番茄加工全流程能耗監(jiān)測與可視化平臺設(shè)計

王軍宏，閆文斌，李 鵬，梁晉輝

（1.新疆天番食品科技有限公司，新疆維吾爾自治區(qū) 焉耆 841100；2.石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 石河子 832000）

隨著消費者對番茄制品需求的增加，我國番茄制品產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，企業(yè)的市場競爭壓力越來越大，而提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本依舊是企業(yè)贏得市場的關(guān)鍵[1-2]。番茄加工全流程涉及使用水、電、蒸汽等能源，且消耗大，能耗成本占到產(chǎn)品生產(chǎn)總成本4%以上。為此，新疆天番食品科技有限公司針對番茄加工工藝耗水量大、循環(huán)利用率低等問題，優(yōu)化改造廢水回用工藝，為企業(yè)節(jié)省約25%的用水量[3]；針對番茄前處理工藝存在的用水協(xié)調(diào)度低、原料損耗大的問題，對番茄前處理過程控制進行自動化改造，有效打通物料交售、水力輸送、多級清洗、廢水回用、能源轉(zhuǎn)換等多環(huán)節(jié)的工藝流程控制，使單位產(chǎn)品耗電量同比下降了14.63%，平均料耗比同比降低了8.76%[4]。本文根據(jù)番茄深加工全流程各個用能環(huán)節(jié)的特性和條件，設(shè)計開發(fā)了番茄加工全流程能耗監(jiān)測與可視化平臺系統(tǒng)，減少了能源損失，有效降低了企業(yè)生產(chǎn)成本[5]。

1 番茄加工能源管理現(xiàn)狀分析

番茄加工全流程包括番茄原料的接收入場、清洗、初步加工、生產(chǎn)、加工處理、包裝和出庫等環(huán)節(jié)，其消耗的能源主要是水、電、蒸汽。目前工廠的5 條生產(chǎn)線共用一個市政給水入戶總表，生產(chǎn)線后段各工序供電較分散，且不具備數(shù)采條件，電量統(tǒng)計核算較難，需進行升級改造。目前能耗統(tǒng)計報表只統(tǒng)計了每日用電總量和辦公樓、食堂用電量。蒸汽計量采用差壓流量計，具有數(shù)據(jù)接口，具備數(shù)據(jù)采集條件，能統(tǒng)計每日低壓蒸汽用量、高壓蒸汽用量，及蒸汽總用量。當(dāng)前能源管理仍存在以下問題：一是無法實時統(tǒng)計水、電、蒸汽等關(guān)鍵能源消耗數(shù)據(jù)；二是水、電、蒸汽等能源消耗數(shù)據(jù)采用人工采集，效率低、勞動強度大，且存在安全隱患[6]。

2 番茄加工能源管理業(yè)務(wù)流程規(guī)劃

結(jié)合新疆天番食品科技有限公司現(xiàn)有的制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES），規(guī)劃水、電、蒸汽等能源消耗統(tǒng)計業(yè)務(wù)的流程，如圖1 所示。具體的能源管理業(yè)務(wù)流程如下：一是車間主任在MES 系統(tǒng)中維護基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，下發(fā)工單，直到工單結(jié)束，相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動傳送至MES 數(shù)據(jù)庫；二是MES 系統(tǒng)通過數(shù)采設(shè)備每間隔5 s 采集車間水表、電表及蒸汽表數(shù)據(jù)，并自動計算各產(chǎn)線的能耗占比、各班次單耗和各產(chǎn)線單耗；三是MES 系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品在各自生產(chǎn)線的生產(chǎn)時長占比計算各產(chǎn)品能耗和各產(chǎn)品單耗；四是將水、電、蒸汽的能耗信息以數(shù)字化大屏方式進行可視化展示。

圖1 番茄加工能源管理業(yè)務(wù)流程Fig.1 Tomato processing energy monitoring business process diagram

3 番茄加工全流程能耗監(jiān)測與可視化平臺的設(shè)計

3.1 平臺總體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)規(guī)劃的番茄加工能源管理業(yè)務(wù)流程，搭建番茄加工全流程能耗監(jiān)測與可視化平臺。整體架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層，如圖2所示。

圖2 番茄加工全流程能耗監(jiān)測與可視化平臺整體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of energy monitoring and visualization platform for tomato processing

數(shù)據(jù)采集層：主要采集各車間番茄加工過程中實時消耗的水、電、蒸汽值，硬件配置包括電表3 塊、水表1塊、差壓式蒸汽流量計2塊，以及PLC設(shè)備。

數(shù)據(jù)傳輸層：配置AP、交換機、數(shù)采網(wǎng)關(guān)、防火墻、核心交換機、AC、服務(wù)器、485 線、光纖收發(fā)器以及網(wǎng)線等，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件平臺，使用Modbus TCP 協(xié)議、OPC UA 協(xié)議、串口協(xié)議等對數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換與解析，并實時傳輸消耗的水、電、蒸汽值。

數(shù)據(jù)存儲層：利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時處理與判別傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)類型存入不同數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)應(yīng)用層：將番茄加工過程中實時消耗的水、電、蒸汽值等信息以數(shù)字化大屏方式展示；同時，結(jié)合番茄加工時能源消耗的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，進行協(xié)同優(yōu)化和實時決策。

3.2 平臺系統(tǒng)功能設(shè)計

平臺的主要功能模塊包括能源采集、能源監(jiān)控、能耗分析及參數(shù)設(shè)置功能，各功能模塊的業(yè)務(wù)關(guān)系如圖3所示。

圖3 番茄加工全流程能耗監(jiān)測與可視化平臺的功能業(yè)務(wù)流程Fig.3 Business process of energy monitoring and visualization platform in tomato processing

能源采集模塊：能源采集模塊的功能是對工廠能源（水、電、蒸汽）的數(shù)據(jù)進行實時采集，并實時發(fā)送到MES數(shù)據(jù)庫存儲。

能源監(jiān)控模塊：能源監(jiān)控模塊的功能是對工廠能源（水、電、蒸汽）的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)能源消耗情況，并通過曲線圖和數(shù)據(jù)表格的方式展示，實現(xiàn)儀表歷史采集數(shù)據(jù)的分時段查詢。

能耗分析模塊：能耗分析模塊主要用于展示電、水、蒸汽能源消耗的數(shù)據(jù)趨勢圖形，按照能源類型分類展示，以時間維度、班組維度、產(chǎn)線維度進行同種能源類型的能耗橫向分析比對，查看同一能源類型下車間各班組消耗對比分析，以及同一班組不同產(chǎn)線下能源消耗對比情況。

參數(shù)設(shè)置模塊：參數(shù)設(shè)置模塊用于設(shè)置產(chǎn)線能耗分?jǐn)偙壤?/p>

4 番茄加工全流程能耗監(jiān)測與可視化平臺的實現(xiàn)

4.1 硬件及軟件部署

將水表機械表更換為數(shù)字表，電表更換為數(shù)字電表，差壓式蒸汽流量計接入485 通訊線，使用串口服務(wù)器通過RS485 通訊協(xié)議讀取水、電、蒸汽數(shù)據(jù)采集點位信息，連接數(shù)采平臺軟件KEP Server EX實時讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送到MES 數(shù)據(jù)庫存儲。利用IoT Gateway 軟件將KEP Server EX 的采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀oT 時序數(shù)據(jù)庫供MES 系統(tǒng)使用，并且在IoT Core 中進行維護。配置4 臺PDA，將系統(tǒng)自動計算的能源消耗數(shù)據(jù)以折線圖的形式展示工廠或各班組每日、月的單耗趨勢。同時，在能耗分析模塊增加人工錄入界面，當(dāng)數(shù)采通訊中斷時，人工錄入抄表底數(shù)。

4.2 系統(tǒng)集成及應(yīng)用

將MES 系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集部分集成，能源監(jiān)控和能耗統(tǒng)計分析通過MES系統(tǒng)外接數(shù)字化大屏實現(xiàn)。最終開發(fā)出的數(shù)字化能耗監(jiān)測平臺界面如圖4 所示。該數(shù)字化大屏將復(fù)雜、多變、密集的多種信息進行采集、融合、分析和數(shù)據(jù)可視化，以圖形形式直觀地展示給管理者。例如，水耗班次統(tǒng)計、水耗日統(tǒng)計、水耗月統(tǒng)計、電耗班次統(tǒng)計、電耗日統(tǒng)計、電耗月統(tǒng)計、蒸汽耗班次統(tǒng)計、蒸汽耗日統(tǒng)計、蒸汽耗月統(tǒng)計等。

圖4 番茄加工全流程能耗監(jiān)測與可視化平臺Fig.4 Energy monitoring and visualization platform for tomato processing

5 結(jié)語

綠色低碳環(huán)保是企業(yè)實現(xiàn)真正可持續(xù)發(fā)展的重要手段。本文針對傳統(tǒng)番茄加工過程存在關(guān)鍵能源消耗數(shù)據(jù)無法實時監(jiān)控與管理的問題，利用新一代信息技術(shù)并部署數(shù)采設(shè)備，建立番茄加工全流程能耗監(jiān)測與可視化平臺，實現(xiàn)番茄深加工能耗管控智能化、數(shù)字可視化，為番茄加工過程中能源管理提供智慧決策支持。達到了提高決策效率和管理水平、降低番茄加工過程能耗損失，增加了企業(yè)經(jīng)濟效益的目的。