基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)：設(shè)計與實施策略

摘 要：針對工業(yè)制造企業(yè)存在高能耗、高污染的問題，提出了一種用于工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控的多層級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本系統(tǒng)可完成企業(yè)內(nèi)部電力、水資源以及燃氣等能源消耗的智能監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果存儲至Web服務器和后臺數(shù)據(jù)庫，在前端用戶交互面板顯示，以實現(xiàn)對企業(yè)能耗系統(tǒng)化的監(jiān)控和管理目標。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)（IoT）；工業(yè)企業(yè)；能耗監(jiān)控。

0 引言

無線或有線傳感裝置、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中的應用，可通過不同能耗設(shè)備工作狀態(tài)、實時能耗等指標來構(gòu)建企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)，制定一套企業(yè)能耗監(jiān)控、節(jié)能管理的系統(tǒng)化解決方案，并監(jiān)測能耗數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信息處理以及實時能耗反饋。因此，在物聯(lián)網(wǎng)感知層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層的多層系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，加強能耗數(shù)據(jù)感知與采集、統(tǒng)計分析、監(jiān)控結(jié)果顯示，實現(xiàn)基于關(guān)系模型工業(yè)企業(yè)能耗的實時監(jiān)控、問題處理的目標。

1 公共建筑能耗情況分析

1 工業(yè)制造企業(yè)能耗監(jiān)控中的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 環(huán)境信息感知設(shè)備

當前，工業(yè)制造企業(yè)能耗監(jiān)控使用的傳感裝置包含電量傳感器、測溫傳感器、ESR型燃氣傳感器、溫度隔離變送器以及水位計，用于多源環(huán)境信息的感知、采集與處理分析。而射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）技術(shù)往往通過電子標簽來記錄多種多樣的環(huán)境信息，可自動準確識別電力供電狀態(tài)信息、設(shè)備維護的操作信息。一旦系統(tǒng)開啟，便可實時監(jiān)控、記錄相關(guān)環(huán)境信息，并及時回傳至后臺處理。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

在工業(yè)制造企業(yè)的能耗監(jiān)控過程中，對于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境信息的感知、傳輸，通常更多用到無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、CC1100無線接收模塊、全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication，GSM）模塊，形成各節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信和資源共享。當前外部環(huán)境能耗監(jiān)控中運用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，包括 NSA/SA 通信技術(shù)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow BandInternet of Things，NB-IoT），其中NSA/SA為常見的5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和雙模通信模式，上行支持256正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）和HPUE、下行支持探測參考信號（Sounding Reference Signal，SRS）輪發(fā)，可滿足不同場景下的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸要求。而NB-IoT屬于小范圍空間的無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，主要依托于5G移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在企業(yè)不同生產(chǎn)設(shè)備中部署，包括網(wǎng)絡(luò)上行/下行基帶信號、獨立載波的部署，從而保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸和智能業(yè)務分配的控制。

1.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

利用物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)測系統(tǒng)和傳感器裝置接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息，通常會被傳送至多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行處理。而用于數(shù)據(jù)處理控制的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要分為互聯(lián)網(wǎng)信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）節(jié)點、有源CPS節(jié)點和無源CPS節(jié)點，其中互聯(lián)網(wǎng)CPS節(jié)點可針對海量化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息進行能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)計算、分析。而有源/無源CPS節(jié)點通過多個節(jié)點間的連接構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息控制中心，用于少量能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的處理和存儲。這樣對簡單能源消耗數(shù)據(jù)的處理可不再傳送至核心處理器即可完成處理計算。

2 物聯(lián)網(wǎng)感知與傳輸技術(shù)的組成框架結(jié)構(gòu)

議構(gòu)建具有工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)獲取、處理、傳遞、存儲與共享的多級結(jié)構(gòu)。因而，依托智能傳感器裝置、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)關(guān)服務器、后臺數(shù)據(jù)庫等軟硬件以及其他的可擴展組件，可完成物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組網(wǎng)，自動收集、整理和保存有關(guān)工業(yè)能耗的數(shù)據(jù)信息。當前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的組成框架包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層以及應用層等。

網(wǎng)絡(luò)層和控制層是物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分。其中，網(wǎng)絡(luò)層包含網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)關(guān)服務器、以太網(wǎng)卡、無線通信模塊以及控制輸出接口結(jié)構(gòu)，主要用于建立控制層和應用層間的網(wǎng)絡(luò)連接。物理層通信協(xié)議用于數(shù)據(jù)采集的控制，但難以保證數(shù)據(jù)傳輸、處理的安全性。而數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可對物理信道的傳輸使用進行控制、復制，并通過引入多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)處理技術(shù)讀取、寫入和分析載入數(shù)據(jù)信息。而控制層屬于感知層、網(wǎng)絡(luò)層的中間層級，通常將網(wǎng)絡(luò)傳感器收集的的各類能耗信息，經(jīng)由多功能電表、智能水表、燃氣表以及多個設(shè)備控制器，實現(xiàn)對傳感器采集信息傳輸、設(shè)備狀態(tài)信息、能耗監(jiān)控指令、能耗信息存儲與調(diào)用等功能控制，并將從網(wǎng)絡(luò)層返回的能耗數(shù)據(jù)信息存儲至后臺數(shù)據(jù)庫。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 工業(yè)企業(yè)的能源消耗分析

工業(yè)制造企業(yè)在日常生產(chǎn)經(jīng)營過程中通常會用到水、煤、電力以及燃氣等能源，其中煤炭、電力是工業(yè)生產(chǎn)制造消耗量至大的能源，但煤炭的利用效率僅為55%～70%、且對環(huán)境污染嚴重，因而近年來煤炭能源的用量顯著下降。特別對工業(yè)企業(yè)的電機驅(qū)動工序而言，通常會經(jīng)過熱處理、切削、成型、干燥、黏結(jié)及裝配等流程，并涉及能源消耗的分配、計量、監(jiān)測的控制環(huán)節(jié)。

3.2 工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)屬于互相獨立、分布式的監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺。通常采用瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)、JavaScript腳本語言，建立用于綜合能耗監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫管理控制的平臺。

首先，依托物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層包括紅外探測器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、流量計以及RFID智能識別卡等環(huán)境信息監(jiān)測裝置，以及多功能電表、智能水表、燃氣表的內(nèi)部控制設(shè)備。相關(guān)人員探測與采集企業(yè)內(nèi)部的環(huán)境信息和不同運行設(shè)備的能耗信息，智能識別水、煤、電力及燃氣的能源用量，并經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、紅外通信協(xié)議、RS485通信模塊與GSM通信模塊、網(wǎng)關(guān)服務器上傳至系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫進行處理。其次，由燈具、空調(diào)、風機以及切削車床等設(shè)備控制器，參與能耗節(jié)能管理的網(wǎng)關(guān)控制中，由特定設(shè)備控制器進行網(wǎng)絡(luò)層和感知層命令的傳輸控制，包括網(wǎng)絡(luò)層命令下發(fā)和感知層命令上傳。最后，利用NSA/SA通信技術(shù)、NB-IoT組網(wǎng)技術(shù)、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）、RS485無線通信模塊、433M通信模塊、GSM通信模塊自組網(wǎng)方式，設(shè)置多個生產(chǎn)設(shè)備的開啟和關(guān)閉時間，用于企業(yè)能耗狀態(tài)的實時監(jiān)控和遠程控制，以達到系統(tǒng)智能化的節(jié)能目標。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)企業(yè)系統(tǒng)能耗監(jiān)控管理功能實現(xiàn)

目前，工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)依托 B/S架構(gòu)、JavaScript腳本語言、無線通信協(xié)議、RS485總線、網(wǎng)絡(luò)計算機、數(shù)據(jù)庫服務器、平臺服務器以及用戶客戶端等設(shè)置數(shù)據(jù)采集、能耗監(jiān)控、節(jié)能管理以及系統(tǒng)管理模塊，可由每個區(qū)域獨立的監(jiān)控子系統(tǒng)為主導，開展企業(yè)系統(tǒng)管理環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控、能耗監(jiān)控、生產(chǎn)產(chǎn)能分析、設(shè)備控制以及節(jié)能管理等功能操作。

4.1 系統(tǒng)管理功能

工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)管理設(shè)置主要圍繞用戶訪問、操作權(quán)限、設(shè)備配置以及網(wǎng)元調(diào)試等服務功能，構(gòu)建用于系統(tǒng)基本信息配置、人員與操作管理的監(jiān)控模塊。

4.1.1 用戶管理

為保證外部用戶訪問的安全性，針對用戶注冊、登錄、信息訪問與調(diào)用的操作流程，使用Segment token數(shù)據(jù)表、token范圍的登錄信息驗證機制，由后臺服務器端開展用戶名和密碼的驗證，并生成用戶應用程序接口（Application Programming Interface，API）請求調(diào)用和token身份驗證的信息數(shù)據(jù)。

4.1.2 網(wǎng)絡(luò)防護與網(wǎng)元權(quán)限管理

工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)運營的權(quán)限管理包括網(wǎng)絡(luò)權(quán)限、網(wǎng)元權(quán)限以及功能權(quán)限等權(quán)限控制要素。在物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的管理過程中，應先收集通信網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)設(shè)備狀態(tài)信息，包括交換機、路由器及傳輸設(shè)備等運行狀況信息，實時監(jiān)視存在的網(wǎng)絡(luò)配置、設(shè)備異?；蚬收锨闆r，在此基礎(chǔ)上從遠程發(fā)送指令進行網(wǎng)絡(luò)傳輸通道設(shè)置、設(shè)備修改或刪除等重新配置。

4.1.3 能耗設(shè)備與視頻管理

基于不同物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的能耗信息，要通過內(nèi)部控制設(shè)備進行相關(guān)文檔、視頻和音頻數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控管理，如配置視頻攝像頭的焦距、焦點、亮度、色彩等信息，以及對紅外探測器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、流量計以及RFID智能識別卡等傳感裝置，完成設(shè)備運行狀態(tài)和詳細參數(shù)的合理監(jiān)測與管理。

4.2 能耗監(jiān)控功能

工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控的管理功能執(zhí)行主要面對園區(qū)內(nèi)的煤炭系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)，包括鍋爐制漿機、磨漿機、泵機以及作業(yè)塔等設(shè)備。將網(wǎng)關(guān)服務器收集的歷史能耗、實時能耗使用數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、導出與顯示，能耗監(jiān)控的時間間隔設(shè)為每次1h。

4.2.1 煤炭能耗監(jiān)控

在大數(shù)據(jù)云服務器和 B/S 網(wǎng)頁服務架構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用環(huán)境傳感器和智能能源監(jiān)控裝置搜集企業(yè)某一站點的煤炭用量和設(shè)備實時狀態(tài)信息，顯示當前時間的能耗數(shù)據(jù)、告警及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以統(tǒng)計表、柱狀圖和餅狀圖等形式展示用能信息，從而得出在某一時段內(nèi)的設(shè)備能耗值。

4.2.2 電力能耗監(jiān)控

企業(yè)生產(chǎn)運營的電力使用監(jiān)控主要是對廠區(qū)內(nèi)不同回路的電氣參數(shù)，包括采集、統(tǒng)計與記錄變壓器、變電站以及配電站等裝置所發(fā)生的電力耗能狀況，顯示與記錄故障自動報警和故障問題日志的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)變配電系統(tǒng)的實時監(jiān)測和控制功能。

4.2.3 供水使用能耗監(jiān)控

供水監(jiān)控系統(tǒng)通常設(shè)置兩個配水池，向企業(yè)提供生產(chǎn)恒壓供水和消防噴淋供水。這一情況下供水總管進入廠區(qū)后可分為兩路，分別與生產(chǎn)用水管網(wǎng)和消防用水管網(wǎng)的控制設(shè)備連接。為保證供水使用能耗的準確檢測，可以在配水池和總供水管路中同時設(shè)置水位計、流量計及壓力計等供水監(jiān)測裝置，實時監(jiān)測計量水池水位、供水水壓和供水流量。

4.2.4 天然氣能耗監(jiān)控

工業(yè)企業(yè)內(nèi)部存在眾多的熱源和隔壓站。對于各監(jiān)測點位的天然氣能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，通常使用分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，圍繞天然氣的生產(chǎn)消耗量和采暖消耗量來監(jiān)控天然氣瞬時流量、累計流量及傳輸壓力等數(shù)據(jù)信息。通過在某一時段內(nèi)啟停生產(chǎn)設(shè)備，利用天然氣門站計量裝置觀察傳感器、閥門執(zhí)行器和端設(shè)備的參數(shù)變化情況，將生成的實時天然氣流量和壓力傳回至后臺數(shù)據(jù)庫，并整合多設(shè)備燃氣使用狀態(tài)的數(shù)據(jù)和分類存儲，至大限度地保證能耗供需計劃和供需分配的合理性。

4.3 產(chǎn)能與節(jié)能管理功能

根據(jù)每臺機器的生產(chǎn)班次和班次產(chǎn)能，工業(yè)企業(yè)搜集、統(tǒng)計與錄入分析生產(chǎn)的產(chǎn)能信息。在接收生產(chǎn)工作后由管理人員參與，統(tǒng)計每個班次產(chǎn)能信息、生成能耗與產(chǎn)出的統(tǒng)計對比表，得出某一時段內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)能趨勢圖和能耗變化趨勢圖，并依次錄入以上的產(chǎn)能及能耗數(shù)據(jù)信息，以反映企業(yè)每個產(chǎn)出生產(chǎn)班次的能耗效用高低。

5 AcrelCloud-5000安科瑞能耗管理系統(tǒng)解決方案

為貫徹落實國發(fā)[2007]15號的精神，住建部印發(fā)《關(guān)于印發(fā)國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)相關(guān)技術(shù)導則的通知》（建科[2008]114號），組織編制“國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)"一系列技術(shù)導則及驗收標準。這些導則統(tǒng)一了能耗數(shù)據(jù)的分類、分項方法及編碼規(guī)則，實現(xiàn)了分項能耗數(shù)據(jù)的實時采集、準確傳輸、科學處理、有效儲存。我司AcrelCloud-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)嚴格按照導則要求開發(fā)，符合導則要求的各項技術(shù)要求。

6 系統(tǒng)架構(gòu)

計量層：主要安裝各種類型計量儀表（電表、水表、燃氣表、冷熱量計等）；支持RS485、LORA、4G直傳等方式。

傳輸層：傳輸層核心是使用ANet系列網(wǎng)關(guān)；主要特點是支持斷點續(xù)傳、支持多種協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)機密傳輸。

服務層：能耗系統(tǒng)的中心，主要用于接收網(wǎng)關(guān)或4G終端傳輸?shù)臄?shù)數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)，為用戶訪問提供數(shù)據(jù)接口。

展示層：主要為用戶提供訪問平臺數(shù)據(jù)的功能，支持跨平臺訪問，用戶可以使用PC瀏覽器、手機APP隨時了解項目能耗情況。

7 系統(tǒng)主要功能介紹

7.1 綜合看板

包含GIS地圖，可用顯示所有建筑的分布情況。針對建筑本周與上周用能出現(xiàn)增加或下降的情況，分別用紅色和藍色圖表表示。平臺可按照單位面積能耗與折標綜合能耗顯示當前平臺的建筑信息。平臺可顯示平臺接入儀表數(shù)量、平臺接入建筑總面積、平臺接入建筑上月總能耗等。同時，該頁面還有針對不同維度數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果展示。

7.2 單建筑能耗對比分析

單建筑能耗主要是針對單一建筑進行建筑分類分項能耗數(shù)據(jù)分析，分類分項嚴格按照平臺的標準與要求進行劃分，如圖中左側(cè)部分的樹形結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)可以按照表格、柱狀圖、曲線的形式進行展示統(tǒng)計。可以直觀觀察分類能耗與分項能耗的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是否正常。

7.3 多建筑對比分析

多建筑能耗分析主要是將多棟建筑的分類或分項用能情況放到統(tǒng)一界面中?？砂粗饡r、逐日、逐月、逐年的方式查看選中建筑的分了或分項數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過曲線圖或表格形式展示。

7.4 數(shù)據(jù)異常判定

平臺接入并維護多棟建筑的數(shù)據(jù)，建筑現(xiàn)場情況多種多樣，為保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的運行以及數(shù)據(jù)的準確與可靠，平臺中增加了數(shù)據(jù)異常檢查功能，當數(shù)據(jù)檢查時不符合預定的情況時，及時產(chǎn)生報警并生成工單派發(fā)到維護管理人員郵箱中。

7.5 用戶報告

用戶報告主要內(nèi)容包含各分類能源消耗量的趨勢分析、對比分析、占比分析等，還包含數(shù)據(jù)異常統(tǒng)計情況與派單情況。

8 系統(tǒng)硬件配置

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為互聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)業(yè)的新興技術(shù)，通常會運用外部信息感知的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，包括溫度傳感器、光電傳感器、聲音傳感器以及 RFID 射頻識別等軟硬件，采集工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中涉及的電力、水資源及燃氣等能源消耗數(shù)據(jù)。因此，針對工業(yè)生產(chǎn)的電力、水資源及燃氣等能源消耗，可通過傳感設(shè)備信息獲取和標簽讀寫的方式采集能耗數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)信息，并設(shè)置多個設(shè)備控制端口，監(jiān)測與反饋企業(yè)的實時能耗，可滿足國家規(guī)定的企業(yè)節(jié)能降耗的控制要求。

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