工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)能源消耗監(jiān)控

　　概述

　　建設(shè)智能用電及能效管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對工礦企業(yè)用電及能源消耗狀況的監(jiān)測、分析和評估，通過對能源消耗過程信息化、可視化管理，優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)工藝用能過程，科學(xué)、合理地制定企業(yè)能耗考核標準和考核體系，有效提升企業(yè)能源效率管理水平。

　　中國經(jīng)濟在持續(xù)高速增長的同時也伴隨著能源緊張和環(huán)境惡化的巨大壓力，而面對這挑戰(zhàn)的有效、經(jīng)濟的辦法是在高能耗企業(yè)建設(shè)能耗監(jiān)測、管理、控制系統(tǒng)，通過技術(shù)創(chuàng)新提高能源使用效率，幫助企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能增效、清潔生產(chǎn)的目標。

　　據(jù)國外統(tǒng)計資料：工業(yè)企業(yè)每年10%以上能源損耗源于沒有能源監(jiān)測及維護計劃，每年12%的能源損耗源于沒有能源管理及控制系統(tǒng)。歐美發(fā)達國家企業(yè)除了生產(chǎn)過程中廣泛采用計算機監(jiān)測、控制系統(tǒng)(DCS，SCADA)外，能源數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測、分析和優(yōu)化系統(tǒng)占有重要的位置。通過現(xiàn)代計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和分布式控制技術(shù)，建立完善的能耗監(jiān)測、管理體系，實現(xiàn)能源消耗動態(tài)過程的信息化、可視化、可控化，對企業(yè)生產(chǎn)過程中能源消耗的結(jié)構(gòu)、過程及要素進行管理、控制和優(yōu)化，提高能源使用效率。

　　智能用電及能效管理系統(tǒng)簡介

　　系統(tǒng)在線監(jiān)測整個企業(yè)的生產(chǎn)能耗動態(tài)過程，收集生產(chǎn)過程中大量分散的用電、用水、用氣等能耗數(shù)據(jù)，提供實時及歷史數(shù)據(jù)分析、對比功能，以發(fā)現(xiàn)能源消耗過程和結(jié)構(gòu)中存在的問題，通過優(yōu)化運行方式和用能結(jié)構(gòu)以及建立企業(yè)能耗評估、管理體系，提高企業(yè)現(xiàn)有供能設(shè)備的效率，實現(xiàn)節(jié)能增效、生產(chǎn)。

　　系統(tǒng)為用戶提供以下能耗數(shù)據(jù)和節(jié)能信息：①掌握企業(yè)耗能狀況：能源消耗的數(shù)量與構(gòu)成、分布與流向;②了解企業(yè)用能水平：能量利用損失情況、設(shè)備效率、能源利用率、綜合能耗;③找出企業(yè)能耗問題：管理、設(shè)備、工藝操作中的能源浪費問題;④查清企業(yè)節(jié)能潛力：余能回收的數(shù)量、品種、參數(shù)、性質(zhì);⑤核算企業(yè)節(jié)能效果：技術(shù)改進、設(shè)備更新、工藝改革等的經(jīng)濟效益、節(jié)能量;⑥明確企業(yè)節(jié)能方向：工藝節(jié)能改造、產(chǎn)品節(jié)能改造、制定技改方案、措施等。

　　系統(tǒng)功能

　　1)能源消耗過程的信息化、可視化

　　目前大多數(shù)企業(yè)是靠人工定時抄表的方式統(tǒng)計用電及能源消耗狀況，這種方式存在數(shù)據(jù)滯后、時效性差、數(shù)據(jù)單等問題，不能及時掌握各生產(chǎn)環(huán)節(jié)和能耗設(shè)備的實時能耗數(shù)據(jù)。能效管理信息系統(tǒng)在線監(jiān)測整個企業(yè)(集團)的生產(chǎn)能耗動態(tài)信息，并將這些能耗數(shù)據(jù)與相對應(yīng)的設(shè)備、車間、班組生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，現(xiàn)場運行管理人員可了解和掌握生產(chǎn)環(huán)節(jié)和設(shè)備的實時能耗狀況、單位能耗數(shù)據(jù)、能耗變化趨勢和實時運行參數(shù)等信息。

　　如圖：某工廠的工藝流程

　　圖1 水泥磨子系統(tǒng)生產(chǎn)流程單耗監(jiān)測

　　2)能耗/能效信息統(tǒng)計、管理

　　系統(tǒng)自動生成的多種能耗信息統(tǒng)計圖形、曲線和報表，如以日、周、月、年為周期的電、水、氣、煤等能耗統(tǒng)計報表，報表類型分為全礦、車間、重要耗能設(shè)備三個層次，為用戶提供能源消耗結(jié)構(gòu)和能源消耗成本分析依據(jù)，評估節(jié)能措施的效果和關(guān)聯(lián)影響。

　　系統(tǒng)提供綜合能耗/能效統(tǒng)計報表，采用菜單或光按鈕直接引導(dǎo)界面模式，圖形界面包括企業(yè)宏觀的能耗數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，快捷、直觀反映企業(yè)、生產(chǎn)車間、班組和重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)實時和歷史能耗/能效信息。

　　圖2 企業(yè)綜合能耗統(tǒng)計

　　3)歷史能耗數(shù)據(jù)對比、分析

　　系統(tǒng)具有強大的歷史能耗數(shù)據(jù)追溯和分析功能，企業(yè)能效管理及生產(chǎn)工藝分析人員可按不同需要靈活設(shè)置工作點參數(shù)，在不同時段下生成各種能耗數(shù)據(jù)報表與能耗曲線：如設(shè)備單耗、生產(chǎn)線和班組單耗等，用多種方法對主要能耗設(shè)備和生產(chǎn)線的能耗數(shù)據(jù)進行查詢和追溯，并可對多種參量的變化趨勢進行對比、分析，從而發(fā)現(xiàn)能源消耗結(jié)構(gòu)和過程中存在的深層次問題，對企業(yè)能源消耗結(jié)構(gòu)和方式的改進、優(yōu)化提出方案和建議。

　　通過動態(tài)的單位產(chǎn)量能耗曲線和數(shù)據(jù)，可以直觀地比較企業(yè)生產(chǎn)能耗與、標準的差距，從而對生產(chǎn)、管理、工藝及時進行指導(dǎo)和調(diào)整，使企業(yè)生產(chǎn)過程的單位能耗和能源效率保持在科學(xué)、合理水平。

　　圖3 能耗參數(shù)對比、分析

　　4)電能質(zhì)量及諧波監(jiān)測、分析 電力電子技術(shù)在電氣化鐵路、電解工廠、電弧爐冶煉和電機變頻調(diào)速等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在提高生產(chǎn)效率的同時也產(chǎn)生了大量的諧波污染電網(wǎng)，導(dǎo)致諧波和電能質(zhì)量問題的發(fā)生。

　　用電及能效管理信息系統(tǒng)在線監(jiān)測電能質(zhì)量和諧波分量，通過諧波分量圖和趨勢圖，使用戶及時了解真實用電環(huán)境，避免諧波危害和電能質(zhì)量問題的發(fā)生，同時降低供電系統(tǒng)諧波和無功損耗。通常購置諧波監(jiān)測設(shè)備需要較大的投資，本系統(tǒng)能同時實現(xiàn)電能消耗狀況以及諧波監(jiān)測、分析的雙重功能。

　　圖4 供電網(wǎng)絡(luò)中諧波分量圖

　　3　系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

　　系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、能效管理系統(tǒng)軟件三部分組成。

　　1)數(shù)據(jù)采集層：通過安裝在能耗監(jiān)測儀表箱(柜)中的帶數(shù)字接口的智能電力儀表，實施對負荷用電量的實時監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)包括：電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功無功電能、諧波、環(huán)境與開關(guān)狀態(tài)、事件記錄等用電參數(shù)。監(jiān)測對象包括：電力需求側(cè)中低壓饋線回路、主要耗能機電設(shè)備、廠房(生活區(qū))其他耗能設(shè)施。同時也可以對用水量、用氣量、熱量、投料量、產(chǎn)量等，通過電子式流量表、電子式熱量表、電子皮帶秤、地秤等現(xiàn)場智能數(shù)據(jù)采集，根據(jù)現(xiàn)場條件和系統(tǒng)應(yīng)用的要求，采集的數(shù)據(jù)也可以取自用戶的其他智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口。

　　2)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：通過在能耗監(jiān)測儀表箱(柜)中安裝的能耗智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，實時采集能耗計量儀表的數(shù)據(jù)，并且通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥芎谋O(jiān)控中心。無需遠距離布線，施工簡單可靠。瑞申智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)提供多種接入方式，目前支持RS-485/RS-232總線、光纖、工業(yè)以太網(wǎng)、433M無線、GSM/GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷喾N方式。

　　3)用電及能效管理系統(tǒng)軟件：完成數(shù)據(jù)采集、校驗、分析、處理、輸出、系統(tǒng)維護、授權(quán)使用權(quán)限分級控制等;并可將現(xiàn)場運行的重要數(shù)據(jù)、報警信息、故障信息等傳送到企業(yè)決策人員。

　　圖5 用電及能效管理信息系統(tǒng)架構(gòu)

　　4　計量及監(jiān)控產(chǎn)品配置

　　電力儀表主要用于電網(wǎng)，特別是用戶端低壓的電參數(shù)測量、電能計量、故障診斷、電氣控制、報警、保護等功能;電能表用于電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)、用戶與用戶之間的電能結(jié)算，附帶有電參數(shù)測量，無診斷、控制和保護等功能。

　　(1)高壓回路或低壓進線回路選ACR330ELH儀表

　　該表為電能質(zhì)量分析儀表，主要功能有：LCD顯示、全電參量測量(U、I、P、Q、PF、F、S);四象限電能計量、復(fù)費率電能統(tǒng)計;THDu，THDi、2-31次各次諧波分量;電壓波峰系數(shù)、波形因子、電流K系數(shù)、電壓與電流不平衡度計算;電網(wǎng)電壓電流正、負、零序分量(含負序電流)測量;4DI+3DO(DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報警);RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T645規(guī)約。外形尺寸：120×120mm，開孔尺寸：108×108mm。適用于高壓重要回路或低壓進線柜。

　　(2)低壓聯(lián)絡(luò)或出線回路選ACR220EL電力儀表

　　該表主要功能有：LCD顯示、全電參量測量(U、I、P、Q、PF、F);四象限電能計量、復(fù)費率電能統(tǒng)計、大需量統(tǒng)計;4DI+2DO;RS485通訊接口、Modbus協(xié)議。外形尺寸：96×96mm，開孔尺寸：88×88mm。適用于低壓聯(lián)絡(luò)柜、出線柜。

　　(3)動力柜、照明箱選ACR120EL電力儀表或?qū)к壥诫姳?/p>

　　ACR120EL電力儀表主要功能有：LCD顯示、全電參量測量(U、I、P、Q、PF、F);四象限電能計量、復(fù)費率電能統(tǒng)計、大需量統(tǒng)計;2DI+2DO;RS485通訊接口、Modbus協(xié)議。外形尺寸：開孔尺寸80×80mm，開孔尺寸72×72mm。適用于動力柜。

　　DTSD1352導(dǎo)軌式電表主要功能：LCD顯示、全電參量測量(U、I、P、Q、PF、F、S);四象限電能計量、復(fù)費率電能統(tǒng)計、大需量統(tǒng)計;電流規(guī)格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T 645規(guī)約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數(shù)。適用于動力柜。

　　DTSF1352導(dǎo)軌式電表主要功能：電流規(guī)格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復(fù)費率電能統(tǒng)計、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T 645規(guī)約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數(shù)。適用于用于耗能設(shè)備進行計量。

　　照明箱DDSF1352電表主要功能：電流規(guī)格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復(fù)費率電能統(tǒng)計、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T 645規(guī)約可選。外形尺寸：76×89×74mm，4模數(shù)。適用于照明箱的電流、電壓測量;單相電能計量。

　　5　技術(shù)特點

　　1)以設(shè)備為對象構(gòu)建的內(nèi)置實時關(guān)系數(shù)據(jù)庫：這種結(jié)構(gòu)化、對象化的實時數(shù)據(jù)庫相比較傳統(tǒng)的平面數(shù)據(jù)庫，大大提高了數(shù)據(jù)檢索和訪問的速度及效率;

　　2)靈活的進程調(diào)度管理技術(shù)：進程調(diào)度管理功能可以把大量的數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)分布到不同的服務(wù)器上運行來實現(xiàn)負載均衡。支持在線組態(tài)，在不影響操作的情況下，允許全部或部分應(yīng)用程序進行修改;

　　3)系統(tǒng)的集中管理和維護：有權(quán)限的用戶，可以在EMIS系統(tǒng)中任意臺服務(wù)器或工作站上修改系統(tǒng)配置，在提交以后系統(tǒng)自動同步數(shù)據(jù)庫的配置;

　　4)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)：基于的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，支持多層次網(wǎng)絡(luò)冗余及故障切換。增強的Web功能和Internet/Intranet瀏覽器技術(shù)，直接支持多文檔;

　　5)支持多種通信協(xié)議：I/O通信冗余，直接讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備存儲的數(shù)據(jù)，同時具備良好的開放性和靈活性。支持RS-232/422/485、Ethernet、Can、LonWorks、MODBUS等多種通信協(xié)議和標準;網(wǎng)絡(luò)通信采用標準的NetBIOS，支持IPX/SPX、TCP/IP等協(xié)議;

　　6)支持多種關(guān)系數(shù)據(jù)庫：包括Oracle、SQL Server、dBASE等;實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)置多種功能模塊，可實現(xiàn)累計、統(tǒng)計、控制、線形化、PID控制、各種運算等功能。通過的壓縮技術(shù)和海量的存儲技術(shù)，可以處理10萬點以上的數(shù)據(jù);

　　7)豐富的圖形開發(fā)工具以及優(yōu)化設(shè)計的圖庫：新增更多的矢量子圖，使工程畫面制作更加豐富、靈活;提供面向?qū)ο?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程方式，內(nèi)置間接變量、對象變量、模板變量，方便構(gòu)造強大的企業(yè)級運行系統(tǒng);

　　8)開放性：支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX標準，提供OLE、COM、DCOM、動態(tài)鏈接庫等多種接口，以便用戶利用各種常用開發(fā)工具(如：VC++、VB等)進行深層的二次開發(fā)。

　　6　應(yīng)用案例

　　廣達電腦成立于1988年，是筆記本電腦研發(fā)設(shè)計制造公司。以先群倫的技術(shù)與堅強優(yōu)越的研發(fā)團隊，屹立于高科技市場地位;除了在筆記本電腦的領(lǐng)域中維持高成長、高品質(zhì)與高評價之外，更將觸角延伸到企業(yè)網(wǎng)路系統(tǒng)、家庭產(chǎn)品、行動通訊產(chǎn)品、車用電子產(chǎn)品以及數(shù)碼家庭產(chǎn)品等市場，積極拓展產(chǎn)業(yè)整合布局。2006年榮登美國「財富雜志(Fortune)」評定為全球五百大企業(yè)。2011年廣達電腦入住重慶，建成了個擁有七棟大樓(每棟十層，每層35個房間)，員工總?cè)藬?shù)以萬計的重慶廣達制造城。

　　江蘇安科瑞電器制造有限公司于2011年承接了重慶廣達生活服務(wù)區(qū)期能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實施。系統(tǒng)采用Acrel-5000型能耗監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對生活服務(wù)區(qū)內(nèi)用電量和用水量的在線監(jiān)測(其中電力儀表2000只、水表5000只)，方便了對該建筑群能耗的管理。

　　重慶廣達生活服務(wù)區(qū)能耗監(jiān)測系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)分布式結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)包括該建筑群的七個子系統(tǒng)和中心監(jiān)控室的個總監(jiān)控系統(tǒng)。冷/熱水表數(shù)據(jù)和電表數(shù)據(jù)當?shù)夭杉瓿珊蠹袀髦林行谋O(jiān)控室。 分控中心和中心監(jiān)控室之間用光纖網(wǎng)絡(luò)進行通訊。每個子系統(tǒng)采用五臺通訊管理機，其中三臺通訊管理機采集樓內(nèi)每戶的冷/熱水表數(shù)據(jù)，另外兩臺采集樓內(nèi)電表的數(shù)據(jù)。

　　系統(tǒng)主要實現(xiàn)的監(jiān)控功能：

　　1. 界面開發(fā)設(shè)計成美觀大方的圖形，設(shè)備拓撲關(guān)系可自動生成并根據(jù)設(shè)備帶電狀態(tài)動態(tài)著色。

　　2. 可查看各宿舍的當前電能值和當前冷/熱用水量。

　　3. 具備遠程抄表功能，可查詢到任意時刻某回路的詳細電參量。

　　4. 具有用電量和用水量的報表查詢功能，支持日報、月報和年報的查詢及打印。

　　5. 具有Web訪問功能，接入局域網(wǎng)的計算機可以打開IE瀏覽器瀏覽軟件界面。

　　7　結(jié)語

　　節(jié)能工作不僅是對某個設(shè)備和工藝的改造，而是對企業(yè)全系統(tǒng)用能過程的優(yōu)化，采用能效管理信息系統(tǒng)可以對企業(yè)能源效率水平進行監(jiān)測、分析和評估，找出生產(chǎn)過程中能耗問題根源所在，科學(xué)、合理地制定生產(chǎn)工藝流程、建設(shè)能耗考核標準和體系，有針對性地制定節(jié)能改造方案，是企業(yè)節(jié)能增效工作的基礎(chǔ)和技術(shù)方向。

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