淺談工業云平臺能源管理系統的設計與實現

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為了解決傳統印染企業對能源管理存在粗放、滯后、管理不足等問題，提出了一種基于工業云平臺的能源管理系統設計方案。以大數據、物聯網和互聯網等基礎設施建設的能源管理系統擁有很快的工作效率。該系統具有穩定性、通用性、持續擴展性，為印染企業提供了能耗監控、訂單產量損耗的能源監測解決方案，以及未來能源管理系統的運行維護。

關鍵詞：云平臺；大數據；物聯網；能源監測；穩定性；通用性

印染行業在紡織工業中占據著重要的地位，而我國大部分印染企業都屬于中小型的勞動密集型企業，隨著企業規模的擴大，企業運作過程中需要管理的信息日益繁雜，傳統的管理模式已經不能滿足實際的需求，特別是企業的能源管理方式還存在相對落后的人手抄表和人工記錄耗損的情況。為此，本方案提出了工業互聯網能源管理解決方案，集“物聯網"“大數據"“云計算"“AI"“邊緣計算"“智能網關"等技術于一體，服務于園區、企事業單位在能源的生產、輸配、使用過程中對能源管理的兩化（信息化、自動化）融合需求，服務于安全用能、經濟用能以及精細化管理的需求。具體如下：（1）能耗管理系統采用分層分布式系統體系結構，對電力、天然氣、水、蒸汽等各分類能耗數據進行采集、處理，并分析能耗狀況，實現節能應用；（2）采用儀表管理、能源監控、能源統計、能耗預測分析、能耗設備管理、能源計量設備管理等多種手段，使企業管理者對企業的能源成本比重、發展趨勢有準確的掌握；（3）讓電力、用水、天然氣、蒸汽等用能信息可視化，并與生產運營相結合，形成單位制品能耗、日均網損、平均（水電氣）價格等指標，協助管理者快速掌控企業狀況，進行客觀、科學的分析，為企業精細化管理提供新的數據化維度。

1 系統總體設計

1.1 業務架構

業務架構圖如圖1所示。

能耗管理系統采用分層分布式系統體系結構，對電力、天然氣、水、蒸汽等各分類能耗數據進行采集、處理，并分析能耗狀況，實現節能應用。技術路線為采集終端智能儀表水、電、蒸汽、天然氣等數據，并將數據通過以太網、4G/5G 的形式傳輸、存儲至技研工業云平臺進行相關的分析處理，用戶只需打開相應系統的應用軟件（Windows、Android、IOS）即可通過手機APP、電腦客戶端完成對用能數據的調取、監控分析、管理等需求，讓用能信息變得簡單和直觀，使決策者、管理者更有效地掌控企業能源管理信息。

1.1.1 終端感知層

終端感知層提供的數據主要來自現場的水表、天然氣表、蒸汽表以及安裝在現場的智能電表、電氣安全預警儀等。

1.1.2 網絡傳輸層

網絡傳輸層主要提供工業網關，負責終端智能表（計）與平臺應用層的連接，實時采集設備數據，上報到云上的物聯網服務。

1.1.3 平臺應用層

平臺應用層基于技研云平臺工業 PaaS 服務搭建，提供面向能源管理領域的特定場景應用。其中，通用 PaaS 提供云計算、大數據、應用開發、物聯網等基礎 PaaS 服務能力，提供以數據為核心的工業數據服務、機理模型服務和業務微服務。應用層提供安全預警、能耗管理、設備監控等功能，服務安全用能、經濟用能以及精細化管理的需求，同時支持 PC 端和移動端（微信小程序）訪問，滿足不同用戶群體的使用需求。

1.2 能源管理業務流程設計

能耗業務邏輯：通過計量表管理對能源系統的底層現場設備進行定義，計量表數據通過485通訊自動采集與人工錄入作為基礎數據的輸入端，將規定的計量表與統計對象（包括區域、設備等）進行運算賦值、綁定連接，生成各時間段的區域、設備等能耗明細。

單耗業務邏輯：在能耗統計的基礎上，結合各統計對象的產量情況及各產品類型的系數加成，定時核算單耗數據。系統設定統計對象的單耗基準，在實際單耗與設定的單耗基準出現一定的偏差時，自動發起警報。

批耗業務邏輯：在能耗與單耗的基礎上，結合每個訂單/批次的工藝數據、配方數據、機臺排程數據、訂單/批次的開始與結束節點等信息，核算出每個訂單/批次/工藝的生產能耗。

能源管理業務流程如圖2所示。

2 主要功能設計

能源管理系統實時信息采集管理系統的目標是建立數據通信網絡，實現對能耗信息的自動監測，進而完成能源的管理，實現安全、優良供能，提高工作效率，降低能耗，從而達到降低產品成本的目的。包括數據采集、數據發布和數據分析管理，主要功能是實現所有能耗數據的采集，并在企業內部范圍內實現數據的發布。

整個能源管理系統采用可靠的硬件平臺輔以成熟的軟件平臺，構成集中式數據采集監控分析管理系統，并實現能耗數據的集中管理和歸檔，通過網絡在企業內部范圍內實現數據發布。

2.1 實時能耗采集

通過數據采集器自動采集現場儀表的能耗數據信息，為能源信息管理提供原始數據。

2.1.1 通信協議與網絡接口

本系統涉及到電、水、天然氣、蒸汽等能耗監測儀表設備的采集工作；提供的監測儀表設備要支持RS-485、RS-232、RJ45、CDMA3G/4G 等多種網絡接口或支持 OPC、MODBUS、104、CDT、DLT645 等多種通信協議的數據接入，實現企業、分廠、車間、設備等多級能源介質的采集、存儲管理。

2.1.2 斷網本地預存

在網絡中斷或者主數據存儲設備出現無法通信的情況時，數據采集設備應當繼續采集能耗數據，并將采集到的能耗數據保存在本地，在網絡聯通或者與主數據存儲設備恢復通信后將預存的數據上傳到云存儲設備中。

2.1.3 遠程抄表

對規定區域內的能耗監測設備進行遠程抄表，而且選擇規定的日期與時間對能耗儀表進行遠程抄表，將對應的時間累積能耗數據推送給技研云平臺數據采集庫。

2.1.4 運行監測

（1）系統以數據列表、分布圖、曲線等形式直觀展示企業實時或歷史生產能耗數據、生產指標、能耗指標和數據通信報警。

（2）通過集中監控生產和能源系統指標、生產異常實時報警、系統巡檢到位等措施提高企業能源系統的運行管理水平及整體安全水平，確保生產安全進行。

2.2 能耗統計分析

2.2.1 計量分析

能源管理系統計量分析采用餅狀圖的形式展現規定時間段內各類能耗所占總能耗的百分數；能耗趨勢分析采用折線圖的形式展現規定時間段內規定能源的消耗。

能耗報表管理：自動生成所需要的數據（日/月/季度/年）報表、定期階段報表和事件報表，并能以用戶所需要的格式和方式保存、導出或打印。報表的類型、內容和格式可由用戶動態調整，如圖3所示。

能耗報表分析：系統可提取各類能耗數據進行自動分析，確立標gan值，并對各監控點的能耗情況進行水耗、電耗、氣耗判定，對能耗改善提出一套完整的診斷流程，并提供能耗分析報告，幫助用戶進行節能措施及設備改造。

人工數據上傳：針對尚未安裝自動采集儀的支路或無法使用數據采集儀進行自動采集的能源消耗（機械式儀表）提供人工數據上傳及審核的功能，避免數據缺失導致的各類問題。

數據備份管理：用戶手動或系統自動備份保存各項數據；當發生特殊情況導致數據丟失時，可自動導入近期的備份數據進行數據恢復，避免特殊情況出現數據丟失導致的各項損失。

2.2.2 單耗分析

能源管理系統實時監控整廠各區域、各設備的單位產量耗費的能源情況。單耗通常作為各管理人員所管轄區域的能源考核指標，可通過監控、分析實際單耗與設定績效的偏差來判斷能源管理水平的優劣；單耗超出控制線出現異常時自動發起警報，通過及時的反饋提高能源的利用效率。

2.2.3 批耗分析

能源管理系統實時監控各訂單/批次在各工序的能耗情況，實現訂單/批次級別高顆粒度的能源分析。在大量的批次能耗數據采集后，系統通過分布擬合的方法制定各訂單、批次、工藝的標準能耗模型，當實際生產能耗與標準能耗模型偏差較大時發起警報，促進能源問題的解決與完善，同時系統通過行業BI 大數據自動輸出工藝改進的方案建議，提高染整工廠的能源利用效率。

2.3 能耗預測

以客觀數據為依據，以企業整體、分廠、車間、生產線、主要用能設備為對象，并結合歷史能耗數據，對未來的能耗情況進行預測分析：（1）利用歷史能耗數據分析未來能耗趨勢；（2）按照日、月、年的日期形式分別統計出對應的能耗趨勢數據；（3）與企業的生產線、主要用能設備的使用情況相結合；（4）趨勢圖表界面美觀，條目清晰，并提供在線打印與導出功能。

2.4 警報設置

企業可根據不同廠區、不同支路、不同設備的用能需求，分時間段設置不同的警報策略。當發生不合理的能源消耗時，系統按照所設置的警報方式對用戶進行提醒，避免設備故障或人為原因造成的能源浪費。在一段時間后，用戶可通過歷史警報記錄分析當前的節能策略是否需要修改，很大限度地確保能源和資金的合理利用。此外，當系統發生能源警報時，消息可推送給相關的生產角色（工人、主管、企業高層管理者）。

3 系統的實現與應用

3.1 硬件設備

能源管理采用高性能智能網關作為硬件采集及通信設備。該網關擁有自主嵌入式操作系統，具有強大的功能擴展和系統升級的空間，用于能源管理中各類能耗儀表的數據采集、存儲與管理，可實現用能數據智能處理等邊緣計算功能，可通過物聯網、以太網等與云平臺進行數據交互，具備邊緣計算能力，具備斷點續傳功能。

智慧能源網關特點：（1）水電氣熱4表合一，一臺網關可支持水、電、氣、熱等各類能耗儀表的信息采集，支持多點位高速采集；（2）支持各類工業規約，支持符合 DLT645-2007 與 DLT645-1997 規約的所有電能表（計），支持符合CJ 188-2004-T規約的所有水、氣、熱表（計），支持協議擴展；（3）下行支持多協議RS485、M-Bus、CAN、紅外等，上行支持多通信方式如以太網、GPRS（2G/3G/4G）、WIFI、LORA、NB-IOT 等；（4）安裝方式靈活，導軌式、壁掛式任意可選，終端設有4個固定孔位，可采用Φ3的標準螺絲進行固定安裝。

3.2 應用場景

系統面向傳統印染紡織企業染色機、定形機、絲光機、煮漂機、開幅機等通用生產設備，針對企業能源管理粗放、存在用能監測黑箱、能耗高、設備壽命短、問題點查找困難等，基于對整個車間的通用生產設備及傳感器的實時數據采集，利用邊緣計算和云服務器實現對車間設備運行參數的智能優化控制，提高企業的能源利用水平和用能安全水平，降低能耗。

普遍使用場景：（1）管理人員對工廠的能耗有基本的了解與整體的把控；（2）作為進一步分析的基礎數據；（3）給抄表人員提供方便實用的工具；（4）區域單耗作為各車間管理人員的考核指標，及時反饋分析總結；（5）設備單耗作為能耗異常的深度分析；（6）單耗異常發起警報，發起查異常解決問題的流程；（7）能源預信（分布擬合）；（8）工藝改進；（9）制定訂單工藝的能耗標準；（10）訂單批號的耗能預警。

4 系統優勢

能源管理系統是綜合運用現代信息技術和能源互聯網技術，實現對印染企業能耗的在線監測、動態

分析和集中管理，建立“多能互補，需求響應"新機制，精細化、信息化的能源管理方式，可提升印染企業能源管理水平，降低能源成本，實現能源的動態需求響應和企業能源的優化調度。系統具體的優勢如下：（1）易部署、易實施、見效快。能源管理服務根據當前印染企業現狀進行實際調研與分析，幫助企業制定一套輕量化的能效監控系統，系統基于云平臺模式搭建，可以快速部署，免去復雜的系統設計與安裝。在不影響當前生產的前提下進行實施，可以使企業減少在安裝實施過程中帶來的損失。能源管理服務在整個系統部署完畢后 2 個月就會有明顯的優化效果，見效快，效guo顯著。（2）便捷的使用方式。系統提供 PC 端、手機端等豐富的展示方式，提供簡易的人性化的使用界面，幫助用戶快速地獲取所需用能信息，降低使用者學習的成本；同時為設備管理人員、企業領導等管理者提供數字化的設備模型和實時運行情況的各種健康指標，作為決策分析依據。（3）實時的自動預警通知。系統可以向移動 APP 應用自動推送預警通知，實時告知相關人員能源事件信息。

5 安科瑞工業能源管理系統介紹

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。

6 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。

7 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：

8 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。

8.1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。

8.2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。

8.3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。

8.4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；

8.5視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

8.6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。

8.7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。

8.8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。

8.9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。

8.10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。

8.11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。

8.12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、規定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。

8.13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。

8.14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。

8.15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

8.16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。

8.17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。

8.18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。

8.19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。

8.20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。

8.21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。

8.22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。

8.23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。

8.24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。

8.25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。

8.26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。

8.27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。

8.28 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。

8.29 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。

8.30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。

8.31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。

8.32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。

8.33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。

8.34知識產權證書

9 系統硬件配置

10 結語

設計了一種基于工業云平臺的針對印染企業的能源管理系統，對印染企業傳統能耗管理進行了深層次的信息整合，實現了全廠設備的互通互聯，有效地幫助企業提高了設備的綜合運行效率，并運用信息化手段改善企業的業務流程。未來，工業互聯網將迎來加速發展期，不斷打造和完善面向染整行業、覆蓋全技術層次和全生命周期業務流程的工業互聯網平臺，以微服務、工業 APP 等多種技術和形式提供資源整合、個性化定制等綜合服務，將幫助更多的企業實現數字化轉型升級。

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。