基于物聯(lián)網(wǎng)制造企業(yè)電能綜合監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要： 能源監(jiān)控是制造企業(yè)實(shí)施生產(chǎn)精益化與智能制造的重要內(nèi)容。針對稀有金屬加工制造企業(yè)生產(chǎn)與裝備特點(diǎn)，研究基于物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)電能綜合監(jiān)控系統(tǒng)，提出系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和系統(tǒng)軟件構(gòu)成，采用電能計(jì)量表、智能網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)進(jìn)行電能數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息采集，以太網(wǎng)、光纖環(huán)網(wǎng)組成傳輸網(wǎng)絡(luò)；運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建電能預(yù)測模型，設(shè)計(jì)ADO組件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與處理。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了制造企業(yè)電能計(jì)量與統(tǒng)計(jì)分析、電能預(yù)測平衡監(jiān)控、用電負(fù)荷與節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行，提高企業(yè)電能有效利用和能源綜合監(jiān)控水平，具有典型的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 制造企業(yè)； 物聯(lián)網(wǎng)； 電能監(jiān)控； 電能預(yù)測模型

中圖分類號： TN926?34； TP277； TF355 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）16?0159?04

Abstract： The energy monitoring is an important content to implement the lean production and intelligent manufacturing of the manufacturing enterprises. Aiming at the characteristics of production and equipment of the rare metals processing and manufacturing enterprises， the enterprises’ electric energy integrated monitoring system based on Internet of Things （IOT） is researched. The IOT?based system architecture and software composition are proposed. The electric energy meter， intelligent gateway and network camera are used to collect the electric energy data and status information. The Ethernet and optical fiber ring network are adopted to form the transmission network. The BP neural network is used to construct the electric energy prediction model. The ADO component was designed to perform data exchange and processing. The system can realize the electric energy metering and statistical analysis， balance monitoring of electric power forecast， and electrical load and energy saving optimal operation of the manufacturing enterprises， improve the enterprise’s electric energy effective utilization and energy comprehensive monitoring level， and has a typical application value.

Keywords： manufacturing enterprise： Internet of Things： electric energy monitoring； electric energy prediction model

0 引 言

隨著“工業(yè)4.0”與“中國制造2025”快速推廣，智能制造已成為制造加工企業(yè)升級的關(guān)鍵。基于物聯(lián)網(wǎng)[1?2]大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)制造精益化，制造加工企業(yè)通過收集生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)設(shè)備診斷、質(zhì)量控制、用電量、能源消耗等進(jìn)行分析、預(yù)測與優(yōu)化。制造企業(yè)的能源監(jiān)測與管控系統(tǒng)已成為當(dāng)前技術(shù)熱點(diǎn)，Swords等人開發(fā)了基于電能建模軟件與企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫集成的能源信息系統(tǒng)[3]，田豐研究了全集成自動(dòng)化的能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)[4]，文獻(xiàn)[5?6]研究了鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)及能耗預(yù)測模型。稀有金屬制造加工企業(yè)是耗能大戶，以電能消耗為主，電能費(fèi)用在生產(chǎn)成本中占極大比重[7]，電能綜合監(jiān)控系統(tǒng)研究鮮見報(bào)道[8]。

結(jié)合西部超導(dǎo)材料科技有限公司生產(chǎn)及裝備特點(diǎn)，研究基于物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)電能綜合監(jiān)控系統(tǒng)，提出系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架和系統(tǒng)軟件構(gòu)成，通過以太網(wǎng)和光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場電能數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建電能預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)電能監(jiān)控、動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)分析與綜合管理。

1 電能綜合監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

西部超導(dǎo)材料科技有限公司是稀有金屬材料制造加工企業(yè)，下轄熔鑄、鍛造、棒線絲材及設(shè)備動(dòng)力等分廠，按照生產(chǎn)工序分布在公司不同位置，主要用能設(shè)備有選布料機(jī)、大型油壓機(jī)、真空自耗電弧爐、電加熱爐、鍛造機(jī)、精鍛機(jī)、冷熱軋機(jī)、滾模拉絲機(jī)等，能源監(jiān)控以生產(chǎn)動(dòng)力部為中心。

結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)工藝過程分散、電能消耗以主體設(shè)備為主的特點(diǎn)，構(gòu)建企業(yè)電能綜合監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

（1） 電能數(shù)據(jù)采集層。電能計(jì)量表采用威勝DTSD341，實(shí)時(shí)采集主要用能設(shè)備和關(guān)鍵部位電能數(shù)據(jù)，通過智能網(wǎng)關(guān)威勝WEGW?1000S集中各電能計(jì)量表數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用海康威視DS?2CD892PF采集關(guān)鍵部位和重點(diǎn)設(shè)備視頻圖像信息。

（2） 網(wǎng)絡(luò)傳輸層。采用以太網(wǎng)線、光纖為傳輸介質(zhì)，光纖收發(fā)器HTB?4100A/B、千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)TP?LINK TL?SG1008構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

（3） 管理決策層。管理決策以生產(chǎn)動(dòng)力部為中心，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器選配聯(lián)想TS?540，視頻服務(wù)器選配海康威視IDS?6002HF，電能監(jiān)控主機(jī)與Web服務(wù)器選用研華IPC?610H，視頻監(jiān)控主機(jī)選用聯(lián)想T4900，同時(shí)配備大屏顯示器，實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、遠(yuǎn)程監(jiān)視監(jiān)控以及綜合管理等功能。

2 電能綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能組成

電能綜合監(jiān)控系統(tǒng)基于B/S結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)軟件功能，包括基礎(chǔ)信息管理、數(shù)據(jù)采集與通信、監(jiān)視監(jiān)控以及統(tǒng)計(jì)分析4大功能模塊，系統(tǒng)功能組成如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)功能概述

（1） 基礎(chǔ)信息管理。用能單位管理進(jìn)行用能單位、用能設(shè)備、位置、性質(zhì)建立檔案與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫；用戶管理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)使用者的注冊、添加與刪除、權(quán)限設(shè)置以及密碼修改等功能；系統(tǒng)信息維護(hù)是管理員進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)配置、用能單位和用戶數(shù)據(jù)修改與刪除、用戶權(quán)限分配與修改等功能。

（2） 數(shù)據(jù)采集與通信。電能計(jì)量數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)電流、電壓、電能等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)量；用能與計(jì)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)用能與計(jì)量設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和錄入，重點(diǎn)用能設(shè)備工作時(shí)，計(jì)量設(shè)備屬性、特性及檢修計(jì)劃等記錄、查詢和統(tǒng)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)通信管理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信方式選擇、參數(shù)配置、故障檢測、報(bào)警等功能。

（3） 電能監(jiān)視監(jiān)控。電能與設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)主要設(shè)備電能負(fù)荷、設(shè)備狀態(tài)、工序生產(chǎn)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)視監(jiān)控和遠(yuǎn)程調(diào)度控制；電能預(yù)測平衡監(jiān)控利用企業(yè)電能預(yù)測模型進(jìn)行生產(chǎn)過程電能需求、優(yōu)化排產(chǎn)、電能避峰填谷動(dòng)態(tài)監(jiān)控。用電負(fù)荷控制與優(yōu)化運(yùn)行根據(jù)負(fù)荷分布圖自動(dòng)合理分配負(fù)荷消耗，優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備、運(yùn)行時(shí)段和用電降峰控制。

（4） 電能統(tǒng)計(jì)分析。電能統(tǒng)計(jì)分析實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間不同用能單位和用能設(shè)備、不同時(shí)段同一用能單位和用能設(shè)備的電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與趨勢分析，公司總電能量、重點(diǎn)設(shè)備電能量統(tǒng)計(jì)與分析；節(jié)能效果分析提供公司、用能單位、重點(diǎn)用能設(shè)備節(jié)能同比、環(huán)比以及趨勢分析，提供節(jié)能措施指導(dǎo)與建議；電能實(shí)際考核提供用能單位、重點(diǎn)設(shè)備生產(chǎn)和輔助電能消量，按日、月、年成本核算和考核；電能報(bào)表、圖表管理提供公司、用能單位、重點(diǎn)用能設(shè)備電能量報(bào)表、柱狀圖、餅狀圖、曲線圖顯示，以及動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)記錄、查詢和統(tǒng)計(jì)。

3 電能綜合監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)

采用力控ForceControl V7.0組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺，開發(fā)數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)與上位通信協(xié)議驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)場電能數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫輸入力控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，通過設(shè)計(jì)的ADO組件與SQL Server關(guān)系數(shù)據(jù)庫連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存、分析及關(guān)系數(shù)據(jù)庫的控制。電能預(yù)測模型調(diào)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行企業(yè)生產(chǎn)電能預(yù)測，現(xiàn)場圖像視頻通過視頻監(jiān)控軟件輸入視頻數(shù)據(jù)庫存儲、分析，通過視頻控件與力控平臺軟件連接，并實(shí)時(shí)嵌入到監(jiān)控中。在力控組態(tài)軟件上開發(fā)了多用戶人機(jī)界面，軟件采用B/S模式實(shí)現(xiàn)多用戶發(fā)布與遠(yuǎn)程操作，以及與公司ERP和OA系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。電能綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件構(gòu)架，如圖3所示。

3.2 企業(yè)電能預(yù)測

（1） 電能預(yù)測模型的建立。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[9]構(gòu)建企業(yè)產(chǎn)量與電能量關(guān)系的電能預(yù)測模型。確定該企業(yè)影響產(chǎn)量與電能關(guān)系的因子為：月份，上月計(jì)劃生產(chǎn)量，上月實(shí)際生產(chǎn)量，上月計(jì)劃電能量，上月實(shí)際電能量，本月計(jì)劃生產(chǎn)量，本月實(shí)際生產(chǎn)量，本月計(jì)劃電能量，本月實(shí)際電能量，下月計(jì)劃生產(chǎn)量；下月電能預(yù)測量作為輸出信息節(jié)點(diǎn)；采用試湊法[10]確定隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為5，利用2013—2014年數(shù)據(jù)對電能預(yù)測模型進(jìn)行訓(xùn)練。

（2） 預(yù)測結(jié)果分析。以2015年各月的輸入層信息節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)作為電能預(yù)測模型檢測樣本，對1～12月企業(yè)實(shí)際電能量與模型預(yù)測電能量進(jìn)行驗(yàn)證及分析[11]，實(shí)際電能量與預(yù)測電能量結(jié)果對比，如表1和圖5所示。

由表1和圖5可知，預(yù)測量最小相對誤差為1.02%，最大相對誤差為4.63%，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對2015年企業(yè)用電能量的預(yù)測量與實(shí)際用電能量基本吻合。

3.3 數(shù)據(jù)交換與處理

智能網(wǎng)關(guān)與電能計(jì)量表之間數(shù)據(jù)采集遵循DLT/645?2007通信規(guī)約。智能網(wǎng)關(guān)與力控組態(tài)軟件平臺之間數(shù)據(jù)交換采用雙主站模式，且遵循ModBus（TCP/IP）及住建部導(dǎo)則兩類通信協(xié)議，系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換與處理方式，如圖6所示。

通過ADO組件建立力控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與SQL Server關(guān)系數(shù)據(jù)庫連接，實(shí)現(xiàn)兩數(shù)據(jù)庫間數(shù)據(jù)交換，并進(jìn)行創(chuàng)建或修改數(shù)據(jù)表以及更新、刪除、添加數(shù)據(jù)等操作。執(zhí)行預(yù)先編寫好的數(shù)據(jù)分類、處理等SQL語句，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫與后臺數(shù)據(jù)處理，完成電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。

4 結(jié) 論

基于物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)電能綜合監(jiān)控系統(tǒng)在西部超導(dǎo)材料有限公司已投入運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：提出的企業(yè)電能綜合監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和軟件系統(tǒng)構(gòu)架能夠?qū)崿F(xiàn)制造加工企業(yè)生產(chǎn)過程電能計(jì)量、監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)、分析；采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建企業(yè)電能預(yù)測模型，對企業(yè)生產(chǎn)過程電能負(fù)荷需求與分配、優(yōu)化排產(chǎn)、電能避峰填谷動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)、設(shè)備與節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行；該系統(tǒng)可與企業(yè)ERP管理系統(tǒng)、OA辦公系統(tǒng)無縫集成和協(xié)調(diào)工作，可進(jìn)一步提高企業(yè)電能整體利用效率，有效提高能源綜合管理水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程精益化與智能制造，具有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張乃祿，李永進(jìn)，張玉祥，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的加油站綜合信息監(jiān)控系統(tǒng)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，28（6）：103?107.

[2] 張乃祿，李立波，祁宗全，等.基于信息融合的富錳渣生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)及應(yīng)用研究[J].冶金自動(dòng)化，2015，39（4）：52?57.

[3] SWORDS B， COYLE E， NORTON B. An enterprise energy information system [J]. Applied energy， 2008， 85（1）： 61?69.

[4] 田豐.基于全集成自動(dòng)化的能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（5）：97?100.

[5] 蔣育翔，黃全福，洪小和.基于鋼鐵企業(yè)能源特點(diǎn)及相互關(guān)系的能源管理信息系統(tǒng)的研究[J].冶金自動(dòng)化，2011，35（2）：18?23.

[6] 劉川來，郭坤.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測技術(shù)在企業(yè)能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，34（2）：203?206.

[7] 馮為民，叢力群.冶金企業(yè)能源管理系統(tǒng)[J].控制工程，2005，12（6）：597?600.

[8] 胡江溢，祝恩國，杜信綱，等.用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38（2）：131?135.

[9] KALOGIROU S A， BOJIC M. Artificial neural networks for the prediction of the energy consumption of a passive solar building [J]. Energy， 2000， 25（5）： 479?491.

[10] 張有山，李光遠(yuǎn)，邢軍，等.企業(yè)電能耗的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型[J].遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，37（4）：343?349.

[11] 謝燕麗.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法在有色金屬企業(yè)能源管理中的應(yīng)用[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2014.