安科瑞 劉邁

　　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)絡系統(tǒng)。本系統(tǒng)可完成企業(yè)內部電力、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)絡通信技術,、數(shù)據(jù)處理技術等物聯(lián)網(wǎng)技術,，在工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)建設中的應用，可通過不同能耗設備工作狀態(tài),、實時能耗等指標來構建企業(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)絡層和應用層的多層系統(tǒng)架構基礎上,，加強能耗數(shù)據(jù)感知與采集,、統(tǒng)計分析,、監(jiān)控結果顯示，實現(xiàn)基于關系模型工業(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)關鍵技術

　　1.1 環(huán)境信息感知設備

　　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,、記錄相關環(huán)境信息,，并及時回傳至后臺處理。

　　1.2 網(wǎng)絡通信技術

　　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)絡通信技術,、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)絡通信技術，包括 NSA/SA 通信技術,、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow BandInternet of Things,，NB-IoT），其中NSA/SA為常見的5G網(wǎng)絡通信技術和雙模通信模式,，上行支持256正交振幅調制（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,，主要依托于5G移動蜂窩網(wǎng)絡,，在企業(yè)不同生產設備中部署,，包括網(wǎng)絡上行/下行基帶信號、獨立載波的部署,，從而保證網(wǎng)絡數(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

　　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)絡數(shù)據(jù)信息，通常會被傳送至多個網(wǎng)絡節(jié)點進行處理,。而用于數(shù)據(jù)處理控制的網(wǎng)絡節(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)感知與傳輸技術的組成框架結構

　　議構建具有工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)獲取,、處理,、傳遞、存儲與共享的多級結構,。因而,，依托智能傳感器裝置、網(wǎng)絡通信協(xié)議,、網(wǎng)關服務器,、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)絡系統(tǒng)的組網(wǎng),，自動收集,、整理和保存有關工業(yè)能耗的數(shù)據(jù)信息。當前,，物聯(lián)網(wǎng)技術的組成框架包括感知層,、網(wǎng)絡層、控制層以及應用層等,。

　　網(wǎng)絡層和控制層是物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分,。其中，網(wǎng)絡層包含網(wǎng)絡通信協(xié)議,、網(wǎng)關服務器,、以太網(wǎng)卡、無線通信模塊以及控制輸出接口結構,，主要用于建立控制層和應用層間的網(wǎng)絡連接,。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)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)處理技術讀取,、寫入和分析載入數(shù)據(jù)信息,。而控制層屬于感知層、網(wǎng)絡層的中間層級,，通常將網(wǎng)絡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,、燃氣表以及多個設備控制器，實現(xiàn)對傳感器采集信息傳輸,、設備狀態(tài)信息,、能耗監(jiān)控指令、能耗信息存儲與調用等功能控制,，并將從網(wǎng)絡層返回的能耗數(shù)據(jù)信息存儲至后臺數(shù)據(jù)庫,。

　　3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)設計

　　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)的電機驅動工序而言,，通常會經(jīng)過熱處理、切削,、成型,、干燥、黏結及裝配等流程,，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)的組成結構

　　基于物聯(lián)網(wǎng)技術的工業(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,、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,、燃氣表的內部控制設備。相關人員探測與采集企業(yè)內部的環(huán)境信息和不同運行設備的能耗信息,，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,、風機以及切削車床等設備控制器，參與能耗節(jié)能管理的網(wǎng)關控制中,，由特定設備控制器進行網(wǎng)絡層和感知層命令的傳輸控制,，包括網(wǎng)絡層命令下發(fā)和感知層命令上傳。最后,，利用NSA/SA通信技術,、NB-IoT組網(wǎng)技術、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,，設置多個生產設備的開啟和關閉時間，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,、JavaScript腳本語言,、無線通信協(xié)議、RS485總線,、網(wǎng)絡計算機,、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,、生產產能分析、設備控制以及節(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)的基礎管理設置主要圍繞用戶訪問,、操作權限、設備配置以及網(wǎng)元調試等服務功能,，構建用于系統(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）請求調用和token身份驗證的信息數(shù)據(jù),。

　　4.1.2 網(wǎng)絡防護與網(wǎng)元權限管理

　　工業(yè)企業(yè)生產運營的權限管理包括網(wǎng)絡權限,、網(wǎng)元權限以及功能權限等權限控制要素。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)絡的相關設備狀態(tài)信息,，包括交換機、路由器及傳輸設備等運行狀況信息,，實時監(jiān)視存在的網(wǎng)絡配置,、設備異常或故障情況,，在此基礎上從遠程發(fā)送指令進行網(wǎng)絡傳輸通道設置,、設備修改或刪除等重新配置。

　　4.1.3 能耗設備與視頻管理

　　基于不同物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的能耗信息,，要通過內部控制設備進行相關文檔,、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)塔等設備,。將網(wǎng)關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)頁服務架構的基礎上,，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的設備能耗值,。

　　4.2.2 電力能耗監(jiān)控

　　企業(yè)生產運營的電力使用監(jiān)控主要是對廠區(qū)內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)通常設置兩個配水池,，向企業(yè)提供生產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,，分別與生產用水管網(wǎng)和消防用水管網(wǎng)的控制設備連接,。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。通過在某一時段內啟停生產設備,，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 產能與節(jié)能管理功能

　　根據(jù)每臺機器的生產班次和班次產能,，工業(yè)企業(yè)搜集,、統(tǒng)計與錄入分析生產的產能信息。在接收生產工作后由管理人員參與,，統(tǒng)計每個班次產能信息,、生成能耗與產出的統(tǒng)計對比表，得出某一時段內企業(yè)的產能趨勢圖和能耗變化趨勢圖,，并依次錄入以上的產能及能耗數(shù)據(jù)信息,，以反映企業(yè)每個產出生產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)《關于印發(fā)國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設相關技術導則的通知》（建科[2008]114號），組織編制“國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)"一系列技術導則及驗收標準,。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要求。

　　6 系統(tǒng)架構

　　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,；主要特點是支持斷點續(xù)傳,、支持多種協(xié)議轉換、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，如圖中左側部分的樹形結構,。

　　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,?？梢灾庇^觀察分類能耗與分項能耗的數(shù)據(jù)關聯(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

　　9結語

　　物聯(lián)網(wǎng)技術作為互聯(lián)網(wǎng)信息產業(yè)的新興技術,，通常會運用外部信息感知的數(shù)據(jù)采集技術，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)生產的電力,、水資源及燃氣等能源消耗,，可通過傳感設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,，并設置多個設備控制端口,，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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