綜合能源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

張鵬

巴彥淖爾市工業(yè)節(jié)能監(jiān)測中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000

0 引言

綜合能源在線監(jiān)測系統(tǒng)，是工業(yè)節(jié)能監(jiān)測中心開展工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測的主要平臺，做好監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，是確保監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)。綜合能源在線監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋范圍更加廣泛，對數(shù)據(jù)采集范圍、精度都有更高要求。本文在明確數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)優(yōu)化必要性基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)具體設(shè)計內(nèi)容進行說明，并明確采集系統(tǒng)運行的基本要求，以此為相關(guān)設(shè)計工作開展提供參考。

1 綜合能源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用

依照國家和地方政府關(guān)于企業(yè)能耗管理和在線監(jiān)測工作實施要求，綜合能源在線監(jiān)測已經(jīng)成為工業(yè)節(jié)能監(jiān)測中心開展工作的主要方式，針對重點用能單位布設(shè)在線采集聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)對重點能耗企業(yè)運行數(shù)據(jù)的實時采集。從綜合能源在線監(jiān)測系統(tǒng)運行方式而言，數(shù)據(jù)采集在系統(tǒng)運行中起到基礎(chǔ)支撐作用。采集系統(tǒng)包括能耗運行數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場視頻采集兩種方式，多數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)都是單純采用數(shù)據(jù)采集方式，而對于較為重要的監(jiān)測節(jié)點，還應(yīng)當布置視頻采集方式，合理設(shè)定視頻數(shù)據(jù)存儲時長，確保在特殊情形下能夠利用現(xiàn)場視頻對運行情況進行精準分析，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定性[1]。

采集系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)當遵循如下原則。①技術(shù)性原則，在采集系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)當采用合適的技術(shù)體系，軟件平臺要具備成熟應(yīng)用條件，設(shè)備技術(shù)則應(yīng)當具備良好的應(yīng)用性特征，能夠滿足系統(tǒng)后續(xù)運行要求。②系統(tǒng)性原則，主要是指在采集系統(tǒng)設(shè)計中，要與在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)全方位兼容，要能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的全面采集和實時傳輸，能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行要求，各個子系統(tǒng)之間能夠達到多元銜接。③便利性原則，采集系統(tǒng)硬件布置要適應(yīng)監(jiān)測工作人員操作習慣，合理設(shè)計人機交互頁面，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行基礎(chǔ)上，更好地提升操作效率，為節(jié)能控制措施制定提供堅實依據(jù)。

2 綜合能源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)優(yōu)化必要性

2.1 數(shù)據(jù)采集范圍拓展

綜合能源服務(wù)體系改變了傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)體系中，以電力能源消費為主體的方式，企業(yè)根據(jù)自身運行情況，選擇油、氣、煤等多種能源供給方式，以此實現(xiàn)能耗水平的有效控制，確保企業(yè)經(jīng)濟效益水平不斷提升，達到良好的節(jié)能降耗目的[2]。同時，綜合能源服務(wù)體系的變革，也要求工業(yè)節(jié)能監(jiān)測體系中，能夠全面采集各種能源消耗數(shù)據(jù)，分析不同能源供給形式具體占比，不同供給形式能耗控制水平是否達到要求，以此為環(huán)境保護、雙碳目標控制措施制定提供精準指導(dǎo)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方式變化

綜合能源在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效運行，需要以合理的數(shù)據(jù)處理方式為支撐，當前大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)不斷發(fā)展背景下，在線監(jiān)測系統(tǒng)也不斷朝向智能化方向發(fā)展，有效提升監(jiān)測數(shù)據(jù)處理智能化水平。但是智能化處理系統(tǒng)是以海量、全面的數(shù)據(jù)為支撐的，因此在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行必須要有完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為支撐，全面、實時、精準地采集相關(guān)數(shù)據(jù)，為智能化數(shù)據(jù)處理奠定良好的基礎(chǔ)，確保數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準確性，為節(jié)能監(jiān)測措施的制定和實施提供參考[3]。

2.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化

在線監(jiān)測系統(tǒng)作為我國工業(yè)能源監(jiān)測體系的運行平臺，在能耗控制、產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護等方面都具有重要的支撐作用。尤其是大數(shù)據(jù)技術(shù)快速發(fā)展應(yīng)用，能夠通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，更為精準的判斷企業(yè)運行能耗方面的問題，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)運營發(fā)展中不規(guī)范問題，及時對企業(yè)運營管理措施進行優(yōu)化。隨著在線監(jiān)測系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，要求在系統(tǒng)運行中不斷完善數(shù)據(jù)采集功能，為系統(tǒng)分析提供堅實數(shù)據(jù)支撐，更為全面、準確地把握產(chǎn)業(yè)運營現(xiàn)狀，指導(dǎo)企業(yè)進行技術(shù)改進，不斷降低能耗水平和生產(chǎn)成本，提升企業(yè)核心競爭力。

3 綜合能源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體構(gòu)成設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是綜合能源在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基本保障。本課題研究中，以ZigBee技術(shù)為支撐，搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，總體構(gòu)成設(shè)計思路與內(nèi)容如下所述。首先是確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行的實時性和無線傳輸穩(wěn)定性要求。將ZigBee技術(shù)與GPRS、5G技術(shù)相結(jié)合，能夠有效提升系統(tǒng)運行抗干擾內(nèi)力，實現(xiàn)資源高效利用。其次是系統(tǒng)設(shè)計要能夠滿足工業(yè)企業(yè)能源在線監(jiān)測分布廣、終端設(shè)備分散、外部干擾大等要求，通過將監(jiān)測對象細化為不同子區(qū)域，在子區(qū)域內(nèi)配置相應(yīng)的監(jiān)測基站，實現(xiàn)對水、電、氣等計量數(shù)據(jù)的全面采集，并將數(shù)據(jù)實時傳輸至監(jiān)測中心[4]。再次是要確保系統(tǒng)運行可靠性、低功耗要求，選用合適的低功耗模塊，對軟件系統(tǒng)進行優(yōu)化，盡量減少數(shù)據(jù)采集、收發(fā)和存儲環(huán)節(jié)占用時間。

3.2 監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

監(jiān)測點設(shè)計是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的主要節(jié)點，監(jiān)測點設(shè)計優(yōu)化與否，不僅影響到數(shù)據(jù)采集全面性和精準度，同時對數(shù)據(jù)分析結(jié)果準確性有直接影響。利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建監(jiān)測節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，主要是自動采集水電氣等能源的計量數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測中心和基站指令，調(diào)整監(jiān)測狀態(tài)，發(fā)送數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在監(jiān)測中心。以當前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，所需要的模塊主要包括終端采集模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、MCU、RF傳輸模塊、時鐘模塊、存儲模塊及電源管理模塊。監(jiān)測節(jié)點系統(tǒng)開始運行后，各個模塊進入初始化狀態(tài)，之后進入休眠狀態(tài)，在基于事件驅(qū)動情形下被喚醒而進入運行處理狀態(tài)[4]。在子程序完成處理內(nèi)容后，繼續(xù)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)采集變量要求，有效控制運行時間，有效降低系統(tǒng)運行功耗。同時在進行數(shù)據(jù)存儲時，要采用獨立存儲方式盡量減少操作次數(shù)，提升操作便利性。

3.3 監(jiān)測基站設(shè)計

監(jiān)測基站主要是充當ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS或5G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)作用，在受到監(jiān)測中心控制指令后，將指令傳輸至區(qū)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集終端，并將操作結(jié)果返回監(jiān)測中心，達到數(shù)據(jù)交互目的。監(jiān)測基站在接收到計量數(shù)據(jù)后，先是進行簡單分析處理，判斷運行數(shù)據(jù)是否超限、是否需要報警處理，將數(shù)據(jù)或處理狀態(tài)發(fā)送至監(jiān)測中心。在必要情形下，還需要采集終端設(shè)備視頻數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心[5]?；驹O(shè)計采用220V市電供電方式，結(jié)合UPS電源運行方式轉(zhuǎn)換為12V開關(guān)電源，為相關(guān)模塊供電，有效提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

3.4 監(jiān)測中心系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)測中心是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行的核心，主要功能是實現(xiàn)能源計量數(shù)據(jù)和視頻信息的分析處理。監(jiān)測中心硬件主要是服務(wù)器及相關(guān)操作設(shè)備，子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)與基站之間完成信息傳輸。監(jiān)測軟件是中心系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容，主要包括通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、人機交互軟件等。軟件系統(tǒng)在運行中，能夠提供完整的監(jiān)控畫面，提供實時數(shù)據(jù)的顯示與存儲功能，各個部門通過查詢歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、報表生成、報警狀態(tài)查詢及節(jié)點監(jiān)測狀態(tài)控制等功能。依據(jù)當前軟件設(shè)計特征，監(jiān)測中心軟件基于VC平臺和Access系統(tǒng)進行。軟件系統(tǒng)投入開始運行，開始進入控件及界面初始化，判斷網(wǎng)絡(luò)連接是否到位，如出現(xiàn)未連接狀態(tài)，則需要發(fā)送連接請求，并在連接完成后進行系統(tǒng)自檢。如在運行中出現(xiàn)異步事件，則會觸發(fā)定時器并及時處理。

在當前綜合能源在線監(jiān)測系統(tǒng)運行中，數(shù)據(jù)處理數(shù)量和精度要求都不斷提升，傳統(tǒng)硬件設(shè)備功能已經(jīng)無法滿足實際運行要求。因此在硬件選擇中，應(yīng)當選擇大容量、高頻率的設(shè)備。以數(shù)據(jù)采集裝置為例，要能夠?qū)崿F(xiàn)超大容量的在線數(shù)據(jù)存儲，確保CPU處理頻率達到較高要求，輸入端口能夠滿足多端口多采集信號的輸入要求，確保硬件系統(tǒng)運行滿足GB17167-2006要求。

4 綜合能源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行要求

4.1 數(shù)據(jù)應(yīng)用方面要求

4.1.1 數(shù)據(jù)前置性

數(shù)據(jù)前置性是在工業(yè)項目規(guī)劃投資初期，節(jié)能監(jiān)測中心就需要以數(shù)據(jù)為導(dǎo)向，為項目規(guī)劃制定實施提供參考。在重點項目建設(shè)中，節(jié)能監(jiān)測中心要根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料，結(jié)合項目規(guī)劃中主要節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用要求，為建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用方案提供指導(dǎo)。通過數(shù)據(jù)前置服務(wù)，能夠在工業(yè)項目建設(shè)前期，就合理規(guī)劃數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體性能、采集裝置的具體分類，與現(xiàn)有在線監(jiān)測系統(tǒng)的融合要求等[6]。通過數(shù)據(jù)前置介入，能夠提升節(jié)能監(jiān)測中心的服務(wù)水平，提升企業(yè)對節(jié)能降耗控制重要性的認識，在確保企業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，有效提升企業(yè)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

4.1.2 數(shù)據(jù)持續(xù)性

數(shù)據(jù)持續(xù)性是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行中，要能夠根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)運行總體要求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面采集、實時采集，根據(jù)系統(tǒng)運行指令喚醒采集設(shè)備。數(shù)據(jù)采集的持續(xù)性，是確保數(shù)據(jù)精準分析的基本要求，在當前工業(yè)企業(yè)能源供給方式更加多元化的背景下，綜合能源系統(tǒng)是以各種能源動態(tài)平衡為基礎(chǔ)的，不同時間、不同設(shè)備所采用的能源供給方式會有所差異，因此在采集系統(tǒng)設(shè)計中，還應(yīng)當針對不同運行狀況進行優(yōu)化設(shè)計，以確保數(shù)據(jù)采集的可持續(xù)性。在線監(jiān)測系統(tǒng)運行時，要根據(jù)實時數(shù)據(jù)對生產(chǎn)能耗水平進行分析，在出現(xiàn)超標運行問題時，應(yīng)當根據(jù)預(yù)警信息明確超標運行節(jié)點，準確判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)，對企業(yè)能耗運行情況進行調(diào)研指導(dǎo)，以此確保節(jié)能降耗目標達成。

4.1.3 數(shù)據(jù)精準性

在綜合能源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是否精準，不僅對數(shù)據(jù)分析結(jié)果有直接影響，同時也對企業(yè)節(jié)能水平判定有重要影響，因此在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計中，必須要充分考慮采集系統(tǒng)運行的影響因素，對系統(tǒng)進行整體優(yōu)化。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)優(yōu)化主要考慮如下方面因素：①硬件設(shè)備性能，包括設(shè)備運行參數(shù)是否符合系統(tǒng)設(shè)計要求，設(shè)備在特殊作業(yè)場景下的抗干擾能力，以及設(shè)備壽命等；②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)的兼容性，在部分新增采集系統(tǒng)運行中，如數(shù)據(jù)兼容度不足，則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或錯誤現(xiàn)象，由此對數(shù)據(jù)精準性產(chǎn)生影響；③數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的覆蓋程度，在數(shù)據(jù)采集設(shè)備布置不完善，沒有全面采集監(jiān)測數(shù)據(jù)情形下，也會對數(shù)據(jù)采集精準性產(chǎn)生影響。

4.2 管理體系方面要求

4.2.1 提升數(shù)據(jù)采集重視程度

綜合能源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能否達到良好運行狀態(tài)，能否保障在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析達到最優(yōu)化水平，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行穩(wěn)定性有直接關(guān)系。因此在工業(yè)監(jiān)測中心工作體系中，必須要強化采集系統(tǒng)構(gòu)建的重視程度，結(jié)合國家和地方部門環(huán)保節(jié)能規(guī)章制度要求，對新建項目、在運營項目能耗數(shù)據(jù)進行全面采集分析。對于管理層面而言，要認識到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用對工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性，節(jié)能降耗控制目標實現(xiàn)的作用，充分利用傳感技術(shù)、智能化采集技術(shù)推動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)優(yōu)化，為具體工作開展奠定良好基礎(chǔ)。對于工業(yè)企業(yè)而言，應(yīng)當明確數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在節(jié)能降耗控制目標實現(xiàn)中的支撐作用，結(jié)合生產(chǎn)技術(shù)改造全面推進數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計，對設(shè)計內(nèi)容進行優(yōu)化，選擇合適的硬件設(shè)備，確保軟件系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行，為提升數(shù)據(jù)采集精準度，做好能耗在線監(jiān)測奠定良好基礎(chǔ)。

4.2.2 完善數(shù)據(jù)采集應(yīng)用制度

綜合能源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，還需要以完善的應(yīng)用制度為支撐，確保系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行狀態(tài)。制度內(nèi)容建設(shè)應(yīng)當以精細化理念為導(dǎo)向，涵蓋目標、設(shè)計要求、崗位職責及獎懲制度等各個方面。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計目標是為更加全面、精準的采集企業(yè)能耗運行數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)實時傳輸至在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)的智能化分析，準確判定能耗超標現(xiàn)象，及時發(fā)出預(yù)警信號，為做好節(jié)能降耗控制奠定良好基礎(chǔ)。在具體設(shè)計要求方面，應(yīng)當包括硬件設(shè)計要求、監(jiān)測點設(shè)計要求、數(shù)據(jù)傳輸交互方式以及所采用的技術(shù)體系等，確保設(shè)計方案的規(guī)范性，有效提升系統(tǒng)運行水平，保障數(shù)據(jù)采集的精準性。在崗位職責方面，應(yīng)當明確領(lǐng)導(dǎo)和設(shè)計人員具體職責，要求各個崗位工作人員樹立良好的責任意識，依托新型技術(shù)和創(chuàng)新理念對設(shè)計方案進行優(yōu)化。在獎懲機制方面，應(yīng)當以激勵措施為主，提升設(shè)計人員的工作積極性，推動設(shè)計工作高效運行。

4.2.3 強化專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)

綜合能源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計是系統(tǒng)性、科學性工作，對設(shè)計人員的專業(yè)素質(zhì)具有較高要求，因此在節(jié)能監(jiān)測中心的日常工作體系中，應(yīng)當強化對專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)重視程度，要求設(shè)計人員能夠熟悉國家和地方的能耗監(jiān)測要求，明確不同產(chǎn)業(yè)類型能耗控制具體標準，切實以規(guī)范制度為底線、以提升節(jié)能降耗水平為目標，對設(shè)計方案進行整體優(yōu)化。在人才培養(yǎng)工作開展中，還要求設(shè)計人員具備良好的技術(shù)應(yīng)用能力，能夠準確把握數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展動態(tài)，以創(chuàng)新理念為指導(dǎo)，融合新型技術(shù)應(yīng)用，確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足運行年限設(shè)計要求。在不斷加強隊伍建設(shè)的基礎(chǔ)上，才能夠確保在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高水平運行，為提升綜合能源服務(wù)和監(jiān)測水平奠定堅實基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

新時期背景下，綜合能源在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)監(jiān)測中心運行管理的主要平臺，優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提升數(shù)據(jù)采集的精準性、穩(wěn)定性，是確保在線監(jiān)測系統(tǒng)運行的基本保障，因此相關(guān)管理部門必須要強化對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的重視程度，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行模式，全面提升在線監(jiān)測工作成效。