基于物聯網技術的能耗在線監測平臺的架構設計與應用

摘要：圍繞工業生產等領域節能降耗實際需求，提出基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案，面向、行業、企業提供能耗管理信息化管理與服務;研究設計能耗監測終端，支持多種工業總線及工業協議，實現電表、油表、水表、氣表、煤氣表等能耗計量設備以及工業控制系統的能耗數據采集;研發能耗在線監測平臺，實現能耗實時監控、能效分析、計量器具管理等功能;以平臺為依托，在淄博某化工企業開展了應用示范，切實為企業提高運行管理水平、強化能源管理提供支撐。

關鍵詞：物聯網 能耗 實時監測

0 引言

   能源是人類社會發展的物質基礎，能源消耗水平與環境、生態和氣候變化等息息相關。隨著節能工作向系統化、精細化、信息化方向發展，節能領域運用物聯網、大數據等信息技術手段深挖、細挖節能潛力成為必然趨勢。針對家戰略規劃落地以及工業企業等行業節能降耗的實際需求，家有關部門聯合印發了《用能單位能耗在線監測系統推廣建設工作方案》，對于能耗在線監測系統采用“家平臺 + 省級平臺 + 用能單位接入端系統”的架構;同時，水泥等行業已針對運行技術開展了能耗監測和能源管理系統的研究、應用的探索。通過對已有能耗在線監測系統的研究，企業級能耗監測系統是基礎，其關鍵是能耗監測終端的功能和性能實現;平臺級能耗監測系統是支撐，其關鍵是如何為企業、節能主管部門等提供信息服務的支撐，實現較大的資源共享和可持續、標準化的服務體系建設。

基于此，本文提出基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案，并針對企業級、平臺級的軟硬件進行設計、研發，并在化工企業能耗管理方面進行了實踐應用，探索我行業節能降耗的信息化支撐。

1 平臺總體方案

   基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案架構如圖 1 所示，該方案從采集層、網絡層、數據層、應用層等層面，對實現能耗監測的技術和方案進行分析，為下步開展具體的軟硬件設計和研發打下基礎。

(1)采集層。采集層與物理層直接通訊，主要基于部署在企業端的用能單位能耗采集端設備實現對能源消耗數據的采集、對能源計量器具的識別和動態管理。

目，能耗數據的采集主要基于三種方式實現:是通過傳感器、數據采集器等設備實現現場級數據采集，支持多種不同協議的能源計量傳感器，可同時對電表、水表、燃氣表等多種智能儀表進行數據采集;二是通過與 PLC、DCS、OPC 服務器等管理系統對接實現控制級數據采集;三是部分無法通過在線采集方式獲取的能耗數據，通過手工填報方式采集。為減少平臺端數據處理的壓力，采集的數據經拆分、清洗，將來自不同儀表、不同傳輸協議的數據轉換成平臺可以識別的標準協議數據，經過解析和校驗，進行歸化處理，傳輸至平臺端。

圖 1 平臺總體方案架構

(2)網絡層。網絡層主要包括互聯網、企業有線或無線網絡、端系統存儲數據庫等。采集層的能源消耗數據采集以后，在網絡層進行初步解析、校驗和存儲，并隨時準備上傳數據層。網絡層作為采集層和數據層的中間層，起到承上啟下的作用。

(3)數據層。數據層主要實現對采集上傳數據的進步處理、存儲等操作。依據各行業數據采集指南中數據驗證要求，采集數據時對接入數據進行驗證，判斷其數據是否合法、信息是否匹配、是否有丟包漏包、目的地址是否正確等。數據層數據是對企業能源結構、能耗水平、能耗趨勢等信息從多個維度進行匯總分析以及可視化展示的基礎。

(4)應用層。應用層主要負責將數據層匯總分析的數據按照平臺用戶類型應用到實際生活中。針對不同的用戶，提供相應的信息技術服務。如:面向節能監管部門，提供相關數據報表，實時監測企業能耗情況，進步細化和落實節能任務，逐步形成系統化、信息化的能源消耗監管體系;面向用能企業，提供更化的生產方案，為企業提高能源利用效率、降低生產成本、減少能源浪費提供支撐;面向社會大眾，及時提供較新的節能信息，推廣節能技術產品，提高全社會節能環保意識。

2 平臺設計與研發

2.1能耗采集終端設計

能耗數據的準確、實時采集是平臺運用的基礎。在該方案中，能耗采集終端主要實現能耗數據的實時采集。終端整體構框圖如圖 2 所示。

該終端包括控制模塊、通訊模塊、存儲單元、安全管理單元、電源模塊、顯示模塊等。其中:

(1)控制模塊。控制模塊采用低功耗處理器，主要實現對通訊模塊、存儲單元、安全管理單元、電源模塊、顯示模塊的控制，確保終端功能和實現，以及終端的長時間運行。

(2)通訊模塊。通訊模塊支持數據采集通訊、以及終端與平臺間的數據通訊。終端支持RS485總線以及 MODBUS、OPC 等工業協議，實現與電表、油表、水表、氣表、煤氣表等能耗計量設備的數據接口，實現數據的采集。終端具備以太網接口，支持終端與平臺間的互聯互通;同時平臺通過該以太網接口，實現對終端的遠程監控和配置功能，包括:外網主機部分的上傳地址、采集點信息、計算公式等參數的配置以及安裝、卸載、升級等操作。

圖 2 能耗監測終端功能框圖

(3)存儲單元。終端具備本地存儲功能，上傳數據經過 HTTPS 協議加密，如果傳輸超時或失敗，設備將重發數據，直到接收成功反饋消息，防止因為斷電、網絡異常等意外事故導致的數據丟失。

(4)安全管理單元。設備采用“內網主機 + 外網主機 + 安全數據交換單元”的“獨立雙主機 2+1”架構，其中，安全數據交換單元不同時與內外網主機連接，以此將內網與外網隔離，防止企業內部數據泄露和外部病毒木馬程序入侵，保證數據傳輸安全。

(5)電源模塊。電源模塊支持交流電壓 220V±10%，雙路冗余熱備電源輸入。

(6)顯示模塊。支持 7 寸液晶觸摸屏，方便顯示監控數據以及設置參數等操作。

2.2平臺軟件設計與研發

能耗在線監測平臺是面向企業、節能安全監管部門等用戶的窗口。軟件部分主要功能模塊包括:用能單位子系統、子系統、公眾服務子系統，基于B/S三層架構、asp．net 技術開發實現(圖3)。

圖 3 平臺功能框圖

2.2.1監管子系統

監管子系統主要面向區/市/省相關部門，提供能耗監測、能效分析、節能管理、計量管理等功能。

(1)能耗監測。提供對用能單位的能耗數據的統計分析功能，包括:能源消費強度、能源消費構成及各能源品種消費量指標統計分析;基于GIS的企業和區域能耗分析，并形成圖表等可視化表示形式;服務各級節能部門的數據匯總，報表填報等信息化工作需求。

(2)能效分析。提供從宏觀監測、地區、行業及產品的角度進行能效的統計分析功能，基于歷史能效指標狀況預測能效趨勢。

(3)節能管理。提供總量及強度控制、節能業務管理、節能監察、節能標準法規與技術產品發布等功能;對能源“雙控”指標進行分配并對節能形勢進行分析和預測預警;對企業管理崗位、主要負責人進行備案;提供節能公司和節能審核機構的注冊與查詢功能。

(4)計量管理。提供用能單位計量器具配備情況匯總查詢功能，對用能單位計量器具的配備數、配備率、檢定校準情況進行匯總查詢，對即將到期或已到期的進行標注預警。

2.2.2用能單位管理子系統

用能單位管理子系統主要為企業用戶提供相關能耗數據、計量器具、政策法規等信息的維護查詢。

(1) 能耗監測。對能耗監測終端采集的煤、油、水、電、氣、汽等實時能耗數據進行監測，實現。

(2)能效分析。企業內部能耗數據，進行能耗分析和成本分析，主要包括大需量配置、大需量查詢、峰平谷電耗分析、能源綜合成本分析的查詢功能，并支持企業與同行業其他企業進行相應節能指標的對比分析和改進指導。

(3)能源報表。匯總企業的電力損耗信息、能耗綜合成本、單位產品能耗、班次單位產品能耗、班組單位產品能耗、峰平谷電耗、能耗單位匯總、能耗成本單位匯總、能耗費用匯總、能耗比較等報表信息。

(4)能耗預警。統計各報警類型的報警次數和報警時長，為企業開展能耗管理決策提供參考。

(5)能源計量器具管理。對企業能源計量器具的使用、檢驗、計量等情況進行記錄和管理，從而提升企業能耗監測的準確性和有效性。

(6)能源管理標準規范查詢。方便企業及企業人員實時在線查詢家有關法律法規、政策文件、標準規范等資料。

2.2.3公眾服務子系統

公眾服務子系統主要面向社會公眾提供服務，具備發布相關的政策法規、標準規范、新聞動態、節能技術產品等信息的功能，是平臺的門戶窗口，為實現節能降耗的多元共治局面提供支撐。

3 應用案例

基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案目已在山東省淄博市某化工企業進行了實際應用。該企業目主要使用的能源類型包括:原煤、電、天然氣、蒸汽，其中:企業利用工業水進行自發電，部分電力上網，同時有外供蒸汽給周邊企業使用。部分能源數據已經采集到企業自建的 MES 系統中。根據企業實際情況，結合有關政策要求，在平臺總體方案的基礎上，研究提出了符合企業需求的能源在線監測方案，如圖4所示。在邊緣采集側，部署能耗監測終端，與企業的 MES 系統進行對接，通過RJ45 接口實現能耗數據的采集，同時終端通過有線網絡/4G/無線局域網等數據通訊模式將能耗數據定時發送到能耗在線監測平臺。在云服務平臺側，主要面向企業、節能安全監管部門，以軟件即服務的模式開展信息技術服務。

(1)面向企業的云服務。企業登錄能耗在線監測平臺，開展企業能耗信息化管理，對本企業實時能耗情況、計量器具情況等進行管理，對企業歷史能耗情況、能耗趨勢等進行分析，形成各類預警信息，如企業能耗指標預警、節能量預警、能源儲備預警等，并為企業提出安全生產和能源使用的具體改進措施提供數據支撐。如:針對企業各類能耗比例進行同比或環比分析，結合企業生產情況進行分析，發現企業能耗過程中的問題，提出生產或能源使用的改進措施。

圖 4 應用企業部署架構圖

(2)面向節能安全監管部門的云服務。依托平臺實現企業能耗信息的匯聚和分析，為節能安全監管部門開展管理提供數據化和平臺化支撐。如:監管部門可通過分析企業的能耗數據，分析行業和企業能源結構，為能源管理決策和規劃提供支撐。

4 安科瑞用能單位能耗在線監測系統

4.1系統概述

工業能耗在線監測系統是個集成Intranet/Internet網絡技術、GPRS無線傳輸技術、Web Service軟件技術、數據庫技術等于體的大型數據綜合管理系統。系統為管理者、各級能耗內部用戶、瀏覽者提供了個訪問的網絡通道，搭建了個合理、信息傳輸平臺和管理平臺。工業能耗在線監測系統的開發應用為管理部門、企業生產管理、計量管理、節能管理提高到個新的高度，是我們對節能減排、節能降耗實現的種行之有效的解決方案。

能源組成及監測內容：

圖5 能源組成

圖6 監測內容

用電類：采集采暖、鍋爐、空調、制冷、照明、辦公、電梯、水泵、風機、通風機等耗電設備的用電信息。主要監測其用電量，對于大耗電設備監測其電流、電壓及功率因數等信息。

配電類：采集6kv/10kv配電開關設備、變壓器，狀態信號、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電能質量、電能量等。

用水：自來水和蒸汽；采集具有485通訊功能的智能熱量表、蒸汽流量計、水表等；

用氣：煤氣、天然氣；采集具有485通訊功能燃氣表；

環境參數：采集具有485通訊功能的溫度/濕度計；采暖空調供回水溫度；

4.2系統框架

圖7 系統框架

(1)能源消費管理系統：該系統可以對用能企業煤、電、油、氣、熱、水等能源和耗能工質進行定期錄入和實時采集，并將收集到的能耗數據進行整理存儲，為匯總分析和上報作數據支持。

(2)能源利用狀況信息報送系統

用能企業可通過該系統將企業本年度的《能源利用狀況報告》，報送至市節能監察中心，經初審核后，上傳至省節能監察總隊審核，而后上報家有關部門。

(3)單位能耗水平識別評價系統

利用用能單位能耗數據，對企業用能狀況進行分析評價，查找問題。為節能管理部門掌握、分析信息和研究節能改造并制定相關政策措施提供科學的依據和平臺。

(4)決策服務和專家咨詢服務系統

系統提供直觀、簡明、快捷的數據信息查詢和決策支持服務。對用能企業的能耗進行科學、合理的咨詢指導，幫助用能企業做出及時、正確、可行、有效的解決方案。

(5)能耗預測、能源安全預警系統

通過系統掌握用能企業能源購置、使用、消耗及生產情況，對企業的用能情況進行綜合的評判和分析，對比同期值和限定值，對能耗超標情況予以預警提示。

在獲取能源使用的基礎上，進行數據挖掘分析，實現能耗的預測分析功能，為相關部門的宏觀決策提供支撐體系。

(6)節能監察及信息發布、法律法規知識培訓系統：

通過該系統平臺，可對省耗能企業做節能監察工作；發布節能法律法規標準以及能源基礎知識、能源統計知識、節能監測方法等資料；處理日常節能管理工作相關的公文、通知、公告等。

4.3系統網絡結構

 系統把數據信息從各個企業的能源監控中心采集到后臺的數據庫系統，經分析與處理，提供分析預測和預警功能。同時通過門戶網站、無線終端等手段為省、市領導以及相關委辦局提供了多方位、可視化的便捷服務。

圖8 系統結構

4.4能耗監測系統產品選型

5.結論

   基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案基于家政策導向、行業節能需要、企業管理實際研究提出。在總體方案的基礎上，研究設計了基于物聯網和云計算的能耗監測終端、能耗在線監測平臺等支撐性的軟硬件系統，實現能耗數據實時動態采集、監測以及分析、預警等功能。平臺方案和技術產品在典型化工企業能耗管理中得到了實踐應用，滿足了企業提高運行管理水平、強化能源管理等各方需求，具有較好的推廣應用景。

【參考文獻】

[1]徐強．加快建設用能單位能耗在線監測系統助推生態文明與綠色發展［J］．中能源，2018，40(4):5－6，9．

[2]楊作明，張治東，李娟，李良.基于物聯網的能耗在線監測平臺研究與應用.工業安全與環保，2019

作者簡介：繆建梅，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護器的研發與應用