情況、計量器具情況等進行管理，對企業(yè)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(yè)能耗指標預警、節(jié)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措施提供數(shù)據(jù)支撐。如:針對企業(yè)各類能耗比例進行同比或環(huán)比分析，結合企業(yè)生產(chǎn)情況進行分析，發(fā)現(xiàn)企業(yè)能耗過程中的問題，提出生產(chǎn)或能源使用的改進措施。

圖 4 應用企業(yè)部署架構圖

(2)面向節(jié)能安全監(jiān)管部門的云服務。依托平臺實現(xiàn)企業(yè)能耗信息的匯聚和分析，為節(jié)能安全監(jiān)管部門開展管理提供數(shù)據(jù)化和平臺化支撐。如:監(jiān)管部門可通過分析企業(yè)的能耗數(shù)據(jù)，分析行業(yè)和企業(yè)能源結構，為能源管理決策和規(guī)劃提供支撐。

4 安科瑞用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)概述

工業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)是個集成Intranet/Internet網(wǎng)絡技術、GPRS無線傳輸技術、Web Service軟件技術、數(shù)據(jù)庫技術等于體的大型數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)為管理者、各級能耗內(nèi)部用戶、瀏覽者提供了個訪問的網(wǎng)絡通道，搭建了個合理、信息傳輸平臺和管理平臺。工業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應用為管理部門、企業(yè)生產(chǎn)管理、計量管理、節(jié)能管理提高到個新的高度，是我們對節(jié)能減排、節(jié)能降耗實現(xiàn)的種行之有效的解決方案。

能源組成及監(jiān)測內(nèi)容：

圖5 能源組成

圖6 監(jiān)測內(nèi)容

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

配電類：采集6kv/10kv配電開關設備、變壓器，狀態(tài)信號、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電能質(zhì)量、電能量等。

用水：自來水和蒸汽；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(shù)：采集具有485通訊功能的溫度/濕度計；采暖空調(diào)供回水溫度；

4.2系統(tǒng)框架

圖7 系統(tǒng)框架

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

(2)能源利用狀況信息報送系統(tǒng)

用能企業(yè)可通過該系統(tǒng)將企業(yè)本年度的《能源利用狀況報告》，報送至市節(jié)能監(jiān)察中心，經(jīng)初審核后，上傳至省節(jié)能監(jiān)察總隊審核，而后上報家有關部門。

(3)單位能耗水平識別評價系統(tǒng)

利用用能單位能耗數(shù)據(jù)，對企業(yè)用能狀況進行分析評價，查找問題。為節(jié)能管理部門掌握、分析信息和研究節(jié)能改造并制定相關政策措施提供科學的依據(jù)和平臺。

(4)決策服務和專家咨詢服務系統(tǒng)

系統(tǒng)提供直觀、簡明、快捷的數(shù)據(jù)信息查詢和決策支持服務。對用能企業(yè)的能耗進行科學、合理的咨詢指導，幫助用能企業(yè)做出及時、正確、可行、有效的解決方案。

(5)能耗預測、能源安全預警系統(tǒng)

通過系統(tǒng)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。

在獲取能源使用的基礎上，進行數(shù)據(jù)挖掘分析，實現(xiàn)能耗的預測分析功能，為相關部門的宏觀決策提供支撐體系。

(6)節(jié)能監(jiān)察及信息發(fā)布、法律法規(guī)知識培訓系統(tǒng)：

通過該系統(tǒng)平臺，可對省耗能企業(yè)做節(jié)能監(jiān)察工作；發(fā)布節(jié)能法律法規(guī)標準以及能源基礎知識、能源統(tǒng)計知識、節(jié)能監(jiān)測方法等資料；處理日常節(jié)能管理工作相關的公文、通知、公告等。

4.3系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

 系統(tǒng)把數(shù)據(jù)信息從各個企業(yè)的能源監(jiān)控中心采集到后臺的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，經(jīng)分析與處理，提供分析預測和預警功能。同時通過門戶網(wǎng)站、無線終端等手段為省、市領導以及相關委辦局提供了多方位、可視化的便捷服務。

圖8 系統(tǒng)結構

4.4能耗監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品選型

5.結論

   基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺總體方案基于家政策導向、行業(yè)節(jié)能需要、企業(yè)管理實際研究提出。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(jiān)測終端、能耗在線監(jiān)測平臺等支撐性的軟硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)實時動態(tài)采集、監(jiān)測以及分析、預警等功能。平臺方案和技術產(chǎn)品在典型化工企業(yè)能耗管理中得到了實踐應用，滿足了企業(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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[2]楊作明，張治東，李娟，李良.基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺研究與應用.工業(yè)安全與環(huán)保，2019

作者簡介：繆建梅，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護器的研發(fā)與應用