淺談企業能耗在線監測系統在電氣自動化管理中的應用

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:闡述企業能耗在線監測系統，實現對企業能源消耗情況的監測、分析和評估，通過信息化和可視化管理，提升了企業能源管理自動化水平。

關鍵詞:在線監測系統，可視化管理，企業能耗。

0、引言

本文從實際應用角度出發，基于自動化儀表技術、大數據技術、云計算技術、工控組態技術、網絡通信技術等開發了企業能耗在線監測系統，簡要介紹了有色金屬冶煉過程能耗在線監測系統的設計構思和實現手段，對生產主要用能如煤、天然氣、電、水等主要能源消耗情況進行實時數據采集、傳輸與處理、匯總統計等，實現了電氣自動化管理。

1、能耗監測系統的設計

監測系統的組成。系統由PLC主站、工業控制系統、生產信息系統、現場控制設備以及儀器儀表等組成，在線監測系統包括端設備、計量器具、采集設備、管理軟件等。系統通過采集設備，采集計量器具產生的能耗數據，并通過有線或無線傳輸匯聚到端設備內網機。其組成框圖如圖1所示。

1. 端設備。端設備是企業能耗在線監測系統的關鍵部件，采用獨立雙主機“2+1"架構，主要包括內網主機、外網主機、全隔離單元等，其主要功能包括對用能單位能耗數據進行采集、分析、匯總、存儲以及協議轉換等，并將采集匯總的數據上傳到省級平臺，可實現與省級平臺進行協議上傳和回傳。(2)計量器具。計量器具主要指對煤炭、水、電、天然氣等能源消耗進行計量的儀器儀表。計量器具的購置需要嚴格按照國家標準和行業相關標準的要求進行選擇，支持數據遠傳功能，并經過了專業機構的檢定，保證能耗數據的準確性。(3)采集設備。采集設備需要與器具數據端口進行連接，其主要功能是用于讀取計量器具的能耗計量數據，并通過以太網、串口等通信方式傳輸數據，具有高度的安全性和可靠性。(4)管理軟件。包括端設備對數據采集、匯聚、傳輸的程序、以及能源管理系統軟件。

能耗監測系統軟件系統。軟件系統功能包括:基礎信息管理、能耗數據監測、數據統計、數據報警分析、企業用能分析、數據下載、系統管理。本單位將能耗監測系統部署在外網，可通過移動端、 PC端實時查看能耗數據，企業可以根據自身需求將系統部署在內網或外網，對所采集的能耗數據進行指標統計、匯總、報表分析。能耗監測系統功能包含8大功能模塊，具體功能包括:用能看板、用能統計、能平衡分析、自主用能分析、用能報表、用能設備監測、單位產品能耗、計量器具管理。圖2為能源管理系統各功能結構圖。

(1)用能看板:用能看板實現了用戶對能耗數據監測的可視化管理，通過用能看板可以迅速了解各車間、各區域的能耗指標，能夠更加直觀、系統地了解企業用能情況。(2)用能統計:用能統計是通過對煤炭、水、電以及天然氣等各項能源消耗情況以及指標的計算，再通過圖表的方式直觀展現出各項能源每月能耗同比情況;還可通過圖形及表格等方式直觀展示各車間、各區域的能耗占比情況。(3)能平衡分析:網絡系統通過自動計算，以桑吉圖的方式展現用能流向。有利于用戶清晰掌握供能網絡中能源的損耗情況，并結合自助用能分析可進一步判斷供電是否存在異常損耗，以及水、氣等有無泄漏現象。(4)自主用能分析:可依據不同時間維度選擇不同的計量器具進行公式計算，展示出所選擇時間范圍內對應的用能情況。同時可通過代入常數對電費、水費等進行成本核算。(5)用能報表:用能報表可按照全廠、車間、工序、設備生成能耗統計報表，按照指標類型分為能耗量統計、能耗成本統計、能耗效率統計;并可以按照日報、周報和月報的形式進行統計。(6)用能設備監測:可以在線監測用能設備(變壓器母排溫度、變壓器損耗、負荷率以及三相平衡度等)的用能情況和用能指標，可用于及時發現并掌握設備運行情況。(7)單位產品能耗:按工序流程、工序環節分類，可以計算各產品的單位產品能耗，通過單產指標對標，可以發現企業在生產工藝上存在的能效問題。(8)計量器具管理:可以實現對計量器具的檔案信息、原始數據以及網絡拓撲結構的快速查詢，有助于企業建立能源計量體系。

2、系統功能實現

能耗數據采集。通過RS-485接口進行本地數據采集，并對采集數據進行協議轉換;對于4G采集數據，可以借助數據訂閱的方式，通過網絡獲取采集數據。其中，采集網絡主要用于采集計量器具(電力計量點、煤計量點和天然氣計量點等)所計量的能耗數據。數據從計量器具儀表經過PLC，通過現場總線或無線通信連接到采集工作站;采集工作站采用以太網連接傳輸數據至端設備內網機，再經由轉換模塊進入工業以太網，終傳輸到服務器，實現對金屬冶煉過程中電、天然氣、煤、水等各能耗監測數據的傳輸。

能耗數據監控。通過人機交互界面，可將現場實時采集的電力、天然氣、煤、水等能源數據信息轉變成柱狀圖、餅圖或曲線圖，通過圖形界面可直觀反映出現場用能情況，更加一目了然，企業可在交互界面監測設備運行狀態和能源消耗情況。同時，企業還可以查看任意時間的日上報、月上報、年上報以及實時監測的設備運行現場數據，并可方便用戶進行數據的自行導出，實現了能源消耗數據的在線統計、報表自動生成等功能，提升了能源管理信息化、智能化水平。

能耗數據處理.系統結合企業實際需求，對采集的各種能源(水、電、氣、煤等)進行生產全過程的統計、分析，并設置報警功能，建立能源平衡，同時形成各類統計報表。報警分析是能耗監測系統的重要功能，通過對能耗指標的上下限值進行設置，可以實時監控企業用能情況，自動判別用能異常指標并做出預警，提醒企業及時發現設備運行中存在的故障、以及實際生產中存在的能源浪費現象等。

數據的下載。根據實際情況，企業可按車間、工段、班組以及用能種類進行能耗數據的統計、分類、匯總，并能將能耗數據下載至本地。系統會自動判斷數據質量，對需要重新下載的數據進行補錄，也可支持手動補錄和重錄。

3、系統應用特點及實施效果

該系統實現了在線統計與監測的結合，可廣泛應用于企業生產和節能管理領域，信息系統在設計上，通過將統計和監測二者有機結合，形成了統計和監測業務高度統一，有效避免了統計和監測的數據誤差給企業能源管理工作帶來的壓力。監測數據可自動傳輸，以日數據為基礎計算監測結果，統計可以以日、月度、年度等為管理周期，具有重要的實際應用價值，在節能管理方面幫助企業落實能源管理指標，貫徹能源專業化、精細化、扁平化管理思路，建立持續改進能效的能源管理模式和機制，提高節能管理水平，為優化用能管理、制定能源目標等提供決策數據。

用能統計通過對各類能耗情況及指標的計算，以直方圖的方式直觀展現出各能源品種每月能耗同比情況;同時，也通過餅圖的方式直觀展示各車間、各區域的能耗占比情況。

4、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、碳排分析，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。

5、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。

6、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：

7、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。

7.1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。

7.2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。

7.3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。

7.4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；當能源參數越限報警，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；

7.5視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

7.6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。

7.7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。

7.8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。

7.9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。

7.10成ben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。

7.11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/國家/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。

7.12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、指ding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。

7.13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。

7.14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。

7.15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

7.16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。

7.17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。

7.18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。

7.19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。

7.20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，避免被罰款和設備出現故障。

7.21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。

7.22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。

7.23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。

7.24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。

7.25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。

7.26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。

7.27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。

7.28 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。

7.29 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。

7.30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。

7.31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。

7.32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。

7.33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。

7.34知識產權證書

8、系統硬件配置

9、結語

系統應用于實際生產管理中，取得良好的效果，有效提升企業能源管理水平，實現能耗數據的采集、傳輸以及統計數據的直觀展示。

參考文獻

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[4]安科瑞企業能源管控平臺.2020.08版.

作者簡介:任運業，男，安科瑞電氣股份有限公司。