摘要：針對工業(yè)制造企業(yè)存在高能耗、高污染的問(wèn)題，提出了一種用于工業(yè)企業(yè)能耗監控的多層級網(wǎng)絡(luò )系統。本系統可完成企業(yè)內部電力、水資源以及燃氣等能源消耗的智能監測，并將監測結果存儲至Web服務(wù)器和后臺數據庫，在前端用戶(hù)交互面板顯示，以實(shí)現對企業(yè)能耗系統化的監控和管理目標。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)（IOT）；工業(yè)企業(yè)；能耗監控

0.引言

隨著(zhù)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，各行業(yè)加強智能化建設也邁向新的臺階。目前，無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)在配電自動(dòng)化和計量自動(dòng)化中的應用都頗為廣泛，*了供電企業(yè)抄表方式的轉變[1]。為此，供電企業(yè)*智能電表和低壓集抄全覆蓋工作，逐步取消人工抄表模式，實(shí)現全量客戶(hù)自動(dòng)化模式抄表，以適應新一輪電力體制*新要求，提升企業(yè)管理水平，提高工作效率[2-4]。公網(wǎng)無(wú)信號區域大部分為偏遠山區，人工抄表耗時(shí)費力且人身風(fēng)險較大。顯然，解決公網(wǎng)無(wú)信號區域的遠程抄表問(wèn)題是必行之舉。

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

1.1　環(huán)境信息感知設備

當前，工業(yè)制造企業(yè)能耗監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[1]。而射頻識別（RadioFrequencyIDentification，RFID）技術(shù)往往通過(guò)電子標簽來(lái)記錄多種多樣的環(huán)境信息，可自動(dòng)準確識別電力供電狀態(tài)信息、設備維護的操作信息。一旦系統開(kāi)啟，便可實(shí)時(shí)監控、記錄相關(guān)環(huán)境信息，并及時(shí)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)的能耗監控過(guò)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、CC1100無(wú)線(xiàn)接收模塊、全球移動(dòng)通信系統（GlobalSystemforMobileCommunication，GSM）模塊，形成各節點(diǎn)間的數據通信和資源共享。當前外部環(huán)境能耗監控中運用的網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，包括NSA/SA通信技術(shù)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT），其中NSA/SA為常見(jiàn)的5G網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和雙模通信模式，上行支持256正交振幅調制（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）和HPUE、下行支持探測參考信號（SoundingReferenceSignal，SRS）輪發(fā)，可滿(mǎn)足不同場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)數據傳輸要求。而NB-IoT屬于小范圍空間的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，主要依托于5G移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò )，在企業(yè)不同生產(chǎn)設備中部署，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 )數據信息傳輸和智能業(yè)務(wù)分配的控制。

1.3　數據處理技術(shù)

利用物聯(lián)網(wǎng)能耗監測系統和傳感器裝置接收網(wǎng)絡(luò )數據信息，通常會(huì )被傳送至多個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)進(jìn)行處理。而用于數據處理控制的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)主要分為互聯(lián)網(wǎng)信息物理系統（CyberPhysicalSystem，CPS）節點(diǎn)、有源CPS節點(diǎn)和無(wú)源CPS節點(diǎn)，其中互聯(lián)網(wǎng)CPS節點(diǎn)可針對海量化的網(wǎng)絡(luò )數據信息進(jìn)行能耗監測數據計算、分析。而有源/無(wú)源CPS節點(diǎn)通過(guò)多個(gè)節點(diǎn)間的連接構建物聯(lián)網(wǎng)系統的信息控制*，用于少量能耗監測數據信息的處理和存儲。這樣對簡(jiǎn)單能源消耗數據的處理可不再傳送至核心處理器即可完成處理計算。

1. 物聯(lián)網(wǎng)感知與傳輸技術(shù)的組成框架結構

物聯(lián)網(wǎng)系統利用信息采集的傳感裝置、多種網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議構建具有工業(yè)企業(yè)數據獲取、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(luò )通信協(xié)議、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、后臺數據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 )系統的組網(wǎng)，自動(dòng)收集、整理和保存有關(guān)工業(yè)能耗的數據信息[2]。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，具體結構如圖1所示。

圖1　物聯(lián)網(wǎng)感知與傳輸技術(shù)的組成結構

根據圖1的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架可以得出，網(wǎng)絡(luò )層和控制層是物聯(lián)網(wǎng)能耗監控系統的重要部分。其中，網(wǎng)絡(luò )層包含網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、以太網(wǎng)卡、無(wú)線(xiàn)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(luò )連接。物理層通信協(xié)議用于數據采集的控制，但難以保證數據傳輸、處理的安全性。而數據鏈路層協(xié)議可對物理信道的傳輸使用進(jìn)行控制、復制，并通過(guò)引入多個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的數據處理技術(shù)讀取、寫(xiě)入和分析載入數據信息。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(lèi)能耗信息，經(jīng)由多功能電表、智能水表、燃氣表以及多個(gè)設備控制器，實(shí)現對傳感器采集信息傳輸、設備狀態(tài)信息、能耗監控指令、能耗信息存儲與調用等功能控制，并將從網(wǎng)絡(luò )層返回的能耗數據信息存儲至后臺數據庫。

3.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)企業(yè)能耗監控系統設計

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(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中通常會(huì )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*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(lái)煤炭能源的用量顯著(zhù)下降[3]。特別對工業(yè)企業(yè)的電機驅動(dòng)工序而言，通常會(huì )經(jīng)過(guò)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、監測的控制環(huán)節。

3.2　工業(yè)企業(yè)能耗監控系統的組成結構

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)企業(yè)能耗監控系統屬于互相獨立、分布式的監控管理系統平臺。通常采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構、JavaScript腳本語(yǔ)言，建立用于綜合能耗監控、數據庫管理控制的平臺。

首先，依托物聯(lián)網(wǎng)系統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(guān)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(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(wù)器上傳至系統后臺數據庫進(jìn)行處理[4]。其次，由燈具、空調、風(fēng)機以及切削車(chē)床等設備控制器，參與能耗節能管理的網(wǎng)關(guān)控制中，由特定設備控制器進(jìn)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。*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（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP）、RS485無(wú)線(xiàn)通信模塊、433M通信模塊、GSM通信模塊自組網(wǎng)方式，設置多個(gè)生產(chǎn)設備的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，用于企業(yè)能耗狀態(tài)的實(shí)時(shí)監控和遠程控制，以達到系統智能化的節能目標。

4.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)企業(yè)系統能耗監控管理功能實(shí)現

目前，工業(yè)企業(yè)能耗監控系統依托B/S架構、JavaScript腳本語(yǔ)言、無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議、RS485總線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )計算機、數據庫服務(wù)器、平臺服務(wù)器以及用戶(hù)客戶(hù)端等設置數據采集、能耗監控、節能管理以及系統管理模塊，可由每個(gè)區域獨立的監控子系統為*，開(kāi)展企業(yè)系統管理環(huán)境狀態(tài)監控、能耗監控、生產(chǎn)產(chǎn)能分析、設備控制以及節能管理等功能操作。

4.1　系統管理功能

工業(yè)企業(yè)能耗監控系統的基礎管理設置主要圍繞用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)、操作權限、設備配置以及網(wǎng)元調試等服務(wù)功能，構建用于系統基本信息配置、人員與操作管理的監控模塊[5]。

4.1.1　用戶(hù)管理

為保證外部用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的安全性，針對用戶(hù)注冊、登錄、信息訪(fǎng)問(wèn)與調用的操作流程，使用Segmenttoken數據表、token范圍的登錄信息驗證機制，由后臺服務(wù)器端開(kāi)展用戶(hù)名和密碼的驗證，并生成用戶(hù)應用程序接口（ApplicationProgrammingInterface，API）請求調用和token身份驗證的信息數據。

4.1.2　網(wǎng)絡(luò )防護與網(wǎng)元權限管理

工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)運營(yíng)的權限管理包括網(wǎng)絡(luò )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)能耗監控系統的管理過(guò)程中，應先收集通信網(wǎng)絡(luò )的相關(guān)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(shí)時(shí)監視存在的網(wǎng)絡(luò )配置、設備異?；蚬收锨闆r，在此基礎上從遠程發(fā)送指令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )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(guò)內部控制設備進(jìn)行相關(guān)文檔、視頻和音頻數據信息的監控管理，如配置視頻攝像頭的焦距、焦點(diǎn)、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)和詳細參數的合理監測與管理。

4.2　能耗監控功能

工業(yè)企業(yè)能耗監控的管理功能執行主要面對園區內的煤炭系統、變配電系統、供水系統和天然氣系統，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(guān)服務(wù)器收集的歷史能耗、實(shí)時(shí)能耗使用數據進(jìn)行*的統計分析、導出與顯示，能耗監控的時(shí)間間隔設為每次1h。

4.2.1　煤炭能耗監控

在大數據云服務(wù)器和B/S網(wǎng)頁(yè)服務(wù)架構的基礎上，利用環(huán)境傳感器和智能能源監控裝置搜集企業(yè)某一站點(diǎn)的煤炭用量和設備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，顯示當前時(shí)間的能耗數據、告警及統計數據，以統計表、柱狀圖和餅狀圖等形式展示用能信息，從而得出在某一時(shí)段內的設備能耗值。

4.2.2　電力能耗監控

企業(yè)生產(chǎn)運營(yíng)的電力使用監控主要是對廠(chǎng)區內不同回路的電氣參數，包括采集、統計與記錄變壓器、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(dòng)報警和故障問(wèn)題日志的數據，實(shí)現變配電系統的實(shí)時(shí)監測和控制功能。

4.2.3　供水使用能耗監控

供水監控系統通常設置兩個(gè)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(jìn)入廠(chǎng)區后可分為兩路，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(shí)設置水位計、流量計及壓力計等供水監測裝置，實(shí)時(shí)監測計量水池水位、供水水壓和供水流量。

4.2.4　天然氣能耗監控

工業(yè)企業(yè)內部存在眾多的熱源和隔壓站。對于各監測點(diǎn)位的天然氣能耗數據統計，通常使用分散控制系統（DistributedControlSystem，DCS）熱網(wǎng)監控系統，圍繞天然氣的生產(chǎn)消耗量和采暖消耗量來(lái)監控天然氣瞬時(shí)流量、累計流量及傳輸壓力等數據信息。通過(guò)在某一時(shí)段內啟停生產(chǎn)設備，利用天然氣門(mén)站計量裝置觀(guān)察傳感器、閥門(mén)執行器和端設備的參數變化情況，將生成的實(shí)時(shí)天然氣流量和壓力傳回至后臺數據庫，并整合多設備燃氣使用狀態(tài)的數據和分類(lèi)存儲，*限度地保證能耗供需計劃和供需分配的合理性。

4.3　產(chǎn)能與節能管理功能

根據每臺機器的生產(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，統計每個(gè)班次產(chǎn)能信息、生成能耗與產(chǎn)出的統計對比表，得出某一時(shí)段內企業(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)能及能耗數據信息，以反映企業(yè)每個(gè)產(chǎn)出生產(chǎn)班次的能耗效用高低。

5.安科瑞工業(yè)能耗分析系統

5.1概述

Acrel-7000企業(yè)能源管控平臺采用自動(dòng)化，信息化技術(shù)和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節實(shí)行集中扁平化的動(dòng)態(tài)監控和數據化管理，監測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類(lèi)能源的消耗情況，通過(guò)數據分析、挖掘和怕勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質(zhì)量、產(chǎn)品能源單耗、各工序能耗、重大能耗設備的能源利用情況等進(jìn)行能耗統計、同環(huán)比分析、能源成本分析、用能預測、碳排分析，為企業(yè)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。

5.2應用場(chǎng)所

適用于鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、物流、鐵路、航空工業(yè)、木材、化學(xué)原料以及機電設備、電器產(chǎn)品、工器具制造等。

5.3系統功能

5.3.1自定義駕駛艙

用戶(hù)根據實(shí)際需求自己搭建駕駛艙，通過(guò)豐富的圖形化界面展示各類(lèi)統計數據。

5.3.2可視化3D

通過(guò)虛擬仿真實(shí)現多維度可視化，為客戶(hù)提供數字化服務(wù)，助力企業(yè)能源經(jīng)濟雙向管理，提升能源管理水平。

5.3.3多系統對接集成

5.3.4數據自診斷

數據異常診斷，提升安裝調試效率，保障數據準確性。

5.3.5能效分析報告

提供設備能效分析結果及節能建議，幫助管理人員*了解企業(yè)的能效水平，為企業(yè)節能降耗提供數據支持。

5.3.6能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑*時(shí)段內各類(lèi)能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標值查看。

5.3.7夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線(xiàn)、餅圖等形式對選擇支路分類(lèi)能源在*時(shí)段工作時(shí)間與非工作時(shí)間用能統計對比，支持導出報表。

5.3.8設備管理

設備管理包括，設備類(lèi)型、設備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶(hù)合理管理設備，確保設備的運行。

6.系統硬件配置

1. 結語(yǔ)

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(huì )運用外部信息感知的數據采集技術(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(yíng)過(guò)程中涉及的電力、水資源及燃氣等能源消耗數據。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(guò)傳感設備信息獲取和標簽讀寫(xiě)的方式采集能耗數據、處理數據信息，并設置多個(gè)設備控制端口，監測與反饋企業(yè)的實(shí)時(shí)能耗，可滿(mǎn)足規定的企業(yè)節能降耗的控制要求。

參考文獻

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