綜合能源在線監測數據采集系統設計

張鵬

巴彥淖爾市工業節能監測中心，內蒙古 巴彥淖爾 015000

0 引言

綜合能源在線監測系統，是工業節能監測中心開展工業企業能耗監測的主要平臺，做好監測數據采集，是確保監測系統穩定運行的重要基礎。綜合能源在線監測系統覆蓋范圍更加廣泛，對數據采集范圍、精度都有更高要求。本文在明確數據采集系統優化必要性基礎上，對系統具體設計內容進行說明，并明確采集系統運行的基本要求，以此為相關設計工作開展提供參考。

1 綜合能源在線監測數據采集系統的作用

依照國家和地方政府關于企業能耗管理和在線監測工作實施要求，綜合能源在線監測已經成為工業節能監測中心開展工作的主要方式，針對重點用能單位布設在線采集聯網系統，實現對重點能耗企業運行數據的實時采集。從綜合能源在線監測系統運行方式而言，數據采集在系統運行中起到基礎支撐作用。采集系統包括能耗運行數據采集和現場視頻采集兩種方式，多數在線監測系統都是單純采用數據采集方式，而對于較為重要的監測節點，還應當布置視頻采集方式，合理設定視頻數據存儲時長，確保在特殊情形下能夠利用現場視頻對運行情況進行精準分析，確保系統運行穩定性[1]。

采集系統設計應當遵循如下原則。①技術性原則，在采集系統設計中，應當采用合適的技術體系，軟件平臺要具備成熟應用條件，設備技術則應當具備良好的應用性特征，能夠滿足系統后續運行要求。②系統性原則，主要是指在采集系統設計中，要與在線監測系統實現全方位兼容，要能夠實現數據的全面采集和實時傳輸，能夠滿足系統穩定運行要求，各個子系統之間能夠達到多元銜接。③便利性原則，采集系統硬件布置要適應監測工作人員操作習慣，合理設計人機交互頁面，在確保系統穩定運行基礎上，更好地提升操作效率，為節能控制措施制定提供堅實依據。

2 綜合能源在線監測數據采集系統優化必要性

2.1 數據采集范圍拓展

綜合能源服務體系改變了傳統工業企業生產體系中，以電力能源消費為主體的方式，企業根據自身運行情況，選擇油、氣、煤等多種能源供給方式，以此實現能耗水平的有效控制，確保企業經濟效益水平不斷提升，達到良好的節能降耗目的[2]。同時，綜合能源服務體系的變革，也要求工業節能監測體系中，能夠全面采集各種能源消耗數據，分析不同能源供給形式具體占比，不同供給形式能耗控制水平是否達到要求，以此為環境保護、雙碳目標控制措施制定提供精準指導。

2.2 數據處理方式變化

綜合能源在線監測系統的有效運行，需要以合理的數據處理方式為支撐，當前大數據技術、人工智能技術不斷發展背景下，在線監測系統也不斷朝向智能化方向發展，有效提升監測數據處理智能化水平。但是智能化處理系統是以海量、全面的數據為支撐的，因此在線監測系統的運行必須要有完整的數據采集系統為支撐，全面、實時、精準地采集相關數據，為智能化數據處理奠定良好的基礎，確保數據處理結果的準確性，為節能監測措施的制定和實施提供參考[3]。

2.3 在線監測系統優化

在線監測系統作為我國工業能源監測體系的運行平臺，在能耗控制、產業發展規劃、生態環境保護等方面都具有重要的支撐作用。尤其是大數據技術快速發展應用，能夠通過監測數據分析，更為精準的判斷企業運行能耗方面的問題，發現產業運營發展中不規范問題，及時對企業運營管理措施進行優化。隨著在線監測系統的不斷優化，要求在系統運行中不斷完善數據采集功能，為系統分析提供堅實數據支撐，更為全面、準確地把握產業運營現狀，指導企業進行技術改進，不斷降低能耗水平和生產成本，提升企業核心競爭力。

3 綜合能源在線監測數據采集系統設計

3.1 總體構成設計

數據采集系統是綜合能源在線監測系統的運行基礎，也是系統穩定運行的基本保障。本課題研究中，以ZigBee技術為支撐，搭建數據采集系統，總體構成設計思路與內容如下所述。首先是確保數據采集系統運行的實時性和無線傳輸穩定性要求。將ZigBee技術與GPRS、5G技術相結合，能夠有效提升系統運行抗干擾內力，實現資源高效利用。其次是系統設計要能夠滿足工業企業能源在線監測分布廣、終端設備分散、外部干擾大等要求，通過將監測對象細化為不同子區域，在子區域內配置相應的監測基站，實現對水、電、氣等計量數據的全面采集，并將數據實時傳輸至監測中心[4]。再次是要確保系統運行可靠性、低功耗要求，選用合適的低功耗模塊，對軟件系統進行優化，盡量減少數據采集、收發和存儲環節占用時間。

3.2 監測節點設計

監測點設計是數據采集系統設計的主要節點，監測點設計優化與否，不僅影響到數據采集全面性和精準度，同時對數據分析結果準確性有直接影響。利用ZigBee技術構建監測節點網絡，主要是自動采集水電氣等能源的計量數據，并根據監測中心和基站指令，調整監測狀態，發送數據，并將數據存儲在監測中心。以當前數據采集系統為例，所需要的模塊主要包括終端采集模塊、電平轉換模塊、MCU、RF傳輸模塊、時鐘模塊、存儲模塊及電源管理模塊。監測節點系統開始運行后，各個模塊進入初始化狀態，之后進入休眠狀態，在基于事件驅動情形下被喚醒而進入運行處理狀態[4]。在子程序完成處理內容后，繼續轉入休眠狀態。通過系統優化設計，能夠根據數據采集變量要求，有效控制運行時間，有效降低系統運行功耗。同時在進行數據存儲時，要采用獨立存儲方式盡量減少操作次數，提升操作便利性。

3.3 監測基站設計

監測基站主要是充當ZigBee網絡與GPRS或5G網絡的網關作用，在受到監測中心控制指令后，將指令傳輸至區域范圍內的數據采集終端，并將操作結果返回監測中心，達到數據交互目的。監測基站在接收到計量數據后，先是進行簡單分析處理，判斷運行數據是否超限、是否需要報警處理，將數據或處理狀態發送至監測中心。在必要情形下，還需要采集終端設備視頻數據，并將數據傳輸至監測中心[5]。基站設計采用220V市電供電方式，結合UPS電源運行方式轉換為12V開關電源，為相關模塊供電，有效提升系統運行穩定性。

3.4 監測中心系統設計

監測中心是數據采集系統運行的核心，主要功能是實現能源計量數據和視頻信息的分析處理。監測中心硬件主要是服務器及相關操作設備，子系統之間通過網絡與基站之間完成信息傳輸。監測軟件是中心系統設計的主要內容，主要包括通信系統、數據庫管理系統、人機交互軟件等。軟件系統在運行中，能夠提供完整的監控畫面，提供實時數據的顯示與存儲功能，各個部門通過查詢歷史數據、數據分析、報表生成、報警狀態查詢及節點監測狀態控制等功能。依據當前軟件設計特征，監測中心軟件基于VC平臺和Access系統進行。軟件系統投入開始運行，開始進入控件及界面初始化，判斷網絡連接是否到位，如出現未連接狀態，則需要發送連接請求，并在連接完成后進行系統自檢。如在運行中出現異步事件，則會觸發定時器并及時處理。

在當前綜合能源在線監測系統運行中，數據處理數量和精度要求都不斷提升，傳統硬件設備功能已經無法滿足實際運行要求。因此在硬件選擇中，應當選擇大容量、高頻率的設備。以數據采集裝置為例，要能夠實現超大容量的在線數據存儲，確保CPU處理頻率達到較高要求，輸入端口能夠滿足多端口多采集信號的輸入要求，確保硬件系統運行滿足GB17167-2006要求。

4 綜合能源在線監測數據采集系統運行要求

4.1 數據應用方面要求

4.1.1 數據前置性

數據前置性是在工業項目規劃投資初期，節能監測中心就需要以數據為導向，為項目規劃制定實施提供參考。在重點項目建設中，節能監測中心要根據現有數據資料，結合項目規劃中主要節能降耗技術應用要求，為建設和技術應用方案提供指導。通過數據前置服務，能夠在工業項目建設前期，就合理規劃數據采集系統整體性能、采集裝置的具體分類，與現有在線監測系統的融合要求等[6]。通過數據前置介入，能夠提升節能監測中心的服務水平，提升企業對節能降耗控制重要性的認識，在確保企業生產穩定的基礎上，有效提升企業經濟效益和生態效益。

4.1.2 數據持續性

數據持續性是指數據采集系統運行中，要能夠根據在線監測系統運行總體要求，實現數據的全面采集、實時采集，根據系統運行指令喚醒采集設備。數據采集的持續性，是確保數據精準分析的基本要求，在當前工業企業能源供給方式更加多元化的背景下，綜合能源系統是以各種能源動態平衡為基礎的，不同時間、不同設備所采用的能源供給方式會有所差異，因此在采集系統設計中，還應當針對不同運行狀況進行優化設計，以確保數據采集的可持續性。在線監測系統運行時，要根據實時數據對生產能耗水平進行分析，在出現超標運行問題時，應當根據預警信息明確超標運行節點，準確判斷系統運行狀態，對企業能耗運行情況進行調研指導，以此確保節能降耗目標達成。

4.1.3 數據精準性

在綜合能源在線監測數據系統中，數據采集是否精準，不僅對數據分析結果有直接影響，同時也對企業節能水平判定有重要影響，因此在數據采集系統設計中，必須要充分考慮采集系統運行的影響因素，對系統進行整體優化。數據采集系統優化主要考慮如下方面因素：①硬件設備性能，包括設備運行參數是否符合系統設計要求，設備在特殊作業場景下的抗干擾能力，以及設備壽命等；②數據采集系統與在線監測系統的兼容性，在部分新增采集系統運行中，如數據兼容度不足，則會出現數據丟失或錯誤現象，由此對數據精準性產生影響；③數據采集系統的覆蓋程度，在數據采集設備布置不完善，沒有全面采集監測數據情形下，也會對數據采集精準性產生影響。

4.2 管理體系方面要求

4.2.1 提升數據采集重視程度

綜合能源在線監測數據采集系統能否達到良好運行狀態，能否保障在線監測數據分析達到最優化水平，與數據采集系統運行穩定性有直接關系。因此在工業監測中心工作體系中，必須要強化采集系統構建的重視程度，結合國家和地方部門環保節能規章制度要求，對新建項目、在運營項目能耗數據進行全面采集分析。對于管理層面而言，要認識到數據采集系統設計和應用對工業生產穩定性，節能降耗控制目標實現的作用，充分利用傳感技術、智能化采集技術推動數據采集系統優化，為具體工作開展奠定良好基礎。對于工業企業而言，應當明確數據采集系統在節能降耗控制目標實現中的支撐作用，結合生產技術改造全面推進數據采集系統設計，對設計內容進行優化，選擇合適的硬件設備，確保軟件系統能夠平穩運行，為提升數據采集精準度，做好能耗在線監測奠定良好基礎。

4.2.2 完善數據采集應用制度

綜合能源在線監測數據采集系統的推廣應用，還需要以完善的應用制度為支撐，確保系統保持穩定運行狀態。制度內容建設應當以精細化理念為導向，涵蓋目標、設計要求、崗位職責及獎懲制度等各個方面。數據采集系統設計目標是為更加全面、精準的采集企業能耗運行數據，將數據實時傳輸至在線監測系統，通過數據的智能化分析，準確判定能耗超標現象，及時發出預警信號，為做好節能降耗控制奠定良好基礎。在具體設計要求方面，應當包括硬件設計要求、監測點設計要求、數據傳輸交互方式以及所采用的技術體系等，確保設計方案的規范性，有效提升系統運行水平，保障數據采集的精準性。在崗位職責方面，應當明確領導和設計人員具體職責，要求各個崗位工作人員樹立良好的責任意識，依托新型技術和創新理念對設計方案進行優化。在獎懲機制方面，應當以激勵措施為主，提升設計人員的工作積極性，推動設計工作高效運行。

4.2.3 強化專業技術人才培養

綜合能源在線監測數據采集系統設計是系統性、科學性工作，對設計人員的專業素質具有較高要求，因此在節能監測中心的日常工作體系中，應當強化對專業技術人才的培養重視程度，要求設計人員能夠熟悉國家和地方的能耗監測要求，明確不同產業類型能耗控制具體標準，切實以規范制度為底線、以提升節能降耗水平為目標，對設計方案進行整體優化。在人才培養工作開展中，還要求設計人員具備良好的技術應用能力，能夠準確把握數據采集系統技術發展動態，以創新理念為指導，融合新型技術應用，確保數據采集系統滿足運行年限設計要求。在不斷加強隊伍建設的基礎上，才能夠確保在線監測數據采集系統高水平運行，為提升綜合能源服務和監測水平奠定堅實基礎。

5 結語

新時期背景下，綜合能源在線監測系統已經成為工業監測中心運行管理的主要平臺，優化設計數據采集系統，提升數據采集的精準性、穩定性，是確保在線監測系統運行的基本保障，因此相關管理部門必須要強化對數據采集系統設計的重視程度，優化數據采集系統運行模式，全面提升在線監測工作成效。