港口用能設(shè)備能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)方法研究

郭 旭，劉磊磊

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

節(jié)能減排和低碳發(fā)展已成為全球共同面臨的重大挑戰(zhàn)和課題，交通運(yùn)輸業(yè)是資源密集型產(chǎn)業(yè)，港口是交通運(yùn)輸業(yè)的重要組成部分，也是重點(diǎn)耗能產(chǎn)業(yè)之一。我國(guó)是港口大國(guó)，總吞吐量已連續(xù)多年位居世界第一位。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，我國(guó)港口仍將保持較快發(fā)展，港口節(jié)能減排形勢(shì)依然嚴(yán)峻、任務(wù)依然繁重。另外，信息化已逐漸成為現(xiàn)代化港口企業(yè)的發(fā)展要求，要打造現(xiàn)代化港口企業(yè)，各類作業(yè)設(shè)備能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)管理的信息化也必不可少，尤其是在目前環(huán)境壓力巨大，節(jié)能減排蔚然成風(fēng)的時(shí)代背景下，港口能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的信息化必然成為現(xiàn)代港口企業(yè)發(fā)展的一種趨勢(shì)。開展港口能耗及排放在線監(jiān)測(cè)工作，并針對(duì)港口生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析、優(yōu)化是做好港口節(jié)能減排工作的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。

目前，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，在各行業(yè)領(lǐng)域不斷發(fā)展，減少了企業(yè)人力投入，同時(shí)增加了監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，使采集的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。王嘉亮[1]等引入低壓損、高精度的質(zhì)量流量計(jì),并首次提出基于單流量計(jì)的直接計(jì)量法,研發(fā)了港作船舶在線能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)踐證明,該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用效果，對(duì)實(shí)現(xiàn)港作船舶實(shí)時(shí)能耗的在線監(jiān)測(cè)與船舶的科學(xué)管理具有重要意義。閻宗嶺[2]等建立了基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳絽^(qū)庫(kù)岸路基遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)了庫(kù)岸路基安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸，可掌握路基健康狀況并及時(shí)發(fā)現(xiàn)路基病害。桂中華[3]等開發(fā)了抽蓄電站機(jī)組群在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了機(jī)群運(yùn)行狀態(tài)的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)、分析與評(píng)價(jià),并將該系統(tǒng)成功應(yīng)用于試點(diǎn)電站,為推進(jìn)抽水蓄能電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)工作奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。余永華[4]等研制由基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的數(shù)據(jù)采集硬件和以NI LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)的上位機(jī)軟件組成的船用柴油機(jī)缸壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。李萬(wàn)新[5]等設(shè)計(jì)開發(fā)采用基于LonWorks的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的列車制定監(jiān)測(cè)系統(tǒng),創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了首尾車自動(dòng)投入終端電阻模式,使列車任意車廂的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都能接收全列的通信數(shù)據(jù)。李東東[6]等結(jié)合ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)研究對(duì)接觸線接頭連接處溫度狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)接觸部件溫度的監(jiān)測(cè)判斷連接處線夾的松動(dòng)情況，設(shè)計(jì)了ZigBee無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文在研究港口能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)港口的能源消耗狀況和能源流向進(jìn)行了深入的研究，確定了項(xiàng)目的系統(tǒng)硬件構(gòu)成和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7-8]，其中硬件部分主要介紹燃油監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、傳輸協(xié)議選擇、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸格式的標(biāo)準(zhǔn)化；軟件系統(tǒng)部分主要介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能、各功能模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

港口企業(yè)裝卸及運(yùn)輸過(guò)程中，主要為燃油消耗和電能消耗，以下分別對(duì)兩類設(shè)備能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)采集進(jìn)行介紹。

1.1.1 燃油監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)由燃油計(jì)量單元、GPS模塊、車載控制器以及傳輸模塊等構(gòu)成。結(jié)合港口設(shè)備的特殊應(yīng)用需求，本系統(tǒng)須具有較強(qiáng)的通用性，即可以安裝在港口大多數(shù)燃油設(shè)備或車輛上，而毋須對(duì)設(shè)備或車輛進(jìn)行較大的改裝。同時(shí)具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

港口燃油設(shè)備主要有水平運(yùn)輸車輛和裝載機(jī)，針對(duì)這些燃油設(shè)備及港口能耗監(jiān)測(cè)需求，通常采用通過(guò)CAN總線讀取ECU油耗數(shù)據(jù)、油路串聯(lián)燃油流量計(jì)、油箱安裝燃油液位計(jì)3種方式獲得油耗數(shù)據(jù)。

(1)通過(guò)CAN總線從發(fā)動(dòng)機(jī)ECU讀取。

現(xiàn)場(chǎng)總線(Field bus)系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，將其連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)可靠性和控制管理的技術(shù)水平。CAN總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線范疇。它是唯一被批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線?，F(xiàn)代的電控柴油機(jī)都由ECU(引擎控制單元)來(lái)進(jìn)行管理，燃油計(jì)量單元可以獲得單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油量，該數(shù)據(jù)由ECU作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要的工況參數(shù)記錄。

CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)結(jié)合在11位標(biāo)識(shí)符中，具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符有最高的優(yōu)先級(jí)。通過(guò)CAN BUS自ECU讀取燃油消耗量具有實(shí)際的可操作性。但是目前港口燃油設(shè)備除部分新購(gòu)置水平運(yùn)輸車輛采用高壓共軌電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，翻斗車、裝載機(jī)等大多數(shù)燃油機(jī)械依然在使用直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)不具有電控管理系統(tǒng)，無(wú)ECU單元，無(wú)法通過(guò)CAN總線獲取任何發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)。

(2)油路中串聯(lián)燃油流量計(jì)對(duì)燃油消耗量進(jìn)行計(jì)量。

圖1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量計(jì)量Fig.1 Fuel flowmeter for diesel engine

通過(guò)串聯(lián)在發(fā)動(dòng)機(jī)供油管路中的燃油流量計(jì)是對(duì)燃料消耗量進(jìn)行計(jì)量的另一種方式。由圖1可見，油路中串聯(lián)有進(jìn)油計(jì)和回油計(jì)，通過(guò)分別計(jì)量，并將測(cè)得的結(jié)果相減即可得到實(shí)際燃油消耗量。目前通常選用微型轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行燃油消耗量測(cè)量，精度可達(dá)1%。

該方法需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)油側(cè)和回油側(cè)的燃油流量分別計(jì)量，因此需要將兩只轉(zhuǎn)子流量計(jì)分別安裝在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)油和回油管路。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，采用上述方式進(jìn)行計(jì)量時(shí)，由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的回油量很大，進(jìn)油量也很大，而二者的差在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)所占的比例很小，由測(cè)量精度引起的誤差累積有時(shí)會(huì)超過(guò)±10%，造成真實(shí)的測(cè)量結(jié)果被測(cè)量誤差所淹沒(méi)。因此這種利用進(jìn)油回油量差值獲得柴油機(jī)油耗的計(jì)量方式不能滿足港口能效監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)的要求。

為解決上述問(wèn)題，本文采用單個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì)，僅計(jì)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)油側(cè)燃油流量，將發(fā)動(dòng)機(jī)回油管改變方向，通過(guò)單向閥連接至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)油口，該位置處于進(jìn)油流量計(jì)后方，所有經(jīng)過(guò)計(jì)量的燃料都不會(huì)被送回油箱，而是全部參與燃燒，從而精確測(cè)量燃油量。

(3)油箱安裝液位計(jì)。

通用的油箱液位計(jì)主要有投入式、底部安裝式和插入式3種。其中投入式液位計(jì)采用壓力傳感器測(cè)量靜壓力，并根據(jù)靜壓力計(jì)算液位；底部安裝式液位計(jì)采用差壓方式測(cè)量油箱底部的內(nèi)外壓力差，根據(jù)壓力差計(jì)算郵箱內(nèi)液位；插入式電容液位計(jì)利用電容感應(yīng)原理，直接測(cè)量液面的實(shí)際位置。

目前，燃料用柴油的清潔度較差，石蠟成份較多；不同批次的柴油密度變化較大；港口作業(yè)機(jī)械通常處于較劇烈的運(yùn)動(dòng)環(huán)境。由此，壓力式液位計(jì)不能滿足港口作業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集要求。而插入式電容液位計(jì)依據(jù)電容感應(yīng)原理，將各種物位、液位介質(zhì)高度的變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，遠(yuǎn)傳至二次儀表或計(jì)算機(jī)裝置進(jìn)行集中顯示、報(bào)警或自動(dòng)控制?？蛇m用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕，易結(jié)晶，防堵塞，防冷凍及固體粉狀、粒狀物料，兼容性較好。

(4)油耗測(cè)量設(shè)備的選擇。

3種方式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍如表1所示。

表1 3種方式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍對(duì)比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages and application scope of the three ways

綜上所述，對(duì)于配置有CAN總線的ECU單元的港口設(shè)備，可通過(guò)CAN BUS自ECU讀取燃油消耗量；如部分較新的水平運(yùn)輸車輛等。

對(duì)于未配置CAN總線的ECU單元的港口設(shè)備，則通過(guò)油耗儀來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗情況。其中，流量式油耗計(jì)，精度高，但安裝工藝較復(fù)雜，且涉及到油路的改造，在低溫環(huán)境中，可能會(huì)發(fā)生油路上凍，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)的情況，所以通常用于液位油耗計(jì)計(jì)量達(dá)不到精度要求，且車輛不進(jìn)入低溫環(huán)境的情況下使用。

液位油耗計(jì)使用情況對(duì)油箱的規(guī)格要求比較高，必須是形狀規(guī)則的，高度與油箱油量盡量為線性關(guān)系的油箱，安裝好后還要進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)標(biāo)，根據(jù)油箱油量與液位油耗刻度進(jìn)行對(duì)標(biāo)，測(cè)量精度低于流量油耗計(jì)，但是不會(huì)對(duì)油路有影響，在任何環(huán)境下不影響車輛運(yùn)行情況，且在大部分情況下，其測(cè)量精度能滿足監(jiān)測(cè)要求。

由此，水平運(yùn)輸車輛應(yīng)安裝液位式油耗計(jì)，以免其進(jìn)入低溫環(huán)境導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火不暢等故障，且其油耗量不大，計(jì)量精度可以達(dá)到要求；對(duì)于港口作業(yè)設(shè)備如裝載機(jī)與堆高機(jī)等，安裝流量式油耗計(jì)，以獲得較高的測(cè)量精度。

1.1.2 用電設(shè)備數(shù)據(jù)采集

(1)通過(guò)PLC通信接口獲得能耗數(shù)據(jù)。

對(duì)于門機(jī)、RTG等帶有PLC(可編程邏輯控制器)的大型設(shè)備，可以通過(guò)通訊接口讀取能耗數(shù)據(jù)。但是該方法存在幾點(diǎn)問(wèn)題：

PLC獲取設(shè)備各主要電氣部件的運(yùn)行電壓和電流，得到電量，再將各部件的耗電量相加得到總電耗。多次測(cè)量相加造成誤差積累，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性降低；需要增加能耗監(jiān)測(cè)的軟件模塊，修改PLC程序，造成程序不穩(wěn)定，還有可能帶來(lái)安全隱患；數(shù)據(jù)采集傳輸終端需要連接PLC通訊接口，各類設(shè)備通訊接口不一致，通訊協(xié)議不一致，需要根據(jù)不同設(shè)備單獨(dú)進(jìn)行開發(fā)，工作量大，成本高，并且存在一定的硬件風(fēng)險(xiǎn)。

(2)采用電能表獲取能耗數(shù)據(jù)。

電子式電能表運(yùn)用模擬或數(shù)字電路得到電壓和電流向量的乘積，然后通過(guò)模擬或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量功能。智能電表還配有RS485通訊接口，支持MODBUS協(xié)議，可以通過(guò)RS485線與數(shù)據(jù)采集器連接，RS485設(shè)備與設(shè)備之間連接需采用屏蔽雙絞線，手拉手串接方式為最佳，根據(jù)采用的波特率和連接線距離適當(dāng)增加信號(hào)中繼器。目前除了有單進(jìn)單出的中繼器還有一進(jìn)多出的雙向中繼器，同時(shí)也增加了組網(wǎng)的靈活性。

由此，實(shí)際使用中可根據(jù)精度要求和電路結(jié)構(gòu)靈活使用兩種方式。

1.2 傳輸協(xié)議的選擇

1.2.1 Modbus協(xié)議

ModBus是一個(gè)工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計(jì)算機(jī)通過(guò)公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件,可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過(guò)程監(jiān)控。

1.2.2 CAN協(xié)議

CAN是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來(lái)傳輸信號(hào)，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實(shí)時(shí)支持、傳輸速率高達(dá)1Mb/s、同時(shí)具有11位的尋址以及檢錯(cuò)能力。

1.2.3 GPRS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

GPRS是目前應(yīng)用最為廣泛的無(wú)線傳輸協(xié)議之一。GPRS可用于傳輸面和控制面兩個(gè)層面。傳輸層面為用戶提供信息傳送及其相關(guān)信息傳送的控制(如流量控制，錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)等)。控制層面則可實(shí)現(xiàn)控制和支持的功能，如分組域網(wǎng)絡(luò)接入連接控制(附著與去激活過(guò)程)、網(wǎng)絡(luò)接入連接特性(PDP上下文激活和去激活)、網(wǎng)絡(luò)接入連接的路由選擇(用戶移動(dòng)性支持)、網(wǎng)絡(luò)資源的設(shè)定控制等。

1.2.4 傳輸協(xié)議的選擇

ModBus協(xié)議是絕大多數(shù)智能測(cè)量終端采取的協(xié)議，具有開放性、幀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，且支持多種電氣接口，開發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單，目前已成為工業(yè)領(lǐng)域日常用通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。由此本系統(tǒng)中的智能電表、油耗計(jì)等數(shù)據(jù)采集裝置均使用ModBus通訊協(xié)議。

CAN總線是目前營(yíng)運(yùn)客車的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通過(guò)CAN總線協(xié)議可以直接讀取發(fā)動(dòng)機(jī)速度、油耗數(shù)據(jù)，通過(guò)采用具有CAN總線協(xié)議的終端，可以將速度、油耗數(shù)據(jù)較為便捷地上傳到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。

其他使用無(wú)線傳輸?shù)那闆r下，則采用GPRS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，覆蓋面廣，費(fèi)用低，數(shù)據(jù)傳輸可靠，且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活，在港口能耗監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，是聯(lián)絡(luò)測(cè)量終端與服務(wù)器的橋梁。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于港口現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備較為分散，數(shù)據(jù)傳輸量較小，實(shí)時(shí)性要求不高，因此采用無(wú)線傳輸，避免了布線的麻煩，也節(jié)約成本；對(duì)于已有的生產(chǎn)系統(tǒng)，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)映射端口實(shí)現(xiàn)能效分析平臺(tái)與已有生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 The overall topological structure of data acquisition system

現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線公網(wǎng)傳到服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)，能效管理平臺(tái)再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器提取數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和顯示，平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，用戶可對(duì)能耗分析數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、監(jiān)視以及下載等管理操作。數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸格式的標(biāo)準(zhǔn)化

港口能耗數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)終端采集后，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸匯集至現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器，然后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸至于中央數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理服務(wù)器。同時(shí)與原生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息的采集和信息的關(guān)聯(lián)共享。

港口耗能設(shè)備種類繁多，并且規(guī)格復(fù)雜，針對(duì)港口耗能復(fù)雜的特點(diǎn)，根據(jù)耗能類型，把港口耗能設(shè)備劃分為用電設(shè)備和用油設(shè)備兩大類，并分別對(duì)每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行能耗計(jì)量。因此系統(tǒng)內(nèi)的每一組能耗數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)一臺(tái)耗能設(shè)備，該設(shè)備都應(yīng)該具備唯一的設(shè)備標(biāo)識(shí)，并以該標(biāo)識(shí)為后期數(shù)據(jù)分析與檢索提供索引。根據(jù)該標(biāo)識(shí)可以明確設(shè)備屬性，包括用能類型、設(shè)備隸屬組織、設(shè)備類型以及設(shè)備流水號(hào)，由于篇幅有限，選取部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)格式進(jìn)行說(shuō)明，如表2所示。

圖3 動(dòng)態(tài)分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software and hardware structure diagram of dynamic analysis network system

類型字段含義類型是否可為空燃油計(jì)量CarNum車牌號(hào)Varchar(50)YTotalOil總油耗Varchar(50)YDistanceDiff里程intYspeed速度intY電能計(jì)量power_factor總功率因素Varchar(50)Yfrequency頻率Varchar(50)Yrtu_no采集器編號(hào)Varchar(50)Yrtu_no采集器編號(hào)Varchar(50)Y設(shè)備信息EI_INT設(shè)備編號(hào)Varchar(50)YEI_NAME設(shè)備名稱Varchar(100)YEI_TYPE設(shè)備類型Varchar(50)Y能耗統(tǒng)計(jì)EI_ENERGY_TYPE能耗類型Varchar(50)YEI_PORT港區(qū)Varchar(50)YWOI_WORKINGOUT作業(yè)量Varchar(50)YWOI_DATETIME作業(yè)時(shí)間DatetimeY

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

在上述能耗測(cè)試平臺(tái)硬件實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)港口用能及排放在線監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)分析優(yōu)化系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

(1)自動(dòng)完成對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備能耗及運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)表生成等功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的采集數(shù)據(jù)項(xiàng)、類型、時(shí)間、周期可由系統(tǒng)管理員設(shè)定；

(2)對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、報(bào)表進(jìn)行查詢，具備Web瀏覽器登錄、查詢功能；

(3)基于港區(qū)地形圖，圖形化港口能耗數(shù)據(jù)顯示；

(4)計(jì)量數(shù)據(jù)突變報(bào)警(通信故障告警、能耗數(shù)據(jù)超標(biāo)告警等)；

(5)基于物聯(lián)網(wǎng)的港口用能設(shè)備跟蹤監(jiān)測(cè)。

2.2 各功能模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.2.1 系統(tǒng)界面

首頁(yè)為港區(qū)的實(shí)時(shí)3D電子圖，在該頁(yè)面可以查看各個(gè)港區(qū)每個(gè)設(shè)備的設(shè)備信息、同時(shí)也可以根據(jù)所勾選的設(shè)備來(lái)了解該設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和軌跡回放，如圖4所示。

2.2.2 能耗趨勢(shì)模塊

能耗趨勢(shì)主要通過(guò)接口中間件定時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)以及在現(xiàn)場(chǎng)安裝的部分前端傳感器周期性、不間斷地采集并回傳能耗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被送入平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)后，或經(jīng)過(guò)整理修正，或經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單運(yùn)算，最后在人機(jī)界面被客觀地加以展示?？煞指蹍^(qū)分設(shè)備按照日、分、小時(shí)三個(gè)維度進(jìn)行能耗趨勢(shì)查詢，如圖5所示。

圖4 能耗平臺(tái)及設(shè)備數(shù)據(jù)采集Fig.4 Energy platform and equipment data collection

圖5 能耗趨勢(shì)界面(按日、按分鐘計(jì)算)Fig.5 Energy consumption trend interface (by day, by minute)

2.2.3 綜合查詢模塊

綜合查詢主要為用戶提供模糊查詢的功能，可以實(shí)現(xiàn)任何港區(qū)，任何時(shí)間范圍內(nèi)，任何用能類型，任何來(lái)源，任何用量范圍，任何設(shè)備類別，任何單臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)查詢。

查詢條件共有7類，分別為日期、港區(qū)、用能類型、數(shù)據(jù)來(lái)源、用量、設(shè)備類別和設(shè)備名稱。用戶可輸入單一的查詢條件，也可輸入組合類的查詢條件，從而滿足特定的信息查詢需求。若用戶不輸入任何查詢條件，則默認(rèn)顯示當(dāng)前年份內(nèi)的所有設(shè)備信息。

2.2.4 統(tǒng)計(jì)分析模塊

統(tǒng)計(jì)分析主要為用戶提供對(duì)設(shè)備的能源消耗量的統(tǒng)計(jì)功能，里面的子功能分為用電統(tǒng)計(jì)、用油統(tǒng)計(jì)。并對(duì)不同設(shè)備的能耗情況進(jìn)行排名。

2.2.5 報(bào)警管理模塊

報(bào)戶可通過(guò)自身需要，可分區(qū)域、分設(shè)備對(duì)作業(yè)設(shè)備的能耗限值進(jìn)行限定。

3 結(jié)論

本文在對(duì)整個(gè)港口的能源消耗狀況和能源流向進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)港口用能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集方法以及采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建的分析研究、利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及系統(tǒng)優(yōu)化理論，研究提出了港口作業(yè)機(jī)械能耗在線監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，構(gòu)建港口能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)和動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)平臺(tái)，基于港口機(jī)械能耗和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同步監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了港口裝卸運(yùn)輸設(shè)備能耗與運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)同步采集、能耗動(dòng)態(tài)分析、能效考核以及生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化等功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)控企業(yè)能耗情況，并迅速調(diào)整，顯著降低企業(yè)能源消耗。

目前，該技術(shù)已應(yīng)用于天津港、唐山港等國(guó)內(nèi)大型沿海港口。通過(guò)該技術(shù)的研究及示范推廣，可有效提高行業(yè)節(jié)能減排統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)手段和能力，提高行業(yè)能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的全面性、準(zhǔn)確性，提升行業(yè)節(jié)能減排信息化管理水平，并從能源消耗最優(yōu)角度指導(dǎo)港口作業(yè)生產(chǎn)調(diào)度，提升作業(yè)效率，降低港口運(yùn)行能耗。