韓輝++李博++郝曉辰++李軒++潘文宇



摘 要:為了解決當(dāng)前大型企業(yè)能耗居高不下,現(xiàn)有能源管理模式混亂,工作效率低下以及能源監(jiān)測(cè)與分析信息化水平不足的問(wèn)題,設(shè)計(jì)一套包括能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、基于B/S構(gòu)架模式的能源網(wǎng)絡(luò)報(bào)表系統(tǒng)的能源管理系統(tǒng),并從系統(tǒng)整體構(gòu)架設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)等幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。事實(shí)證明:該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,數(shù)據(jù)信息傳遞準(zhǔn)確,能有效防止人工抄表中的作弊現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)能耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析、綜合管理等功能,從而提高了企業(yè)的能源管理水平和能源利用效率,同時(shí)對(duì)能耗趨勢(shì)進(jìn)行合理的分析與預(yù)期,不僅能為企業(yè)在能耗改進(jìn)中提供數(shù)據(jù)保障,還可以優(yōu)化能源平衡和節(jié)能減排,提高管理效率,降低管理成本,為企業(yè)創(chuàng)造效益。
關(guān)鍵詞:高能耗企業(yè);能源管理系統(tǒng);能源監(jiān)測(cè)與分析;節(jié)能減排
中圖分類號(hào):TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2015)05-00-04
0 引 言
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展、人口數(shù)量的增長(zhǎng)、工業(yè)化進(jìn)程的加速,對(duì)能源的需求量也越來(lái)越大,經(jīng)濟(jì)在高速發(fā)展過(guò)程中所面臨的大量能源消耗所產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越突出[1]。目前,我國(guó)消耗了全球21.3%的能源、54%的水泥、45%的鋼鐵,但僅創(chuàng)造了全球11.6%左右的GDP,而其中煤炭占能源消費(fèi)比重達(dá)65.9%,石油占17.7%,水能占7.1%,天然氣占4.7% 。一些地區(qū)能耗強(qiáng)度是全國(guó)平均水平的2~3倍,一些落后技術(shù)設(shè)備仍在使用,這使得轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)的任務(wù)十分艱巨[2]。工業(yè)能源管理在高能耗產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要一環(huán),而如何做到能源的節(jié)約利用是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。
物聯(lián)網(wǎng),被稱作全球下一個(gè)萬(wàn)億元級(jí)規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)之一,是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)各種信息傳感設(shè)備,實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程等各種需要的信息,與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人,所有物品與網(wǎng)絡(luò)的連接,方便識(shí)別、管理和控制[3]。基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)企業(yè)各種能源的詳細(xì)使用情況,為企業(yè)查找能耗弱點(diǎn),促進(jìn)企業(yè)管理水平的提高及運(yùn)營(yíng)成本的降低,為節(jié)能降耗提供直觀科學(xué)的依據(jù)[4]。基于這種認(rèn)識(shí),為了提高能耗企業(yè)的能源管理水平,更好地做好節(jié)能減耗工作,針對(duì)高能耗企業(yè)的用能特點(diǎn)和能源管理需求,設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng),主要包括能源數(shù)據(jù)采集、能源網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、能源軟件開(kāi)發(fā)以及能源優(yōu)化調(diào)度等?;谖锫?lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)利用軟件技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等手段,解決能源運(yùn)行過(guò)程中海量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)和計(jì)算。相比傳統(tǒng)能源管理方法,總結(jié)了基于物聯(lián)網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。
1 系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是以泛在網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以泛在感知為核心、以泛在服務(wù)為目的的綜合性一體化信息處理技術(shù)。能源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)是基于“管控一體化”思想,將分散的能源控制系統(tǒng)、生產(chǎn)用能系統(tǒng)有機(jī)集成起來(lái),提供分散控制、集中管理的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu),借助OPC技術(shù),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸與集中管理,方便連接第三方數(shù)據(jù),有效進(jìn)行實(shí)時(shí)界面操作,強(qiáng)調(diào)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理與統(tǒng)計(jì)分析[5]。
整體系統(tǒng)架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)方法,基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)一般采用三層結(jié)構(gòu),從下到上依次包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。本系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中,根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目應(yīng)用需求在網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間添加一個(gè)控制層,通過(guò)添加的控制層可以使應(yīng)用層對(duì)能耗設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè),從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能節(jié)能的目的。
本文介紹的基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)根據(jù)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層、應(yīng)用層來(lái)實(shí)現(xiàn)功能,結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
感知層的通信范圍與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)通信不同。能源管理系統(tǒng)的感知層是信息采集的最底層,是能源數(shù)據(jù)采集的終端。在感知層運(yùn)用ZigBee模塊以及RS 485線串接的方式對(duì)全廠全部的能源介質(zhì),包括電、水、煤、氧氮?dú)鍤?、天然氣、蒸汽等?shù)據(jù)進(jìn)行感知和采集。
網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是把感知層感知到的數(shù)據(jù)利用處理器單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,把相應(yīng)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS射頻收發(fā)模塊快速、可靠、遠(yuǎn)距離的傳輸?shù)椒?wù)器端,使數(shù)據(jù)通過(guò)公司網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入上位機(jī)系統(tǒng)。
應(yīng)用層的主要功能是對(duì)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理,并通過(guò)Web客戶端操作頁(yè)面,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析功能。同時(shí),也可以通過(guò)Web終端獲取設(shè)備在過(guò)去任何時(shí)間段的能耗情況,根據(jù)能耗情況可以判斷出現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在這段時(shí)間內(nèi)是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常,以及管理中心操作員是否存在違規(guī)操作等。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
能源管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)與顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由RS 485線、國(guó)網(wǎng)I/II型采集器、國(guó)網(wǎng)集中器模塊等組成,能快速、準(zhǔn)確地獲取智能采集表中的數(shù)據(jù),達(dá)到數(shù)據(jù)與設(shè)備匹配。集中器對(duì)于上位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)會(huì)判斷其格式是否符合376.2應(yīng)用協(xié)議,對(duì)不符合應(yīng)用協(xié)議的數(shù)據(jù)會(huì)予以忽略,成功解決了數(shù)據(jù)錯(cuò)亂等問(wèn)題。數(shù)據(jù)傳輸主要由集中器、中控計(jì)算機(jī)和GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成,保證了數(shù)據(jù)的傳輸速率與傳輸距離,避免因網(wǎng)絡(luò)中斷造成數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。此外顯示系統(tǒng)主要由LED控制卡與LED顯示屏組成,對(duì)能源分析結(jié)果起到顯示作用。
2.1 感知層設(shè)計(jì)
能源管理系統(tǒng)底層通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)形式采集能源數(shù)據(jù),之后通過(guò)智能采集表RS 458總線數(shù)據(jù)接口將能源數(shù)據(jù)傳輸給采集器,采集器巡檢各表RS 458總線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并將采集上來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采集器與集中器通信采用ZigBee無(wú)線通信模塊,采集器平時(shí)處于接受狀態(tài),當(dāng)采集器收到集中器指令時(shí),按照指令內(nèi)容操作,將采集器有關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊送至集中器。集中器可以定時(shí)或?qū)崟r(shí)對(duì)下轄的采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)抄收,并進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)上級(jí)設(shè)備—管理中心計(jì)算機(jī)調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí),集中器上的GPRS通信模塊通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將存儲(chǔ)的能源數(shù)據(jù)打包上送。管理中心計(jì)算機(jī)可以通過(guò)集中器對(duì)采集終端進(jìn)行各種操作。
2.2 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)通信是能源數(shù)據(jù)采集與能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析的中間環(huán)節(jié),本系統(tǒng)主要采用GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與ZigBee技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。GPRS(General Packet Radio Service,通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)),是一種分組交換系統(tǒng)[6],其資源利用率高、傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)等特性都非常適合本系統(tǒng)。
ZigBee自組網(wǎng)傳輸相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)傳輸更加可靠。在傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中,數(shù)據(jù)都按照設(shè)定好的鏈路進(jìn)行路由傳輸,一旦有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障,它所有的相關(guān)節(jié)點(diǎn)都會(huì)隨之癱瘓。而自組網(wǎng)傳輸由于是動(dòng)態(tài)路由,可以隨時(shí)調(diào)整,當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí),它之前的相關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)另外找尋路徑來(lái)接入網(wǎng)絡(luò),從而避免網(wǎng)絡(luò)的癱瘓,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹7]。系統(tǒng)實(shí)施時(shí),將采集器模塊置于國(guó)網(wǎng)采集器中,集中器模塊放置于集中器內(nèi)。通過(guò)自組網(wǎng)的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊衅?,然后再通過(guò) GPRS 方式發(fā)送回管理中心計(jì)算機(jī)的能源管理系統(tǒng)。
2.3 應(yīng)用層設(shè)計(jì)
能源管理系統(tǒng)在網(wǎng)頁(yè)發(fā)布能源報(bào)表上采用Web技術(shù),任何一臺(tái)連入辦公網(wǎng)內(nèi)的電腦都可以通過(guò)瀏覽器對(duì)能源報(bào)表進(jìn)行查看。同時(shí),在廠區(qū)內(nèi)則采用LED技術(shù)為廠區(qū)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)能源數(shù)據(jù)顯示,其中LED技術(shù)采用集群控制LED顯示屏網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),各個(gè)LED顯示屏在局域網(wǎng)內(nèi)通過(guò)TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器建立連接。系統(tǒng)可以自動(dòng)根據(jù)所在廠區(qū)的工藝段來(lái)顯示相對(duì)應(yīng)的能耗報(bào)表,以供不同工藝段的員工實(shí)時(shí)查看,根據(jù)能源報(bào)表的異常,找出引起高能耗的原因,并及時(shí)采取相應(yīng)措施。
3 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)
3.1 能源采集軟件設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)軟件主要采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā),用Microsoft Visual Studio 2010及SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)搭建。基于當(dāng)前高能耗企業(yè)能源使用及統(tǒng)計(jì)中存在的問(wèn)題,所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能源數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。
根據(jù)圖2所示的流程圖,該能源管理系統(tǒng)可以分為能源數(shù)據(jù)采集軟件、能源網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件兩大主要部分。圖3是能源數(shù)據(jù)采集軟件功能圖。
3.2 能源統(tǒng)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)Web設(shè)計(jì)
能源網(wǎng)絡(luò)發(fā)布在能源服務(wù)器上,此系統(tǒng)采用.Net操作平臺(tái)下的Web框架,在客戶端應(yīng)用瀏覽器,屬于B/S構(gòu)架模式,用來(lái)進(jìn)行能源報(bào)表統(tǒng)計(jì)與分析,是能源管理系統(tǒng)的重要組成部分[8]。在此操作系統(tǒng)上,可以進(jìn)行登陸人員身份驗(yàn)證、能源報(bào)表選擇、能源年報(bào)查詢、能源月報(bào)查詢以及能源日?qǐng)?bào)查詢,其中包括對(duì)班組能耗的統(tǒng)計(jì)。管理人員可以依據(jù)需求進(jìn)行選擇以及查看操作,當(dāng)查看完成后,還可以將能源統(tǒng)計(jì)及能報(bào)表以Excel格式導(dǎo)出保存并打印,以供管理人員對(duì)能耗進(jìn)行分析、規(guī)劃及預(yù)測(cè)。軟件功能圖如圖4所示。
圖2 能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖
圖3 能源數(shù)據(jù)采集軟件功能圖
圖4 能源網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件功能圖
能源數(shù)據(jù)采集部分用Windows窗體模塊開(kāi)發(fā),能源數(shù)據(jù)發(fā)布與分析采用Web模塊開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)采集部分主要為對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種采集表能源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并存儲(chǔ),對(duì)系統(tǒng)工藝、能源報(bào)表、設(shè)備節(jié)點(diǎn)的組態(tài)。能源網(wǎng)絡(luò)發(fā)布部分主要為能源數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析,并將最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)布到公司局域網(wǎng)上,供管理人員進(jìn)行能源分析與預(yù)測(cè),并作出科學(xué)的能源策略。
能源管理數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣決定了軟件系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率,能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與操作采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),SQL Server 的優(yōu)點(diǎn)眾多:易用性、適合分布式組織的可伸縮性、用于決策支持的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)功能、與其他服務(wù)器軟件緊密關(guān)聯(lián)的集成性、良好的性價(jià)比等,最重要的是SQL Server是一個(gè)具備完全Web支持的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品,提供了對(duì)可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言 (XML)的核心支持以及在Internet上和防火墻外進(jìn)行查詢的能力[9]。
4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用系統(tǒng)
能源管理系統(tǒng)在承德、唐山、臨澧等水泥廠已經(jīng)投入使用,各項(xiàng)功能運(yùn)行良好,解決了能源統(tǒng)計(jì)難、數(shù)據(jù)造假、能源分析不科學(xué)等問(wèn)題。能源消耗與之前相比確有下降,有一定的節(jié)能效果。如圖5所示的(a)、(b)、(c)分別為承德冀東現(xiàn)場(chǎng)能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主界面、能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的報(bào)表選擇查詢頁(yè)面以及能源日?qǐng)?bào)表網(wǎng)頁(yè)的部分軟件界面。
(a)
(b)
(c)
圖5 能源管理系統(tǒng)部分軟件功能運(yùn)行圖
5 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
目前,能源管理方法有以下幾種:
(1)人工管理?,F(xiàn)場(chǎng)有安裝傳感器,但是沒(méi)有數(shù)據(jù)采集設(shè)備。由于歷史原因,現(xiàn)場(chǎng)儀表比較老舊,不具備通信或其他輸出方式。暫時(shí)使用人工抄表的方法采集數(shù)據(jù),定期進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì)。
(2)總量管理?,F(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有安裝傳感器,根據(jù)能源購(gòu)入總量及使用時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),對(duì)于自然資源(例如水等資源) 不統(tǒng)計(jì)使用和排放。
(3)獨(dú)立管理。重點(diǎn)設(shè)備有配套的監(jiān)測(cè)設(shè)備,例如,煤氣柜具有獨(dú)立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),監(jiān)測(cè)煤氣柜的歸位、壓力、溫度等參數(shù)。
表1就各種方法進(jìn)行比較。
表1 各種能源管理方法比較
人工管理 總量管理 獨(dú)立管理 基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)
過(guò)程監(jiān)測(cè) 人工進(jìn)行 無(wú)法進(jìn)行 重點(diǎn)設(shè)備
獨(dú)立監(jiān)測(cè) 集中統(tǒng)一
監(jiān)測(cè)
統(tǒng)計(jì)頻率 每日統(tǒng)計(jì) 根據(jù)能源購(gòu)入頻率統(tǒng)計(jì) 按秒或
分鐘統(tǒng)計(jì) 按秒或
分鐘統(tǒng)計(jì)
監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性 人工監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)性較差 無(wú)法進(jìn)行 獨(dú)立設(shè)備可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 全廠統(tǒng)一
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
計(jì)劃實(shí)績(jī)對(duì)比 根據(jù)統(tǒng)計(jì),總值對(duì)比 根據(jù)統(tǒng)計(jì),總值對(duì)比 根據(jù)統(tǒng)計(jì),獨(dú)立對(duì)比 統(tǒng)計(jì)進(jìn)行
全廠各項(xiàng)對(duì)比
平衡管理 無(wú)法進(jìn)行 無(wú)法進(jìn)行 獨(dú)立設(shè)備,平衡管理 全廠進(jìn)行
統(tǒng)一平衡管理
綜上所述,基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì):
(1)打破傳統(tǒng)的抄表方式使能源管理技術(shù)自動(dòng)化、智能化。完善能源信息的采集、存儲(chǔ)、管理和能源的有效利用。
(2)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,提高企業(yè)能源監(jiān)測(cè)與分析的信息化水平,在公司層面對(duì)能源系統(tǒng)采用分散控制和集中管理。
(3)減少管理環(huán)節(jié),優(yōu)化管理流程,降低管理成本,建立客觀的能源消耗評(píng)價(jià)體系。
(4)減少能源系統(tǒng)運(yùn)行成本,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
(5)加快系統(tǒng)的故障處理,提高對(duì)全廠性能源事故的反應(yīng)能力。
(6)通過(guò)優(yōu)化能源調(diào)度和平衡指揮系統(tǒng),使企業(yè)對(duì)能耗進(jìn)行科學(xué)、有效的管理,以達(dá)到節(jié)約能源和改善環(huán)境的目的。
6 結(jié) 語(yǔ)
目前能源管理系統(tǒng)已經(jīng)完成全部工作,成功應(yīng)用于承德冀東等水泥企業(yè),解決了企業(yè)傳統(tǒng)抄表存在的問(wèn)題,提高了企業(yè)能源管理水平和能源利用效率,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化能源平衡和節(jié)能減排。經(jīng)過(guò)一年的正常運(yùn)行,收到了良好的效果,改變了管理中心操作員不良操作等現(xiàn)象,能耗較以往有明顯下降。管理者可以科學(xué)、可靠的對(duì)能源消耗進(jìn)行分析與預(yù)測(cè),給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)也保護(hù)了環(huán)境 ,履行了自己對(duì)社會(huì)的責(zé)任,目前正打算在全國(guó)范圍內(nèi)推廣此能源系統(tǒng)。
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