基于物聯網的計量儀表數據采集系統設計應用*

侯成虎

(甘肅稀土新材料股份有限公司,甘肅 白銀 730900)

0 引 言

能源消耗水平是一個國家經濟結構、增長方式、科技水平、管理能力、消費模式以及國民素質的綜合反映。伴隨著經濟社會的快速發展,我國正面臨日益嚴峻的能源供應危機。近年來，為了能夠全方位感知現實世界，各地廣泛部署了各類傳感器，使得互聯網、傳統電信網與物理世界結合愈加緊密，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯互通的網絡[1]。隨著海量數據存儲、數據分析、數據感知、網絡傳輸等技術的不斷提升，骨干企業紛紛入局物聯網戰略。隨著物聯網技術的飛速發展和企業數字化轉型的持續深入，越來越多的企業逐漸認識到用能計量是企業科學管理的一項重要手段，也是企業合理用能，實現節能降耗的一項重要工作[2]。 我國物聯網也在工業、農業、交通、社會治理等方面得到廣泛應用[3]。

目前，為降低企業生產能耗，減少浪費，提高企業用能科學管理水平，企業用能計量已經突破傳統計量管理的范疇。新型計量借助于物聯網技術，依靠在線數據采集提供的客觀數據，通過對所有用能數據的計算，分攤平衡，統計分析等處理，對重點耗能設備進行監控分析，全面考核企業生產中的用能效率和強度[4]，為企業用能管控，提供決策依據。

筆者重點針對企業有效的能源管理和監控難題，采用現代數字儀表、應用物聯網技術、應用現場總線設備監控技術，通過對水、電、汽等各類能源的精確計量、自動數據采集和數據遠程上傳，達到在線能耗監測、能耗統計、能源平衡分析的目的，為企業提供有效能源管理和成本考核依據，對企業節能增效，降低成本有很高的價值，同時為助力企業數字化轉型奠定基礎。

1 現狀分析

隨著第四次工業革命的持續向前推進，2015年以來，中央相繼出臺了《中國制造2025》《信息化和工業化融合發展規劃》等一系列政策規劃，促進數字化、網絡化、智能化。根據《國務院關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》，制定了《工業控制系統信息安全防護指南》。筆者所在公司屬于稀土工業企業。現有稀土冶煉分離、稀土金屬、稀土拋光材料、稀土磁性材料、稀土貯氫材料、稀土發光材料、氯堿化工等七大產業板塊。目前靠人工定時抄表的方式統計能源消耗狀況，這種方式存在數據滯后、時效性差、數據單一等問題，不能及時掌握各生產環節和重點能耗設備的實時能耗數據、單位能耗數據、能耗變化趨勢和實時運行參數等信息。為積極響應國家政策、提高產品質量和售后服務、開拓市場，在過去的幾年里，為實時監控公司內水、電、蒸汽等的用能情況，公司充分利用自己在工控行業積累多年的經驗，對老舊儀表及設備進行自動化改造，利用現代計算機通信技術、物聯網技術、智能測控技術、自動控制技術等領域最新成果，自主研發了基于物聯網的水、電、蒸汽計量儀表數據采集系統，此系統可以實時監控各設備的用能情況，并進行用能統計分析，系統的成功應用可實現數據共享和信息互通，助力打造“綠色環保，節能降耗”型企業。

2 改造實施方案

針對公司現有的各種設備以及用能情況，在有效利用現有設備資源的基礎上，對一些老舊儀表進行改造或更換，加裝I/O模塊和數據采集設備，通過增加少量硬件設備，將現場設備的用能數據通過網絡傳輸到計量儀表數據采集系統平臺，全面掌握現場設備用能及運行狀況，實現管控一體化，為信息化管理提供基本數據支持。

2.1 供水系統數據采集

供水系統數據采集通過改造現有水計量儀表和加裝電磁流量計來完成，電磁流量計既可以測瞬時流量，也可以測累計流量。同時為了能實時監控供水系統的運行狀態，在供水系統中安裝壓力表，若供水系統壓力出現突變情況時，計量儀表數據采集系統則會報警提示。

整個供水系統的數據采集主要由電磁流量計、壓力表構成，可全方位保證供水系統正常運行，并能實時計量供水系統的瞬時流量、累計流量和供水壓力等參數。

2.2 電能系統采集

每個配電室有多個低壓配電柜和多個電表。重點用能設備均有智能電表，帶485通訊接口。

將配電室重點用能設備的智能電表采用總線的方式串聯起來，再將電表總線與串口服務器連接，串口服務器將所有電表數據匯總打包，然后通過網絡將電表數據傳輸至計量儀表數據采集系統服務器。該系統可實時監測中心配電室供電系統運行參數是否正常；統計分析月、季、年用電情況，生成報表；分析用電量，減少電能浪費；實現遠程抄表，減少工作人員工作量。

2.3 蒸汽系統數據采集

蒸汽系統數據采集通過在設備蒸汽管道上安裝蒸汽流量計和數據采集裝置來完成。系統數據包括蒸汽溫度、壓力、流量等狀態值。串口服務器通過 RS-485 通訊接口連接蒸汽流量計來采集數據，串口服務器連接接入層交換機傳輸數據，然后通過網絡將數據上傳至服務器，實現遠程監測和流量數據統計。

3 數據采集架構

計量儀表數據采集系統采用分布式體系結構，應用物聯網技術、現場總線設備監控技術，構建高效、穩定、人性化的計量系統，對用能設備進行全方位、多層次的監測與管理。系統按照數據采集、網絡通信、數據應用三層結構完成硬件部署及平臺搭建。

項目通過三層體系結構搭建計量儀表數據采集系統平臺，數據應用層主要由客戶端、操作站、計量儀表數據采集SCADA系統、服務器等組成，保障計量系統的所有核心數據和系統管理軟件的穩定運行。網絡通信層主要由核心交換機、各區域板塊匯聚交換機和各設備現場接入交換機組成。數據采集層主要設備有現場計量儀表、串口服務器、通訊管理機等，通過總線連接各儀表，完成儀表數據統一采集傳輸。由于各子系統現場儀表各不相同，根據自身特點，采集硬件配置也各不相同。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

待數據采集完成后，通過網絡傳輸至專用的數據服務器上，由于數據采集系統采集的數據量大，將數據存儲于時序數據庫中，可方便按時間查詢。數據應用層包括操作站、工程師站、數據服務器和web服務器。由于數據應用軟件系統是基于B/S架構開發，所以用戶可以在公司內網的任意一臺計算機上了解企業用能情況。

綜上所述，該系統可以實現企業用能在線運行、監控和維護，可有效減少人力資源的投入，提高企業生產管理的效率。

4 計量儀表數據采集系統平臺設計

計量儀表數據采集系統平臺加裝智能儀表，通過采集用水、電、蒸汽等的用能數據，既能統計和反映設備用能情況、能源利用率等各項參數，也能為科學排產，節能降耗提供有力數據保障。

4.1 用能數據采集

主要針對企業用能數據進行實時采集，特別是重點耗能設備。之前所有能耗數據都是人工現場抄表，自計量儀表數據采集系統平臺投運以后，所有采集點的數據直接通過數據采集系統自動采集并上傳至平臺端。同時還可以對采集數據進行統計分析得出重點耗能設備，為公司的節能降耗提供數據支撐。

4.2 用能情況監控

用能情況監控主要是把采集到的用能數據以及生產過程中的能耗數據，實時傳送至平臺端，通過統計和對比，并以曲線圖的形式展示，企業可以通過曲線圖了解到用能實際分布狀況。在生產調度時，可以合理安排每天的生產計劃，盡最大可能做到降低能耗成本。

4.3 用能計量綜合管控

主要對公司生產過程中的用能數據進行管理、統計和展示。可根據實際業務需要將計量儀表數據采集系統平臺模塊劃分為能耗總覽、能耗分析、能源設置、用能計劃、異常報警和系統設置等。

5 系統測試應用

基于物聯網的計量儀表數據采集系統平臺搭建完成后，置于公司生產園區內試運行，測試過程中系統運行穩定，數據準確無誤，界面操作順暢，具有良好的人機交互性。公司用能統計對比如圖2所示，可顯示公司用能的環比同比對比分析。圖3為計量儀表數據采集系統獲取的公司供水系統參數，通過參數可以檢測供水系統運行狀態，當供水壓力超過設定的上限或下限值時就會觸發預警，平臺端就會將預警信息發送至車間工作人員或管理人員，以便及時派人檢查。

圖2 用能統計對比

圖3 供水參數

6 結 語

隨著我國國民經濟的快速發展，企業生產過程中用能需求與日俱增。傳統的人工現場抄表模式已不再適應企業當下的用能環境。隨著物聯網技術的發展和企業數字化轉型的迫切需求，基于物聯網的計量儀表數據采集系統可快速有效地實現企業用能數據的實時采集、網絡傳輸和數據分析，已逐漸成為企業用能計量管控的有效手段。文中通過對水、電、汽等各類能源數據的精確計量和采集，快速、直觀、全面的了解企業的用能狀況，極大地提高了企業的用能效率，降低了企業生產和管理成本，同時為企業數字化轉型奠定了基礎。