任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：闡述企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統，實現對企業(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，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、大數據技術、云計算技術、工控組態(tài)技術、網絡通信技術等開發(fā)了企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統，簡要介紹了有色金屬冶煉過程能耗在線監(jiān)測系統的設計構思和實現手段，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據采集、傳輸與處理、匯總統計等，實現了電氣自動化管理。

1 能耗監(jiān)測系統的設計

監(jiān)測系統的組成。系統由PLC主站、工業(yè)控制系統、生產信息系統、現場控制設備以及儀器儀表等組成，在線監(jiān)測系統包括端設備、計量器具、采集設備、管理軟件等。系統通過采集設備，采集計量器具產生的能耗數據，并通過有線或無線傳輸匯聚到端設備內網機。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)測系統的關鍵部件，采用獨立雙主機“2+1"架構，主要包括內網主機、外網主機、全隔離單元等，其主要功能包括對用能單位能耗數據進行采集、分析、匯總、存儲以及協議轉換等，并將采集匯總的數據上傳到省級平臺，可實現與省級平臺進行協議上傳和回傳。

圖1 系統的組成框圖

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，支持數據遠傳功能，并經過了專業(yè)機構的檢定，保證能耗數據的準確性。

1. 采集設備。

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

1. 管理軟件。

包括端設備對數據采集、匯聚、傳輸的程序、以及能源管理系統軟件。

能耗監(jiān)測系統軟件系統。軟件系統功能包括：基礎信息管理、能耗數據監(jiān)測、數據統計、數據報警分析、企業(yè)用能分析、數據下載、系統管理。本單位將能耗監(jiān)測系統部署在外網，可通過移動端、PC端實時查看能耗數據，企業(yè)可以根據自身需求將系統部署在內網或外網，對所采集的能耗數據進行指標統計、匯總、報表分析。能耗監(jiān)測系統功能包含8大功能模塊，具體功能包括：用能看板、用能統計、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為能源管理系統各功能結構圖

用能看板：用能看板實現了用戶對能耗數據監(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、系統地了解企業(yè)用能情況。

用能統計：用能統計是通過對煤炭、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：網絡系統通過自動計算，以桑吉圖的方式展現用能流向。有利于用戶清晰掌握供能網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、氣等有無泄漏現象。

自主用能分析：可依據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計報表，按照指標類型分為能耗量統計、能耗成本統計、能耗效率統計；并可以按照日報、周報和月報的形式進行統計。

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: 可以實現對計量器具的檔案信息、原始數據以及網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 系統功能實現

能耗數據采集。通過RS-485接口進行本地數據采集，并對采集數據進行協議轉換；對于4G采集數據，可以借助數據訂閱的方式，通過網絡獲取采集數據。其中，采集網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)所計量的能耗數據。數據從計量器具儀表經過PLC，通過現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連接傳輸數據至端設備內網機，再經由轉換模塊進入工業(yè)以太網，傳輸到服務器，實現對金屬冶煉過程中電、天然氣、煤、水等各能耗監(jiān)測數據的傳輸。

能耗數據監(jiān)控。通過人機交互界面，可將現場實時采集的電力、天然氣、煤、水等能源數據信息轉變成柱狀圖、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)測的設備運行現場數據，并可方便用戶進行數據的自行導出，實現了能源消耗數據的在線統計、報表自動生成等功能，提升了能源管理信息化、智能化水平。

能耗數據處理。系統結合企業(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計、分析，并設置報警功能，建立能源平衡，同時形成各類統計報表。報警分析是能耗監(jiān)測系統的重要功能，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象等。

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

3 系統應用特點及實施效果

該系統實現了在線統計與監(jiān)測的結合，可廣泛應用于企業(yè)生產和節(jié)能管理領域，信息系統在設計上，通過將統計和監(jiān)測二者有機結合，形成了統計和監(jiān)測業(yè)務高度統一，有效避免了統計和監(jiān)測的數據誤差給企業(yè)能源管理工作帶來的壓力。監(jiān)測數據可自動傳輸，以日數據為基礎計算監(jiān)測結果，統計可以以日、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據。

用能統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)能源管理系統介紹

安科瑞企業(yè)能源管控系統采用自動化、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)控和數據化管理，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，通過數據分析、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)能評估提供基礎數據和支持。

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 系統結構

現場通過廠區(qū)局域網和平臺通訊，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聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。

現場設備層：主要是連接于網絡中用于水、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、耗氣系統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網絡電力儀表、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。

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

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，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)控和數據化管理。實時監(jiān)測企業(yè)各類能源的消耗情況，通過數據分析、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)能改造提供數據依據。

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)級統計數據。

7.4數據監(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據支撐。

• 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、能源平衡網絡圖、能源計量網絡圖等功能。

• 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、門禁水浸狀態(tài)及能耗數據。

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

• 數據展示：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；

• 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，可以對報警參數進行在線設置，當能源參數越限報警，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。通過各種運行參數狀態(tài)下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據運行模式調整負載，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集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現各個產業(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、數字表等方式對企業(yè)用能統計、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。

7.十成本分析

統計各個監(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。

7.11產品單耗統計

與企業(yè)MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，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)能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

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、時段績效統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

系統對區(qū)域、工段、設備能源消耗進行數據采集，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據，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）統計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環(huán)比

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計分析，讓用戶更加了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發(fā)現設備異常，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

根據節(jié)點、能源分類，查詢各個節(jié)點線路上的能源損耗數據，及時發(fā)現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超標預警，提升區(qū)域減排水平，促進碳達峰目標實現。

7.20電能質量監(jiān)測

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

7.21運維管理

系統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計分析，為企業(yè)分時用電，優(yōu)化成本效益提供數據支持。

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

對各動力子系統進行虛擬仿真，展示子系統的動力管線、設備的實時狀態(tài)及能源消耗情況，可實現動態(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)測數據。

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據及各類統計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。

7.32基礎數據管理

對系統的項目、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，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 系統硬件配置

9 結語

系統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，實現能耗數據的采集、傳輸以及統計數據的直觀展示。

參考文獻

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[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與選型手冊.2022.05版.

[4]安科瑞企業(yè)能源管控平臺.2020.08版.

作者簡介:任運業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司。