智慧化工業能耗管理系統構建的平臺應用

摘要：能源是人類社會發展的重要推動力，能源缺乏，將導致人類無法正常開展生產生活活動。如果失去能源的支持，現代社會的運作將會直接癱瘓或崩潰。所以，為了解決目前日益嚴峻的能源問題，應采用有效的節能監測技術來促進能源的合理利用，從而達到節能減排的目的。文章對智慧化工業企業能耗監測管理系統的構成以及該系統的軟件特性進行研究，以期可以通過能耗監測管理系統的使用，讓能源的消耗量得到進一步節約。

   關鍵詞：智慧化；工業企業；能耗監測管理系統

   節能監測技術是節能減排、有效節能的重要支撐技術，當前能源資源日漸枯竭的緊張形勢下，節能意識的增強以及各行業對節能技術的需求不斷增加，使得節能技術的開發越來越受到人們的重視。工業企業能耗監測系統的構建是按照“統一規劃、分期分批”的原則構建，并按照有關規范及技術設計進行研發的，工業企業能耗監控系統的出現，將讓能源消耗量較大的工業企業發展得到進一步規范。

 

1、系統組成

1.1系統總體結構

   工業企業能耗監測系統的構建是按照“統一規劃、分期分批”的原則構建的，并按照有關規范及技術導則設計，本文介紹了該項目的總體設計思路、數據采集系統、監控網絡以及節能管理等內容，現以某工業企業能耗監控為例，說明該方案的可行性，并提出了今后需要進一步研究和改進之處，以保證工業企業能源檢測系統可以與時俱進地得到升級與優化。把工業企業能源監測與管理系統打造成技術功能完備，特色鮮明的工業企業能耗監控系統，非常重要且必要。

（1）工業企業能耗監測系統層

   利用工業企業能耗監測系統采集大量數據，可實現對工業企業能耗、設備的實時采集、分類、統計，為工業企業能耗監測活動開展提供了詳細的數據分析和科學的決策依據。通過構建一整套的企業能耗監控與管理系統，能夠有效地解決企業的節能管理和節能降耗工作落實中存在的問題，并降低工業生產對環境的污染。

（2）網絡通訊層

   通訊層主要由開關、路由器、串行服務器、光纖轉換器組成，通訊傳輸層包括：調制解調器和光傳輸模塊，通過這兩個部分可實現信號在不同通信通道之間的轉換，為各種器件提供良好的工作環境，并對各種器件進行控制與保護。通訊層為數據的交流提供了橋梁，同時也擔負起了服務器和現場設備間的通信數據傳輸的功能。

 

1.2系統體系架構

   我國是一個高耗能的，長期以來，能源利用率較低，只有33%，與世界上其他發達的能耗水平相差8%~10%。根據相關部門的測算，水平相比，單位產品的能源消耗和能源終端的能源消耗均達到了 3 億噸標準煤。因此，能源管理工作的落實與信息化進步緊密相關。在信息技術迅猛發展的今天，信息化已成為推動社會、經濟發展的重要力量。我國著眼于國民經濟的大發展，提出了要以信息化帶動工業化的決策，所以工業企業要充分發揮資源與資金上的優勢，提高產業競爭力。能源管理中重要也是應用較廣的就是信息系統體系結構，它通過計算機網絡及各種數據通信技術來實現對整個能源系統的有效控制。

（1）集成平臺層

   集成平臺層是一個集應用和運行于一體的開放綜合平臺，為能源監控提供了一個較為開闊的信息共享與處理環境。它包括基礎層、應用服務器層、中間件層和應用層。其中應用集成與應用層又包括三個層次：用戶接口層、業務邏輯層和資源管理層。此外，該系統使用統一的工業技術標準，為操作系統、網絡、數據庫等各種設備的信息存取和交互方式提供了接口，使各種應用系統可相互接通并實現有效融合。集成平臺層提供的用于數據分享的統一機制和設備能夠支持應用程序間的協作，并為各類系統的功能二次開發提供了一個整體框架。

（2）應用層

   系統集成平臺可以對能源管理的各類應用的穩定運作提供總控平臺，如：數據采集、監測、公共數據平臺、能源管理、配電管理、調度員訓練模擬等應用的協同運作。

 

2、工業企業能耗監測系統功能

（1）數據采集

   集中管理采集器主要用于組態、校時、診斷和狀態監控。集中管理采集器主要由上位機軟件和下位機硬件組成，其中下位機硬件包括供電電源電路、時鐘控制電路、通訊接口電路、數據處理模塊、電源模塊。本系統能夠很好地與工業企業的過程管理系統兼容，充分利用工業企業網絡對水、電等數據的產生與變化進行準確采集，匯總并發送給其他數據整合系統，此外，該系統具有數據采集準確、傳輸的特點，能耗數據采集頻率為每次20min至3h，可以按要求進行設定。

（2）人機界面

   人機界面作為用戶與平臺系統互動的接口，在整個系統中占有舉足輕重的地位，它是用戶首先見到并使用頻率較高的環節。人機界面安裝了一、二次中文字庫，包括了光柵、向量和文字的輸入以及拼音、位置和五筆輸入。它能實現多種方式的人機交互，如鍵盤控制、鼠標控制和圖形用戶界面（GUI）控制等，具有良好的交互性和可移植性。同時，模塊化設計思想，讓其便于開發和維護。本系統具有大屏幕投影驅動、模擬屏驅動等多種功能。

（3）實時監測

   多層次能源消耗模式（包括地區模式、建筑模式）融合能源統計與能源消耗表等功能，能對采集到的數據進行處理后發出相應的控制命令，從而完成對實時監測數據和歷史數據的管理。另外，提供實時監測平臺架構和軟件功能框架，能對各個模塊進行詳細的說明并給出部分源代碼，并對系統開發中所涉及的關鍵技術及解決方案做簡要介紹，實現了對能耗的在線監控。界面采用的是直觀圖形界面，例如：柱形圖、餅圖、儀表板等，可對能源消耗量以及趨勢進行分析和顯示，并支持按小時、日、月、年的任意導航。

（4）數據統計

   數據統計可以按照不同的分類、不同的項目，實現對能源的每日、每周、每月、每年的數據分析，并能以不同的格式顯示出來。另外，可按照生產、系別和其他層級進行統計，根據使用者輸入的起始和終止時刻，對任意時間段的能源使用進行統計。在對系統的功能進行檢測時，可通過與公用部門的數據比對，來驗證系統與功能設計的合理性，同時也說明了數據統計可讓節能工作開展的更有針對性，能實現預期目標。

（5）能耗查詢

   工業企業能耗查詢系統具有良好的開放性與擴展性，能對能源記錄的可實施狀況進行查詢。針對單一區域、單一部門的綜合條件篩選后，按時序進行電力用電分析（以日為單位，以月為單位，以季為單位，以規定時間等為單位），繪制相關圖表，并生成不同的分析類型的數據報告。用戶可以根據不同的需要，選擇不同的能源消耗類型（水、電力、供熱）、工業企業（辦公大樓、能源使用單位、能源消耗單位、公共場所、宿舍），系統會生成豐富多彩的圖表與報表，并對數據進行分析，可采用折線圖、條形圖、餅圖、二維表等方式進行數據分析結果的展示。

（6）數據分析

   數據分析能夠分析工業企業的能源消耗趨勢，確定能源消耗的指標，并對能源消耗進行實時監測和分析。在此基礎上建立節能評估指標體系，并給出具體計算過程，可讓工業企業的能源消耗總量以及趨勢得到更為準確的監控，同時結合實際數據對各類設備的運行進行準確控制。另外，以工業企業為例進行實例應用，說明數據分析的方法具有可行性及實用性。數據分析具有強大的數據處理能力和數據分析功能，結果直觀形象，通過提供能源消耗的數據分析，來幫助科研人員開展相關研究工作，涵蓋的內容包括工作時間、非工作時段的能源效率的分析、夜晚待機能源消耗的分析等。通過對工業企業能源使用的規律進行分析，為能源使用異常狀況的監測提供了基礎數據，既實現各種方式的靈活監控，又可實現在工作狀態和非工作狀態下的能源探測數據融合。在此基礎上建立了基于大數據分析技術的能耗消耗異常檢測系統，通過采集建筑用電設備的運行狀態信息和利用數據挖掘算法，來挖掘用戶行為模式特征，并根據這些特征構建預測模型，分析同類型工業園區的能耗，并與其他工業企業能耗相比較，保證能耗指標可得到人員的科學調整。通過不同時段能耗的對比，能夠清晰地了解能源節能措施的作用，了解能源消耗的規律，并提出相應的節能對策。用VisualBasic6.0開發了能耗監測系統，該系統主要包括統計模塊和計算模塊兩個部分。趨勢曲線擬合歷史值較好，可在一定程度上反映時間軸變化。曲線支持多縱軸、多曲線顯示，可以為不同曲線設定不同縱軸，要支持多曲線在相同時間內進行比較分析，支持單、多曲線在不同時段內的比較和分析，支持曲線顯示設定。通過比較能源節能設計與建筑的實際能源消耗數值，可以評價和監控工業園區運作過程中的能源效率，從而實現能源消耗分析報告的編制，根據分析的內容，自動產生和輸出報表。同時，結合工程實例介紹基于WebService 技術的節能分析系統設計方法和開發過程。該系統采用 B/S 結構模式，ASP、NET作為開發工具。數據庫采用 SQLServer，通過對我國能源節能現狀的定量評價，可以對我國工業企業能耗節能的效益和能耗進行預測，從而達到提升節能、環保效果的目的。該系統具有能源審計數據錄入、輔助審計計算、能源審計報告的輔助生成和輸出的功能，能源消耗分析在工業生產領域的研究中占有舉足輕重的地位。

（7）能耗報警

   能耗報警支持多種類型的報警窗口，包括實時報警、歷史報警、查詢報警等。在一個報警庫內存儲有多個報警數據，每個報警數據對應一種報警方式，使用者可以通過歷史警報和查詢警報確認信息，并判斷是否存在新的警報事件。一個查詢窗口將與報警庫中的全部警報事件相聯系，當發生報警事件時，可從報警庫中查找相應的數據。報警信息包括報警時間、報警類型、報警內容等。能源報警系統支持能源消耗監測報警、能源消耗監測、能源跟蹤、電子郵件報警、短信報警，同時具備能耗報告提供、能耗記錄查詢等功能。根據不同報警類別設置不同的優先級，當報警提示出現時，其他報警會相應地給出響應，并在短時間內發出報警信號。此外，報警記錄采用主動式報警方式觸發警報，實現了高異常報警的快速響應。能源報警與其他能耗工業企業聯動時，一旦出現能源異常，系統就會自動發出警報。另外，系統還能對儀表的故障進行報警，并能將電子郵件和短信系統發送到工業企業內部部門，實現實時報警。

（8）定額管理

   工業企業能源指標的管理可以根據自然資源部、教育部、各地區的能源消耗、用水量的定額和實際的能源消耗統計數據，給出工業企業能源消耗的合理建議，并制定能源消耗的管理體系。建立工業企業能源基本資料的專用統計體系，從挖掘節約空間、建設節約工業企業、完善工業企業生產和能源設施等幾個方面建立能源分類統計體系，能源消耗統計體系，考核評價體系等，對各的節能效果實施量化考評。同時，還可配合以節約能源為核心指標的績效考核機制，對工業企業的能源消耗以及環境污染情況進行跟蹤式的監控。另外，可通過完善各項規章制度，加強過程控制，達到節能降耗目的。同時，通過多種統計表格的形式，對能源消耗進行公示，采用多種靈活的結算方法，實現對工業企業的定額管理。

（9）能耗分析子系統與能耗公示

   將不同部門采集到的大量數據進行分類匯總后，結合電力需求側管理（DSM）模型，建立一套基于大數據分析的能效預測系統，并在實際應用中取得了令人滿意的效果。通過對能源消耗的大量數據處理和分析，可生成各種統計圖表，實時顯示能源消耗的歷史數據，并可讓現有數據與歷史數據進行對比，甚至對未來能源消耗趨勢進行預測，實現對能源指標的合理評價，從而對能源消耗趨勢進行科學的管理。通過網絡向公眾公布各種能源能耗、節能等級及能耗結構，并為同類園區的節能等級進行排序。利用ASP、NET 技術，SQLServer 數據庫，基于B/S模式開發平臺進行系統總體設計和功能模塊劃，對系統關鍵技術做了闡述，隨后給出測試結果及結論，公布方式采用表格、餅圖、條形圖，界面直觀、形象，并支持用戶按需要進行數據周期的分配。

（10）電能計量子系統

   電能計量子系統可實現按戶、按項目、按類別的實時測量。根據用戶負荷曲線計算出相應的電量值，并按照規定的電價進行計費，從而達到引導人們科學用電、節約用電的目的，同時也能提高供電企業管理水平和經濟效益，具有很好的推廣應用價值。在此基礎上，本系統將以B/S為主要研究方向，應用業界普遍采用的實時通訊與數據采集技術，并與后臺數據庫相結合，實現對電力系統的實時監控與管理。通過電能計量子系統，還可以進行協作，實現對電力供應、成本支付、數據的統計和分析等過程的監控，為工業生產以及其他各部門的電力需求提供基本的供應保障。電能計量子系統包括：遠程數據采集、中繼數據的傳遞、后臺數據的處理、前端查詢的統計和管理，選用智能電子電能表對電能的使用量以及時段峰值進行數據收集與分析，其具備遠程數據接口以及標準的專用通訊協議，可直接監控整個工業企業的電力系統的基礎運作。

 

3、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、減碳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。

 

4、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。

 

5、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：

 

6、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；數據監控能源勘察，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，應用電量以免被罰款

（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

 

系統硬件配置

7、結束語

   文章論述了工業企業能耗監測系統的功能，所以在當前能源愈發緊張的形勢下，需要增強節能意識，也要加大各行業對節能技術的使用力度，尤其是工業企業，故在智慧化能耗監測管理系統的構建研究方面還有一段路要走。