淺談工礦企業的能耗監測系統

淺談工礦企業的能耗監測系統

盛桂萌

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

摘 要：本文提出采用計算機輔助的能耗監測系統，有效了解能耗的實時數據和動態分布況，為能耗統計和節能管理等服務提供重要的基礎數據。

關鍵詞：能耗監測 GPRS 無線通信 監測系統

.       引言

傳統的工礦企業中，各種能源的消耗一直處于粗放的管理模式中，工礦企業的高耗能問題尤為突出。統計數據顯示，工礦企業單位能源損耗是民用的5～20 倍。因此，工礦企業的能

耗管理對整個社會的節能減排具有重要意義。利用現代化的計算機技術，完成工礦企業的能耗監測平臺建設，實現對用電量大廠礦企業的能耗動態監測，可以加強對其節能運行管理，推動其建立和完善能效測評、用能標準、能耗統計、能源審計、能效公示等制度。

.       系統架構及組成

.       系統功能框架圖

加強企業資源環境管理，調動職工節能減排積極性加強企業資源環境管理是發展循環經濟的基礎。一方面，公司切實貫徹落實企業環境管理方針和環境管理目標，在很大限度地減少固體廢棄物排放的同時，加強對固體廢棄物管理。幾年來，公司生產過程中產生的固體廢渣全部外售給水泥生產企業作為原料，成為可重新利用的寶貴資源。同時，由于大量的固體廢渣不需要在廠內占地堆放，也有利于廠區環境的治理與改善，促進了企業的清潔化生產。另一方面，公司加強企業原料、能耗管理，嚴格執行相關的獎懲制度。公司通過建立健全資源節約的管理制度，加強資源消耗的定額管理、計量管理、成班主任崗位責任制及計量統計核算制度，健全有效的激勵和約束機制，完善各項考核制度，調動職工參與企業推行循環經濟、開展節能減排的積極性。

圖一

工礦企業的能耗監測系統（系統 架構見圖 1）一般按照行政級別構建 自上而下的應用系統。同時，通過防 火墻隔離內網和外部互聯網絡，為不同類型的用戶提供不同的能耗數據 服務。業務開發人員、研究人員、系統 維護人員以及公眾用戶都可以通過 該系統查看所需要的數據。中心上傳數據，市級數據中心需要向 省級數據中心上傳數據。省、市級數 據中心系統的數據上傳工作流程如 圖 2 所示。

.       應用層概述 應用層包括消息管理、信息服 務、分析展示和后臺管理等大類，每 類中又包含相關子系統。軟件設計采 用松耦合模式，為系統擴展性奠定基 礎。 數據采集。該部分需要整合大量 的基礎數據，其接受來源包括有線網 絡、無線網絡、工業總線等。該模塊對 上傳的數據進行數據校驗，臨時存儲 后，將數據轉發到數據處理子系統 中。 數據處理。該部分將采集數據進 行處理，包括協議的統一轉換，根據 每種能耗的計算規則，解析數據并計 算每種能源的單位消耗值。這是系統 中的重要組成部分，其中又包含數據 校驗、數據包接卸、歸一處理等幾個 步驟。 數據上報。數據處理模塊將數據 存入中間交換緩存中，數據上報模塊 啟動一個定時任務，自動調度將數據 庫中數據提取，并組織為 XML 應用層數據格式，上報給數據接收子系 統。 數據接收。數據上報后，接收子 系統再次進行校驗、解包、存儲，將數 據存入中心數據庫。 消息管理。該模塊用來負責各系 統之間的數據、信息交換服務。 數據展示和分析。該子系統對處 理后的分類數據進行匯總，通過圖形 方式進行展示，為后續分析提供參 考。 此外，還包含有工礦企業服務系 統、公眾服務系統、信息維護子系統 等，用來完成不同類型用戶的信息監 測、查詢需求。

.       數據處理流程

1.數據上傳 省級數據中心需要向部級數據中心上傳數據，市級數據中心需要向 省級數據中心上傳數據。省、市級數 據中心系統的數據上傳工作流程如 圖 2 所示。

數據打包。定時啟動數據打包程 序，從數據庫中抽取需要上報的數 據，按照接口標準封裝成 XML 格式 的數據包，并壓縮數據包。記錄操作 日志。 發起連接。向上一級數據中心服 務器發送握手消息，建立連接狀態。 如果連接不成功則再次發起連接。記 錄操作日志。 數據發送。調用上一級數據中心 的數據接收網絡服務，基于 SOAP 傳 輸協議將壓縮后的 XML 數據包發送 出去。如因網絡故障或繁忙等原因造 成發送失敗則定時重新發送，直到發 送成功。記錄操作日志。 目前，約定各級數據中心分時段 集中上傳上一日的數據包。今后，隨 著數據中心增多、各數據中心監測數 據量增大等情況變化，可以加大數據 傳輸頻率，減小數據包容量。 2.數據接收 部級數據中心需要接收省級數 據中心上傳的數據，省級數據中心需 要接收市級數據中心上傳的數據。 部、省級數據中心系統的數據接收工作流程如圖 3 所示

數據接收。數據接收方式為被動 接收，采用網絡服務技術實現，基于 SOAP 傳輸協議。接收成功后將數據包 解壓縮，還原為標準格式的 XML 數據 包。記錄操作日志。 數據校驗。數據校驗包括數據格 式校驗和數據內容校驗。數據格式校 驗主要對上傳的工礦企業與能耗信息 進行 XML Schema 校驗，校驗其是否 符合相關的格式要求；數據內容校驗 主要對上傳的企業與能耗信息中包含 數據的規范性及合理性進行檢測與分 析。校驗成功后進行數據處理，失敗則 結束本次接收操作。記錄操作日志。 數據處理。對上傳的企業與能耗 信息的 XML 數據進行解析以及數據 存儲至數據庫，并調用數據分析功能 對上傳數據進行統計分析，生成數據 倉庫記錄。記錄操作日志。 數據備份。對接收到的企業和能 耗數據以及附件進行備份。記錄操作日志

.       數據采集

數據采集集中器是監測系統的關 鍵部分，該模塊在邏輯上隸屬于數據 采集子系統，但在硬件和設備部署上 位于數據采集的前端，主要負責各種智能儀表的數據采集、協議轉換，各種 通訊接口的數據收取發送等。其實時 性和協議轉換的效率、接口的兼容性 等都關系到底層數據收集的準確性。 數據采集集中器的設計采用了主從式 方法。同時，在數據采集集中器中，采 用中間件的設計思想進行軟件移植層 的構建，從而使集中器能夠不局限于 一種硬件平臺實現，可以根據現場情 況選擇不同的硬件平臺進行軟件集成，很大限度保證了開發和集成的靈 活性。 1.架構及組成 系統層。包括基礎操作系統和驅 動程序，為上層應用建立基本的執行 環境。 設備可移植層。該軟件架構可以 在各種運行 Linux 的硬件設備上運 行，為保證此目的，設計設備移植層， 屏蔽底層系統的差異。 端口配置和管理。負責完成底層 相關接口的配置。通信接口實現了各 種通信參數的設置、讀取、清空、重新 應用等各種操作；同時，可以在端口上 綁定處理協議，從而使集中器可以正 確解析數據。 規約庫。協議規約庫中集中了多 種需要支持的設備通信規約，其設計 遵循統一的規約設計規范。規范中采 用松耦合模式構建了協議頭部、數據 區域、數據排列模式、數據校驗模式、 數據校驗位等屬性字段。采用該規范 設計完成協議庫的開發，即可動態擴 展集中器的功能。 協議動態加載模塊。該模塊負責 針對不同端口的配置，動態加載不同 的協議。一般來說，設備每次修改配 置，都會重新初始化該模塊，完成協 議和端口的重新綁定及加載，并通知 轉發處理模塊重新開始數據處理。 連接和轉發處理。該模塊將底層 轉換后的數據進行轉發，根據端口和 設備的配置選項，將數據從下行端口 轉發到配置的上行端口；也可以將幾個下行端口數據集中后，通過協議集中向上發送。 配置和轉發邏輯層。用以配置用戶數據的轉發模式、接口和協議的綁定等，是對外的主要用戶接口。 2.中間件設計模式 系統層。該層主要是既有系統的 資源，是實現移植層的基礎，也是硬件平臺提供直接的訪問接口。移植層。定義與硬件相關的移植接口，屏蔽底層硬件的差異；其設計遵循小集合的原則，接口采用 C 語言實現，但不使用任何系統的相關調用 方法。 中間層和業務框架層。該層是中間件系統的內部核心，包含了上述的數據轉發、協議加載、端口配置管理等 模塊。 業務接口層。實現用戶操控接口，使用此類接口，可以控制整個設 備的運行模式和數據協議處理方式。

五、平臺介紹

 1、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，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

2、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。

3、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：

4、工業企業能耗監測系統功能

   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，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。

（1）平臺登錄

   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。

（2）大屏展示

   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。

（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。

（4）數據監控

   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；

（5）視頻監控

   接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

（6）變壓器監控

   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。

（7）儀表實時監控

   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。

（8）能源中控

   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。

（9）用能統計

   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。

（10）成本分析

   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。

（11）產品單耗統計

   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。

（12）績效分析

   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。

（13）運行監測

   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。

（14）自定義能耗報表

   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。

（15）同比、環比

   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

（16）分析報告

   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。

（17）能耗設備用能

   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。

（18）線損分析

   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。

（19）碳排放管理

   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。

（20）電能質量監測

   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。

（21）運維管理

   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。

（22）報警管理

   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高。支持分級分類報警，可對報警進行派發與閉環處理。

（23）能耗抄表

   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。

（24）能耗分析自定義時間抄表

   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。

（25）容需量報表

   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。

（26）復費率報表

   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。

（27）文檔管理

   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。

（28）3D可視化大屏

   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。

（29）3D子系統

   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。

（30）工業組態

   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。

（31）自定義駕駛艙

   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。

（32）基礎數據管理

   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。

（33）手機APP

         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。

（34）知識產權證書

5.系統硬件配置

六、結語

   本文基于自動化設備和計算機系統構 建的工礦企業的能耗監測系統，可以 為業主用戶提供能耗情況的報告，為 其節能提供參考數據。其中，數據采集 集中器的設計方法，可以滿足現場多 種類型設備的數據采集和協議轉換。 該系統可以成為節能減排控制系統的 基礎系統和子系統存在，為其提供基 本的實時數據來源。

參考文獻

.       曾向紅（中國計算機函授學院）《工礦企業的計算機能耗監測系統》

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[5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版。