基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能耗動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計

吳為團(tuán)　鄭海燕　張銳麗　高萬春

摘要：為實現(xiàn)能耗監(jiān)管的現(xiàn)代化，采用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、計量控制技術(shù)等信息化技術(shù)，研究和設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能耗動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)對所轄地區(qū)重點用能單位能源利用狀況進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的動態(tài)監(jiān)管，以現(xiàn)代技術(shù)手段加強(qiáng)節(jié)能管理，加大節(jié)能監(jiān)管力度，提高政府和企業(yè)節(jié)能工作的管理水平。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；企業(yè)能源管理；能耗數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）29-0106-03

1概述

建立用能單位能耗動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)的目的是依托計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、計量控制技術(shù)等信息化技術(shù)，對所轄地區(qū)重點用能單位的能源消耗情況（包括煤、電、油、氣、水、熱等）進(jìn)行采集、上報、匯總與分析，以實現(xiàn)科學(xué)的監(jiān)控和管理。

本文在研究城市用能企業(yè)能耗動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對企業(yè)能耗數(shù)據(jù)、重點設(shè)備用能數(shù)據(jù)以及公共建筑溫度實時監(jiān)測和動態(tài)數(shù)據(jù)采集的具體方案。

2系統(tǒng)功能和組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)建設(shè)的主要目標(biāo)是對城市所屬地區(qū)重點用能單位的用能及能耙情況進(jìn)行實時準(zhǔn)確的收集和動態(tài)定額監(jiān)管，有效進(jìn)行用能單位能耗水平識別評價、專家咨詢和城市能源安全預(yù)報預(yù)警，構(gòu)建完善的智能化的能耗信息監(jiān)管體系。通過該系統(tǒng)的實施，將實現(xiàn)對能源消耗數(shù)據(jù)的及時、快速和準(zhǔn)確的監(jiān)測，以及科學(xué)分析、預(yù)測和預(yù)警功能，并可通過門戶網(wǎng)站、無線終端等手段為有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和部門人員提供多方位、可視化的便捷服務(wù)，提高政府和企業(yè)節(jié)能工作的管理水平。

從功能角度，系統(tǒng)軟件主要包括四大組成部分：重點用能單位能源消耗數(shù)據(jù)庫、重點用能單位能耗水平識別評價、重點用能單位專家網(wǎng)上咨詢系統(tǒng)、城市能源安全預(yù)警系統(tǒng)。

2.1重點用能單位能源消耗數(shù)據(jù)庫

主要包括重點用能單位能耗數(shù)據(jù)庫、綜合能源消耗情況數(shù)據(jù)庫。利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對重點用能單位的能源利用狀況進(jìn)行綜合管理，可從重點用能企業(yè)著手，再逐步擴(kuò)展到更多企業(yè)和公交等服務(wù)性行業(yè)，以全面掌握煤、電、油、氣、水、熱和其它資源的利用狀況。

2.2重點用能單位能耗水平識別評價

利用重點用能單位能耗數(shù)據(jù)庫，對用能單位的用能情況進(jìn)行分析，包括對重點耗能企業(yè)的能源消費(fèi)品種、分品種能源消費(fèi)量、用能設(shè)備的運(yùn)行情況等的監(jiān)測，從而分析各行業(yè)的能源利用效率和用能設(shè)備的運(yùn)行效率等。

可對照國家、?。ㄊ校┑挠媚芸己酥笜?biāo)，利用計算機(jī)智能技術(shù)進(jìn)行能耗水平識別，分析和評價企業(yè)的用能情況，查找問題，為政府和專業(yè)管理部門掌握信息、研究節(jié)能改造和制定相關(guān)政策提供科學(xué)的依據(jù)和平臺。

2.3重點用能單位專家網(wǎng)上咨詢系統(tǒng)

根據(jù)節(jié)能法規(guī)及節(jié)能監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)與辦法，利用組建的數(shù)據(jù)倉庫建立高度自動化、智能化專家咨詢系統(tǒng)，對用能單位的能耗進(jìn)行合理、科學(xué)的咨詢和指導(dǎo)，幫助用能單位做出及時、正確、可行、有效的問題解決方案，以達(dá)到科學(xué)節(jié)能的目的。

2.4城市能源安全預(yù)警系統(tǒng)

通過系統(tǒng)掌握整個城市能源使用、消耗、配置及調(diào)度情況，利用預(yù)測和預(yù)警技術(shù)，根據(jù)相關(guān)企業(yè)的能源消耗總量限值進(jìn)行分析，實現(xiàn)自動預(yù)警和報警功能，為城市的能源使用、保障、調(diào)度提供準(zhǔn)確的決策依據(jù)，建立城市能源安全預(yù)警系統(tǒng)。

從應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)角度，其基本架構(gòu)如圖l所示。

3通信網(wǎng)絡(luò)及能耗采集監(jiān)管系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)平臺

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為節(jié)能信息中心網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)和外部節(jié)點。其中通信網(wǎng)絡(luò)部分以Internet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸為主要的通信模式，還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際情況，配合使用Gprs的數(shù)據(jù)模式實現(xiàn)企業(yè)的數(shù)據(jù)采集點和信息中心的聯(lián)接。

3.1.1信息中心網(wǎng)絡(luò)

在市節(jié)能監(jiān)察中心或相關(guān)部門內(nèi)部建立“節(jié)能信息中心”，主要包括信息控制中心、演示會議決策中心及節(jié)能監(jiān)察中心內(nèi)部辦公網(wǎng)絡(luò)等。

“信息控制中心”擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)接收、處理和存儲，以及系統(tǒng)運(yùn)行控制和管理等任務(wù)，是整個系統(tǒng)的樞紐中心，同時還面向社會提供門戶網(wǎng)站服務(wù)。信息控制中心通過聯(lián)通或電信的專線光纖接人Internet。

“演示會議決策中心”則主要提供通過大屏幕演示系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析結(jié)果，主要包括專用的終端設(shè)備和大屏幕投影系統(tǒng)等。

3.1.2外部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及其通信

外部網(wǎng)絡(luò)部分包括全市各主要的用能單位終端及其實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時外接市政府辦公網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如市發(fā)展和改革委員會）乃至省、國家相關(guān)政府部門，還可與相關(guān)專業(yè)管理部門（如電業(yè)、自來水等）和其它省、市相關(guān)部門實現(xiàn)網(wǎng)上互通，甚至面向社會開放，以進(jìn)行更廣泛的節(jié)能知識、法規(guī)等的宣傳和教育。

外部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點建設(shè)主要是重點用能單位終端建設(shè)，主要實現(xiàn)本單位能源信息的收集、錄入、匯總和上報等，并與本單位系統(tǒng)實現(xiàn)共享服務(wù)。有條件的單位或耗能節(jié)點，應(yīng)實現(xiàn)現(xiàn)場自動實時采集，從而逐步達(dá)到在線監(jiān)測的目的。

鑒于能源數(shù)據(jù)采集涉及的行業(yè)和企業(yè)位置比較分散，用有線網(wǎng)絡(luò)將各個行業(yè)的各企業(yè)與中心連接起來是不現(xiàn)實的，同時，盡管多數(shù)企業(yè)已經(jīng)連接到Internet，但各個企業(yè)的Internet連接情況比較復(fù)雜，穩(wěn)定性不能保證。因此，考慮到公用電信網(wǎng)的覆蓋范圍及數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)量，本方案擬采用GSM/GPRS/CDMA等無線通信方式，將位于各企業(yè)的數(shù)據(jù)采集工作站與中心的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行物理連接，采用TCWIP協(xié)議進(jìn)行通信。

使用基于GSM/GPRS/CDMA的通信無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集具有如下特點：

1）高速數(shù)據(jù)傳輸?？梢允共杉臄?shù)據(jù)保持較高的刷新頻率。

2）永遠(yuǎn)在線。建立新的連接幾乎不需任何時間，隨時可以和網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。這樣就可以基本滿足系統(tǒng)對各個企業(yè)實時監(jiān)控的需要。

3.2末端能耗采集系統(tǒng)

動態(tài)數(shù)據(jù)包括企業(yè)一、二、三級能耗數(shù)據(jù)采集、重點設(shè)備用能數(shù)據(jù)采集、公共建筑溫度實時監(jiān)測等。

3.2.1能耗數(shù)據(jù)采集方案

數(shù)據(jù)采集根據(jù)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不同而不同，可以考慮以下四種模式供企業(yè)選擇：

方式一：如果企業(yè)建立了完善的信息化管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)在企業(yè)設(shè)置前置數(shù)據(jù)服務(wù)器，直接聯(lián)接企業(yè)網(wǎng)絡(luò)獲取企業(yè)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過前置服務(wù)器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒖刂浦行摹?/p>

方式二：如果企業(yè)沒有建立綜合的信息管理系統(tǒng)，通過企業(yè)前置服務(wù)器，聯(lián)接企業(yè)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)采集相關(guān)儀器儀表，完成數(shù)據(jù)采集，同時配合手工的錄入填報。企業(yè)的前置服務(wù)器與控制中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)直接聯(lián)接，把數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)叫畔⒖刂浦行摹?/p>

方式三：企業(yè)在沒有建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前，企業(yè)可通過數(shù)據(jù)終端手工輸入數(shù)據(jù)，把企業(yè)的數(shù)據(jù)直接錄入到信息控制中心。

方式四：對于智能化程度較高的大耗能設(shè)備或節(jié)點，可考慮使用GPRS的數(shù)據(jù)模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集點和信息中心的直接聯(lián)接。

就現(xiàn)實情況而言，所有的用能單位首先都必須能夠?qū)崿F(xiàn)手工填報數(shù)據(jù)的方式，保證能夠隨時隨地在線填報或本地填寫后上報。

在線動態(tài)實時監(jiān)測是節(jié)能監(jiān)控的終極目標(biāo)。

3.2.2遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

由于各個用能單位的能源計量系統(tǒng)千差萬別，需要根據(jù)實際情況開發(fā)相應(yīng)的接口和采集程序。本著簡化工作的目的，采用中間件技術(shù)，對數(shù)據(jù)采集接口進(jìn)行封裝。對用能單位的能源消耗進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，可以通過企業(yè)現(xiàn)場配置數(shù)據(jù)采集工作站，或通過安裝具有遠(yuǎn)傳功能的電能計量裝置、熱力計量裝置和天燃?xì)馊細(xì)庥嬃垦b置來實現(xiàn)。

3.2.3設(shè)備數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)

實現(xiàn)多樣數(shù)據(jù)采集，如電信號、非電信號、串行信號、并行信號等，同時完成專業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，包含企業(yè)的DCS系統(tǒng)等特殊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，以適應(yīng)企業(yè)的各種設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。采用適合的硬件設(shè)備構(gòu)筑系統(tǒng)，前端使用專業(yè)廠家的設(shè)備，通過特殊的線路傳輸?shù)较到y(tǒng)管理中心，所適應(yīng)的模式為：

1）模擬儀表數(shù)據(jù)采集

模擬儀表是企業(yè)早期設(shè)備所采用的控制模式，本系統(tǒng)為適應(yīng)早期設(shè)備的控制，建立了模擬儀表的數(shù)據(jù)采集的控制模式。

2）集中式數(shù)字控制系統(tǒng)

集中式數(shù)字控制系統(tǒng)于二十世紀(jì)七八十年代占主導(dǎo)地位，采用單片機(jī)、PLC、SLC或微機(jī)作為控制器，控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度低的缺陷，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。集中式數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點是易于根據(jù)全局情況進(jìn)行控制計算和判斷，在控制方式、控制機(jī)時的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度和安排。

3）集散控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)（DCS）其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能。本系統(tǒng)可以完成與DCS系統(tǒng)的集成，采集DCS系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的上報。

4）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）正是順應(yīng)以上潮流而誕生，它用現(xiàn)場總線這一開放的，具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場各控制器及儀表設(shè)備互連，構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此，F(xiàn)CS實質(zhì)上是一種開放的、可操作性強(qiáng)的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)，已經(jīng)成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。

系統(tǒng)綜合了以上各種數(shù)據(jù)采集模式，適應(yīng)了企業(yè)復(fù)雜的設(shè)備環(huán)境。

3.3遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程管理

3.3.1監(jiān)控模塊

位于中心的實時數(shù)據(jù)庫通過與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集工作站建立遠(yuǎn)程過程調(diào)用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信服務(wù)。進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集所得的實時數(shù)據(jù)由實時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理和處理，進(jìn)而實現(xiàn)實時監(jiān)控。

3.3.2遠(yuǎn)程管理

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集工作站分布于各個用能單位，為了便于管理和維護(hù)，采用遠(yuǎn)程管理和維護(hù)方式。系統(tǒng)管理和維護(hù)人員在中心管理站可對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集工作站進(jìn)行除開關(guān)電源之外的所有操作。

4結(jié)束語

“重點用能單位能耗動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)”的建成和投入運(yùn)行，實現(xiàn)和完成了對重點企業(yè)能源消耗數(shù)據(jù)的及時、快速和準(zhǔn)確的監(jiān)測，以及科學(xué)分析、預(yù)測和預(yù)警功能，并通過門戶網(wǎng)站、無線終端等手段為領(lǐng)導(dǎo)決策提供了多方位、可視化的便捷服務(wù)。

該系統(tǒng)對提高資源利用效率和能源管理水平有著極其重要的意義，尤其是能源安全預(yù)警系統(tǒng)、專家“網(wǎng)上節(jié)能診斷”功能的建立為政府和企業(yè)的能源管理決策提供了實時和科學(xué)的依據(jù)，是節(jié)能手段上的一次升華和革命，有效滿足了區(qū)域節(jié)能管理的需求，形成示范應(yīng)用案例，取得良好的應(yīng)用效果，經(jīng)濟(jì)效益、社會效益顯著。