基于工業(yè)云平臺能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳樞彥，韋 帥

（佛山技研智聯(lián)科技有限公司，廣東佛山 528000）

印染行業(yè)在紡織工業(yè)中占據(jù)著重要的地位，而我國大部分印染企業(yè)都屬于中小型的勞動密集型企業(yè)，隨著企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，企業(yè)運(yùn)作過程中需要管理的信息日益繁雜，傳統(tǒng)的管理模式已經(jīng)不能滿足實(shí)際的需求，特別是企業(yè)的能源管理方式還存在相對落后的人手抄表和人工記錄耗損的情況。為此，本方案提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能源管理解決方案，集“物聯(lián)網(wǎng)”“大數(shù)據(jù)”“云計(jì)算”“AI”“邊緣計(jì)算”“智能網(wǎng)關(guān)”等技術(shù)于一體，服務(wù)于園區(qū)、企事業(yè)單位在能源的生產(chǎn)、輸配、使用過程中對能源管理的兩化（信息化、自動化）融合需求，服務(wù)于安全用能、經(jīng)濟(jì)用能以及精細(xì)化管理的需求。具體如下：（1）能耗管理系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，對電力、天然氣、水、蒸汽等各分類能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并分析能耗狀況，實(shí)現(xiàn)節(jié)能應(yīng)用；（2）采用儀表管理、能源監(jiān)控、能源統(tǒng)計(jì)、能耗預(yù)測分析、重點(diǎn)能耗設(shè)備管理、能源計(jì)量設(shè)備管理等多種手段，使企業(yè)管理者對企業(yè)的能源成本比重、發(fā)展趨勢有準(zhǔn)確的掌握；（3）讓電力、用水、天然氣、蒸汽等用能信息可視化，并與生產(chǎn)運(yùn)營相結(jié)合，形成單位制品能耗、日均網(wǎng)損、平均（水電氣）價(jià)格等指標(biāo)，協(xié)助管理者精準(zhǔn)掌控企業(yè)狀況，進(jìn)行客觀、科學(xué)的分析，為企業(yè)精細(xì)化管理提供新的數(shù)據(jù)化維度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 業(yè)務(wù)架構(gòu)

業(yè)務(wù)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

能耗管理系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，對電力、天然氣、水、蒸汽等各分類能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并分析能耗狀況，實(shí)現(xiàn)節(jié)能應(yīng)用。技術(shù)路線為采集終端智能儀表水、電、蒸汽、天然氣等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)、4G/5G的形式傳輸、存儲至技研工業(yè)云平臺進(jìn)行相關(guān)的分析處理[1]，用戶只需打開相應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件（Windows、Android、IOS）即可通過手機(jī)APP、電腦客戶端完成對用能數(shù)據(jù)的調(diào)取、監(jiān)控、分析、管理等需求，讓用能信息變得簡單和直觀，使決策者、管理者更有效地掌控企業(yè)能源管理信息。

1.1.1 終端感知層

終端感知層提供的數(shù)據(jù)主要來自現(xiàn)場的水表、天然氣表、蒸汽表以及安裝在現(xiàn)場的智能電表、電氣安全預(yù)警儀等。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要提供工業(yè)網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)終端智能表（計(jì)）與平臺應(yīng)用層的連接，實(shí)時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)，上報(bào)到云上的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)[2]。

1.1.3 平臺應(yīng)用層

平臺應(yīng)用層基于技研云平臺工業(yè)PaaS服務(wù)搭建，提供面向能源管理領(lǐng)域的特定場景應(yīng)用。其中，通用PaaS提供云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、應(yīng)用開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)PaaS服務(wù)能力，提供以數(shù)據(jù)為核心的工業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)、機(jī)理模型服務(wù)和業(yè)務(wù)微服務(wù)。應(yīng)用層提供安全預(yù)警、能耗管理、設(shè)備監(jiān)控等功能，服務(wù)安全用能、經(jīng)濟(jì)用能以及精細(xì)化管理的需求，同時(shí)支持PC端和移動端（微信小程序）訪問，滿足不同用戶群體的使用需求。

1.2 能源管理業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

能耗業(yè)務(wù)邏輯：通過計(jì)量表管理對能源系統(tǒng)的底層現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行定義，計(jì)量表數(shù)據(jù)通過485通訊自動采集與人工錄入作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的輸入端，將指定的計(jì)量表與統(tǒng)計(jì)對象（包括區(qū)域、設(shè)備等）進(jìn)行運(yùn)算賦值、綁定連接，最終生成各時(shí)間段的區(qū)域、設(shè)備等能耗明細(xì)。

單耗業(yè)務(wù)邏輯：在能耗統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各統(tǒng)計(jì)對象的產(chǎn)量情況及各產(chǎn)品類型的系數(shù)加成，定時(shí)核算單耗數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)定統(tǒng)計(jì)對象的單耗基準(zhǔn)，在實(shí)際單耗與設(shè)定的單耗基準(zhǔn)出現(xiàn)一定的偏差時(shí)，自動發(fā)起警報(bào)。

批耗業(yè)務(wù)邏輯：在能耗與單耗的基礎(chǔ)上，結(jié)合每個(gè)訂單/批次的工藝數(shù)據(jù)、配方數(shù)據(jù)、機(jī)臺排程數(shù)據(jù)、訂單/批次的開始與結(jié)束節(jié)點(diǎn)等信息，核算出每個(gè)訂單/批次/工藝的生產(chǎn)能耗。

能源管理業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 能源管理業(yè)務(wù)流程圖

2 主要功能設(shè)計(jì)

能源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息采集管理系統(tǒng)的目標(biāo)是建立數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對能耗信息的自動監(jiān)測，進(jìn)而完成能源的管理，實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)良供能，提高工作效率，降低能耗，從而達(dá)到降低產(chǎn)品成本的目的。包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)布和數(shù)據(jù)分析管理，主要功能是實(shí)現(xiàn)所有能耗數(shù)據(jù)的采集，并在企業(yè)內(nèi)部范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布[3]。

整個(gè)能源管理系統(tǒng)采用可靠的硬件平臺輔以成熟的軟件平臺，構(gòu)成集中式數(shù)據(jù)采集監(jiān)控分析管理系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的集中管理和歸檔，通過網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)內(nèi)部范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布。

2.1 實(shí)時(shí)能耗采集

通過數(shù)據(jù)采集器自動采集現(xiàn)場儀表的能耗數(shù)據(jù)信息，為能源信息管理提供原始數(shù)據(jù)。

2.1.1 通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)接口

本系統(tǒng)涉及到電、水、天然氣、蒸汽等能耗監(jiān)測儀表設(shè)備的采集工作；提供的監(jiān)測儀表設(shè)備必須支持RS-485、RS-232、RJ45、CDMA3G/4G等多種網(wǎng)絡(luò)接口或支持OPC、MODBUS、104、CDT、DLT645等多種通信協(xié)議的數(shù)據(jù)接入，實(shí)現(xiàn)企業(yè)、分廠、車間、設(shè)備等多級能源介質(zhì)的采集、存儲管理。

2.1.2 斷網(wǎng)本地預(yù)存

在網(wǎng)絡(luò)中斷或者主數(shù)據(jù)存儲設(shè)備出現(xiàn)無法通信的情況時(shí)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)當(dāng)繼續(xù)采集能耗數(shù)據(jù)，并將采集到的能耗數(shù)據(jù)保存在本地[4]，在網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通或者與主數(shù)據(jù)存儲設(shè)備恢復(fù)通信后將預(yù)存的數(shù)據(jù)上傳到云存儲設(shè)備中。

2.1.3 遠(yuǎn)程抄表

對指定區(qū)域內(nèi)的能耗監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表，而且選擇指定的日期與時(shí)間對能耗儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表，將對應(yīng)的時(shí)間累積能耗數(shù)據(jù)推送給技研云平臺數(shù)據(jù)采集庫。

2.1.4 運(yùn)行監(jiān)測

（1）系統(tǒng)以數(shù)據(jù)列表、分布圖、曲線等形式直觀展示企業(yè)實(shí)時(shí)或歷史生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)指標(biāo)、能耗指標(biāo)和數(shù)據(jù)通信報(bào)警。

（2）通過集中監(jiān)控生產(chǎn)和能源系統(tǒng)指標(biāo)、生產(chǎn)異常實(shí)時(shí)報(bào)警、系統(tǒng)巡檢到位等措施提高企業(yè)能源系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平及整體安全水平，確保生產(chǎn)安全進(jìn)行。

2.2 能耗統(tǒng)計(jì)分析

2.2.1 計(jì)量分析

能源管理系統(tǒng)計(jì)量分析采用餅狀圖的形式展現(xiàn)指定時(shí)間段內(nèi)各類能耗所占總能耗的百分?jǐn)?shù)；能耗趨勢分析采用折線圖的形式展現(xiàn)指定時(shí)間段內(nèi)指定能源的消耗[5]。

能耗報(bào)表管理：自動生成所需要的數(shù)據(jù)（日/月/季度/年）報(bào)表、定期階段報(bào)表和事件報(bào)表，并能以用戶所需要的格式和方式保存、導(dǎo)出或打印。報(bào)表的類型、內(nèi)容和格式可由用戶動態(tài)調(diào)整，如圖3所示。

圖3 能耗分析環(huán)比圖

能耗報(bào)表分析：系統(tǒng)可提取各類能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析，確立標(biāo)桿值，并對各監(jiān)控點(diǎn)的能耗情況進(jìn)行水耗、電耗、氣耗判定，對能耗改善提出一套完整的診斷流程，并提供能耗分析報(bào)告，幫助用戶進(jìn)行節(jié)能措施及設(shè)備改造。

人工數(shù)據(jù)上傳：針對尚未安裝自動采集儀的支路或無法使用數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行自動采集的能源消耗（機(jī)械式儀表）提供人工數(shù)據(jù)上傳及審核的功能，避免數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致的各類問題。

數(shù)據(jù)備份管理：用戶手動或系統(tǒng)自動備份保存各項(xiàng)數(shù)據(jù)；當(dāng)發(fā)生特殊情況導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失時(shí)，可自動導(dǎo)入最近的備份數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，避免特殊情況出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失導(dǎo)致的各項(xiàng)損失。

2.2.2 單耗分析

能源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控整廠各區(qū)域、各設(shè)備的單位產(chǎn)量耗費(fèi)的能源情況。單耗通常作為各管理人員所管轄區(qū)域的能源考核指標(biāo)，可通過監(jiān)控、分析實(shí)際單耗與設(shè)定績效的偏差來判斷能源管理水平的優(yōu)劣；單耗超出控制線出現(xiàn)異常時(shí)自動發(fā)起警報(bào)，通過及時(shí)的反饋提高能源的利用效率。

2.2.3 批耗分析

能源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控各訂單/批次在各工序的能耗情況，實(shí)現(xiàn)訂單/批次級別高顆粒度的能源分析。在大量的批次能耗數(shù)據(jù)采集后，系統(tǒng)通過分布擬合的方法制定各訂單、批次、工藝的標(biāo)準(zhǔn)能耗模型，當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)能耗與標(biāo)準(zhǔn)能耗模型偏差較大時(shí)發(fā)起警報(bào)，促進(jìn)能源問題的解決與完善，同時(shí)系統(tǒng)通過行業(yè)BI大數(shù)據(jù)自動輸出工藝改進(jìn)的方案建議，提高染整工廠的能源利用效率。

2.3 能耗預(yù)測

以客觀數(shù)據(jù)為依據(jù)，以企業(yè)整體、分廠、車間、生產(chǎn)線、主要用能設(shè)備為對象，并結(jié)合歷史能耗數(shù)據(jù)，對未來的能耗情況進(jìn)行預(yù)測分析：（1）利用歷史能耗數(shù)據(jù)分析未來能耗趨勢；（2）按照日、月、年的日期形式分別統(tǒng)計(jì)出對應(yīng)的能耗趨勢數(shù)據(jù)；（3）與企業(yè)的生產(chǎn)線、主要用能設(shè)備的使用情況相結(jié)合；（4）趨勢圖表界面美觀，條目清晰，并提供在線打印與導(dǎo)出功能。

2.4 警報(bào)設(shè)置

企業(yè)可根據(jù)不同廠區(qū)、不同支路、不同設(shè)備的用能需求，分時(shí)間段設(shè)置不同的警報(bào)策略。當(dāng)發(fā)生不合理的能源消耗時(shí)，系統(tǒng)按照所設(shè)置的警報(bào)方式對用戶進(jìn)行提醒，避免設(shè)備故障或人為原因造成的能源浪費(fèi)[6]。在一段時(shí)間后，用戶可通過歷史警報(bào)記錄分析當(dāng)前的節(jié)能策略是否需要修改，最大限度地確保能源和資金的合理利用。此外，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生能源警報(bào)時(shí)，消息可推送給相關(guān)的生產(chǎn)角色（工人、主管、企業(yè)高層管理者）。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 硬件設(shè)備

能源管理采用高性能智能網(wǎng)關(guān)作為硬件采集及通信設(shè)備。該網(wǎng)關(guān)擁有自主嵌入式操作系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的功能擴(kuò)展和系統(tǒng)升級的空間，用于能源管理中各類能耗儀表的數(shù)據(jù)采集、存儲與管理，可實(shí)現(xiàn)用能數(shù)據(jù)智能處理等邊緣計(jì)算功能，可通過物聯(lián)網(wǎng)、以太網(wǎng)等與云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具備邊緣計(jì)算能力，具備斷點(diǎn)續(xù)傳功能。

智慧能源網(wǎng)關(guān)特點(diǎn)：（1）水電氣熱4表合一，一臺網(wǎng)關(guān)可支持水、電、氣、熱等各類能耗儀表的信息采集，支持多點(diǎn)位高速采集；（2）支持各類工業(yè)規(guī)約，支持符合DLT645-2007與DLT645-1997規(guī)約的所有電能表（計(jì)），支持符合CJ 188-2004-T規(guī)約的所有水、氣、熱表（計(jì)），支持協(xié)議擴(kuò)展；（3）下行支持多協(xié)議RS485、M-Bus、CAN、紅外等，上行支持多通信方式如以太網(wǎng)、GPRS（2G/3G/4G）、WIFI、LORA、NB-IOT 等；（4）安裝方式靈活，導(dǎo)軌式、壁掛式任意可選，終端設(shè)有4個(gè)固定孔位，可采用Φ3的標(biāo)準(zhǔn)螺絲進(jìn)行固定安裝。

3.2 應(yīng)用場景

系統(tǒng)面向傳統(tǒng)印染紡織企業(yè)染色機(jī)、定形機(jī)、絲光機(jī)、煮漂機(jī)、開幅機(jī)等通用生產(chǎn)設(shè)備，針對企業(yè)能源管理粗放、存在用能監(jiān)測黑箱、能耗高、設(shè)備壽命短、問題點(diǎn)查找困難等，基于對整個(gè)車間的通用生產(chǎn)設(shè)備及傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，利用邊緣計(jì)算和云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對車間設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的智能優(yōu)化控制，提高企業(yè)的能源利用水平和用能安全水平，降低能耗。

普遍使用場景：（1）管理人員對工廠的能耗有基本的了解與整體的把控；（2）作為進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（3）給抄表人員提供方便實(shí)用的工具；（4）區(qū)域單耗作為各車間管理人員的考核指標(biāo)，及時(shí)反饋分析總結(jié)；（5）設(shè)備單耗作為能耗異常的深度分析；（6）單耗異常發(fā)起警報(bào)，發(fā)起查異常解決問題的流程；（7）能源預(yù)信（分布擬合）；（8）工藝改進(jìn)；（9）制定訂單工藝的能耗標(biāo)準(zhǔn)；（10）訂單批號的耗能預(yù)警。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

能源管理系統(tǒng)是綜合運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對印染企業(yè)能耗的在線監(jiān)測、動態(tài)分析和集中管理，建立“多能互補(bǔ)，需求響應(yīng)”新機(jī)制，精細(xì)化、信息化的能源管理方式[7]，可提升印染企業(yè)能源管理水平，降低能源成本，實(shí)現(xiàn)能源的動態(tài)需求響應(yīng)和企業(yè)能源的優(yōu)化調(diào)度。系統(tǒng)具體的優(yōu)勢如下：（1）易部署、易實(shí)施、見效快。能源管理服務(wù)根據(jù)當(dāng)前印染企業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行實(shí)際調(diào)研與分析，幫助企業(yè)制定一套輕量化的能效監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)基于云平臺模式搭建，可以快速部署，免去復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝。在不影響當(dāng)前生產(chǎn)的前提下進(jìn)行實(shí)施，可以使企業(yè)減少在安裝實(shí)施過程中帶來的損失。能源管理服務(wù)在整個(gè)系統(tǒng)部署完畢后2個(gè)月就會有明顯的優(yōu)化效果，見效快，效果顯著。（2）便捷的使用方式。系統(tǒng)提供PC端、手機(jī)端等豐富的展示方式，提供簡易的人性化的使用界面，幫助用戶快速地獲取所需用能信息，降低使用者學(xué)習(xí)的成本；同時(shí)為設(shè)備管理人員、企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)等管理者提供數(shù)字化的設(shè)備模型和實(shí)時(shí)運(yùn)行情況的各種健康指標(biāo)，作為決策分析依據(jù)。（3）實(shí)時(shí)的自動預(yù)警通知。系統(tǒng)可以向移動APP應(yīng)用自動推送預(yù)警通知，實(shí)時(shí)告知相關(guān)人員能源事件信息。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種基于工業(yè)云平臺的針對印染企業(yè)的能源管理系統(tǒng)，對印染企業(yè)傳統(tǒng)能耗管理進(jìn)行了深層次的信息整合，實(shí)現(xiàn)了全廠設(shè)備的互通互聯(lián)，有效地幫助企業(yè)提高了設(shè)備的綜合運(yùn)行效率，并運(yùn)用信息化手段改善企業(yè)的業(yè)務(wù)流程。未來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將迎來加速發(fā)展期，不斷打造和完善面向染整行業(yè)、覆蓋全技術(shù)層次和全生命周期業(yè)務(wù)流程的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，以微服務(wù)、工業(yè)APP等多種技術(shù)和形式提供資源整合、個(gè)性化定制等綜合服務(wù)，將幫助更多的企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。