基于物聯網的能源管理系統(tǒng)設計及實現

韓輝++李博++郝曉辰++李軒++潘文宇

摘 要：為了解決當前大型企業(yè)能耗居高不下，現有能源管理模式混亂，工作效率低下以及能源監(jiān)測與分析信息化水平不足的問題，設計一套包括能源數據采集系統(tǒng)、數據通信系統(tǒng)、基于B/S構架模式的能源網絡報表系統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)，并從系統(tǒng)整體構架設計、系統(tǒng)硬件設計、系統(tǒng)軟件設計及系統(tǒng)優(yōu)勢等幾個方面進行闡述。事實證明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數據信息傳遞準確，能有效防止人工抄表中的作弊現象。實現了對企業(yè)能耗的實時監(jiān)測與分析、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，同時對能耗趨勢進行合理的分析與預期，不僅能為企業(yè)在能耗改進中提供數據保障，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。

關鍵詞：高能耗企業(yè)；能源管理系統(tǒng)；能源監(jiān)測與分析；節(jié)能減排

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）05-00-04

0 引 言

隨著經濟社會的高速發(fā)展、人口數量的增長、工業(yè)化進程的加速，對能源的需求量也越來越大，經濟在高速發(fā)展過程中所面臨的大量能源消耗所產生的環(huán)境問題也越來越突出[1]。目前，我國消耗了全球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比重達65.9%，石油占17.7%，水能占7.1%，天然氣占4.7% 。一些地區(qū)能耗強度是全國平均水平的2～3倍，一些落后技術設備仍在使用，這使得轉方式、調結構的任務十分艱巨[2]。工業(yè)能源管理在高能耗產業(yè)中占據重要一環(huán)，而如何做到能源的節(jié)約利用是問題的關鍵所在。

物聯網，被稱作全球下一個萬億元級規(guī)模的新興產業(yè)之一，是新一代信息技術的重要組成部分。物聯網是指通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。其目的是實現物與物、物與人，所有物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制[3]?；谖锫摼W的能源管理系統(tǒng)可實時監(jiān)測企業(yè)各種能源的詳細使用情況，為企業(yè)查找能耗弱點，促進企業(yè)管理水平的提高及運營成本的降低，為節(jié)能降耗提供直觀科學的依據[4]?；谶@種認識，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，針對高能耗企業(yè)的用能特點和能源管理需求，設計了一套基于物聯網的能源管理系統(tǒng)，主要包括能源數據采集、能源網絡發(fā)布、能源軟件開發(fā)以及能源優(yōu)化調度等?；谖锫摼W的能源管理系統(tǒng)利用軟件技術、自動化技術、網絡技術、數據庫技術等手段，解決能源運行過程中海量數據的采集、傳輸、存儲和計算。相比傳統(tǒng)能源管理方法，總結了基于物聯網能源管理系統(tǒng)的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)的整體框架設計

物聯網技術是以泛在網絡為基礎、以泛在感知為核心、以泛在服務為目的的綜合性一體化信息處理技術。能源管理系統(tǒng)總體架構是基于“管控一體化”思想，將分散的能源控制系統(tǒng)、生產用能系統(tǒng)有機集成起來，提供分散控制、集中管理的開放式體系結構，借助OPC技術，實現監(jiān)測數據傳輸與集中管理，方便連接第三方數據，有效進行實時界面操作，強調對歷史數據的存儲管理與統(tǒng)計分析[5]。

整體系統(tǒng)架構采用分層設計方法，基于物聯網系統(tǒng)架構一般采用三層結構，從下到上依次包括感知層、網絡層和應用層。本系統(tǒng)在系統(tǒng)架構設計中，根據實際工程項目應用需求在網絡層與應用層之間添加一個控制層，通過添加的控制層可以使應用層對能耗設備進行自動監(jiān)測，從而實現企業(yè)智能節(jié)能的目的。

本文介紹的基于物聯網的能源管理系統(tǒng)根據感知層、網絡層、控制層、應用層來實現功能，結構圖如圖1所示。

感知層的通信范圍與傳統(tǒng)互聯網通信不同。能源管理系統(tǒng)的感知層是信息采集的最底層，是能源數據采集的終端。在感知層運用ZigBee模塊以及RS 485線串接的方式對全廠全部的能源介質，包括電、水、煤、氧氮氬氣、天然氣、蒸汽等數據進行感知和采集。

網絡層的主要功能是把感知層感知到的數據利用處理器單元對數據進行分析處理，把相應數據通過GPRS射頻收發(fā)模塊快速、可靠、遠距離的傳輸到服務器端，使數據通過公司網絡進入上位機系統(tǒng)。

應用層的主要功能是對網絡層發(fā)送過來的數據進行分析與處理，并通過Web客戶端操作頁面，實現對設備節(jié)點的遠程監(jiān)測與數據分析功能。同時，也可以通過Web終端獲取設備在過去任何時間段的能耗情況，根據能耗情況可以判斷出現場設備在這段時間內是否運轉正常，以及管理中心操作員是否存在違規(guī)操作等。

2 系統(tǒng)硬件設計

能源管理系統(tǒng)硬件設計主要包括數據采集系統(tǒng)設計、數據傳輸設計與顯示系統(tǒng)設計。數據采集系統(tǒng)由RS 485線、國網I/II型采集器、國網集中器模塊等組成，能快速、準確地獲取智能采集表中的數據，達到數據與設備匹配。集中器對于上位機發(fā)來的數據會判斷其格式是否符合376.2應用協議，對不符合應用協議的數據會予以忽略，成功解決了數據錯亂等問題。數據傳輸主要由集中器、中控計算機和GPRS無線網絡組成，保證了數據的傳輸速率與傳輸距離，避免因網絡中斷造成數據丟失等問題。此外顯示系統(tǒng)主要由LED控制卡與LED顯示屏組成，對能源分析結果起到顯示作用。

2.1 感知層設計

能源管理系統(tǒng)底層通過ZigBee自組網形式采集能源數據，之后通過智能采集表RS 458總線數據接口將能源數據傳輸給采集器，采集器巡檢各表RS 458總線數據進行處理，并將采集上來的數據存儲。采集器與集中器通信采用ZigBee無線通信模塊，采集器平時處于接受狀態(tài)，當采集器收到集中器指令時，按照指令內容操作，將采集器有關數據通過無線通信模塊送至集中器。集中器可以定時或實時對下轄的采集器進行數據抄收，并進行存儲。當上級設備—管理中心計算機調用數據時，集中器上的GPRS通信模塊通過無線網絡將存儲的能源數據打包上送。管理中心計算機可以通過集中器對采集終端進行各種操作。

2.2 網絡層設計

數據通信是能源數據采集與能源數據統(tǒng)計與分析的中間環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)主要采用GPRS網絡技術與ZigBee技術進行開發(fā)。GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務技術），是一種分組交換系統(tǒng)[6]，其資源利用率高、傳輸速率快、傳輸距離遠等特性都非常適合本系統(tǒng)。

ZigBee自組網傳輸相對于傳統(tǒng)的無線網傳輸更加可靠。在傳統(tǒng)無線網絡中，數據都按照設定好的鏈路進行路由傳輸，一旦有節(jié)點出現故障，它所有的相關節(jié)點都會隨之癱瘓。而自組網傳輸由于是動態(tài)路由，可以隨時調整，當某個節(jié)點出現故障時，它之前的相關節(jié)點會另外找尋路徑來接入網絡，從而避免網絡的癱瘓，保證了數據傳輸的可靠性[7]。系統(tǒng)實施時，將采集器模塊置于國網采集器中，集中器模塊放置于集中器內。通過自組網的方式將數據傳輸到集中器，然后再通過 GPRS 方式發(fā)送回管理中心計算機的能源管理系統(tǒng)。

2.3 應用層設計

能源管理系統(tǒng)在網頁發(fā)布能源報表上采用Web技術，任何一臺連入辦公網內的電腦都可以通過瀏覽器對能源報表進行查看。同時，在廠區(qū)內則采用LED技術為廠區(qū)人員進行實時能源數據顯示，其中LED技術采用集群控制LED顯示屏網絡控制系統(tǒng)，各個LED顯示屏在局域網內通過TCP/IP協議與服務器建立連接。系統(tǒng)可以自動根據所在廠區(qū)的工藝段來顯示相對應的能耗報表，以供不同工藝段的員工實時查看，根據能源報表的異常，找出引起高能耗的原因，并及時采取相應措施。

3 系統(tǒng)應用設計

3.1 能源采集軟件設計

本文設計的基于物聯網的能源管理系統(tǒng)軟件主要采用C語言開發(fā)，用Microsoft Visual Studio 2010及SQL Server 2008數據庫平臺搭建?；诋斍案吣芎钠髽I(yè)能源使用及統(tǒng)計中存在的問題，所設計的系統(tǒng)能源數據流圖如圖2所示。

根據圖2所示的流程圖，該能源管理系統(tǒng)可以分為能源數據采集軟件、能源網絡發(fā)布軟件兩大主要部分。圖3是能源數據采集軟件功能圖。

3.2 能源統(tǒng)計與網絡Web設計

能源網絡發(fā)布在能源服務器上，此系統(tǒng)采用.Net操作平臺下的Web框架，在客戶端應用瀏覽器，屬于B/S構架模式，用來進行能源報表統(tǒng)計與分析，是能源管理系統(tǒng)的重要組成部分[8]。在此操作系統(tǒng)上，可以進行登陸人員身份驗證、能源報表選擇、能源年報查詢、能源月報查詢以及能源日報查詢，其中包括對班組能耗的統(tǒng)計。管理人員可以依據需求進行選擇以及查看操作，當查看完成后，還可以將能源統(tǒng)計及能報表以Excel格式導出保存并打印，以供管理人員對能耗進行分析、規(guī)劃及預測。軟件功能圖如圖4所示。

圖2 能源管理系統(tǒng)數據流圖

圖3 能源數據采集軟件功能圖

圖4 能源網絡發(fā)布軟件功能圖

能源數據采集部分用Windows窗體模塊開發(fā)，能源數據發(fā)布與分析采用Web模塊開發(fā)。數據采集部分主要為對現場各種采集表能源數據進行采集并存儲，對系統(tǒng)工藝、能源報表、設備節(jié)點的組態(tài)。能源網絡發(fā)布部分主要為能源數據的統(tǒng)計與分析，并將最終統(tǒng)計結果發(fā)布到公司局域網上，供管理人員進行能源分析與預測，并作出科學的能源策略。

能源管理數據庫系統(tǒng)的性能優(yōu)劣決定了軟件系統(tǒng)的整體運行效率。為了提高系統(tǒng)的運行效率，能源管理系統(tǒng)的數據存儲與操作采用SQL Server 2008數據庫進行開發(fā)設計，SQL Server 的優(yōu)點眾多：易用性、適合分布式組織的可伸縮性、用于決策支持的數據倉庫功能、與其他服務器軟件緊密關聯的集成性、良好的性價比等，最重要的是SQL Server是一個具備完全Web支持的數據庫產品，提供了對可擴展標記語言 （XML）的核心支持以及在Internet上和防火墻外進行查詢的能力[9]。

4 現場應用系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)在承德、唐山、臨澧等水泥廠已經投入使用，各項功能運行良好，解決了能源統(tǒng)計難、數據造假、能源分析不科學等問題。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）分別為承德冀東現場能源管理系統(tǒng)數據采集主界面、能源管理系統(tǒng)網絡發(fā)布的報表選擇查詢頁面以及能源日報表網頁的部分軟件界面。

（a）

（b）

（c）

圖5 能源管理系統(tǒng)部分軟件功能運行圖

5 系統(tǒng)優(yōu)勢

目前，能源管理方法有以下幾種：

（1）人工管理?，F場有安裝傳感器，但是沒有數據采集設備。由于歷史原因，現場儀表比較老舊，不具備通信或其他輸出方式。暫時使用人工抄表的方法采集數據，定期進行人工統(tǒng)計。

（2）總量管理?，F場沒有安裝傳感器，根據能源購入總量及使用時間進行統(tǒng)計，對于自然資源（例如水等資源） 不統(tǒng)計使用和排放。

（3）獨立管理。重點設備有配套的監(jiān)測設備，例如，煤氣柜具有獨立的監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測煤氣柜的歸位、壓力、溫度等參數。

表1就各種方法進行比較。

表1 各種能源管理方法比較

人工管理 總量管理 獨立管理 基于物聯網的能源管理系統(tǒng)

過程監(jiān)測 人工進行 無法進行 重點設備

獨立監(jiān)測 集中統(tǒng)一

監(jiān)測

統(tǒng)計頻率 每日統(tǒng)計 根據能源購入頻率統(tǒng)計 按秒或

分鐘統(tǒng)計 按秒或

分鐘統(tǒng)計

監(jiān)測實時性 人工監(jiān)測，實時性較差 無法進行 獨立設備可以實時監(jiān)測 全廠統(tǒng)一

實時監(jiān)測

計劃實績對比 根據統(tǒng)計，總值對比 根據統(tǒng)計，總值對比 根據統(tǒng)計，獨立對比 統(tǒng)計進行

全廠各項對比

平衡管理 無法進行 無法進行 獨立設備，平衡管理 全廠進行

統(tǒng)一平衡管理

綜上所述，基于物聯網的能源管理系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）打破傳統(tǒng)的抄表方式使能源管理技術自動化、智能化。完善能源信息的采集、存儲、管理和能源的有效利用。

（2）實時網絡發(fā)布，提高企業(yè)能源監(jiān)測與分析的信息化水平，在公司層面對能源系統(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價體系。

（4）減少能源系統(tǒng)運行成本，提高勞動生產率。

（5）加快系統(tǒng)的故障處理，提高對全廠性能源事故的反應能力。

（6）通過優(yōu)化能源調度和平衡指揮系統(tǒng)，使企業(yè)對能耗進行科學、有效的管理，以達到節(jié)約能源和改善環(huán)境的目的。

6 結 語

目前能源管理系統(tǒng)已經完成全部工作，成功應用于承德冀東等水泥企業(yè)，解決了企業(yè)傳統(tǒng)抄表存在的問題，提高了企業(yè)能源管理水平和能源利用效率，實現了優(yōu)化能源平衡和節(jié)能減排。經過一年的正常運行，收到了良好的效果，改變了管理中心操作員不良操作等現象，能耗較以往有明顯下降。管理者可以科學、可靠的對能源消耗進行分析與預測，給企業(yè)帶來巨大的經濟效益，同時也保護了環(huán)境 ，履行了自己對社會的責任，目前正打算在全國范圍內推廣此能源系統(tǒng)。

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