能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文｜中能興科（北京）節(jié)能科技股份有限公司 秦根建

能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文｜中能興科（北京）節(jié)能科技股份有限公司 秦根建

本文論述了能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：整個(gè)系統(tǒng)采用分布式布置、集中管理的模式，對生產(chǎn)工藝設(shè)備、用能設(shè)備的能量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；以SCADA軟件和I/O Server實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器為核心構(gòu)建，分為數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)三部分。

能源管理系統(tǒng) SCADA OPC 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫 現(xiàn)場總線 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

1 前言

能源問題，從中國乃至全球范圍來看，正日益成為一個(gè)亟待解決的問題。目前，解決能源供應(yīng)日趨緊張的問題主要有兩種手段，一是開發(fā)新能源、可再生能源；二是對現(xiàn)有的能源設(shè)施進(jìn)行節(jié)能改造，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化。我國在“十一五”規(guī)劃中提出了建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的奮斗目標(biāo)，能量的綜合利用、能源的使用效率越來越受到人們的重視。

為了能使企業(yè)更好地完成資源調(diào)配、組織生產(chǎn)、企業(yè)能量平衡、部門結(jié)算、成本核算、能源預(yù)測等，需要建立一套有效能源數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、監(jiān)測、管理、調(diào)配系統(tǒng)，以便企業(yè)隨時(shí)掌握能源消耗、使用狀況。

本文將選取采用分布式監(jiān)控、集中式管理模式，基于現(xiàn)場總線方式的網(wǎng)絡(luò)分布式能源管理系統(tǒng)，將其劃分為數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信和能源管理系統(tǒng)三部分，介紹其對生產(chǎn)工藝設(shè)備、用能設(shè)備的能量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)控、計(jì)量、統(tǒng)計(jì)、分析等機(jī)制，論述其方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 能源管理的現(xiàn)狀和需求

當(dāng)前企業(yè)采用數(shù)據(jù)管理的模式，基本上是現(xiàn)場安裝數(shù)據(jù)采集儀器、儀表，人工定時(shí)采集數(shù)據(jù)，填報(bào)能量消耗報(bào)表，然后逐級匯總，統(tǒng)計(jì)后上報(bào)到企業(yè)的能源管理部門、財(cái)務(wù)部門和上級主管部門。這種方法的缺點(diǎn)非常明顯：效率低下、不具有實(shí)時(shí)性。

企業(yè)的能量計(jì)量儀器、儀表種類繁多、通信協(xié)議各異、分布范圍廣，進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)布置時(shí)要仔細(xì)加以考慮。各企業(yè)的自動(dòng)化水平不一，有的企業(yè)從國外引進(jìn)的生產(chǎn)線自動(dòng)化水平很高，有的還停留在二十世紀(jì)七八十年代的水平；企業(yè)的辦公自動(dòng)化水平也千差萬別，有的企業(yè)基本可以實(shí)現(xiàn)無紙辦公，有的還處在繁雜的手工勞動(dòng)中。這些復(fù)雜的局面提高了能源管理系統(tǒng)的布置難度。

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對傳統(tǒng)的能源管理的方式進(jìn)行自動(dòng)化改造變得完全有必要和可能。國外的一些DCS系統(tǒng)已經(jīng)將能源管理系統(tǒng)納入其中，作為整個(gè)DCS系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）和國務(wù)院公布的九大行業(yè)近期淘汰落后產(chǎn)能目標(biāo)的文件，明確指出企業(yè)提高管理水平的必要性，這也給企業(yè)能源管理系統(tǒng)的實(shí)施帶來了機(jī)遇。

3 能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

能源管理系統(tǒng)以SCADA系統(tǒng)為核心，利用OPC作為接口連接數(shù)據(jù)采集和后臺數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

能源管理系統(tǒng)的架構(gòu)可以從體系結(jié)構(gòu)上分成三層，即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、現(xiàn)場控制器（集中器）及通信網(wǎng)絡(luò)、能源管理監(jiān)控中心。整個(gè)系統(tǒng)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和SCADA軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信、嵌入式技術(shù)組成一套先進(jìn)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、分析數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)測。

（1）能源管理監(jiān)控中心

能源管理監(jiān)控中心以SCADA軟件和I/O Server實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器為核心，布置分布式數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線的數(shù)據(jù)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)傳輸?shù)饶茉垂芾砉δ懿⒅С侄伍_發(fā)和現(xiàn)場組態(tài)。

（2）通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(jī)，建立分區(qū)域的冗余環(huán)網(wǎng)，環(huán)與環(huán)之間采用耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，從而建立高可靠、專有的能源數(shù)據(jù)采集通信網(wǎng)絡(luò)。

（3）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集柜為核心，進(jìn)行數(shù)據(jù)信號采集、AD處理、通信、協(xié)議轉(zhuǎn)換等，將采集到的能源消耗數(shù)據(jù)連續(xù)、真實(shí)、可靠地傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，為能源管理系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的主要功能包括：

◆ 采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、功率因數(shù)、流量、溫度、壓力、設(shè)備狀態(tài)等；

◆ 傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、轉(zhuǎn)換及實(shí)現(xiàn)裝置，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)；

◆ 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、接口、OPC實(shí)現(xiàn)；

◆ Web訪問；

◆ 過程監(jiān)視、操作控制、實(shí)時(shí)調(diào)整等界面和過程曲線、信息顯示等輔助界面的顯示、切換；

◆ 介質(zhì)計(jì)量參數(shù)管理、維護(hù)單位管理、計(jì)量設(shè)備管理、測點(diǎn)耗量關(guān)系等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理；

◆ 各種配置參數(shù)設(shè)置、用戶權(quán)限設(shè)置、其他需人工錄入的參數(shù)設(shè)置等界面管理；

◆ 能源數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計(jì)、管理以及數(shù)據(jù)報(bào)表的生成；

◆ 能源使用分析、計(jì)劃、仿真；

◆ 能量平衡計(jì)算、能源使用估計(jì)、能源消耗的預(yù)測；

◆ 能源供給品質(zhì)估計(jì)、供給能力估計(jì)；

◆ 能源費(fèi)用管理；

◆ 能源使用分配；

◆ 能源生產(chǎn)監(jiān)測，包括能源品質(zhì)監(jiān)測、能源生產(chǎn)績效監(jiān)測等；

◆ 安全管理。

3.2 能源管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)可以從實(shí)現(xiàn)原理上分為管理軟件（包括SCADA軟件、應(yīng)用軟件）和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集柜兩部分，下面分別針對這兩部分介紹系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

SCADA軟件是管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，其可以采用通用軟件，例如NI LookOut、組態(tài)王等，也可針對專用的平臺獨(dú)立開發(fā)。整個(gè)SCADA系統(tǒng)的功能主要是通信控制、報(bào)文解析、數(shù)據(jù)庫接口管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理、變量管理、畫面管理、單元組態(tài)管理、動(dòng)畫功能等。

圖2展示出了一個(gè)基于Windows NT，采用VC++ 6.0開發(fā)的，專用SCADA平臺的主要功能模塊。SCADA軟件的主要功能包括：

◆ I/O通信冗余，能夠在主通信中斷時(shí)自動(dòng)切換到旁路；

◆ 支持在線組態(tài)；

◆ 支持ODBC、OPC、API、DDE等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換方式；

◆ 網(wǎng)絡(luò)通信采用標(biāo)準(zhǔn)的NetBIOS，支持IPX/SPX、TCP/IP等協(xié)議；

◆ 支持多種關(guān)系型數(shù)據(jù)，包括Oracle、SQL Server等。

應(yīng)用軟件的主要功能是提供數(shù)據(jù)訪問、統(tǒng)計(jì)、分析等服務(wù)。軟件采用B/S結(jié)構(gòu)，基于J2EE架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，開發(fā)環(huán)境采用Eclipse，應(yīng)用系統(tǒng)的布局采用Spring、Struts、Hibernate的開源解決方案，系統(tǒng)程序主界面如圖3所示。

3.2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集柜的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為SCADA系統(tǒng)的一部分，在整個(gè)能源管理系統(tǒng)中扮演著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供者的角色，占有非常重要的位置。它的主要功能是從計(jì)量儀器中采集數(shù)據(jù)、讀取執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信等。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集速度、采用精度、設(shè)備穩(wěn)定性、擴(kuò)展性等決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方式為：

◆ 采用嵌入式32位ARM CPU作為控制器，安裝Windows CE 6.0嵌入式操作系統(tǒng)；

◆ 為模擬信號的采集設(shè)計(jì)獨(dú)立的采集卡作為子板；

◆ 數(shù)字信號采用協(xié)議擴(kuò)展板進(jìn)行通信，目前實(shí)現(xiàn)的協(xié)議包括Mbus、ModBus、CAN；

◆ 和上位機(jī)的通信協(xié)議，目前實(shí)現(xiàn)TCP/IP和GPRS方式；

◆ 設(shè)備采用接口板、背板、功能子板的結(jié)構(gòu)，方便數(shù)據(jù)采集柜的升級、擴(kuò)展。

作為能源管理系統(tǒng)中的智能采集的終端設(shè)備，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制為：

◆ 外部模擬信號進(jìn)入數(shù)據(jù)采集柜后，首先經(jīng)過信號放大調(diào)理部分，被調(diào)理為0～4.5V的電壓信號，進(jìn)入AD芯片；

◆ AD芯片的操作由FPGA控制，F(xiàn)PGA定時(shí)控制AD轉(zhuǎn)換，得到8路AD采集結(jié)果后，產(chǎn)生DSP中斷信號，通知DSP讀取AD采集結(jié)果；

◆ 對數(shù)字信號，經(jīng)協(xié)議解析后讀取相應(yīng)的計(jì)量、狀態(tài)數(shù)據(jù)，對開關(guān)信號直接讀取狀態(tài)，放入DURAM（雙口RAM）中；

◆ DSP根據(jù)AD采集結(jié)果，將處理完的數(shù)據(jù)放在DURAM中，通知控制器讀取；

◆ MCU應(yīng)用程序讀取DURAM中的頻域數(shù)據(jù)，并利用SCADA提供的OPC機(jī)制，將該數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)或GPRS傳送到后臺數(shù)據(jù)庫中。

4 結(jié)束語

能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考了工業(yè)自動(dòng)化DCS的設(shè)計(jì)思想，采用分布式采集、集中管理的方式，充分利用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢。各個(gè)子系統(tǒng)之間既相互獨(dú)立，又通過企業(yè)數(shù)據(jù)庫相互關(guān)聯(lián)。這使得各子系統(tǒng)得以充分發(fā)揮其能力：數(shù)據(jù)采集端專注數(shù)據(jù)的采集、處理，數(shù)據(jù)庫端專注于數(shù)據(jù)的接收和分發(fā)工作，監(jiān)控中心充分發(fā)揮數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)仿真、人機(jī)訪問的能力。系統(tǒng)布置時(shí)可根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)、復(fù)雜程度，選擇不同的模塊組成不同規(guī)模的管理系統(tǒng)。

1 黃維通.Visual C++面向?qū)ο笈c可視化程序設(shè)計(jì).清華大學(xué)出版社，1997

2 尹立民.Visual C++軟件項(xiàng)目開發(fā)實(shí)例.電子工業(yè)出版社，2004

3 甘永梅.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2004

4 林小峰，等.基于IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的控制系統(tǒng)及應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2007

5 高安邦，等.LonWorks技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2009

6 Andrew N·Sloss等. ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā).沈建華，譯.北京航空航天大學(xué)出版社，2006

7 丁展等.Visual C++網(wǎng)絡(luò)通信編程實(shí)用案例精選.人民郵電出版社，2004

8 W·Richard Stevens. TCP/IP Illustrated.范建華，等，譯.機(jī)械工業(yè)出版社，2000

9 王常力，羅安.分布式控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例.電子工業(yè)出版社，2004

10 馮博，朱穗暉，等.J2EE 1.4程序設(shè)計(jì)教程.清華大學(xué)出版社，2005

11 思志學(xué)等.J2EE整合詳解與典型案例.電子工業(yè)出版社，2008

12 西門子、羅克韋爾等工業(yè)自動(dòng)化方案資料