安科瑞馮東鋮 17821170233

摘要：為了解決傳統(tǒng)印染企業(yè)對能源管理存在粗放、滯后、管理不足等問題，提出了一種基于工業(yè)云平臺的能源管理系統(tǒng)設計方案。以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網和互聯(lián)網等基礎設施建設的能源管理系統(tǒng)擁有很快的工作效率。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、通用性、持續(xù)擴展性，為印染企業(yè)提供了能耗監(jiān)控、訂單產量損耗的能源監(jiān)測解決方案，以及未來能源管理系統(tǒng)的運行維護。

關鍵詞：云平臺；大數(shù)據(jù)；物聯(lián)網；能源監(jiān)測；穩(wěn)定性；通用性

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)模的擴大，企業(yè)運作過程中需要管理的信息日益繁雜，傳統(tǒng)的管理模式已經不能滿足實際的需求，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)網能源管理解決方案，集“物聯(lián)網”“大數(shù)據(jù)”“云計算”“AI”“邊緣計算”“智能網關”等技術于一體，服務于園區(qū)、企事業(yè)單位在能源的生產、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，服務于安全用能、經濟用能以及精細化管理的需求。具體如下：（1）能耗管理系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)體系結構，對電力、天然氣、水、蒸汽等各分類能耗數(shù)據(jù)進行采集、處理，并分析能耗狀況，實現(xiàn)節(jié)能應用；（2）采用儀表管理、能源監(jiān)控、能源統(tǒng)計、能耗預測分析、能耗設備管理、能源計量設備管理等多種手段，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，并與生產運營相結合，形成單位制品能耗、日均網損、平均（水電氣）價格等指標，協(xié)助管理者快速掌控企業(yè)狀況，進行客觀、科學的分析，為企業(yè)精細化管理提供新的數(shù)據(jù)化維度。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 業(yè)務架構

業(yè)務架構圖如圖1所示。

能耗管理系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)體系結構，對電力、天然氣、水、蒸汽等各分類能耗數(shù)據(jù)進行采集、處理，并分析能耗狀況，實現(xiàn)節(jié)能應用。技術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、4G/5G 的形式傳輸、存儲至技研工業(yè)云平臺進行相關的分析處理，用戶只需打開相應系統(tǒng)的應用軟件（Windows、Android、IOS）即可通過手機APP、電腦客戶端完成對用能數(shù)據(jù)的調取、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、電氣安全預警儀等。

1.1.2 網絡傳輸層

網絡傳輸層主要提供工業(yè)網關，負責終端智能表（計）與平臺應用層的連接，實時采集設備數(shù)據(jù)，上報到云上的物聯(lián)網服務。

1.1.3 平臺應用層

平臺應用層基于技研云平臺工業(yè) PaaS 服務搭建，提供面向能源管理領域的特定場景應用。其中，通用 PaaS 提供云計算、大數(shù)據(jù)、應用開發(fā)、物聯(lián)網等基礎 PaaS 服務能力，提供以數(shù)據(jù)為核心的工業(yè)數(shù)據(jù)服務、機理模型服務和業(yè)務微服務。應用層提供安全預警、能耗管理、設備監(jiān)控等功能，服務安全用能、經濟用能以及精細化管理的需求，同時支持 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)務流程設計

能耗業(yè)務邏輯：通過計量表管理對能源系統(tǒng)的底層現(xiàn)場設備進行定義，計量表數(shù)據(jù)通過485通訊自動采集與人工錄入作為基礎數(shù)據(jù)的輸入端，將規(guī)定的計量表與統(tǒng)計對象（包括區(qū)域、設備等）進行運算賦值、綁定連接，生成各時間段的區(qū)域、設備等能耗明細。

單耗業(yè)務邏輯：在能耗統(tǒng)計的基礎上，結合各統(tǒng)計對象的產量情況及各產品類型的系數(shù)加成，定時核算單耗數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設定統(tǒng)計對象的單耗基準，在實際單耗與設定的單耗基準出現(xiàn)一定的偏差時，自動發(fā)起警報。

批耗業(yè)務邏輯：在能耗與單耗的基礎上，結合每個訂單/批次的工藝數(shù)據(jù)、配方數(shù)據(jù)、機臺排程數(shù)據(jù)、訂單/批次的開始與結束節(jié)點等信息，核算出每個訂單/批次/工藝的生產能耗。

能源管理業(yè)務流程如圖2所示。

2 主要功能設計

能源管理系統(tǒng)實時信息采集管理系統(tǒng)的目標是建立數(shù)據(jù)通信網絡，實現(xiàn)對能耗信息的自動監(jiān)測，進而完成能源的管理，實現(xiàn)安全、優(yōu)良供能，提高工作效率，降低能耗，從而達到降低產品成本的目的。包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)布和數(shù)據(jù)分析管理，主要功能是實現(xiàn)所有能耗數(shù)據(jù)的采集，并在企業(yè)內部范圍內實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布。

整個能源管理系統(tǒng)采用可靠的硬件平臺輔以成熟的軟件平臺，構成集中式數(shù)據(jù)采集監(jiān)控分析管理系統(tǒng)，并實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的集中管理和歸檔，通過網絡在企業(yè)內部范圍內實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布。

2.1 實時能耗采集

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)議與網絡接口

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

2.1.2 斷網本地預存

在網絡中斷或者主數(shù)據(jù)存儲設備出現(xiàn)無法通信的情況時，數(shù)據(jù)采集設備應當繼續(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，在網絡聯(lián)通或者與主數(shù)據(jù)存儲設備恢復通信后將預存的數(shù)據(jù)上傳到云存儲設備中。

2.1.3 遠程抄表

對規(guī)定區(qū)域內的能耗監(jiān)測設備進行遠程抄表，而且選擇規(guī)定的日期與時間對能耗儀表進行遠程抄表，將對應的時間累積能耗數(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)實時或歷史生產能耗數(shù)據(jù)、生產指標、能耗指標和數(shù)據(jù)通信報警。

（2）通過集中監(jiān)控生產和能源系統(tǒng)指標、生產異常實時報警、系統(tǒng)巡檢到位等措施提高企業(yè)能源系統(tǒng)的運行管理水平及整體安全水平，確保生產安全進行。

2.2 能耗統(tǒng)計分析

2.2.1 計量分析

能源管理系統(tǒng)計量分析采用餅狀圖的形式展現(xiàn)規(guī)定時間段內各類能耗所占總能耗的百分數(shù)；能耗趨勢分析采用折線圖的形式展現(xiàn)規(guī)定時間段內規(guī)定能源的消耗。

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

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

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)采集儀進行自動采集的能源消耗（機械式儀表）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)自動備份保存各項數(shù)據(jù)；當發(fā)生特殊情況導致數(shù)據(jù)丟失時，可自動導入近期的備份數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)恢復，避免特殊情況出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失導致的各項損失。

2.2.2 單耗分析

能源管理系統(tǒng)實時監(jiān)控整廠各區(qū)域、各設備的單位產量耗費的能源情況。單耗通常作為各管理人員所管轄區(qū)域的能源考核指標，可通過監(jiān)控、分析實際單耗與設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)異常時自動發(fā)起警報，通過及時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)實時監(jiān)控各訂單/批次在各工序的能耗情況，實現(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、工藝的標準能耗模型，當實際生產能耗與標準能耗模型偏差較大時發(fā)起警報，促進能源問題的解決與完善，同時系統(tǒng)通過行業(yè)BI 大數(shù)據(jù)自動輸出工藝改進的方案建議，提高染整工廠的能源利用效率。

2.3 能耗預測

以客觀數(shù)據(jù)為依據(jù)，以企業(yè)整體、分廠、車間、生產線、主要用能設備為對象，并結合歷史能耗數(shù)據(jù)，對未來的能耗情況進行預測分析：（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)計出對應的能耗趨勢數(shù)據(jù)；（3）與企業(yè)的生產線、主要用能設備的使用情況相結合；（4）趨勢圖表界面美觀，條目清晰，并提供在線打印與導出功能。

2.4 警報設置

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

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

3.1 硬件設備

能源管理采用高性能智能網關作為硬件采集及通信設備。該網關擁有自主嵌入式操作系統(tǒng)，具有強大的功能擴展和系統(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，可實現(xiàn)用能數(shù)據(jù)智能處理等邊緣計算功能，可通過物聯(lián)網、以太網等與云平臺進行數(shù)據(jù)交互，具備邊緣計算能力，具備斷點續(xù)傳功能。

智慧能源網關特點：（1）水電氣熱4表合一，一臺網關可支持水、電、氣、熱等各類能耗儀表的信息采集，支持多點位高速采集；（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），支持符合CJ 188-2004-T規(guī)約的所有水、氣、熱表（計），支持協(xié)議擴展；（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、GPRS（2G/3G/4G）、WIFI、LORA、NB-IOT 等；（4）安裝方式靈活，導軌式、壁掛式任意可選，終端設有4個固定孔位，可采用Φ3的標準螺絲進行固定安裝。

3.2 應用場景

系統(tǒng)面向傳統(tǒng)印染紡織企業(yè)染色機、定形機、絲光機、煮漂機、開幅機等通用生產設備，針對企業(yè)能源管理粗放、存在用能監(jiān)測黑箱、能耗高、設備壽命短、問題點查找困難等，基于對整個車間的通用生產設備及傳感器的實時數(shù)據(jù)采集，利用邊緣計算和云服務器實現(xiàn)對車間設備運行參數(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）作為進一步分析的基礎數(shù)據(jù)；（3）給抄表人員提供方便實用的工具；（4）區(qū)域單耗作為各車間管理人員的考核指標，及時反饋分析總結；（5）設備單耗作為能耗異常的深度分析；（6）單耗異常發(fā)起警報，發(fā)起查異常解決問題的流程；（7）能源預信（分布擬合）；（8）工藝改進；（9）制定訂單工藝的能耗標準；（10）訂單批號的耗能預警。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

能源管理系統(tǒng)是綜合運用現(xiàn)代信息技術和能源互聯(lián)網技術，實現(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，需求響應”新機制，精細化、信息化的能源管理方式，可提升印染企業(yè)能源管理水平，降低能源成本，實現(xiàn)能源的動態(tài)需求響應和企業(yè)能源的優(yōu)化調度。系統(tǒng)具體的優(yōu)勢如下：（1）易部署、易實施、見效快。能源管理服務根據(jù)當前印染企業(yè)現(xiàn)狀進行實際調研與分析，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，免去復雜的系統(tǒng)設計與安裝。在不影響當前生產的前提下進行實施，可以使企業(yè)減少在安裝實施過程中帶來的損失。能源管理服務在整個系統(tǒng)部署完畢后 2 個月就會有明顯的優(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，降低使用者學習的成本；同時為設備管理人員、企業(yè)領導等管理者提供數(shù)字化的設備模型和實時運行情況的各種健康指標，作為決策分析依據(jù)。（3）實時的自動預警通知。系統(tǒng)可以向移動 APP 應用自動推送預警通知，實時告知相關人員能源事件信息。

5 安科瑞工業(yè)能源管理系統(tǒng)介紹

安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)和支持。

6 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)。

7 系統(tǒng)結構

現(xiàn)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(lián)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(tǒng)可分為三層：即現(xiàn)場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。

現(xiàn)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(tǒng)必要的基本組成元素。肩負著采集數(shù)據(jù)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(xiàn)場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現(xiàn)場設備層設備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉換，數(shù)據(jù)存儲，并通過網絡把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數(shù)據(jù)存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務器端數(shù)據(jù)不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數(shù)據(jù)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：

8 系統(tǒng)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(shù)據(jù)化管理。實時監(jiān)測企業(yè)各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)依據(jù)。

8.1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。

8.2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。

8.3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(tǒng)計數(shù)據(jù)。

8.4數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)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(shù)、門禁水浸狀態(tài)及能耗數(shù)據(jù)。

實時統(tǒng)計：實時統(tǒng)計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

數(shù)據(jù)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(shù)；

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(shù)進行在線設置，當能源參數(shù)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(tǒng)彈窗等報警提示；

8.5視頻監(jiān)控

接入攝像頭，實時掌控企業(yè)內實際情況。

8.6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(shù)狀態(tài)下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據(jù)運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

8.7儀表實時監(jiān)控

展示各個水電氣儀表的實時參數(shù)變化，以曲線圖的方式展示。

8.8能源中控

將所有有關能源的能源參數(shù)集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現(xiàn)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。

審核編輯 黃宇