能源管理數據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。日常中對現場各處能源數據進行采集、歸納、分析，確保安全連續和經濟的供應，是能源管理中的重要任務之一。但工業生產中，能源介質管網將遍布整個公司各個車間，線路長，輸配要求高，現場計量儀表分散，傳統的數據采集方式是人工去往各計量點現場定時檢錄，費時費人工，同時對能源數據的實時性和連續性無法檢測，無法及時的發現能源供應的問題。因此，應通過搭建能源數據采集平臺，對現場實時數據進行遠程采集，實現能源數據的實時信息收集、計量設備監控、數據異常報警等功能，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的安全、可靠、穩定、經濟。

2 系統整體規劃

數據采集平臺的搭建，需在整體上考慮系統的可靠性、兼容性及安全性。整個系統分為三部分：RTU數據采集設備、能源數據傳輸網絡、上位機綜合監控軟件/數據庫軟件。RTU數據采集設備用于現場終端能源計量設備的數據采集,能源數據傳輸網絡用于采集后的數據傳輸到服務器, 上位機綜合監控軟件/數據庫軟件用于實現數據存儲、整理、歸納、和導出。整體上既要考慮數據采集的準確性，又要考慮數據傳輸的實時性，同時要兼顧最終數據存儲的安全性。

2.1 RTU數據采集設備

現代工廠現場環境復雜，所以要求現場采集設備需要工業級選型，能適應復雜的工業環境，支持全溫區工作范圍（-10～60℃），部件采用特殊處理，可抵抗腐蝕性氣體，適用于高海拔區域；系統具有高可靠的環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、串口等標準接口，支持Modbus-RTU、Modbus-TCP等標準協議。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。現場采集模塊通道數為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，上位機能通過網絡對現場所有設備進行遠程編程、監控及管理。在設計時，根據現場能源計量點的位置，設計采集箱，采集附近能源數據，再通過以太網進行數據上傳。

2.2 能源數據傳輸網絡

RTU數據采集設備采集的能源數據，通過能源數據傳輸網絡上傳到服務器進行保存，編輯，網絡的合理架設，決定了整體數據的準確性及完整性。與一般網絡不同，能源網絡數據傳輸量并不大（相對而言），100M以太網已經完全滿足數據傳輸要求，但是對整個網絡設備的穩定性及適應性要求相對較高，建議采用工業級的網絡交換機，采用接入層交換機即可，并能實現在機房的遠程管理。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，用光纖進行網絡連接，實現數據傳輸。由于數據平臺需要與管理平臺或外網對接，因此在網絡設計中，安全問題必須重點考慮。在服務器上，需安裝企業級的軟件防火墻；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，實現各接入控制系統的網絡隔離；在數據服務器上裝雙網卡，保證管理網與采集網的隔離；在接入公司局域網時，裝置硬件防火墻，實現硬件隔離。合理的網絡架設不僅可以保證系統的安全，準確的運行，同時也能大大降低施工成本。

2.3 上位機綜合監控軟件/數據庫軟件

上位機綜合監控軟件/數據庫軟件是數據采集平臺的最終成果展示，所有數據的呈現、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，可以監視遠程節點的所有數據點；支持基于WEB方式的過程圖，可以將組態畫面直接發布到Web門戶上；數據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中的歷史數據；實時歷史數據庫的數據采集器應支持存儲轉發功能，當采集器和服務器發生網絡中斷時，數據采集器應能自動緩存數據到本地硬盤，一旦恢復通訊后，應能自動將緩存數據發送到實時歷史數據庫，保證數據不丟失。它主要要實現以下功能。

2.3.1 數據實時監控

實現用戶對能源數據的實時監視，給用戶提供動態的能耗變化數據，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、年報表等數據整理功能，并能打印輸出。用戶可以通過多種方式進行模糊查詢，根據測點實時采集數據的穩定性和連續性判斷測點是否正常，及時發現有問題的測點，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，區別顯示。

2.3.2 實時/歷史趨勢監控

實現對能源數據歷史趨勢的查閱。趨勢圖能夠顯示出某一段時間數據變化的情況。實時趨勢能夠反映出當前的數據變化情況，歷史趨勢的數據從歷史數據庫中取出，能夠查看任何時間段數據的變化情況。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發布

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

2.3.4 開放數據接口

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

以上為能源數據平臺搭建的整體思路，以我公司數據采集平臺為例，需要采集的能源數據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據采集，總變電站高配電氣能源數據采集。我公司現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+日本橫河MW100數據采集器的方式，具體配置如表1～5。

能源傳輸網絡采用底層網絡接入，遠程光纖傳輸，采用的是H3C網絡交換機S1024R。同時配置力控ISG-SC202防火墻。數據采集服務器及SCADA服務器均采用三網卡，并安裝金山殺毒軟件企業版。

上位機綜合監控軟件/數據庫軟件采用浙大中控PIMS-Basic及 PIMS-RTDB-S0C(0．5W)數據庫軟件。最終實現了全廠能源數據遠程采集，實時監控，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