基于物聯(lián)網(wǎng)的計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)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(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、增長方式、科技水平、管理能力、消費(fèi)模式以及國民素質(zhì)的綜合反映。伴隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,我國正面臨日益嚴(yán)峻的能源供應(yīng)危機(jī)。近年來，為了能夠全方位感知現(xiàn)實(shí)世界，各地廣泛部署了各類傳感器，使得互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)與物理世界結(jié)合愈加緊密，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[1]。隨著海量數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)的不斷提升，骨干企業(yè)紛紛入局物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的持續(xù)深入，越來越多的企業(yè)逐漸認(rèn)識到用能計量是企業(yè)科學(xué)管理的一項重要手段，也是企業(yè)合理用能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的一項重要工作[2]。 我國物聯(lián)網(wǎng)也在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、社會治理等方面得到廣泛應(yīng)用[3]。

目前，為降低企業(yè)生產(chǎn)能耗，減少浪費(fèi)，提高企業(yè)用能科學(xué)管理水平，企業(yè)用能計量已經(jīng)突破傳統(tǒng)計量管理的范疇。新型計量借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依靠在線數(shù)據(jù)采集提供的客觀數(shù)據(jù)，通過對所有用能數(shù)據(jù)的計算，分?jǐn)偲胶猓y(tǒng)計分析等處理，對重點(diǎn)耗能設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控分析，全面考核企業(yè)生產(chǎn)中的用能效率和強(qiáng)度[4]，為企業(yè)用能管控，提供決策依據(jù)。

筆者重點(diǎn)針對企業(yè)有效的能源管理和監(jiān)控難題，采用現(xiàn)代數(shù)字儀表、應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用現(xiàn)場總線設(shè)備監(jiān)控技術(shù)，通過對水、電、汽等各類能源的精確計量、自動數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳，達(dá)到在線能耗監(jiān)測、能耗統(tǒng)計、能源平衡分析的目的，為企業(yè)提供有效能源管理和成本考核依據(jù)，對企業(yè)節(jié)能增效，降低成本有很高的價值，同時為助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)狀分析

隨著第四次工業(yè)革命的持續(xù)向前推進(jìn)，2015年以來，中央相繼出臺了《中國制造2025》《信息化和工業(yè)化融合發(fā)展規(guī)劃》等一系列政策規(guī)劃，促進(jìn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。根據(jù)《國務(wù)院關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》，制定了《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全防護(hù)指南》。筆者所在公司屬于稀土工業(yè)企業(yè)?，F(xiàn)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(fā)光材料、氯堿化工等七大產(chǎn)業(yè)板塊。目前靠人工定時抄表的方式統(tǒng)計能源消耗狀況，這種方式存在數(shù)據(jù)滯后、時效性差、數(shù)據(jù)單一等問題，不能及時掌握各生產(chǎn)環(huán)節(jié)和重點(diǎn)能耗設(shè)備的實(shí)時能耗數(shù)據(jù)、單位能耗數(shù)據(jù)、能耗變化趨勢和實(shí)時運(yùn)行參數(shù)等信息。為積極響應(yīng)國家政策、提高產(chǎn)品質(zhì)量和售后服務(wù)、開拓市場，在過去的幾年里，為實(shí)時監(jiān)控公司內(nèi)水、電、蒸汽等的用能情況，公司充分利用自己在工控行業(yè)積累多年的經(jīng)驗(yàn)，對老舊儀表及設(shè)備進(jìn)行自動化改造，利用現(xiàn)代計算機(jī)通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能測控技術(shù)、自動控制技術(shù)等領(lǐng)域最新成果，自主研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的水、電、蒸汽計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)控各設(shè)備的用能情況，并進(jìn)行用能統(tǒng)計分析，系統(tǒng)的成功應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和信息互通，助力打造“綠色環(huán)保，節(jié)能降耗”型企業(yè)。

2 改造實(shí)施方案

針對公司現(xiàn)有的各種設(shè)備以及用能情況，在有效利用現(xiàn)有設(shè)備資源的基礎(chǔ)上，對一些老舊儀表進(jìn)行改造或更換，加裝I/O模塊和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過增加少量硬件設(shè)備，將現(xiàn)場設(shè)備的用能數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接嬃績x表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺，全面掌握現(xiàn)場設(shè)備用能及運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)管控一體化，為信息化管理提供基本數(shù)據(jù)支持。

2.1 供水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

供水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集通過改造現(xiàn)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(shí)時監(jiān)控供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在供水系統(tǒng)中安裝壓力表，若供水系統(tǒng)壓力出現(xiàn)突變情況時，計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則會報警提示。

整個供水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要由電磁流量計、壓力表構(gòu)成，可全方位保證供水系統(tǒng)正常運(yùn)行，并能實(shí)時計量供水系統(tǒng)的瞬時流量、累計流量和供水壓力等參數(shù)。

2.2 電能系統(tǒng)采集

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

將配電室重點(diǎn)用能設(shè)備的智能電表采用總線的方式串聯(lián)起來，再將電表總線與串口服務(wù)器連接，串口服務(wù)器將所有電表數(shù)據(jù)匯總打包，然后通過網(wǎng)絡(luò)將電表數(shù)據(jù)傳輸至計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)服務(wù)器。該系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)測中心配電室供電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)是否正常；統(tǒng)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(fèi)；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，減少工作人員工作量。

2.3 蒸汽系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

蒸汽系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集通過在設(shè)備蒸汽管道上安裝蒸汽流量計和數(shù)據(jù)采集裝置來完成。系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括蒸汽溫度、壓力、流量等狀態(tài)值。串口服務(wù)器通過 RS-485 通訊接口連接蒸汽流量計來采集數(shù)據(jù)，串口服務(wù)器連接接入層交換機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

3 數(shù)據(jù)采集架構(gòu)

計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場總線設(shè)備監(jiān)控技術(shù)，構(gòu)建高效、穩(wěn)定、人性化的計量系統(tǒng)，對用能設(shè)備進(jìn)行全方位、多層次的監(jiān)測與管理。系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)應(yīng)用三層結(jié)構(gòu)完成硬件部署及平臺搭建。

項目通過三層體系結(jié)構(gòu)搭建計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺，數(shù)據(jù)應(yīng)用層主要由客戶端、操作站、計量儀表數(shù)據(jù)采集SCADA系統(tǒng)、服務(wù)器等組成，保障計量系統(tǒng)的所有核心數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理軟件的穩(wěn)定運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)通信層主要由核心交換機(jī)、各區(qū)域板塊匯聚交換機(jī)和各設(shè)備現(xiàn)場接入交換機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集層主要設(shè)備有現(xiàn)場計量儀表、串口服務(wù)器、通訊管理機(jī)等，通過總線連接各儀表，完成儀表數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集傳輸。由于各子系統(tǒng)現(xiàn)場儀表各不相同，根據(jù)自身特點(diǎn)，采集硬件配置也各不相同。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

待數(shù)據(jù)采集完成后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至專用的數(shù)據(jù)服務(wù)器上，由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量大，將數(shù)據(jù)存儲于時序數(shù)據(jù)庫中，可方便按時間查詢。數(shù)據(jù)應(yīng)用層包括操作站、工程師站、數(shù)據(jù)服務(wù)器和web服務(wù)器。由于數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)開發(fā)，所以用戶可以在公司內(nèi)網(wǎng)的任意一臺計算機(jī)上了解企業(yè)用能情況。

綜上所述，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)用能在線運(yùn)行、監(jiān)控和維護(hù)，可有效減少人力資源的投入，提高企業(yè)生產(chǎn)管理的效率。

4 計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺設(shè)計

計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺加裝智能儀表，通過采集用水、電、蒸汽等的用能數(shù)據(jù)，既能統(tǒng)計和反映設(shè)備用能情況、能源利用率等各項參數(shù)，也能為科學(xué)排產(chǎn)，節(jié)能降耗提供有力數(shù)據(jù)保障。

4.1 用能數(shù)據(jù)采集

主要針對企業(yè)用能數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，特別是重點(diǎn)耗能設(shè)備。之前所有能耗數(shù)據(jù)都是人工現(xiàn)場抄表，自計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺投運(yùn)以后，所有采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)直接通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集并上傳至平臺端。同時還可以對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析得出重點(diǎn)耗能設(shè)備，為公司的節(jié)能降耗提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 用能情況監(jiān)控

用能情況監(jiān)控主要是把采集到的用能數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)過程中的能耗數(shù)據(jù)，實(shí)時傳送至平臺端，通過統(tǒng)計和對比，并以曲線圖的形式展示，企業(yè)可以通過曲線圖了解到用能實(shí)際分布狀況。在生產(chǎn)調(diào)度時，可以合理安排每天的生產(chǎn)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(chǎn)過程中的用能數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、統(tǒng)計和展示?？筛鶕?jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需要將計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺模塊劃分為能耗總覽、能耗分析、能源設(shè)置、用能計劃、異常報警和系統(tǒng)設(shè)置等。

5 系統(tǒng)測試應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)的計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺搭建完成后，置于公司生產(chǎn)園區(qū)內(nèi)試運(yùn)行，測試過程中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，界面操作順暢，具有良好的人機(jī)交互性。公司用能統(tǒng)計對比如圖2所示，可顯示公司用能的環(huán)比同比對比分析。圖3為計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的公司供水系統(tǒng)參數(shù)，通過參數(shù)可以檢測供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)供水壓力超過設(shè)定的上限或下限值時就會觸發(fā)預(yù)警，平臺端就會將預(yù)警信息發(fā)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(tǒng)計對比

圖3 供水參數(shù)

6 結(jié) 語

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)過程中用能需求與日俱增。傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場抄表模式已不再適應(yīng)企業(yè)當(dāng)下的用能環(huán)境。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的迫切需求，基于物聯(lián)網(wǎng)的計量儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可快速有效地實(shí)現(xiàn)企業(yè)用能數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)分析，已逐漸成為企業(yè)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(shù)據(jù)的精確計量和采集，快速、直觀、全面的了解企業(yè)的用能狀況，極大地提高了企業(yè)的用能效率，降低了企業(yè)生產(chǎn)和管理成本，同時為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)。