淺談企業能耗管理系統在智能制造企業的設計與研究

摘要：針對目前國內企業在智能制造過程中存在的能源利用率低、成本過高、粗放管理和自動化程度低等一系列問題設計了一種基于物聯網技術的企業能耗管理系統。該系統由能耗管理系統客戶端、能耗管理系統服務器、能源物聯網網關、智能監控裝置和設備5部分組成.該系統以企業安全生產為基礎，以降低損耗、優化能源、方便調度與管理為目標，能夠實現企業能效的多層次、節能管理需求，具有一定的推廣使用價值。

關鍵詞：智能制造；能耗管理；物聯網；無線保真；4G

0 引言

隨著經濟的快速發展，以及現階段智能制造工業化進程的推進，我國能源供應面臨著較大的壓力，以 2018年為例，我國能源的消費總量為4.64x10⁹標準煤，比 2017年增長 1.5x10⁸t噸同此增長 3.3%，增速較 2017 年提高 0.4 千百分點。能源消費總量較大，對外依存度高，節約能源已經是勢在必行，因此，節能增效已經成為我國經濟發展的戰略中心。

為了貫徹落實節約資源的基本國策，圍繞“加快轉型升級，建設幸福廣東”的核心任務，省委、省政府發布了《關于加快發展我省戰略新興產業的意見》，著力圍繞“十三五”時期，廣東能耗產業企業，實施節能技術改造，引導企業自覺優化用能方式，提高能源利用效率。

通過加強節能監管，提高企業能效，緩解當前能源供需矛盾，乃是快捷、有效、切實可行、經濟和符合中國國情的措施。本項目的研究完全針對該領域，項目成果對指導大型耗能企業用戶分項能耗監測，節能管控，能源優化，企業能耗數據的實時采集、準確傳輸、科學處理和有效儲存與科學利用，有著重要的示范作用。

1 能耗管理系統的總體概述

該企業的能耗管理系統分為以下5個部分，能耗管理系統平臺軟件、能源物聯網網關、智能監控裝置和設備。系統框架如圖1所示，各個部分的功能如下所述。

圖1 系統框圖

a)能耗管理系統平臺軟件

實現現場或者遠程對能源數據在線監測，在客戶端軟件上直觀地顯示用戶關心的各種數據、表，并且滿足遠程遙測、遙控等功能。

b)能源網關

將各種不同的智能監控裝置采集的水、電氣、油、冷量和熱量等各種形式的能耗計量及分項數據，通過有線或者無線的方式上傳到能耗管理系統服務器；在整個能源物聯網中，能源網關起到承上啟下的作用。

c)智能采集裝置

采集終端的設備的數據，通過有線或者無線的方式，將原始數據上傳到能源網關，包括水、電、氣、油、冷量和熱量等各種能源的計量和控制裝置。由于采集的信息格式不一，在數據格式處理、格式轉換、數據合并與匯聚上設計了相應的匯聚技術。

d)設備

包括水、電、氣、油、冷量和熱量等終端設備。

2 能耗管理系統使用的關鍵技術

2.1窄帶物聯網技術

基于蜂窩的窄帶物聯網技術(NB-IoT：NarrowBand Internet of Things)，是物聯網(IoT： Interneof Things)中一項重要的組成部分，其通過利用蜂窩網絡，在有效地完成對 LTE、UMTS 和 GSM 等網絡進行直接部署的同時，還能對消耗帶寬進行有效的控制。根據 NB-IoT 標準，NB-IoT 需要進一步地實現廣域及深度覆蓋，降低終端成本與功耗，支持大容量終端接入其中，保障每一個終端的成本不超過5 美元，并在5 Wh 之內可提供至少 10 年的支持。一般情況下，NB-Io1所消耗的帶寬不會超過 180 kHz，其不僅能夠實現平滑升級，還能夠對部署成本進行有效的控制。隨著當前物聯網業務和通信需求的不斷增加，儀表智能化已成為通信產業發展的必然趨勢，基于 NB-IoT 技術的遠程抄表系統將成為“智慧城市”建設與發展中的重要組成部分。

2.2 4G 技術

4G 技術能夠在終端產品中發送、接收來自另一端的信號，可以找到多個不同的網絡平臺和無線通信接口之間的較快和有效的通信路徑來執行最直接的定位操作。其主要特點如下所述。

a)4G 的速度更快，級別更高，針對不同的信道條件下的信息傳輸速率信號，能使用正常收發器智能信號處理技術，體現其良好的適應性、靈活性、兼容性和共存性。

b)4G 能夠讓低、高速的用戶和不同的用戶設備實現兼容操作，更好地滿足多種類型用戶的需求；4G可提供各種標準的通信業務，滿足各種業務需求，提高頻率使用效率；4G能夠使網絡結構更加穩定和自主，滿足系統變化和發展的要求 同。

c)4G通信能滿足當前移動通信終端在不同的領域和地區以及全球漫游情況下的不同的通信需求。高品質的 4G 通信技術的應用能夠保持穩定的信號傳輸。

2.3 物聯網技術

IoT 的概念，早于 1999 年被提出。IT產業下一階段的任務是把新一代 T 技術充分地運用在各行各業之中，具體地說，就是把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑供水系統、大壩和油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成所謂的 IoT，然后將 loT 與現有的互聯網整合起來，實現人類社會與物理系統的整合，在這個整合的網絡當中，存在能力強大的中心計算機群，能夠對整合網絡內的人員、機器、設備和基礎設施實施實時的管理與控制，在此基礎上，人類可以以更加精細和動態的方式管理生產與生活，達到“智慧”狀態，提高資源的利用率和生產力水平，改善人與自然之間的關系。IoT 技術就是指通過信息傳感設備，將所有的物品連接互聯網，實現智能化識別管理。包括兩層含義：1)IoT的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡；2)其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊。業內專家認為，IoT一方面可以提高經濟效益，大大地節約成本；另一方面可以為全球經濟的復蘇提供技術動力。目前，世界上多個國家都投入了大量資金深入地研究探索 IoT。我國也高度重視 IoT 的研究，國家相關部門在新一代信息技術方面也在開展研究，正在制定支持新一代信息技術發展的相關政策措施。

開發基于 IoT 的企業能源管理智能化系統的目的是：滿足對企業用能的實時監測、在線審計，即時對標、分類計量、分項計量和用能管控等需求，系統實現包括能源計量、分時計量、分類計量、數據存儲、數據統計和用能質量控制等功能。

基于 IoT 技術，可以對企業節能裝備和主要耗能設備使用能耗和工沉進行監測、診斷和分析，從設備、工藝和管理3個方面，將企業全過程、全生命周期和全介質類型的能源數據集成為一個整體，基于 CIP 公共信息模型理論，建立企業系統化的能源數據模型，實現對能源數據的分項計量，并對獲得的企業用電數據進行深入的挖掘。

2.4 Wi-Ei 技術

Wi-Fi 是 Wireless Fidelity 的縮寫，是一種無線局域網數據傳輸的技術與規格，也就是IEEE所定義的無線通信標準 IEEE 802.11，它是利用無線接入手段的新型局域網解決方案，Wi-Fi的主要特點是傳輸速率高、可靠性高、建網快速、便捷可移動性好、網絡結構彈性化和組網靈活，以及組網價格較低等，Wi-H 技術按其速度和技術新舊可分為：802.11b、802.11a、802.11g。

3 企業能耗管理系統主要模塊設計

3.1能耗管理系統平臺軟件

對智能監控裝置收集的數據進行分析處理實現對企業用能的實時監測、在線審計、即時對標、分類計量、分項計量和用能管控等需求；達到對企業的節能設備、主要工藝設備和主要耗能設備的能耗和工況進行監測、診斷與分析的目的；并通過基于云服務的網關線上管理平臺實現對分散的能源網關設備的狀態監視、故障診斷、在線配置、數據下載和在線升級等操作，提高設備的運維效率，方便用戶隨時掌控終端設備的動態。

3.2 能源網關

能源網關是能源物聯網網關的簡稱。能源網關是通用型智慧能源數據采集通訊網關，適用于企事業單位建筑、社區公共機構建筑、商業連鎖和便利門店等領域的能源管理系統對于水、電氣、油、冷量和熱量等各種形式的能耗計量，以及分項數據采集的需求。通過基于云服務的網關線上管理平臺，實現對分散的智能網關設備的狀態監視、故障診斷、在線配置、數據下載和在線升級等操作，提高設備的運維效率，方便用戶隨時掌控終端設備的動態。

3.2.1 能源物聯網網關的硬件功能設計

能源物聯網網關要實現能耗數據的收集及管理功能，就需要相關的硬件支持。其硬件主要包括：處理器、電源、蜂鳴器、顯示器、4G模塊、存儲器、以太網、串口和其他接口電路。硬件結構圖如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

各個部分的主要作用如下：處理器作為系統的中央處理器完成主要的邏輯運算，并提供了基本的外圍接口電路和外圍設備控制器；電源可以使用電源或干電池供電；當某些參數的設置超過安全門限時，蜂鳴器就會報警并伴隨指示燈閃爍：顯示器可以外接HMI串口屏進行數據的顯示，并可作為人機交互的接口：4G模塊能夠與能耗管理系統服務器進行通訊，將多個智能采集裝置采集的數據上傳到能耗管理系統服務器：以太網接口的作用和4G模塊相同，只是通訊方式是有線方式；存儲器用于臨時存儲一些重要的數據作為備份；串口用來作為系統和應用程序調試的接口：其他接口是為設備預留的接口，為后續功能擴展使用。

3.2.2 能源物聯網網關的軟件設計

能源物聯網網關應用程序使用模塊化的程序設計理念，將設備的各項功能根據其完成的任務性質、特定任務和實時性要求，并結合數據流程，詳細地劃分出每個功能模塊。在本方案的軟件設計中，主要有如下幾個模塊：操作日志、系統界面、數據通信、數據庫存儲和數據查詢等。軟件結構如圖3所示。

圖3 軟件結構圖

系統界面是人機交互的界面，通過系統用戶界面，用戶能夠方便地對設備進行控制操作。軟件界面采用分層結構，每一個功能模塊都采用彈出子界面的方式進行單獨處理。操作日志記錄了各個用戶對設備進行操作的各種信息。日志信息保存在二進制文件中用于查詢。數據通信通過4G或以太網來實現各種數據通信功能，為了在數據傳輸中正確地分離與識別各種數據，通過對不同數據添加相應的標志字節方法對數據進行打包。歷史數據查詢模塊完成歷史數據信息的查詢操作查看所記錄的數據，并進一步地進行處理。設備驅動，在嵌入式系統平臺中，針對顯示屏、無線模塊和觸摸屏等硬件設備的驅動。

3.2.3 能源物聯網網關程序流程設計

在應用軟件運行之后，首先進行初始化工作包括初始化網絡、記錄工作日志和打開數據文件等任務，如果初始化失敗，則應用程序將會由于不能正常運行而退出。初始化成功后，可以進行功能的選擇，選擇完成之后，開始執行所選擇的功能，直到結束時，程序退出。

具體的工作流程如圖4所示。

圖4 軟件主流程圖

3.3 智能采集設備

智能采集設備主要包括采集傳感器模塊、微控制器和無線傳輸模塊，另外還有SDRAM、Flash存儲器和電源等。傳感器使用標準的小模塊，在主板上預留標準的uart接口，可以根據采集的能源參量的不同安裝相對的小模塊；CPU選用德州儀器(T：Texas Instruments)的MSP430F147 低功耗單片機；無線通信模塊使用 NB-IoT 或 Wi-Fi 通訊方式。

MSP430F147 是I公司推出的高性能低功耗16 位微控制器。其具有強大的處理能力，并可在工業環境下穩定地運行，工作溫度為-40~+85 ℃MSP430 提供了較豐富的片內外設，降低了系統的成本，為短距離無線通信和一般低功耗場合的廣用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。系統的硬件框圖如圖5所示。其中，MSP430是系統的核心，對系統進行處理和控制。存儲器包括 SDRAM 和 Flash 兩個部分，SDRAM 是一種易失性存儲器，掉電后其存儲的數據會丟失，將其作為程序的運行空間：Flash 是非易失性存儲器，掉電后數據不丟失，將其作為程序和數據的存儲空間。采集傳感器和溫度傳感器所獲取的傳感電

圖5 系統的硬件框圖

壓輸入微控制器的A/D接口進行相應的數據處理控制器將傳感電壓換算為相應的系數后存儲到Flash 中。無線通訊模塊主要負責與接收設備通信,完成數據的發送，其通過串口與處理器相連接。

4 安科瑞企業能源管控系統概述

安科瑞企業能源管控系統采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業電、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、同環比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

6.1 應用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、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、木材、工業園區、醫院、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。

6.2 系統結構

現場通過廠區局域網和平臺通訊，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：

5 系統功能

平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理。實時監測企業各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。

5.1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。

5.2大屏展示

用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業及各區域的能耗折標、產值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區域展示該區域的分類能耗、產值等相關信息。

5.3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、分類能耗等企業級統計數據。

5.4數據監控

對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。

能源實時監控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監測，確保用能環節的持續穩定運行，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；

5.5視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

5.6變壓器監控

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劃。通過各種運行參數狀態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。

5.7儀表實時監控

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。

5.8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。

5.9用能統計

從能源使用種類、監測區域、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用能統計、同比、環比分析、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。

5.10成本分析

統計各個監測節點（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。

5.11產品單耗統計

與企業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，并進行同比和環比分析。同時將產品單耗與行業/國家/國際指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

5.12績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、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，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力，評定能源消耗是否合理。

5.13運行監測

系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，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視。可直接從動態監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。

5.14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，查看企業各個節點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環比報表，支持導出報表。

5.15同比、環比

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

環比

5.16分析報告

以年、月、日對企業的能源利用情況、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，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

5.17能耗設備用能

監控耗能設備運行、停機及異常狀態，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。

5.18線損分析

根據節點、能源分類，查詢各個節點線路上的能源損耗數據，及時發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。

5.19碳排放管理

按照區域對碳排放總量的變化趨勢進行統計，并進行同環比分析。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，提升區域減排水平，促進碳達峰目標實現。

5.20電能質量監測

實時監測諧波含量、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。

5.21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，巡檢人員執行巡檢、完成工單、巡檢發現問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養需要。

5.22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，幫助企業提前預警，避免發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，可對報警進行派發與閉環處理。

5.23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。

5.24能耗分析自定義時間抄表

可自定義時間段內各個拓撲節點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

5.25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，幫助企業實現容改需，降低基本電費。

5.26復費率報表

對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析，為企業分時用電，優化成本效益提供數據支持。

5.27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。

5.28 3D可視化大屏

對場景進行虛擬仿真，展示各區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，支持模型與監測點位的自定義綁定。

5.29 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、設備的實時狀態及能源消耗情況，可實現動態的能源流向效果。

5.30工業組態

可通過圖形化的編輯方式自定義組態圖，展示設備運行狀態及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監測數據。

5.31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。

5.32基礎數據管理

對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節點、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。

5.33手機APP

APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、產線比對、效率分析、同環比分析、能耗折標、事件記錄、運行監視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。

5.34知識產權證書

6 系統硬件配置

7 結束語

本方案是在節能減排以及電力互聯化和智慧化的大背景下，針對企業能源管理存在的跑冒滴漏嚴重、自動化程度低和管理混亂等問題，綜合利用大數據、互聯網和 IoT 技術，整合全過程數據資源，建設的基于云模式工業企業用電管理及電能優化利用大數據平臺，其目的在于服務工業企業進行用電管理及電能優化利用，加快企業節能技術的應用與推廣，健全企業能效管理體系，提高行業能源利用率，減輕環境污染，實現行業節約發展、清潔發展和可持續發展。本方案的研究實施和推廣對于緩解廣東乃至我國節能減排、清潔生產，進一步地實現智能制造具有十分重要的戰略意義。