摘要：圍繞工業(yè)生產等領域節(jié)能降耗實際需求，提出基于物聯(lián)網的能耗在線監(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)的能耗數據采集;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 能耗 實時監(jiān)測

0 引言

能源是人類社會發(fā)展的物質基礎，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、大數據等信息技術手段深挖、細挖節(jié)能潛力成為必然趨勢。針對戰(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，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“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)已針對運行先進技術開展了能耗監(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，探索我國行業(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、網絡層、數據層、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)對能源消耗數據的采集、對能源計量器具的識別和動態(tài)管理。

目前，能耗數據的采集主要基于三種方式實現(xiàn):一是通過傳感器、數據采集器等設備實現(xiàn)現(xiàn)場級數據采集，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(tǒng)對接實現(xiàn)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(xié)議的數據轉換成平臺可以識別的標準協(xié)議數據，經過解析和校驗，進行歸一化處理，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(lián)網、企業(yè)有線或無線網絡、端系統(tǒng)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(xiàn)對采集上傳數據的進一步處理、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(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(jié)能監(jiān)管部門，提供相關數據報表，實時監(jiān)測企業(yè)能耗情況，進一步細化和落實節(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)，提供更優(yōu)化的生產方案，為企業(yè)提高能源利用效率、降低生產成本、減少能源浪費提供支撐;面向社會大眾，及時提供較新的節(jié)能信息，推廣節(jié)能技術產品，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(xiàn)能耗數據的實時采集。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(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據接口，實現(xiàn)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(lián)互通;同時平臺通過該以太網接口，實現(xiàn)對終端的遠程監(jiān)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。

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，上傳數據經過 HTTPS 協(xié)議加密，如果傳輸超時或失敗，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(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(jiān)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據的統(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(jiān)測、地區(qū)、行業(yè)及產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、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據、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、汽等實時能耗數據進行監(jiān)測，實現(xiàn)。

(2)能效分析。企業(yè)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(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(tǒng)計各類型的次數和時長，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)網的能耗在線監(jiān)測平臺總體方案目前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)目前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，同時有外供蒸汽給周邊企業(yè)使用。部分能源數據已經采集到企業(yè)自建的 MES 系統(tǒng)中。根據企業(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(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)提出安全生產和能源使用的具體改進措施提供數據支撐。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據化和平臺化支撐。如:監(jiān)管部門可通過分析企業(yè)的能耗數據，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)是一個集成Intranet/Internet網絡技術、GPRS無線傳輸技術、Web Service軟件技術、數據庫技術等于一體的大型數據綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)為管理者、各級能耗內部用戶、瀏覽者提供了一個訪問的網絡通道，搭建了一個合理、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)生產管理、計量管理、節(jié)能管理提高到一個新的高度，是我們對節(jié)能減排、節(jié)能降耗實現(xiàn)的一種行之有效的解決方案。

能源組成及監(jiān)測內容：

圖5 能源組成

圖6 監(jiān)測內容

用電類：采集采暖、鍋爐、空調、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、電能質量、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：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(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進行定期錄入和實時采集，并將收集到的能耗數據進行整理存儲，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(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，經初審核后，上傳至省節(jié)能監(jiān)察總隊審核，而后上報有關部門。

(3)單位能耗水平識別評價系統(tǒng)

利用用能單位能耗數據，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、快捷的數據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)全面掌握用能企業(yè)能源購置、使用、消耗及生產情況，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。

在全面獲取能源使用的基礎上，進行數據挖掘分析，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)做全面節(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)網絡結構

 系統(tǒng)把數據信息從各個企業(yè)的能源監(jiān)控中心采集到后臺的數據庫系統(tǒng)，經分析與處理，提供分析預測和預警功能。同時通過門戶wang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)產品選型

5.結論

基于物聯(lián)網的能耗在線監(jiān)測平臺總體方案基于政策導向、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)能耗數據實時動態(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前景。

【參考文獻】

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