面向中小企業(yè)的能源管理系統(tǒng)設(shè)計

胡燕

（廣東省自動化研究所）

0 前言

隨著全球能源供應(yīng)的日趨緊張，各種能源費用都呈上升趨勢，能耗成本在企業(yè)成本中所占比例越來越大。建立科學(xué)的能源監(jiān)控及管理模式，通過對企業(yè)能耗的自動化監(jiān)控、信息化管理，降低產(chǎn)品能源成本，對企業(yè)的經(jīng)營發(fā)展和提高經(jīng)濟效益具有重要意義[1]。國內(nèi)大型企業(yè)已普遍建立了企業(yè)能源管理中心，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中對水、電、氣等能源消耗的信息化管控與優(yōu)化配置，并取得了較好的節(jié)能效果。但是，占我國企業(yè)總量 95%以上的中小企業(yè)在能源管理信息系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)程上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于大型企業(yè)，其推廣應(yīng)用的主要障礙在于信息系統(tǒng)建設(shè)所需的資金和技術(shù)門檻較高，加上企業(yè)自身規(guī)劃缺乏系統(tǒng)性、需求不明確、現(xiàn)場基礎(chǔ)設(shè)施布局不合理等問題，進(jìn)一步加大了系統(tǒng)建設(shè)的難度和成本。

針對以上問題，本文提出一種將無線通信技術(shù)、組態(tài)技術(shù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)綜合應(yīng)用于設(shè)備節(jié)點動態(tài)組網(wǎng)、能源數(shù)據(jù)采集、管理及決策支持各個環(huán)節(jié)的能源管理系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案利用無線網(wǎng)絡(luò)無需鋪設(shè)通信電纜，可隨需動態(tài)組網(wǎng)的優(yōu)點及組態(tài)技術(shù)支持多種I/O設(shè)備、通信協(xié)議的特點，實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的動態(tài)采集和實時監(jiān)控，并應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對能源原始數(shù)據(jù)進(jìn)行二次挖掘應(yīng)用，為企業(yè)的合理用能提供科學(xué)的決策依據(jù)。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)靈活、成本低的特點，符合中小企業(yè)的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求及設(shè)計原則

能源管理系統(tǒng)是一種基于網(wǎng)絡(luò)、計算機等先進(jìn)信息技術(shù)的現(xiàn)代化能源管理平臺，可對企業(yè)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、處理、統(tǒng)計、查詢和分析，提供企業(yè)用能計劃、能耗核算及決策支持，實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能績效的科學(xué)管理和能源效率的持續(xù)改進(jìn)[2]。受前期現(xiàn)場基礎(chǔ)設(shè)施、資金預(yù)算等方面的約束，面向中小企業(yè)的能源管理系統(tǒng)具有其自身特點和需求，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時必須予以充分考慮。

(1) 系統(tǒng)建設(shè)成本需求。信息系統(tǒng)建設(shè)的資金和技術(shù)門檻較高，中小企業(yè)通常存在現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃不足、布局不合理的問題。復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)和大范圍基礎(chǔ)設(shè)施的改造將大幅增加系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本。方案設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇合理、適用的技術(shù)，避免或減少基礎(chǔ)設(shè)置的改造，減少軟硬件的前期投入，同時應(yīng)保證系統(tǒng)具有良好的擴展性，實現(xiàn)企業(yè)管理范圍的逐步擴大。

(2) 系統(tǒng)功能需求。在系統(tǒng)功能設(shè)計上，應(yīng)圍繞系統(tǒng)建設(shè)目的，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲等基本功能的基礎(chǔ)上，重點對能源信息管理及能耗原始數(shù)據(jù)的二次挖掘利用進(jìn)行功能設(shè)計和開發(fā)。

(3) 系統(tǒng)性能需求。能源管理系統(tǒng)是一套包括了軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、多種通信網(wǎng)絡(luò)的集成系統(tǒng)，涉及到能耗數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理、分析等多個環(huán)節(jié)。進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件選型時，應(yīng)盡可能采用成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，使系統(tǒng)具有優(yōu)良的設(shè)備兼容性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的中小企業(yè)能源管理系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)中心服務(wù)層和信息管理層，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集層包括能源計量儀表和無線數(shù)據(jù)采集裝置，采用RS485總線組網(wǎng)。無線數(shù)據(jù)采集裝置將能源計量儀表的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號打包成Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)包，并以TCP/IP包的形式發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)中心服務(wù)層由多種服務(wù)器組成，提供通信、組態(tài)、數(shù)據(jù)存儲、處理與顯示等應(yīng)用服務(wù)。數(shù)據(jù)中心服務(wù)層與數(shù)據(jù)采集層之間采用GPRS無線通信方式，現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集節(jié)點不需要鋪設(shè)通信電纜，配置方便靈活。

信息管理層是指用戶通過系統(tǒng)提供的顯示、查詢、分析功能實現(xiàn)對企業(yè)能耗數(shù)據(jù)的管理、監(jiān)控、分析和決策。

2 硬件系統(tǒng)

(1) 現(xiàn)場設(shè)備。根據(jù)各種現(xiàn)場需求的不同，現(xiàn)場設(shè)備主要包括模擬量輸出設(shè)備和數(shù)字量輸入/輸出設(shè)備。模擬量設(shè)備包括電表、流量計、壓力計、積算儀等計量儀表；數(shù)字量設(shè)備包括光電開關(guān)、繼電器、LED等開關(guān)設(shè)備。信號的采集主要通過將非電量轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA、1 V～5 V或毫伏級熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號[3]。現(xiàn)場設(shè)備以二線制RS485總線與數(shù)據(jù)采集控制單元相連接，模擬信號、開關(guān)狀態(tài)信號、控制信號分別連接到數(shù)據(jù)采集控制單元的 AI端口、DI端口和DO端口。

(2) 無線數(shù)據(jù)采集裝置。數(shù)據(jù)采集裝置下接現(xiàn)場設(shè)備、上接數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)能源數(shù)據(jù)的采集、計算和遠(yuǎn)程通信等工作，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的遙信、遙測及遙控，它的設(shè)計和選型對整個系統(tǒng)的功能、性能和建設(shè)成本起著重要的影響作用，是能源管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。

本系統(tǒng)所采用的無線數(shù)據(jù)采集裝置集成了數(shù)據(jù)采集模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，裝置采用片上資源豐富、處理速度快的 ARM 芯片作為處理器，集成了FLASH、SDRAM、RS485接口、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字量I/O模塊和GPRS模塊，實現(xiàn)了傳統(tǒng)RTU和DTU的無縫連接，具有性價比高、功耗低、采集與通信性能更加穩(wěn)定的優(yōu)點。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)量、狀態(tài)量的采集和向現(xiàn)場開關(guān)設(shè)備發(fā)送控制命令，再將這些信號以Modbus協(xié)議打包成數(shù)據(jù)包。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與能源管理中心的數(shù)據(jù)通信，通過GPRS無線傳輸?shù)姆绞竭h(yuǎn)程發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)并接收遠(yuǎn)程控制命令。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊內(nèi)部封裝PPP撥號協(xié)議以及TCP/IP協(xié)議棧，通過RS485接口與數(shù)據(jù)采集模塊相連接，將串行通信數(shù)據(jù)以TCP/IP包的形式發(fā)出，而將收到的TCP/IP數(shù)據(jù)包用串行通信的方式傳輸，完成相互間的透明轉(zhuǎn)換，而不需要改變原有的數(shù)據(jù)通信內(nèi)容[4]。無線數(shù)據(jù)采集裝置硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 無線數(shù)據(jù)采集裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

與常用的可編程控制器PLC采集方案相比，本系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)采集裝置采用高度集成的、更緊湊的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，簡化了系統(tǒng)集成工作、增加了系統(tǒng)的可靠性；采用無線通訊方式，不受現(xiàn)場環(huán)境限制，系統(tǒng)擴展方便靈活；采用通用的通信協(xié)議，可支持不同廠家的數(shù)據(jù)采集設(shè)備；具有主/從上傳和主動上傳兩種通訊方式，有效保證了數(shù)據(jù)的實時性和有效性。

(3) 系統(tǒng)服務(wù)器。系統(tǒng)服務(wù)器組包括數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及WEB服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器運行組態(tài)軟件，負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的接收、解析、能耗實時監(jiān)測等功能。數(shù)據(jù)服務(wù)器安裝 SQL Server數(shù)據(jù)庫軟件，建立實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、管理中心數(shù)據(jù)庫和主題數(shù)據(jù)倉庫，實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫用于存儲所采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)；管理中心數(shù)據(jù)庫用于存儲能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)，如能源計劃數(shù)據(jù)、能源實績數(shù)據(jù)；主題數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)來源于歷史數(shù)據(jù)庫和管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，在經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、整理后根據(jù)不同的分析主題建立多種數(shù)據(jù)集市，這些數(shù)據(jù)共同為管理系統(tǒng)能源計劃、管理、查詢、分析統(tǒng)計、數(shù)據(jù)挖掘、決策支持提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。應(yīng)用服務(wù)器上運行能源管理軟件，是整個能源管理系統(tǒng)的核心，提供能源計劃、實績管理、統(tǒng)計報表、決策支持等功能。WEB服務(wù)器用于提供WEB發(fā)布及網(wǎng)上信息瀏覽服務(wù)，用戶通過IE瀏覽器查看能源數(shù)據(jù)及統(tǒng)計報表。在實際的部署中可根據(jù)數(shù)據(jù)的采集量、處理量、系統(tǒng)性能等因素將多種服務(wù)合并在一臺或多臺服務(wù)器中。

3 軟件系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集軟件和能源管理軟件兩部分。數(shù)據(jù)采集軟件基于組態(tài)軟件的開發(fā)環(huán)境，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中心服務(wù)層與數(shù)據(jù)采集層之間的遠(yuǎn)程通信、實時能耗數(shù)據(jù)的采集和存儲。能源管理軟件基于面向?qū)ο蟮腣isual Studio .NET的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)企業(yè)基礎(chǔ)信息的信息化管理并提供個性化的能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和預(yù)測功能，能源管理系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件功能架構(gòu)圖

(1) 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

基于組態(tài)軟件的開發(fā)環(huán)境，具有良好的人機圖形界面、集成多種通信協(xié)議、支持多種I/O設(shè)備、開放的數(shù)據(jù)庫接口，預(yù)置了各種組態(tài)功能模塊，可方便、快速地實現(xiàn)系統(tǒng)集成，構(gòu)造不同行業(yè)、不同需求的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集軟件主要功能包括：① 參數(shù)配置：對設(shè)備識別號、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)采集周期、數(shù)據(jù)存儲周期、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)精度、報警閥值等數(shù)據(jù)通信相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；② 實時監(jiān)測：對企業(yè)能源消耗數(shù)據(jù)（水、電、油、燃?xì)狻⒄羝龋┻M(jìn)行實時監(jiān)控，并提供從概貌到具體的動態(tài)數(shù)字、圖形顯示；③ 異常報警：根據(jù)用戶需求對異常狀態(tài)和數(shù)據(jù)及時發(fā)出報警，并保存歷史報警的發(fā)生時間和內(nèi)容；④ 數(shù)據(jù)統(tǒng)計：根據(jù)日、周、月、季度、年等不同周期生成能源消耗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。能耗數(shù)據(jù)實時監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 能耗數(shù)據(jù)實時監(jiān)控界面

(2) 能源管理軟件設(shè)計

在傳統(tǒng)的能源管理中，信息組織與處理以分類數(shù)據(jù)統(tǒng)計為主，面對種類繁多的能源數(shù)據(jù)缺乏深層次的開發(fā)利用，缺少綜合性、分析性數(shù)據(jù)，不能滿足中上層管理決策人員對信息的查詢、分析和決策要求。本系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、鏈接分析處理技術(shù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將能源供需統(tǒng)計、能耗分析預(yù)測、能耗指標(biāo)管理等重要的決策支持功能應(yīng)用在企業(yè)能源管理系統(tǒng)中，為企業(yè)能源的科學(xué)管理和決策提供依據(jù)。

能源管理軟件基于面向?qū)ο蟮腣isual Studio .NET的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，提供了可視化設(shè)計開發(fā)工具箱、公共語言運行庫和龐大的公用代碼庫，可快速構(gòu)建Windows應(yīng)用程序、Web應(yīng)用程序、Web服務(wù)和其它各種類型的應(yīng)用程序，縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間和難度。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用SQL Server 2005，其引入了決策樹、管理規(guī)則、時間序列等算法模型，提供了聯(lián)機在線分析工具和簡單而豐富的API接口，具有易使用，可伸縮和可擴展性且價格便宜，特別適合中小企業(yè)信息化系統(tǒng)的應(yīng)用。

能源管理軟件的核心功能包括：① 多主題數(shù)據(jù)倉庫：對企業(yè)能耗的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡和拓展，提取有用數(shù)據(jù)與其它相關(guān)信息整合，建立包括能源計劃主題、能源供需主題、能源指標(biāo)主題等多種主題的能源管理數(shù)據(jù)倉庫，為企業(yè)能源的供需統(tǒng)計、消耗預(yù)測、指標(biāo)管理等提供依據(jù)和工具；② 系統(tǒng)信息管理：對企業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化管理，包括按照區(qū)域、部門、車間、設(shè)備劃分的多層次管理；能源種類、屬性、價格的管理；不同時間段生產(chǎn)班次的管理等；③ 能耗指標(biāo)管理：制定設(shè)備能耗指標(biāo)、單位產(chǎn)品能耗指標(biāo)等各類能源在生產(chǎn)過程中的標(biāo)準(zhǔn)能耗值作為能源監(jiān)測的基準(zhǔn)能耗指標(biāo)；④ 統(tǒng)計分析與預(yù)測：針對不同的生產(chǎn)工序、產(chǎn)品建立能源消耗數(shù)據(jù)集市，按能源介質(zhì)種類、時間、車間等維度構(gòu)建數(shù)據(jù)視圖，應(yīng)用橫向?qū)Ρ确治觥⒖v向趨勢分析、變動因素分析、切片鉆取分析等多種分析方法，對實際能耗與基準(zhǔn)能耗指標(biāo)進(jìn)行對比分析及趨勢預(yù)測，以圖形與表格相結(jié)合的方式，多角度展示數(shù)據(jù)，包括不同級別、不同周期的能耗統(tǒng)計、能耗對比分析、成本分析與考核、節(jié)能績效分析、能耗趨勢預(yù)測等；⑤ 報表管理中心：具有報表模板自定義功能，用戶可根據(jù)習(xí)慣、喜好定制不同展現(xiàn)形式和風(fēng)格的報表模板，滿足個性化的報表需求，報表支持EXCEL和PDF格式導(dǎo)出，用戶可方便的進(jìn)行編輯和打印。能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與預(yù)測如圖5所示。

圖5 能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與預(yù)測

4 結(jié)束語

基于無線技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)具有節(jié)點配置簡單、組網(wǎng)靈活的優(yōu)點，可根據(jù)管理按需擴展、動態(tài)組網(wǎng)；系統(tǒng)功能方面，在實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測、存儲、查詢、統(tǒng)計等基本功能的基礎(chǔ)上，增加了能耗指標(biāo)管理、產(chǎn)品成本核算、多維度數(shù)據(jù)分析等豐富的能源管理功能。面向中小企業(yè)的能源管理系統(tǒng)在降低企業(yè)能源管理系統(tǒng)建設(shè)資金和技術(shù)門檻的同時，能有效地為企業(yè)的管理和技術(shù)人員提供決策支持，幫助中小企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能績效的科學(xué)管理及能源效率的持續(xù)改進(jìn)。

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