基于無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0.引言

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，各行業(yè)加強(qiáng)智能化建設(shè)也邁向新的臺(tái)階。目前，無(wú)線公網(wǎng)在配電自動(dòng)化和計(jì)量自動(dòng)化中的應(yīng)用都頗為廣泛，*了供電企業(yè)抄表方式的轉(zhuǎn)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(xiàn)全量客戶自動(dòng)化模式抄表，以適應(yīng)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(hào)區(qū)域大部分為偏遠(yuǎn)山區(qū)，人工抄表耗時(shí)費(fèi)力且人身風(fēng)險(xiǎn)較大。顯然，解決公網(wǎng)無(wú)信號(hào)區(qū)域的遠(yuǎn)程抄表問(wèn)題是必行之舉。

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

1.1　環(huán)境信息感知設(shè)備

當(dāng)前，工業(yè)制造企業(yè)能耗監(jiān)控使用的傳感裝置包含電量傳感器、測(cè)溫傳感器、ESR型燃?xì)鈧鞲衅鳌囟雀綦x變送器以及水位計(jì)，用于多源環(huán)境信息的感知、采集與處理分析[1]。而射頻識(shí)別（RadioFrequencyIDentification，RFID）技術(shù)往往通過(guò)電子標(biāo)簽來(lái)記錄多種多樣的環(huán)境信息，可自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別電力供電狀態(tài)信息、設(shè)備維護(hù)的操作信息。一旦系統(tǒng)開(kāi)啟，便可實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄相關(guān)環(huán)境信息，并及時(shí)回傳至后臺(tái)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(jiān)控過(guò)程中，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境信息的感知、傳輸，通常更多用到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、CC1100無(wú)線接收模塊、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)模塊，形成各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信和資源共享。當(dāng)前外部環(huán)境能耗監(jiān)控中運(yùn)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(diào)制（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）和HPUE、下行支持探測(cè)參考信號(hào)（SoundingReferenceSignal，SRS）輪發(fā)，可滿足不同場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸要求。而NB-IoT屬于小范圍空間的無(wú)線移動(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(shè)備中部署，包括網(wǎng)絡(luò)上行/下行基帶信號(hào)、獨(dú)立載波的部署，從而保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸和智能業(yè)務(wù)分配的控制。

1.3　數(shù)據(jù)處理技術(shù)

利用物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和傳感器裝置接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息，通常會(huì)被傳送至多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。而用于數(shù)據(jù)處理控制的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要分為互聯(lián)網(wǎng)信息物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystem，CPS）節(jié)點(diǎn)、有源CPS節(jié)點(diǎn)和無(wú)源CPS節(jié)點(diǎn)，其中互聯(lián)網(wǎng)CPS節(jié)點(diǎn)可針對(duì)海量化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算、分析。而有源/無(wú)源CPS節(jié)點(diǎn)通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)間的連接構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息控制*，用于少量能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的處理和存儲(chǔ)。這樣對(duì)簡(jiǎn)單能源消耗數(shù)據(jù)的處理可不再傳送至核心處理器即可完成處理計(jì)算。

.       物聯(lián)網(wǎng)感知與傳輸技術(shù)的組成框架結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)利用信息采集的傳感裝置、多種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議構(gòu)建具有工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)獲取、處理、傳遞、存儲(chǔ)與共享的多級(jí)結(jié)構(gòu)。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(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)等軟硬件以及其他的可擴(kuò)展組件，可完成物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組網(wǎng)，自動(dòng)收集、整理和保存有關(guān)工業(yè)能耗的數(shù)據(jù)信息[2]。當(dāng)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(yīng)用層等，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　物聯(lián)網(wǎng)感知與傳輸技術(shù)的組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)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)線通信模塊以及控制輸出接口結(jié)構(gòu)，主要用于建立控制層和應(yīng)用層間的網(wǎng)絡(luò)連接。物理層通信協(xié)議用于數(shù)據(jù)采集的控制，但難以保證數(shù)據(jù)傳輸、處理的安全性。而數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可對(duì)物理信道的傳輸使用進(jìn)行控制、復(fù)制，并通過(guò)引入多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)讀取、寫入和分析載入數(shù)據(jù)信息。而控制層屬于感知層、網(wǎng)絡(luò)層的中間層級(jí)，通常將網(wǎng)絡(luò)傳感器收集的的各類能耗信息，經(jīng)由多功能電表、智能水表、燃?xì)獗硪约岸鄠€(gè)設(shè)備控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集信息傳輸、設(shè)備狀態(tài)信息、能耗監(jiān)控指令、能耗信息存儲(chǔ)與調(diào)用等功能控制，并將從網(wǎng)絡(luò)層返回的能耗數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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?xì)獾饶茉矗渲忻禾?、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(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，因而近年來(lái)煤炭能源的用量顯著下降[3]。特別對(duì)工業(yè)企業(yè)的電機(jī)驅(qū)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(jié)及裝配等流程，并涉及能源消耗的分配、計(jì)量、監(jiān)測(cè)的控制環(huán)節(jié)。

3.2　工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)屬于互相獨(dú)立、分布式的監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺(tái)。通常采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)、JavaScript腳本語(yǔ)言，建立用于綜合能耗監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫(kù)管理控制的平臺(tái)。

首先，依托物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層包括紅外探測(cè)器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)以及RFID智能識(shí)別卡等環(huán)境信息監(jiān)測(cè)裝置，以及多功能電表、智能水表、燃?xì)獗淼膬?nèi)部控制設(shè)備。相關(guān)人員探測(cè)與采集企業(yè)內(nèi)部的環(huán)境信息和不同運(yùn)行設(shè)備的能耗信息，智能識(shí)別水、煤、電力及燃?xì)獾哪茉从昧?，并?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(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行處理[4]。其次，由燈具、空調(diào)、風(fēng)機(jī)以及切削車床等設(shè)備控制器，參與能耗節(jié)能管理的網(wǎng)關(guān)控制中，由特定設(shè)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)線通信模塊、433M通信模塊、GSM通信模塊自組網(wǎng)方式，設(shè)置多個(gè)生產(chǎn)設(shè)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(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，以達(dá)到系統(tǒng)智能化的節(jié)能目標(biāo)。

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

目前，工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)依托B/S架構(gòu)、JavaScript腳本語(yǔ)言、無(wú)線通信協(xié)議、RS485總線、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、平臺(tái)服務(wù)器以及用戶客戶端等設(shè)置數(shù)據(jù)采集、能耗監(jiān)控、節(jié)能管理以及系統(tǒng)管理模塊，可由每個(gè)區(qū)域獨(dú)立的監(jiān)控子系統(tǒng)為*，開(kāi)展企業(yè)系統(tǒng)管理環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控、能耗監(jiān)控、生產(chǎn)產(chǎn)能分析、設(shè)備控制以及節(jié)能管理等功能操作。

4.1　系統(tǒng)管理功能

工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)管理設(shè)置主要圍繞用戶訪問(wèn)、操作權(quán)限、設(shè)備配置以及網(wǎng)元調(diào)試等服務(wù)功能，構(gòu)建用于系統(tǒng)基本信息配置、人員與操作管理的監(jiān)控模塊[5]。

4.1.1　用戶管理

為保證外部用戶訪問(wèn)的安全性，針對(duì)用戶注冊(cè)、登錄、信息訪問(wèn)與調(diào)用的操作流程，使用Segmenttoken數(shù)據(jù)表、token范圍的登錄信息驗(yàn)證機(jī)制，由后臺(tái)服務(wù)器端開(kāi)展用戶名和密碼的驗(yàn)證，并生成用戶應(yīng)用程序接口（ApplicationProgrammingInterface，API）請(qǐng)求調(diào)用和token身份驗(yàn)證的信息數(shù)據(jù)。

4.1.2　網(wǎng)絡(luò)防護(hù)與網(wǎng)元權(quán)限管理

工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的權(quán)限管理包括網(wǎng)絡(luò)權(quán)限、網(wǎng)元權(quán)限以及功能權(quán)限等權(quán)限控制要素。在物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的管理過(guò)程中，應(yīng)先收集通信網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)設(shè)備狀態(tài)信息，包括交換機(jī)、路由器及傳輸設(shè)備等運(yùn)行狀況信息，實(shí)時(shí)監(jiān)視存在的網(wǎng)絡(luò)配置、設(shè)備異常或故障情況，在此基礎(chǔ)上從遠(yuǎn)程發(fā)送指令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸通道設(shè)置、設(shè)備修改或刪除等重新配置。

4.1.3　能耗設(shè)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(nèi)部控制設(shè)備進(jìn)行相關(guān)文檔、視頻和音頻數(shù)據(jù)信息的監(jiān)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(duì)紅外探測(cè)器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)以及RFID智能識(shí)別卡等傳感裝置，完成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和詳細(xì)參數(shù)的合理監(jiān)測(cè)與管理。

4.2　能耗監(jiān)控功能

工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控的管理功能執(zhí)行主要面對(duì)園區(qū)內(nèi)的煤炭系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)，包括鍋爐制漿機(jī)、磨漿機(jī)、泵機(jī)以及作業(yè)塔等設(shè)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(shù)據(jù)進(jìn)行*的統(tǒng)計(jì)分析、導(dǎo)出與顯示，能耗監(jiān)控的時(shí)間間隔設(shè)為每次1h。

4.2.1　煤炭能耗監(jiān)控

在大數(shù)據(jù)云服務(wù)器和B/S網(wǎng)頁(yè)服務(wù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用環(huán)境傳感器和智能能源監(jiān)控裝置搜集企業(yè)某一站點(diǎn)的煤炭用量和設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，顯示當(dāng)前時(shí)間的能耗數(shù)據(jù)、告警及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以統(tǒng)計(jì)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(nèi)的設(shè)備能耗值。

4.2.2　電力能耗監(jiān)控

企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的電力使用監(jiān)控主要是對(duì)廠區(qū)內(nèi)不同回路的電氣參數(shù)，包括采集、統(tǒng)計(jì)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(bào)警和故障問(wèn)題日志的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制功能。

4.2.3　供水使用能耗監(jiān)控

供水監(jiān)控系統(tǒng)通常設(shè)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)入廠區(qū)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(shè)備連接。為保證供水使用能耗的準(zhǔn)確檢測(cè)，可以在配水池和總供水管路中同時(shí)設(shè)置水位計(jì)、流量計(jì)及壓力計(jì)等供水監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)量水池水位、供水水壓和供水流量。

4.2.4　天然氣能耗監(jiān)控

工業(yè)企業(yè)內(nèi)部存在眾多的熱源和隔壓站。對(duì)于各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的天然氣能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，通常使用分散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，圍繞天然氣的生產(chǎn)消耗量和采暖消耗量來(lái)監(jiān)控天然氣瞬時(shí)流量、累計(jì)流量及傳輸壓力等數(shù)據(jù)信息。通過(guò)在某一時(shí)段內(nèi)啟停生產(chǎn)設(shè)備，利用天然氣門站計(jì)量裝置觀察傳感器、閥門執(zhí)行器和端設(shè)備的參數(shù)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(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，并整合多設(shè)備燃?xì)馐褂脿顟B(tài)的數(shù)據(jù)和分類存儲(chǔ)，*限度地保證能耗供需計(jì)劃和供需分配的合理性。

4.3　產(chǎn)能與節(jié)能管理功能

根據(jù)每臺(tái)機(jī)器的生產(chǎn)班次和班次產(chǎn)能，工業(yè)企業(yè)搜集、統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)每個(gè)班次產(chǎn)能信息、生成能耗與產(chǎn)出的統(tǒng)計(jì)對(duì)比表，得出某一時(shí)段內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)能趨勢(shì)圖和能耗變化趨勢(shì)圖，并依次錄入以上的產(chǎn)能及能耗數(shù)據(jù)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(tǒng)

5.1概述

Acrel-7000企業(yè)能源管控平臺(tái)采用自動(dòng)化，信息化技術(shù)和集中管理模式，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實(shí)行集中扁平化的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，監(jiān)測(cè)企業(yè)電、水、燃?xì)?、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、挖掘和怕勢(shì)分析，幫助企業(yè)針對(duì)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(shè)備的能源利用情況等進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)、同環(huán)比分析、能源成本分析、用能預(yù)測(cè)、碳排分析，為企業(yè)加強(qiáng)能源管理，提高能源利用效率，挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和支持。

5.2應(yīng)用場(chǎng)所

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

5.3系統(tǒng)功能

5.3.1自定義駕駛艙

用戶根據(jù)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統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

5.3.2可視化3D

通過(guò)虛擬仿真實(shí)現(xiàn)多維度可視化，為客戶提供數(shù)字化服務(wù)，助力企業(yè)能源經(jīng)濟(jì)雙向管理，提升能源管理水平。

5.3.3多系統(tǒng)對(duì)接集成

5.3.4數(shù)據(jù)自診斷

數(shù)據(jù)異常診斷，提升安裝調(diào)試效率，保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

5.3.5能效分析報(bào)告

提供設(shè)備能效分析結(jié)果及節(jié)能建議，幫助管理人員*了解企業(yè)的能效水平，為企業(yè)節(jié)能降耗提供數(shù)據(jù)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(nèi)各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標(biāo)值查看。

5.3.7夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對(duì)選擇支路分類能源在*時(shí)段工作時(shí)間與非工作時(shí)間用能統(tǒng)計(jì)對(duì)比，支持導(dǎo)出報(bào)表。

5.3.8設(shè)備管理

設(shè)備管理包括，設(shè)備類型、設(shè)備臺(tái)賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設(shè)備，確保設(shè)備的運(yùn)行。

6.系統(tǒng)硬件配置

.       結(jié)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(yùn)用外部信息感知的數(shù)據(jù)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(shí)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?xì)獾饶茉聪臄?shù)據(jù)。因此，針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的電力、水資源及燃?xì)獾饶茉聪?，可通過(guò)傳感設(shè)備信息獲取和標(biāo)簽讀寫的方式采集能耗數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)信息，并設(shè)置多個(gè)設(shè)備控制端口，監(jiān)測(cè)與反饋企業(yè)的實(shí)時(shí)能耗，可滿足規(guī)定的企業(yè)節(jié)能降耗的控制要求。

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