能源管理數(shù)據(jù)采集平臺搭建的研究

史磊，來葉剛

（中策橡膠（集團）有限公司，浙江 杭州 310008）

1 平臺需求分析

能源在工廠生產管理中的地位十分重要。生產過程需要的能源介質有電力、水、壓縮空氣、蒸汽、氮氣等。日常中對現(xiàn)場各處能源數(shù)據(jù)進行采集、歸納、分析，確保安全連續(xù)和經(jīng)濟的供應，是能源管理中的重要任務之一。但工業(yè)生產中，能源介質管網(wǎng)將遍布整個公司各個車間，線路長，輸配要求高，現(xiàn)場計量儀表分散，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式是人工去往各計量點現(xiàn)場定時檢錄，費時費人工，同時對能源數(shù)據(jù)的實時性和連續(xù)性無法檢測，無法及時的發(fā)現(xiàn)能源供應的問題。因此，應通過搭建能源數(shù)據(jù)采集平臺，對現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)進行遠程采集，實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的實時信息收集、計量設備監(jiān)控、數(shù)據(jù)異常報警等功能，為能源的運行調度手段、能源計劃安排、實績分析及平衡預測等各方面提供有效的決策支持，確保在任何情況下能源系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟。

2 系統(tǒng)整體規(guī)劃

數(shù)據(jù)采集平臺的搭建，需在整體上考慮系統(tǒng)的可靠性、兼容性及安全性。整個系統(tǒng)分為三部分：RTU數(shù)據(jù)采集設備、能源數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、上位機綜合監(jiān)控軟件/數(shù)據(jù)庫軟件。RTU數(shù)據(jù)采集設備用于現(xiàn)場終端能源計量設備的數(shù)據(jù)采集,能源數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡用于采集后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌? 上位機綜合監(jiān)控軟件/數(shù)據(jù)庫軟件用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、整理、歸納、和導出。整體上既要考慮數(shù)據(jù)采集的準確性，又要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，同時要兼顧最終數(shù)據(jù)存儲的安全性。

2.1 RTU數(shù)據(jù)采集設備

現(xiàn)代工廠現(xiàn)場環(huán)境復雜，所以要求現(xiàn)場采集設備需要工業(yè)級選型，能適應復雜的工業(yè)環(huán)境，支持全溫區(qū)工作范圍（-10～60℃），部件采用特殊處理，可抵抗腐蝕性氣體，適用于高海拔區(qū)域；系統(tǒng)具有高可靠的環(huán)境適應性和可應用于各類有防爆要求場合的能力。能源計量采用的儀表根據(jù)介質不同各不相同，如空氣采用渦街流量計，水采用電磁流量計/機械水表，蒸汽采用孔板流量計/渦街流量計，煤采用皮帶秤/稱重皮帶機，電能計量采用電量表等，所以要求所選設備需能接受各種電信號，如流量的脈沖信號或4～20mA模擬量信號，同時必須具有以太網(wǎng)、串口等標準接口，支持Modbus-RTU、Modbus-TCP等標準協(xié)議。采集設備應采用模塊式結構，具有靈活的可擴展性，便于設備更換擴展及維修?，F(xiàn)場采集模塊通道數(shù)為8或16通道，并在實際設計中，保證一定余量，特別是對于通訊模塊，下掛儀表應為最大通道數(shù)的80%，以保證通訊的時效性及準確性。同時，設備應支持以太網(wǎng)，上位機能通過網(wǎng)絡對現(xiàn)場所有設備進行遠程編程、監(jiān)控及管理。在設計時，根據(jù)現(xiàn)場能源計量點的位置，設計采集箱，采集附近能源數(shù)據(jù)，再通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)上傳。

2.2 能源數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡

RTU數(shù)據(jù)采集設備采集的能源數(shù)據(jù)，通過能源數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡上傳到服務器進行保存，編輯，網(wǎng)絡的合理架設，決定了整體數(shù)據(jù)的準確性及完整性。與一般網(wǎng)絡不同，能源網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸量并不大（相對而言），100M以太網(wǎng)已經(jīng)完全滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，但是對整個網(wǎng)絡設備的穩(wěn)定性及適應性要求相對較高，建議采用工業(yè)級的網(wǎng)絡交換機，采用接入層交換機即可，并能實現(xiàn)在機房的遠程管理。由于工廠內能源計量點的分散，一般采用在采集箱內設置交換機，再通過光電轉換，用光纖進行網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。由于數(shù)據(jù)平臺需要與管理平臺或外網(wǎng)對接，因此在網(wǎng)絡設計中，安全問題必須重點考慮。在服務器上，需安裝企業(yè)級的軟件防火墻；安裝防病毒軟件，并及時更新病毒庫；在接入交換機上劃分VLAN，實現(xiàn)各接入控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡隔離；在數(shù)據(jù)服務器上裝雙網(wǎng)卡，保證管理網(wǎng)與采集網(wǎng)的隔離；在接入公司局域網(wǎng)時，裝置硬件防火墻，實現(xiàn)硬件隔離。合理的網(wǎng)絡架設不僅可以保證系統(tǒng)的安全，準確的運行，同時也能大大降低施工成本。

2.3 上位機綜合監(jiān)控軟件/數(shù)據(jù)庫軟件

上位機綜合監(jiān)控軟件/數(shù)據(jù)庫軟件是數(shù)據(jù)采集平臺的最終成果展示，所有數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)、處理均由軟件完成。應使用完全基于Client/Server 的HMI/SCADA軟件，具有C/S分布式架構軟件的所有功能，可以監(jiān)視遠程節(jié)點的所有數(shù)據(jù)點；支持基于WEB方式的過程圖，可以將組態(tài)畫面直接發(fā)布到Web門戶上；數(shù)據(jù)庫應該在不犧牲速度及性能的前提下，采集和檢索大量系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)；實時歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)采集器應支持存儲轉發(fā)功能，當采集器和服務器發(fā)生網(wǎng)絡中斷時，數(shù)據(jù)采集器應能自動緩存數(shù)據(jù)到本地硬盤，一旦恢復通訊后，應能自動將緩存數(shù)據(jù)發(fā)送到實時歷史數(shù)據(jù)庫，保證數(shù)據(jù)不丟失。它主要要實現(xiàn)以下功能。

2.3.1 數(shù)據(jù)實時監(jiān)控

實現(xiàn)用戶對能源數(shù)據(jù)的實時監(jiān)視，給用戶提供動態(tài)的能耗變化數(shù)據(jù)，可以查看到每個測點的屬性以及累計量等信息。提供日報表、月報表、年報表等數(shù)據(jù)整理功能，并能打印輸出。用戶可以通過多種方式進行模糊查詢，根據(jù)測點實時采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和連續(xù)性判斷測點是否正常，及時發(fā)現(xiàn)有問題的測點，以報警的方式提醒用戶，記錄報警（故障）便于查看。設置訪問級別及內容，區(qū)別顯示。

2.3.2 實時/歷史趨勢監(jiān)控

實現(xiàn)對能源數(shù)據(jù)歷史趨勢的查閱。趨勢圖能夠顯示出某一段時間數(shù)據(jù)變化的情況。實時趨勢能夠反映出當前的數(shù)據(jù)變化情況，歷史趨勢的數(shù)據(jù)從歷史數(shù)據(jù)庫中取出，能夠查看任何時間段數(shù)據(jù)的變化情況。通過歷史趨勢的查看，可以了解長時間的生產情況。當發(fā)生事故時，可以利用歷史趨勢進行事故追憶和事故原因分析。

2.3.3 WEB發(fā)布

服務器上的能源采集信息通過WEB發(fā)布后，使生產管理人員只需通過IE瀏覽器（不需要安裝其他軟件）就可以根據(jù)各自的權限查看現(xiàn)場不同的生產信息。利用企業(yè)局域網(wǎng)和Internet網(wǎng)絡，用戶在辦公室隨時都可以通過安全登陸的方式實現(xiàn)遠程實時瀏覽和管理現(xiàn)場生產的功能。

2.3.4 開放數(shù)據(jù)接口

可以為ERP、CRM、OA、MIS等系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，提供豐富的內部函數(shù)，可以和SQL SERVER、ORACLE等關系性數(shù)據(jù)方便而可靠的進行通訊。

以上為能源數(shù)據(jù)平臺搭建的整體思路，以我公司數(shù)據(jù)采集平臺為例，需要采集的能源數(shù)據(jù)主要是各分廠二級流量計（用于空氣、蒸汽、氮氣、水計量）共計120點、各分廠變電站電能表共計208塊，以及自備電廠鍋爐能源數(shù)據(jù)采集，總變電站高配電氣能源數(shù)據(jù)采集。我公司現(xiàn)場各計量點及變電站分布分散，RTU采集設備采用了浙大中控GCS系統(tǒng)+日本橫河MW100數(shù)據(jù)采集器的方式，具體配置如表1～5。

能源傳輸網(wǎng)絡采用底層網(wǎng)絡接入，遠程光纖傳輸，采用的是H3C網(wǎng)絡交換機S1024R。同時配置力控ISG-SC202防火墻。數(shù)據(jù)采集服務器及SCADA服務器均采用三網(wǎng)卡，并安裝金山殺毒軟件企業(yè)版。

上位機綜合監(jiān)控軟件/數(shù)據(jù)庫軟件采用浙大中控PIMS-Basic及 PIMS-RTDB-S0C(0．5W)數(shù)據(jù)庫軟件。最終實現(xiàn)了全廠能源數(shù)據(jù)遠程采集，實時監(jiān)控，日報表，月報表自動生成，歷史趨勢查看等功能，為我公司的能源管理及分析做出了重大貢獻。

表1 電能耗采集

表2 用水能耗采集

表3 蒸汽能耗采集

表4 壓縮空氣采集

表5 氮氣采集