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浅谈无线物联网能耗在线监测平台研究与应用

 更新时间:2024-04-08 点击量:195

摘要: 围绕工业生产等领域节能降耗实际需求,提出基于物联网的能耗在线监测平台总体方案,面向政府、行业、企业提供能耗管理信息化管理与服务;研究设计能耗监测终端,支持多种工业总线及工业协议,实现电表、油表、水表、气表、煤气表等能耗计量设备以及工业控制系统的能耗数据采集:研发能耗在线监测平台,实现能耗实时监控、能效分析、计量器具管理等功能;以平台为依托,在淄博某化工企业开展了应用示范,切实为企业提运行管理水平、强化能源管理提供支撑。

关键词:物联网;能耗;实时监测

0、引言

能源是人类社会发展的物质基础,能源消耗水平与环境、生态和全球气候变化等息息相关。随着节能工作向系统化、精细化、信息化方向发展,节能领域运用物联网、大数据等信息技术手段深挖、细挖节能潜力成为必然趋势。针对国家战略规划落地以及工业企业等行业节能降耗的实际需求,国家有关部门联合印发了《用能单位能耗在线监测系统推广建设工作方案》,对于能耗在线监测系统采用“国家平台+省级平台+用能单位接入端系统”的架构;同时,水泥等行业已针对运行先进技术开展了能耗监测和能源管理系统的研究、应用的探索。通过对已有能耗在线监测系统的研究,企业级能耗监测系统是基础,其关键是能耗监测终端的功能和性能实现;平台级能耗监测系统是支撑,其关键是如何为企业、节能主管部门等提供信息服务的支撑,实现有利化的资源共享和可持续、标准化的服务体系建设。

基于此,本文提出基干物联网的能耗在线监测平台总体方案,并针对企业级、平台级的软硬件进行设计、研发,并在化工企业能耗管理方面进行了实践应用,探索我国行业节能降耗的信息化支撑。

  1. 平台总体方案

基于物联网的能耗在线监测平台总体方案架构如图1所示,该方案从采集层、网络层、数据层、应用层等层面,对实现能耗监测的技术和方案进行分析,为下步开展具体的软硬件设计和研发打下基础。

(1)采集层。采集层与物理层直接通讯,主要基于部署在企业端的用能单位能耗采集端设备实现对能源消耗数据的采集、对能源计量器具的识别和动态管理。

目前,能耗数据的采集主要基于三种方式实现:一是通过传感器、数据采集器等设备实现现场级数据采集,支持多种不同协议的能源计量传感器,可同时对电表、水表、燃气表等多种智能仪表进行数据采集;二是通过与 PLC、DCS.OPC 服务器等管理系统对接实现控制级数据采集;三是部分无法通过在线采集方式获取的能耗数据,通过手工填报方式采集。

为减少平台端数据处理的压力,采集的数据经拆分、清洗,将来自不同仪表、不同传输协议的数据转换成平台可以识别的标准协议数据,经过解析和校验,进行归一化处理,终传输至平台端。

图1 平台总体方案架构

(2)网络层。网络层主要包括互联网、企业有线或无线网络、端系统存储数据库等。采集层的能源消耗数据采集以后,在网络层进行初步解析、校验和存储,并随时准备上传数据层。网络层作为采集层和数据层的中间层,起到承上启下的作用。

(3)数据层。数据层主要实现对采集上传数据的进一步处理、存储等操作。依据各行业数据采集指南中数据验证要求,采集数据时对接入数据进行验证,判断其数据是否合法、信息是否匹配、是否有丢包漏包、目的地址是否正确等。数据层数据是对企业能源结构、能耗水平、能耗趋势等信息从多个维度进行汇总分析以及可视化展示的基础。

(4)应用层。应用层主要负责将数据层汇总分析的数据按照平台用户类型应用到实际生活中。针对不同的用户,提供相应的信息技术服务。如:面向节能监管部门,提供相关数据报表,实时监测企业能耗情况,进一步细化和落实节能任务,逐步形成系统化、信息化的能源消耗监管体系;面向用能企业,提供更优化的生产方案,为企业提能源利用效率、降低生产成本、减少能源浪费提供支撑;面向社会大众,及时提供新的节能信息,推广节能技术产品,提全社会节能环保意识。

  1. 平台设计与研发

2.1 能耗采集终端设计

能耗数据的准确、实时采集是平台运用的基础。在该方案中,能耗采集终端主要实现能耗数据的实时采集。终端整体结构框图如图2所示。

图2 能耗监测终端功能框图

该终端包括控制模块、通讯模块、存储单元、安全管理单元、电源模块、显示模块等。其中:

(1)控制模块。控制模块采用低功耗处理器,主要实现对通讯模块、存储单元、安全管理单元、电源模块、显示模块的控制,确保终端功能和实现,以及终端的长时间运行。

(2)通讯模块。通讯模块支持数据采集通讯、以及终端与平台间的数据通讯。终端支持 RS485总线以及 MODBUS OPC 等工业协议,实现与电表、油表、水表、气表、煤气表等能耗计量设备的数据接口,实现数据的采集。终端具备以太网接口,支持终端与平台间的互联互通;同时平台通过该以太网接口,实现对终端的远程监控和配置功能,包括:外网主机部分的上传地址、采集点信息、计算公式等参数的配置以及安装、卸载、升级等操作。

(3)存储单元。终端具备本地存储功能,上传数据经过 HTTPS 协议加密,如果传输超时或失败设备将重发数据,直到接收成功反馈消息,防止因为断电、网络异常等意外事故导致的数据丢失。

(4)安全管理单元。设备采用“内网主机+外网主机+安全数据交换单元”的“独立双主机 2+1”架构,其中,安全数据交换单元不同时与内外网主机连接,以此将内网与外网隔离,防止企业内部数据泄露和外部病毒木马程序入侵,保证数据传输安全。

(5)电源模块。电源模块支持交流电压 220V±10%,双路冗余热备电源输入。

(6)显示模块。支持7寸液晶触摸屏,方便显示监控数据以及设置参数等操作。

2.2 平台软件设计与研发

能耗在线监测平台是面向企业、节能安全监管部门等用户的窗口。软件部分主要功能模块包括:用能单位子系统、政府子系统、公众服务子系统,基于 B/S 三层架构、asp. net 技术开发实现(图3)。

图3 平台功能框图

2.2.1 政府监管子系统

政府监管子系统主要面向区/市/省相关,提供能耗监测、能效分析、节能管理、计量管理等功能。

(1)能耗监测。提供对用能单位的能耗数据的统计分析功能,包括:能源消费强度、能源消费构成及各能源品种消费量指标统计分析;基于 GIS的企业和区域能耗分析,并形成图表等可视化表示形式:服务政府各级节能部门的数据汇总,报表填报等信息化工作需求。

(2)能效分析。提供从宏观监测、地区、行业及产品的角度进行能效的统计分析功能,基于历史能效指标状况预测能效趋势。

(3)能管理。提供总量及强度控制、节能业务管理、节能监察、节能标准法规与技术产品发布等功能;对能源“双控”指标进行分配并对节能形势进行分析和预测预警;对企业管理岗位、主要负责人进行备案;提供节能公司和节能审核机构的注册与查询功能。

(4)计量管理。提供用能单位计量器具配备情况汇总查询功能,对用能单位计量器具的配备数、配备率、检定校准情况进行汇总查询,对即将到期或已到期的进行标注预警。

2.2.2用能单位管理子系统

用能单位管理子系统主要为企业用户提供相关能耗数据、计量器具、政策法规等信息的维护查询。

  1. 能耗监测。对能耗监测终端采集的煤、油、水、电、气、汽等实时能耗数据进行监测,实现。

(2)能效分析。企业内部能耗数据,进行能耗分析和成本分析,主要包括大需量配置、大需量查询、峰平谷电耗分析、能源综合成本分析的查询功能,并支持企业与同行业其他企业进行相应节能指标的对比分析和改进指导。

(3)能源报表。汇总企业的电力损耗信息、能耗综合成本、单位产品能耗、班次单位产品能耗、班组单位产品能耗、峰平谷电耗、能耗单位汇总、能耗成本单位汇总、能耗费用汇总、能耗比较等报表信息。

(4)能耗预警。统计各报警类型的报警次数和报警时长,为企业开展能耗管理决策提供参考。

(5)能源计量器具管理。对企业能源计量器具的使用、检验、计量等情况进行记录和管理,从而提升企业能耗监测的准确性和有效性。

(6)能源管理标准规范查询。方便企业及企业人员实时在线查询国家有关法律法规、政策文件、标准规范等资料。

2.2.3 公众服务子系统

公众服务子系统主要面向社会公众提供服务,具备发布相关的政策法规、标准规范、新闻动态、节能技术产品等信息的功能,是平台的门户窗口,为实现节能降耗的多元共治局面提供支撑。

  1. 应用案例

基于物联网的能耗在线监测平台总体方案目前已在山东省淄博市某化工企业进行了实际应用。该企业目前主要使用的能源类型包括:原煤、电、天然气、蒸汽,其中:企业利用工业水进行自发电,部分电力上网,同时有外供蒸汽给周边企业使用。部分能源数据已经采集到企业自建的 MES 系统中。

根据企业实际情况,结合有关政策要求,在平台总体方案的基础上,研究提出了符合企业需求的能源在线监测方案,如图4所示。在边缘采集侧,部署能耗监测终端,与企业的 MES 系统进行对接,通过 RJ45 接口实现能耗数据的采集,同时终端通过有线网络/4G/无线局域网等数据通讯模式将能耗数据定时发送到能耗在线监测平台。在云服务平台侧,主要面向企业、节能安全监管部门,以软件即服务的模式开展信息技术服务。

图4 应用企业部署架构图

(1)面向企业的云服务。企业登录能耗在线监测平台,开展企业能耗信息化管理,对本企业实时能耗情况、计量器具情况等进行管理,对企业历史能耗情况、能耗趋势等进行分析,形成各类预警信息,如企业能耗指标预警、节能量预警、能源储备预警等并为企业提出安全生产和能源使用的具体改进措施提供数据支撑。如:针对企业各类能耗比例进行同比或环比分析,结合企业生产情况进行分析,发现企业能耗过程中的问题提出生产或能源使用的改进措施。

(2)面向节能安全监管部门的云服务。依托平台实现企业能耗信息的汇聚和分析,为节能安全监管部门开展管理提供数据化和平台化支撑。如:监管部门可通过分析企业的能耗数据,分析行业和企业能源结构,为能源管理决策和规划提供支撑。

4、安科瑞企业能源管控系统概述

安科瑞企业能源管控系统采用自动化、信息化技术和集中管理模式,对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理,监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况,通过数据分析、挖掘和趋势分析,帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析,为企业加强能源管理,提能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。

5、应用场所

钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。

6、系统结构

现场通过厂区局域网和平台通讯,平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后,客户可以在任意能与局域网联通的地方,通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

系统可分为三层:即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。

现场设备层:主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等,也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任,这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。

网络通讯层:包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据,并可进行规约转换,数据存储,并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器,智能网关可在网络故障时将数据存储在本地,待网络恢复时从中断的位置继续上传数据,保证服务器端数据不丢失。

平台管理层:包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器,一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。

平台采用分层分布式结构进行设计,详细拓扑结构如下:

7、系统功能

平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式,对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理。实时监测企业各类能源的消耗情况,通过数据分析、挖掘和趋势分析,帮助企业加强能源管理,提能源利用效率和节能潜力,为节能改造提供数据依据。

7.1平台登录

在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码,进行登录,防止未授权人员浏览有关信息。

7.2大屏展示

用户登录成功之后进入大屏展示页面,展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况,点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。

7.3首页

首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。

7.4数据监控

对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况,同时能更快的掌握点位的报警,并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。

  • 能源实时监控:对于水、电、气等能源消耗进行实时监测,确保用能环节的持续稳定运行,显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。

    • 能流图:需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示;当能源参数越限报警,可提供报警重要性等级分类,同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等;

    • 配电图:将配电房真实情况画入配电图,实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。

    • 实时统计:实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值;

    • 数据展示:通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数;

  • 检测:对能源报警信息进行集中显示,可以对报警阈值信息进行相关处理操作,可以对报警参数进行在线设置,当能源参数越限报警,可提供报警重要性等级分类,具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示;

7.5视频监控

接入摄像头,实时掌控企业内实际情况。

7.6变压器监控

展示各电压器的负载情况,从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析,找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载,从而降低用电单耗,使电能损失降低。

7.7仪表实时监控

展示各个水电气仪表的实时参数变化,以曲线图的方式展示。

7.8能源中控

将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中,能从多个维度对比分析,实现各个产业线的对比,帮助领导掌控整个工厂的能源消耗,能源成本,标煤排放等的情况。

7.9用能统计

从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度,采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析,折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计,找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方,从而调整能源分配策略,减少能源使用过程中的浪费。

7.10分析

统计各个监测节点(工厂、车间)的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用,其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。

7.11产品单耗统计

与企业MES系统对接,通过产品产量以及系统采集的能耗数据,在产品单耗中生成产品单耗趋势图,并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标,以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺,从而降低能耗。

7.12绩效分析

对各类能源使用、消耗、转换,按班组、区域、车间,产线、工段、设备等进行日、周、月、年、*时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核,帮助企业了解内部能效水平和节能潜力,评定能源消耗是否合理。

7.13运行监测

系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集,监测设备及工艺运行状态,如温度、湿度、流量、压力、速度等,并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据,支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。

7.14自定义能耗报表

用户可通过自定义报表头与列,灵活生产各种报表,查看企业各个节点的能耗,单耗,成本,综合能耗等信息,并同比、环比报表,支持导出报表。

7.15同比、环比

提供能耗成本的图形对比分析,包括分时段(日、月、年)的同比、环比分析,分类、分时段、分项(地点、机构、设备)统计图形对比分析(柱状图、饼图、堆积图等)。

同比

环比

7.16分析报告

以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析,让用户更加了解系统的运行情况,并为用户提供数据基础,方便用户发现设备异常,从而找出改善点,以及针对用能情况挖掘节能潜力。

7.17能耗设备用能

监控耗能设备运行、停机及异常状态,及时解决设备故障停运导致无法正常生产。

7.18线损分析

根据节点、能源分类,查询各个节点线路上的能源损耗数据,及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题,提醒用户及时进行干预。

7.19碳排放管理

按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计,并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算,并结合减排指标实现超标预警,提升区域减排水平,促进碳达峰目标实现。

7.20电能质量监测

实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等,确保功率因数不低于供电局考核指标,避免被罚款和设备出现故障。

7.21运维管理

系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理,方便运行管理人员的制定巡检计划、派工,巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺,进行故障报修、跟进维修进度,满足日常巡检、设备维修保养需要。

7.22报警管理

针对于电气正常开展、限电和能耗双控,实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等,帮助企业提前预警,避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过。支持分级分类报警,可对报警进行派发与闭环处理。

7.23能耗抄表

可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值,可自定义抄表的分类分项。

7.24能耗分析自定义时间抄表

可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值,可自定义抄表能耗值的的分类分项。

7.25容需量报表

提供容需量报表,实时展示容量需量价格的变化情况,帮助企业实现容改需,降低基本电费。

7.26复费率报表

对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析,为企业分时用电,优化成本效益提供数据支持。

7.27文档管理

对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档,可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理,支持文件的上传和下载。

7.28 3D可视化大屏

对场景进行虚拟仿真,展示各区域运行及能源消耗情况,可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果,支持模型与监测点位的自定义绑定。

7.29 3D子系统

对各动力子系统进行虚拟仿真,展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况,可实现动态的能源流向效果。

7.30工业组态

可通过图形化的编辑方式自定义组态图,展示设备运行状态及能源消耗情况,可上传自定义素材及绑定监测数据。

7.31自定义驾驶舱

可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱,以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据,数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。

7.32基础数据管理

对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。

7.33手机APP

APP支持Android、iOS操作系统,方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。

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8、结语

基于物联网的能耗在线监测平台总体方案基于国家政策导向、行业节能需要、企业管理实际研究提出。在总体方案的基础上,重点研究设计了基于物联网和云计算的能耗监测终端、能耗在线监测平台等支撑性的软硬件系统,实现能耗数据实时动态采集、监测以及分析、预警等功能。平台方案和技术产品在典型化工企业能耗管理中得到了实践应用,满足了企业提运行管理水平、政府强化能源管理等各方需求,具有较好的推广应用前景。

参考文献

[1]徐强. 加快建设重点用能单位能耗在线监测系统助推生态文明与绿色发展[J]. 中国能源,2018,40(4):5-6,9

[2]杨作明. 张治东. 李娟. 李良.基于物联网的能耗在线监测平台研究与应用

[3]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.

[4]安科瑞企业能源管控平台.2020.08版.

作者简介:翟雪玲,女,现任职于安科瑞电气股份有限公司,主要研究方向为工业能源管理系统。