安科瑞 陳聰

摘要：闡述企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對企業(yè)能源消耗情況的監(jiān)測、分析和評估，通過信息化和 可視化管理，整體提升了企業(yè)能源管理自動化水平。

關鍵詞：在線監(jiān)測系統(tǒng)，可視化管理，企業(yè)能耗。

0 引言

本文從實際應用角度出發(fā)，基于自動化儀表技術、大數(shù)據(jù)技術、云計算技術、工控組態(tài)技術、網(wǎng)絡通信技術等開發(fā)了企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，簡要介紹了有色金屬冶煉過程能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計構思和實現(xiàn)手段，對生產主要用能如煤、天然氣、電、水等主要能源消耗情況進行實時數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理、匯總統(tǒng)計等，實現(xiàn)了電氣自動化管理。

1 能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設計

監(jiān)測系統(tǒng)的組成。系統(tǒng)由PLC主站、工業(yè)控制系統(tǒng)、生產信息系統(tǒng)、現(xiàn)場控制設備以及儀器儀表等組成，在線監(jiān)測系統(tǒng)包括端設備、計量器具、采集設備、管理軟件等。系統(tǒng)通過采集設備，采集計量器具產生的能耗數(shù)據(jù)，并通過有線或無線傳輸匯聚到端設備內網(wǎng)機。其組成框圖如圖1所示。

1. 端設備。

端設備是企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵部件，采用獨立雙主機“2+1”架構，主要包括內網(wǎng)主機、外網(wǎng)主機、全隔離單元等，其主要功能包括對用能單位能耗數(shù)據(jù)進行采集、分析、匯總、存儲以及協(xié)議轉換等，并將采集匯總的數(shù)據(jù)上傳到省級平臺，可實現(xiàn)與省級平臺進行協(xié)議上傳和回傳。

圖1 系統(tǒng)的組成框圖

1. 計量器具。

計量器具主要指對煤炭、水、電、天然氣等能源消耗進行計量的儀器儀表。計量器具的購置需要嚴格按照國家標準和行業(yè)相關標準的要求進行選擇，支持數(shù)據(jù)遠傳功能，并經過了專業(yè)機構的檢定，保證能耗數(shù)據(jù)的準確性。

1. 采集設備。

采集設備需要與器具數(shù)據(jù)端口進行連接，其主要功能是用于讀取計量器具的能耗計量數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)、串口等通信方式傳輸數(shù)據(jù)，具有高度的安全性和可靠性。

1. 管理軟件。

包括端設備對數(shù)據(jù)采集、匯聚、傳輸?shù)某绦?、以及能源管理系統(tǒng)軟件。

能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)功能包括：基礎信息管理、能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)報警分析、企業(yè)用能分析、數(shù)據(jù)下載、系統(tǒng)管理。本單位將能耗監(jiān)測系統(tǒng)部署在外網(wǎng)，可通過移動端、PC端實時查看能耗數(shù)據(jù)，企業(yè)可以根據(jù)自身需求將系統(tǒng)部署在內網(wǎng)或外網(wǎng)，對所采集的能耗數(shù)據(jù)進行指標統(tǒng)計、匯總、報表分析。能耗監(jiān)測系統(tǒng)功能包含8大功能模塊，具體功能包括：用能看板、用能統(tǒng)計、能平衡分析、自主用能分析、用能報表、用能設備監(jiān)測、單位產品能耗、計量器具管理。

圖2為能源管理系統(tǒng)各功能結構圖

用能看板：用能看板實現(xiàn)了用戶對能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測的可視化管理，通過用能看板可以迅速了解各車間、各區(qū)域的能耗指標，能夠更加直觀、系統(tǒng)地了解企業(yè)用能情況。

用能統(tǒng)計：用能統(tǒng)計是通過對煤炭、水、電以及天然氣等各項能源消耗情況以及指標的計算，再通過圖表的方式直觀展現(xiàn)出各項能源每月能耗同比情況；還可通過圖形及表格等方式直觀展示各車間、各區(qū)域的能耗占比情況。

能平衡分析：網(wǎng)絡系統(tǒng)通過自動計算，以桑吉圖的方式展現(xiàn)用能流向。有利于用戶清晰掌握供能網(wǎng)絡中能源的損耗情況，并結合自助用能分析可進一步判斷供電是否存在異常損耗，以及水、氣等有無泄漏現(xiàn)象。

自主用能分析：可依據(jù)不同時間維度選擇不同的計量器具進行公式計算，展示出所選擇時間范圍內對應的用能情況。同時可通過代入常數(shù)對電費、水費等進行成本核算。

用能報表：用能報表可按照全廠、車間、工序、重要設備生成能耗統(tǒng)計報表，按照指標類型分為能耗量統(tǒng)計、能耗成本統(tǒng)計、能耗效率統(tǒng)計；并可以按照日報、周報和月報的形式進行統(tǒng)計。

用能設備監(jiān)測: 可以在線監(jiān)測重要用能設備(變壓器母排溫度、變壓器損耗、負荷率以及三相平衡度等的用能情況 和用能指標，可用于及時發(fā)現(xiàn)并掌握設備運行情況。

單位產品能耗: 按工序流程、工序環(huán)節(jié)分類，可以計算各產品的單位產品能耗，通過單產指標對標，可以發(fā)現(xiàn)企業(yè)在生產工藝上存在的能效問題。

計量器具管理: 可以實現(xiàn)對計量器具的檔案信息、原始數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡拓撲結構的快速查詢，有助于企業(yè)建立能源計量體系。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

能耗數(shù)據(jù)采集。通過RS-485接口進行本地數(shù)據(jù)采集，并對采集數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉換；對于4G采集數(shù)據(jù)，可以借助數(shù)據(jù)訂閱的方式，通過網(wǎng)絡獲取采集數(shù)據(jù)。其中，采集網(wǎng)絡主要用于采集計量器具(電力計量點、煤計量點和天然氣計量點等)所計量的能耗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)從計量器具儀表經過PLC，通過現(xiàn)場總線或無線通信連接到采集工作站；采集工作站采用以太網(wǎng)連接傳輸數(shù)據(jù)至端設備內網(wǎng)機，再經由轉換模塊進入工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸?shù)椒掌?，實現(xiàn)對金屬冶煉過程中電、天然氣、煤、水等各能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。

能耗數(shù)據(jù)監(jiān)控。通過人機交互界面，可將現(xiàn)場實時采集的電力、天然氣、煤、水等能源數(shù)據(jù)信息轉變成柱狀圖、餅圖或曲線圖，通過圖形界面可直觀反映出現(xiàn)場用能情況，更加一目了然，企業(yè)可在交互界面監(jiān)測設備運行狀態(tài)和能源消耗情況。同時，企業(yè)還可以查看任意時間的日上報、月上報、年上報以及實時監(jiān)測的設備運行現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并可方便用戶進行數(shù)據(jù)的自行導出，實現(xiàn)了能源消耗數(shù)據(jù)的在線統(tǒng)計、報表自動生成等功能，提升了能源管理信息化、智能化水平。

能耗數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)結合企業(yè)實際需求，對采集的各種能源(水、電、氣、煤等)進行生產全過程的統(tǒng)計、分析，并設置報警功能，建立能源平衡，同時形成各類統(tǒng)計報表。報警分析是能耗監(jiān)測系統(tǒng)的重要功能，通過對能耗指標的上下限值進行設置，可以實時監(jiān)控企業(yè)用能情況，自動判別用能 異常指標并做出預警，提醒企業(yè)及時發(fā)現(xiàn)設備運行中存在的故障、以及實際生產中存在的能源浪費現(xiàn)象等。

數(shù)據(jù)的下載。根據(jù)實際情況，企業(yè)可按車間、工段、班組以及用能種類進行能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分類、匯總，并能將能耗數(shù)據(jù)下載至本地。系統(tǒng)會自動判斷數(shù)據(jù)質量，對需要重新下載的數(shù)據(jù)進行補錄，也可支持手動補錄和重錄。

3 系統(tǒng)應用特點及實施效果

該系統(tǒng)實現(xiàn)了在線統(tǒng)計與監(jiān)測的結合，可廣泛應用于企業(yè)生產和節(jié)能管理領域，信息系統(tǒng)在設計上，通過將統(tǒng)計和監(jiān)測二者有機結合，形成了統(tǒng)計和監(jiān)測業(yè)務高度統(tǒng)一，有效避免了統(tǒng)計和監(jiān)測的數(shù)據(jù)誤差給企業(yè)能源管理工作帶來的壓力。監(jiān)測數(shù)據(jù)可自動傳輸，以日數(shù)據(jù)為基礎計算監(jiān)測結果，統(tǒng)計可以以日、月度、年度等為管理周期，具有重要的實際應用價值，在節(jié)能管理方面幫助企業(yè)落實能源管理指標，貫徹能源專業(yè)化、精細化、扁平化管理思路，建立持續(xù)改進能效的能源管理模式和機制，提高節(jié)能管理水平，為優(yōu)化用能管理、制定能源目標等提供決策數(shù)據(jù)。

用能統(tǒng)計通過對各類能耗情況及指標的計算，以直方圖的方式直觀展現(xiàn)出各能源品種每月能耗同比情況；同時，也通過餅圖的方式直觀展示各車間、各區(qū)域的能耗占比情況。

4 安科瑞工業(yè)能源管理系統(tǒng)介紹

安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，監(jiān)測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統(tǒng)計、同環(huán)比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎數(shù)據(jù)和支持。

5 應用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫(yī)藥、水泥、煤炭、造紙、化工、物流、食品、水廠、電廠、供熱站、軌道交通、航空工業(yè)、木材、工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產品、工器具制造等離散制造業(yè)。

6 系統(tǒng)結構

現(xiàn)場通過廠區(qū)局域網(wǎng)和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網(wǎng)聯(lián)通的地方，通過有權限的賬號登陸網(wǎng)頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統(tǒng)可分為三層：即現(xiàn)場設備層、網(wǎng)絡通訊層和平臺管理層。

現(xiàn)場設備層：主要是連接于網(wǎng)絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構建該配電、耗水、耗氣系統(tǒng)必要的基本組成元素。肩負著采集數(shù)據(jù)的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網(wǎng)絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監(jiān)測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

網(wǎng)絡通訊層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關、網(wǎng)絡交換機等設備。智能網(wǎng)關主動采集現(xiàn)場設備層設備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉換，數(shù)據(jù)存儲，并通過網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器，智能網(wǎng)關可在網(wǎng)絡故障時將數(shù)據(jù)存儲在本地，待網(wǎng)絡恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務器端數(shù)據(jù)不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數(shù)據(jù)服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。

平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：

7 系統(tǒng)功能

平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理。實時監(jiān)測企業(yè)各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率和節(jié)能潛力，為節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

7.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

7.2大屏展示

用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業(yè)及各區(qū)域的能耗折標、產值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區(qū)域展示該區(qū)域的分類能耗、產值等相關信息。

7.3首頁

首頁展示峰谷平用電、變壓器情況、年能耗趨勢、單耗趨勢、分類能耗等企業(yè)級統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

7.4數(shù)據(jù)監(jiān)控

對企業(yè)各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠實時的監(jiān)測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業(yè)削峰填谷、調整負載等技改措施提供數(shù)據(jù)支撐。

• 能源實時監(jiān)控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監(jiān)測，確保用能環(huán)節(jié)的持續(xù)穩(wěn)定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網(wǎng)絡圖、能源計量網(wǎng)絡圖等功能。

  • 能流圖：需要在能流圖上對水、電、氣的消耗情況進行實時展示；當能源參數(shù)越限報警，可提供報警重要性等級分類，同時支持APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統(tǒng)彈窗報警提示等；

  • 配電圖：將配電房真實情況畫入配電圖，實時展示接入的門禁、水浸、電水氣等儀表的實時參數(shù)、門禁水浸狀態(tài)及能耗數(shù)據(jù)。

  • 實時統(tǒng)計：實時統(tǒng)計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

  • 數(shù)據(jù)展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區(qū)域、不同設備的不同的能耗參數(shù)；

• 檢測：對能源報警信息進行集中顯示，可以對報警閾值信息進行相關處理操作，可以對報警參數(shù)進行在線設置，當能源參數(shù)越限報警，可提供報警重要性等級分類，具備APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統(tǒng)彈窗等報警提示；

7.5視頻監(jiān)控

接入攝像頭，實時掌控企業(yè)內實際情況。

7.6變壓器監(jiān)控

展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規(guī)劃。通過各種運行參數(shù)狀態(tài)下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據(jù)運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

7.7儀表實時監(jiān)控

展示各個水電氣儀表的實時參數(shù)變化，以曲線圖的方式展示。

7.8能源中控

將所有有關能源的能源參數(shù)集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個產業(yè)線的對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

7.9用能統(tǒng)計

從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、車間、生產工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對企業(yè)用能統(tǒng)計、同比、環(huán)比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統(tǒng)計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

7.10產品單耗統(tǒng)計

與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，通過產品產量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析。同時將產品單耗與行業(yè)/國家/國際指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

7.11成本分析

統(tǒng)計各個監(jiān)測節(jié)點（工廠、車間）的當年、季度、月、周、日各類能源消耗費用，其中電包括峰電量、峰電費、谷電量、谷電費以及平均電量和平均電費。

7.12績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區(qū)域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、相應時段績效統(tǒng)計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內部能效水平和節(jié)能潛力，評定能源消耗是否合理。

7.13運行監(jiān)測

系統(tǒng)對區(qū)域、工段、設備能源消耗進行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測設備及工藝運行狀態(tài)，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統(tǒng)一次運行監(jiān)視?？芍苯訌膭討B(tài)監(jiān)測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數(shù)據(jù)，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。

7.14自定義能耗報表

用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產各種報表，查看企業(yè)各個節(jié)點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環(huán)比報表，支持導出報表。

7.15同比、環(huán)比

提供能耗成本的圖形對比分析，包括分時段（日、月、年）的同比、環(huán)比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統(tǒng)計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

7.16分析報告

以年、月、日對企業(yè)的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統(tǒng)計分析，讓用戶更加了解系統(tǒng)的運行情況，并為用戶提供數(shù)據(jù)基礎，方便用戶發(fā)現(xiàn)設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節(jié)能潛力。

7.17能耗設備用能

監(jiān)控耗能設備運行、停機及異常狀態(tài)，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。

7.18線損分析

根據(jù)節(jié)點、能源分類，查詢各個節(jié)點線路上的能源損耗數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。

7.19碳排放管理

按照區(qū)域對碳排放總量的變化趨勢進行統(tǒng)計，并進行同環(huán)比分析。對單位產值碳排放量進行計算，并結合減排指標實現(xiàn)超標預警，提升區(qū)域減排水平，促進碳達峰目標實現(xiàn)。

7.20電能質量監(jiān)測

實時監(jiān)測諧波含量、三相不平衡度、功率因數(shù)等，確保功率因數(shù)不低于供電局考核指標，避免被罰款和設備出現(xiàn)故障。

7.21運維管理

系統(tǒng)支持設備日常巡檢計劃、派工、消缺、報修、派工等設備運維管理，方便運行管理人員的制定巡檢計劃、派工，巡檢人員執(zhí)行巡檢、完成工單、巡檢發(fā)現(xiàn)問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養(yǎng)需要。

7.22報警管理

針對于電氣正常開展、限電和能耗雙控，實現(xiàn)電參量異常報警、電氣火災隱患報警、能耗超標報警、限電報警等，幫助企業(yè)提前預警，避免發(fā)生火災事故和被罰款導致用能成本過高。支持分級分類報警，可對報警進行派發(fā)與閉環(huán)處理。

7.23能耗抄表

可自定義時間段抄儀表的抄表值以及差值，可自定義抄表的分類分項。

7.24能耗分析自定義時間抄表

可自定義時間段內各個拓撲節(jié)點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

7.25容需量報表

提供容需量報表，實時展示容量需量價格的變化情況，幫助企業(yè)實現(xiàn)容改需，降低基本電費。

7.26復費率報表

對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統(tǒng)計分析，為企業(yè)分時用電，優(yōu)化成本效益提供數(shù)據(jù)支持。

7.27文檔管理

對國標、能源管理制度、能源指標體系等文件進行歸檔，可快速查詢相關文檔。對儀表臺賬進行系統(tǒng)管理，支持文件的上傳和下載。

7.28 3D可視化大屏

對場景進行虛擬仿真，展示各區(qū)域運行及能源消耗情況，可實現(xiàn)分層預覽、轉場展示、風格切換、智能巡檢等效果，支持模型與監(jiān)測點位的自定義綁定。

7.29 3D子系統(tǒng)

對各動力子系統(tǒng)進行虛擬仿真，展示子系統(tǒng)的動力管線、設備的實時狀態(tài)及能源消耗情況，可實現(xiàn)動態(tài)的能源流向效果。

7.30工業(yè)組態(tài)

可通過圖形化的編輯方式自定義組態(tài)圖，展示設備運行狀態(tài)及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監(jiān)測數(shù)據(jù)。

7.31自定義駕駛艙

可通過圖形化的操作方式自定義駕駛艙，以折線圖、餅圖、表格等圖形展示采集數(shù)據(jù)及各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源包括API、數(shù)據(jù)庫查詢、MQTT、Excel等方式。

7.32基礎數(shù)據(jù)管理

對系統(tǒng)的項目、探測器、設備型號、電參量、節(jié)點、能源、公示、及相關參數(shù)進行配置、修改、刪除等管理、進行用戶添加和授權管理、合同管理。

7.33手機APP

APP支持Android、iOS操作系統(tǒng)，方便用戶按能源分類、區(qū)域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業(yè)能源消耗、產線比對、效率分析、同環(huán)比分析、能耗折標、事件記錄、運行監(jiān)視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。

7.34知識產權證書

8 系統(tǒng)硬件配置

9 結語

系統(tǒng)應用于實際生產管理中，取得良好的效果，有效提升企業(yè)能源管理水平，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的直觀展示。

參考文獻

[1]陶英川,韓益宏.重要用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].節(jié)能,2014,33(05):4-6+20.

[2]林鑫,王建.企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用[J].集成電路應用,2022,39(09):194-195.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與選型手冊.2022.05版.

[4]安科瑞企業(yè)能源管控平臺.2020.08版.