基于物聯網的工業能耗監控系統：設計與實施策略

摘 要：針對工業制造企業存在高能耗、高污染的問題，提出了一種用于工業企業能耗監控的多層級網絡系統。本系統可完成企業內部電力、水資源以及燃氣等能源消耗的智能監測，并將監測結果存儲至Web服務器和后臺數據庫，在前端用戶交互面板顯示，以實現對企業能耗系統化的監控和管理目標。

關鍵詞：物聯網（IoT）；工業企業；能耗監控。

0 引言

無線或有線傳感裝置、網絡通信技術、數據處理技術等物聯網技術，在工業企業能耗監控系統建設中的應用，可通過不同能耗設備工作狀態、實時能耗等指標來構建企業能耗監控系統，制定一套企業能耗監控、節能管理的系統化解決方案，并監測能耗數據采集、數據信息處理以及實時能耗反饋。因此，在物聯網感知層、控制層、網絡層和應用層的多層系統架構基礎上，加強能耗數據感知與采集、統計分析、監控結果顯示，實現基于關系模型工業企業能耗的實時監控、問題處理的目標。

1 公共建筑能耗情況分析

1 工業制造企業能耗監控中的物聯網關鍵技術

1.1 環境信息感知設備

當前，工業制造企業能耗監控使用的傳感裝置包含電量傳感器、測溫傳感器、ESR型燃氣傳感器、溫度隔離變送器以及水位計，用于多源環境信息的感知、采集與處理分析。而射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）技術往往通過電子標簽來記錄多種多樣的環境信息，可自動準確識別電力供電狀態信息、設備維護的操作信息。一旦系統開啟，便可實時監控、記錄相關環境信息，并及時回傳至后臺處理。

1.2 網絡通信技術

在工業制造企業的能耗監控過程中，對于物聯網環境信息的感知、傳輸，通常更多用到無線網絡通信技術、CC1100無線接收模塊、全球移動通信系統（Global System for Mobile Communication，GSM）模塊，形成各節點間的數據通信和資源共享。當前外部環境能耗監控中運用的網絡通信技術，包括 NSA/SA 通信技術、窄帶物聯網（Narrow BandInternet of Things，NB-IoT），其中NSA/SA為常見的5G網絡通信技術和雙模通信模式，上行支持256正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）和HPUE、下行支持探測參考信號（Sounding Reference Signal，SRS）輪發，可滿足不同場景下的物聯網數據傳輸要求。而NB-IoT屬于小范圍空間的無線移動通信網絡，主要依托于5G移動蜂窩網絡，在企業不同生產設備中部署，包括網絡上行/下行基帶信號、獨立載波的部署，從而保證網絡數據信息傳輸和智能業務分配的控制。

1.3 數據處理技術

利用物聯網能耗監測系統和傳感器裝置接收網絡數據信息，通常會被傳送至多個網絡節點進行處理。而用于數據處理控制的網絡節點主要分為互聯網信息物理系統（Cyber Physical System，CPS）節點、有源CPS節點和無源CPS節點，其中互聯網CPS節點可針對海量化的網絡數據信息進行能耗監測數據計算、分析。而有源/無源CPS節點通過多個節點間的連接構建物聯網系統的信息控制中心，用于少量能耗監測數據信息的處理和存儲。這樣對簡單能源消耗數據的處理可不再傳送至核心處理器即可完成處理計算。

2 物聯網感知與傳輸技術的組成框架結構

議構建具有工業企業數據獲取、處理、傳遞、存儲與共享的多級結構。因而，依托智能傳感器裝置、網絡通信協議、網關服務器、后臺數據庫等軟硬件以及其他的可擴展組件，可完成物聯網絡系統的組網，自動收集、整理和保存有關工業能耗的數據信息。當前，物聯網技術的組成框架包括感知層、網絡層、控制層以及應用層等。

網絡層和控制層是物聯網能耗監控系統的重要部分。其中，網絡層包含網絡通信協議、網關服務器、以太網卡、無線通信模塊以及控制輸出接口結構，主要用于建立控制層和應用層間的網絡連接。物理層通信協議用于數據采集的控制，但難以保證數據傳輸、處理的安全性。而數據鏈路層協議可對物理信道的傳輸使用進行控制、復制，并通過引入多個網絡節點的數據處理技術讀取、寫入和分析載入數據信息。而控制層屬于感知層、網絡層的中間層級，通常將網絡傳感器收集的的各類能耗信息，經由多功能電表、智能水表、燃氣表以及多個設備控制器，實現對傳感器采集信息傳輸、設備狀態信息、能耗監控指令、能耗信息存儲與調用等功能控制，并將從網絡層返回的能耗數據信息存儲至后臺數據庫。

3 基于物聯網技術的工業企業能耗監控系統設計

3.1 工業企業的能源消耗分析

工業制造企業在日常生產經營過程中通常會用到水、煤、電力以及燃氣等能源，其中煤炭、電力是工業生產制造消耗量至大的能源，但煤炭的利用效率僅為55%～70%、且對環境污染嚴重，因而近年來煤炭能源的用量顯著下降。特別對工業企業的電機驅動工序而言，通常會經過熱處理、切削、成型、干燥、黏結及裝配等流程，并涉及能源消耗的分配、計量、監測的控制環節。

3.2 工業企業能耗監控系統的組成結構

基于物聯網技術的工業企業能耗監控系統屬于互相獨立、分布式的監控管理系統平臺。通常采用瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）架構、JavaScript腳本語言，建立用于綜合能耗監控、數據庫管理控制的平臺。

首先，依托物聯網系統的感知層包括紅外探測器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、流量計以及RFID智能識別卡等環境信息監測裝置，以及多功能電表、智能水表、燃氣表的內部控制設備。相關人員探測與采集企業內部的環境信息和不同運行設備的能耗信息，智能識別水、煤、電力及燃氣的能源用量，并經由網絡通信協議、紅外通信協議、RS485通信模塊與GSM通信模塊、網關服務器上傳至系統后臺數據庫進行處理。其次，由燈具、空調、風機以及切削車床等設備控制器，參與能耗節能管理的網關控制中，由特定設備控制器進行網絡層和感知層命令的傳輸控制，包括網絡層命令下發和感知層命令上傳。最后，利用NSA/SA通信技術、NB-IoT組網技術、傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）、RS485無線通信模塊、433M通信模塊、GSM通信模塊自組網方式，設置多個生產設備的開啟和關閉時間，用于企業能耗狀態的實時監控和遠程控制，以達到系統智能化的節能目標。

4 基于物聯網技術的工業企業系統能耗監控管理功能實現

目前，工業企業能耗監控系統依托 B/S架構、JavaScript腳本語言、無線通信協議、RS485總線、網絡計算機、數據庫服務器、平臺服務器以及用戶客戶端等設置數據采集、能耗監控、節能管理以及系統管理模塊，可由每個區域獨立的監控子系統為主導，開展企業系統管理環境狀態監控、能耗監控、生產產能分析、設備控制以及節能管理等功能操作。

4.1 系統管理功能

工業企業能耗監控系統的基礎管理設置主要圍繞用戶訪問、操作權限、設備配置以及網元調試等服務功能，構建用于系統基本信息配置、人員與操作管理的監控模塊。

4.1.1 用戶管理

為保證外部用戶訪問的安全性，針對用戶注冊、登錄、信息訪問與調用的操作流程，使用Segment token數據表、token范圍的登錄信息驗證機制，由后臺服務器端開展用戶名和密碼的驗證，并生成用戶應用程序接口（Application Programming Interface，API）請求調用和token身份驗證的信息數據。

4.1.2 網絡防護與網元權限管理

工業企業生產運營的權限管理包括網絡權限、網元權限以及功能權限等權限控制要素。在物聯網能耗監控系統的管理過程中，應先收集通信網絡的相關設備狀態信息，包括交換機、路由器及傳輸設備等運行狀況信息，實時監視存在的網絡配置、設備異常或故障情況，在此基礎上從遠程發送指令進行網絡傳輸通道設置、設備修改或刪除等重新配置。

4.1.3 能耗設備與視頻管理

基于不同物聯網傳感器采集的能耗信息，要通過內部控制設備進行相關文檔、視頻和音頻數據信息的監控管理，如配置視頻攝像頭的焦距、焦點、亮度、色彩等信息，以及對紅外探測器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、流量計以及RFID智能識別卡等傳感裝置，完成設備運行狀態和詳細參數的合理監測與管理。

4.2 能耗監控功能

工業企業能耗監控的管理功能執行主要面對園區內的煤炭系統、變配電系統、供水系統和天然氣系統，包括鍋爐制漿機、磨漿機、泵機以及作業塔等設備。將網關服務器收集的歷史能耗、實時能耗使用數據進行統計分析、導出與顯示，能耗監控的時間間隔設為每次1h。

4.2.1 煤炭能耗監控

在大數據云服務器和 B/S 網頁服務架構的基礎上，利用環境傳感器和智能能源監控裝置搜集企業某一站點的煤炭用量和設備實時狀態信息，顯示當前時間的能耗數據、告警及統計數據，以統計表、柱狀圖和餅狀圖等形式展示用能信息，從而得出在某一時段內的設備能耗值。

4.2.2 電力能耗監控

企業生產運營的電力使用監控主要是對廠區內不同回路的電氣參數，包括采集、統計與記錄變壓器、變電站以及配電站等裝置所發生的電力耗能狀況，顯示與記錄故障自動報警和故障問題日志的數據，實現變配電系統的實時監測和控制功能。

4.2.3 供水使用能耗監控

供水監控系統通常設置兩個配水池，向企業提供生產恒壓供水和消防噴淋供水。這一情況下供水總管進入廠區后可分為兩路，分別與生產用水管網和消防用水管網的控制設備連接。為保證供水使用能耗的準確檢測，可以在配水池和總供水管路中同時設置水位計、流量計及壓力計等供水監測裝置，實時監測計量水池水位、供水水壓和供水流量。

4.2.4 天然氣能耗監控

工業企業內部存在眾多的熱源和隔壓站。對于各監測點位的天然氣能耗數據統計，通常使用分散控制系統（Distributed Control System，DCS）熱網監控系統，圍繞天然氣的生產消耗量和采暖消耗量來監控天然氣瞬時流量、累計流量及傳輸壓力等數據信息。通過在某一時段內啟停生產設備，利用天然氣門站計量裝置觀察傳感器、閥門執行器和端設備的參數變化情況，將生成的實時天然氣流量和壓力傳回至后臺數據庫，并整合多設備燃氣使用狀態的數據和分類存儲，至大限度地保證能耗供需計劃和供需分配的合理性。

4.3 產能與節能管理功能

根據每臺機器的生產班次和班次產能，工業企業搜集、統計與錄入分析生產的產能信息。在接收生產工作后由管理人員參與，統計每個班次產能信息、生成能耗與產出的統計對比表，得出某一時段內企業的產能趨勢圖和能耗變化趨勢圖，并依次錄入以上的產能及能耗數據信息，以反映企業每個產出生產班次的能耗效用高低。

5 AcrelCloud-5000安科瑞能耗管理系統解決方案

為貫徹落實國發[2007]15號的精神，住建部印發《關于印發國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統建設相關技術導則的通知》（建科[2008]114號），組織編制“國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統"一系列技術導則及驗收標準。這些導則統一了能耗數據的分類、分項方法及編碼規則，實現了分項能耗數據的實時采集、準確傳輸、科學處理、有效儲存。我司AcrelCloud-5000能耗監測系統嚴格按照導則要求開發，符合導則要求的各項技術要求。

6 系統架構

計量層：主要安裝各種類型計量儀表（電表、水表、燃氣表、冷熱量計等）；支持RS485、LORA、4G直傳等方式。

傳輸層：傳輸層核心是使用ANet系列網關；主要特點是支持斷點續傳、支持多種協議轉換、數據機密傳輸。

服務層：能耗系統的中心，主要用于接收網關或4G終端傳輸的數數據，存儲數據，為用戶訪問提供數據接口。

展示層：主要為用戶提供訪問平臺數據的功能，支持跨平臺訪問，用戶可以使用PC瀏覽器、手機APP隨時了解項目能耗情況。

7 系統主要功能介紹

7.1 綜合看板

包含GIS地圖，可用顯示所有建筑的分布情況。針對建筑本周與上周用能出現增加或下降的情況，分別用紅色和藍色圖表表示。平臺可按照單位面積能耗與折標綜合能耗顯示當前平臺的建筑信息。平臺可顯示平臺接入儀表數量、平臺接入建筑總面積、平臺接入建筑上月總能耗等。同時，該頁面還有針對不同維度數據進行大數據分析后的結果展示。

7.2 單建筑能耗對比分析

單建筑能耗主要是針對單一建筑進行建筑分類分項能耗數據分析，分類分項嚴格按照平臺的標準與要求進行劃分，如圖中左側部分的樹形結構。

數據可以按照表格、柱狀圖、曲線的形式進行展示統計。可以直觀觀察分類能耗與分項能耗的數據關聯是否正常。

7.3 多建筑對比分析

多建筑能耗分析主要是將多棟建筑的分類或分項用能情況放到統一界面中。可按逐時、逐日、逐月、逐年的方式查看選中建筑的分了或分項數據。數據通過曲線圖或表格形式展示。

7.4 數據異常判定

平臺接入并維護多棟建筑的數據，建筑現場情況多種多樣，為保證系統持續穩定的運行以及數據的準確與可靠，平臺中增加了數據異常檢查功能，當數據檢查時不符合預定的情況時，及時產生報警并生成工單派發到維護管理人員郵箱中。

7.5 用戶報告

用戶報告主要內容包含各分類能源消耗量的趨勢分析、對比分析、占比分析等，還包含數據異常統計情況與派單情況。

8 系統硬件配置

物聯網技術作為互聯網信息產業的新興技術，通常會運用外部信息感知的數據采集技術，包括溫度傳感器、光電傳感器、聲音傳感器以及 RFID 射頻識別等軟硬件，采集工業企業生產經營過程中涉及的電力、水資源及燃氣等能源消耗數據。因此，針對工業生產的電力、水資源及燃氣等能源消耗，可通過傳感設備信息獲取和標簽讀寫的方式采集能耗數據、處理數據信息，并設置多個設備控制端口，監測與反饋企業的實時能耗，可滿足國家規定的企業節能降耗的控制要求。

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