面向煙草行業的能源監控系統設計與應用

孫健　劉驍　林碩

摘要：在煙草行業，能源系統保證煙草生產的穩定和高效率運行，能源消耗成本在煙草生產成本中占比很大，直接影響企業的經濟效益。該文對煙草行業能源進行分析，基于“互聯網+”新技術，對能源信息采集、能源監控、能源管控、能源分析進行流程優化，設計并研發了能源監控系統，該系統已在某煙草企業應用，應用結果證明能有效提升煙草行業的能源管控。

關鍵詞：“互聯網+”;能源監控;流程優化

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）09-0103-03

煙草行業的信息化建設經過多年的努力，已取得顯著成效，建設了許多信息化系統，包括：MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統），負責制絲、卷煙車間生產;ERP（Enterprise Resource Planning，企業資源計劃）負責卷煙生產計劃及銷售計劃等;EMS（Energy Management System，能源管理系統）負責煙草企業動力能源管控等。

EMS（Energy Management System，能源管理系統）是保障卷煙生產穩定、高效運行的關鍵，能源指標直接決定著卷煙質量，能耗指標直接影響卷煙成本，做好能源管理，對于煙草行業至關重要[1]。

煙草企業的動力能源主要指水、電、水蒸氣、天然氣、空壓氣等能源，這些資源的分布區域涵蓋區域大，遍布于整個廠區，數量多，其中電能控制點成百上千。煙草行業的能源特點，在一定程度上加大了能源監控系統的設計與應用。

在經過大量調研的基礎上，結合新一代信息技術，依托于“互聯網+”和人工智能、物聯網、5G等新技術力量，設計和研發了一套新的能源監控系統，該系統能有效提高煙草行業的能源管控水平[2]。

1 應用背景

本系統是以某一卷煙企業為應用背景，實施范圍為生產區域，包括制絲、卷包、動力三個車間。

1.1 能源類型

卷煙企業的能源類型為水資源、電力資源、空壓氣、水蒸氣、天然氣能源。

1.2 能源分布情況

能源分布除制絲、卷包、動力三個車間外，還包括辦公區域。其特點包括：能源分布范圍廣、分散，能源控制點數量多。

1.3 網絡情況

主干網絡為工業級千兆光纖以太環網，配備千兆級交換機和無線AP（Access Point，AP）。該企業的網絡環境能有效保證對接各個能源控制點。各能源設備具備與MODBUS聯通能力[3]。

經上述分析，可得出如下結論：

該企業具備良好的數采條件和網絡聯通條件。

數采點多，呈分散化，分布范圍廣，因而采集能源數據量大，能源監控難。

采集信號響應實時性困難。

數據實時存儲，數據實時呈現難度大。

2 核心技術介紹

2.1 數據采集

面向煙草行業的能源監控系統數據采集是指采集卷煙生產過程中所需的能源類型，包括水資源、電力資源、空壓氣、水蒸氣、天然氣能源等資源進行數據采集，通過對各個能源設備工作和運行時的狀態數據，對閾值、累計值等關鍵數據進行監視與控制，以保證卷煙生產為處于正常、合理的能源環境。數據采集范圍為動力車間、制絲車間和卷包車間。數據采集設備包括空壓控制系統、換熱控制系統、中水處理控制系統、鍋爐控制系統、燃油燃氣控制系統、軟化水控制系統、真空控制系統、除氧控制系統、能源計量監控系統、空調控制系統等。

能源數據瞬息萬變，因而保證數據不丟失，實時性存儲是一個關鍵性指標。實時性的考量標準包括能源設備傳感器與PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）的對接、PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）到工業網絡，工業網絡到以太網的互聯互通、實時數據存儲。其技術標準設計如下：

能源設備傳感器與PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）對接：面向煙草行業的能源設備傳感器類型包括溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等，其工作原理可分為電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等。傳感器與PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）的對接形式表現為物理信號傳輸到PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）。因而傳感器與PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）的對接其考核標準在于PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）。基于上述分析，PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）除具備基本的功能外，還需要支持臨時存儲、模塊可擴展，協議除包括RS232、RS485，還需支持4G、5G、WIFI、GPRS、藍牙等，在內核上采用當前最先進的嵌入式實時（run-time）內核系統，實時性和處理能力很強。

PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）到工業網絡，工業網絡到以太網的互聯互通。該指標的互聯互通依靠工業數據總線支撐。工業數據總線是工業自動化中底層數據的通信網絡。常用的工業現場總線包括：PROFIBUS，是程序總線網絡（PROcess Field BUS）的簡稱，在2006年PROFIBUS也成為中華人民共和國的機械工業GB/T20540-2006;MODBUS是一種串行通信協議，已經成為工業領域通信協議的業界標準（De facto），并且現在是工業電子設備之間常用的連接方式。此協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。許多工業設備，包括PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器），DCS（Distribute Control System，分布式控制系統），智能儀表等都在使用MODBUS協議作為他們之間的通訊標準。以某一卷煙廠企業特點進行分析，相比于PROFIBUS，MODBUS協議更適合該企業。

實時數據存儲：面向煙草行業的能源監控系統數據采集對數據的實時存儲、穩定性等指標有著很高的要求。數據庫按類型可劃分為關系數據庫和非關系數據庫。從工業應用的角度考慮，選定為關系數據庫。關系數據庫對于管理類的信息系統，其在數據存儲和檢索上，很方便、快捷。但對于數據采集、實時監控類的應用系統來說，其在數據響應和處理速度則無法支撐。實時數據庫的出現是適應實時工業控制的需要。實時數據庫的處理速度一般為關系數據庫的10～20倍，實時數據庫的存儲介質是內存，而關系數據庫的存儲介質是磁盤。實時數據庫中的數據存入磁盤保存即歷史數據。從煙草行業的信息化角度考慮，既需要考慮實時數據采集、實時控制的工業需要，同時也要考慮信息管理的需要，二者是不可分離的，實時數據轉存為歷史數據后，需要集成到關系數據庫中。因而在實時存儲選擇為基于關系數據庫基礎上的實時數據庫。

2.2 數據湖

隨著面向煙草行業的能源監控系統的實施，會形成海量的能源數據，對海量數據進行分析和挖掘，有利于實現能源監控預警、合理地利用能源、降低生產能耗。

數據湖的理解比較抽象，Pentaho 的首席技術官 James Dixon 對“數據湖”進行了介紹。之所以將其稱為湖，是因為這種數據庫可以在自然狀態下存儲大量數據，就像一片未經過濾或包裝的水體。數據從多種來源流入湖中，然后以原始格式存儲。

面向煙草行業的能源監控系統從業務應用只是考慮數據采集和數據展示，則過于表面化，其應用價值則會大打折扣。合理地利用能源數據，進行分析、預警，則是能源監控系統的真正價值所在。數據湖技術則是實現這一價值的關鍵支撐。

2.3 服務網格

隨著新一代信息技術的發展，物聯網、云計算等新技術，推動著制造業系統升級，煙草行業一直是制造業數字化、自動化、智能化的先行者。隨面向煙草行業的能源監控系統在軟件設計上也需要考慮這一關鍵點。

軟件架構技術的經歷了從面向過程、面向對象、面向服務到當下最流行的面向微服務的發展歷程。面向微服務的軟件架構是實現企業上云的架構首選。微服務的軟件架構是將功能更加細化、模塊化，輕量級，跨平臺、更適用于高并發的分布式平臺，易于開發、維護和部署。但如果面向大型企業應用，微服務的數量將是龐大的，其管理難度將隨著數量的增多而變得不可控制。服務網格的架構理念，則是針對這一難題應運而生。服務網格核心架構包括服務注冊、服務發現、服務提供者、服務消費者、服務管理、客戶端負載均衡、熔斷等機制，因而實現微服務的自動化管理。

2.4 圖表技術

面向煙草行業的能源監控系統的信息展示需要考慮美觀、直觀、穩定。BizCharts是阿里通用圖表組件庫，致力于打造企業中后臺高效、專業、便捷的數據可視化解決方案，基于 G2與G2Plot封裝的React圖表庫，已經歷阿里復雜業務場景長達三年的洗禮，在靈活性、易用性、豐富度上滿足常規圖表和高度自定義圖表的業務實現。

3 面向煙草行業的能源監控系統架構設計

面向煙草行業的能源監控系統架構設計分為兩個部分：網絡拓撲架構設計和能源監控系統架構設計。依據設計原則包括：先進性、可擴展、安全性等。遵循的標準包括電器標準和軟件工程標準。

面向煙草行業的能源監控系統設計實施范圍為制絲車間、卷包車間、動力車間，聯網設備包括：空壓控制系統、換熱控制系統、中水處理控制系統、鍋爐控制系統、燃油燃氣控制系統、軟化水控制系統、真空控制系統、除氧控制系統、能源計量監控系統、空調控制系統等[4]。

面向煙草行業的能源監控系統網絡架構設計分為三層：存儲層、網絡層和設備層。設備層架設PLC站點，實現數據采集和控制。各站點遵循Modbus RTU協議，與工業總線互聯。網絡層采用先進的PROFINET/SCALANCE，架設千兆級光纖工業環網，以保障數據實時通訊。存儲層采用歷史庫和關系庫，采用archivelog mode方式支持雙機熱備份，以保證數據不丟失。

面向煙草行業的能源監控系統網絡設計如圖1所示。

面向煙草行業的能源監控系統軟件架構設計采用當下最先進的服務網格設計方法，更加輕量級、跨平臺，更適用于高并發的分布式平臺，易于開發、維護和部署，可支持系統上云。

該架構設計具備以下優點：

支持分布式配置管理：支持配置外部化，配置信息可實時更改。

支持消息驅動：基于 Spring Cloud Stream 為微服務應用構建消息驅動能力。

支持分布式調度：提供秒級、精準、高可靠、高可用的定時（基于 Cron 表達式）任務調度服務。同時提供分布式的任務執行模型，如網格任務。

支持熔斷。

支持軟件層的負載均衡和服務器端的負載均衡，支持削峰、削峰添谷等。

支持上云。

前棧和后棧分離，支持組件化開發和動態部署。

采用當下主流的圖表控件，如ECHART等，支持能源監控多樣呈現模式，包括折線圖、柱狀圖、箱形圖、雷達圖、散點圖、三維圖、儀表盤等，方便用戶對數據進行分析[5]。

支持多應用動態部署，支持數據分析等應用動態集成。

面向煙草行業的能源監控系統軟件架構設計如圖2所示：

4 面向煙草行業的能源監控系統模塊設計

面向煙草行業的能源監控系統模塊設計包括6個核心功能：能源綜合監控、設備管理、能源報警、能耗分析、數據采集和能耗績效考核。如圖3所示。

能源綜合監控：以圖形化形式，包括折線圖、柱狀圖、箱形圖、雷達圖、散點圖、三維圖、儀表盤等，實現能源監控的可視化[6]。涵蓋制絲車間、卷包車間、動力車間。主要功能包括：工藝圖顯示、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線等。

設備管理：實現對數據采集站點、控制系統等信息進行管理。對PLC標簽、所處設備、設備位置、對應的PLC 站點、對應的功能、能耗類型等信息進行全方位的維護。

報警：對能耗類型進行信息化管理，對各種能耗的報警閾值進行管理，對能源使用情況進行實時監控，并進行超限預警，對設備故障進行報警。

能耗分析：對能源信息進行大數據分析，為能耗預警等提供支持。

數據采集：對PLC進行數據讀寫，PLC數據上傳等。

能耗績效考核：依據能耗計劃信息對能耗使用情況進行考核，生成能耗報表，建立能耗考核標準。

5? 面向煙草行業的能源監控系統應用

面向煙草行業的能源監控系統模塊已在某卷煙生產廠應用，實現了對能源的精益化管理[7]。精益化管理主要體現為兩個方面：能耗分析和能源監控。

5.1 能耗分析

能耗分析支持全廠、各車間、各設備的日、月、年耗能統計。支持臺賬、支持各指標對比、支持消耗趨勢、支持消耗分布。如圖4所示：

5.2 能耗監控

能耗監控主要表現為設備狀態監控、能耗超限監控。設備狀態監控，通過對電流的監控，反映設備運行情況，設備的不同狀態，在監控界面以不同顏色的氣泡標識，并具備實時短信通知功能。能耗超限監控，對能耗的瞬時流量和日、月的消耗總量進行監控，進行預警和報警，并將報警信息實時短信通知相關管理人員。監控的控制系統包括：空壓控制系統、真空控制系統、燃油燃氣控制系統、中水軟化控制系統等，監控界面如圖5所示：

6 結束語

本文通過對某卷煙廠的能源情況進行調研，并借鑒當前主流能源監控系統，以提升卷煙廠能源精益管理為指標，設計和研發了面向煙草行業的能源監控系統，該系統已在該卷煙廠應用，取得顯著的效果，有效降低企業能耗，實現能源精益化管理。

參考文獻：

[1] 劉季.卷煙生產物流“互聯網+”的探索[N].東方煙草報，2019-10-19（2）.

[2] 朱敏.卷煙企業能源與環境信息系統的建立與應用[D].青島：青島大學，2012.

[3] 劉振奎.煙廠能源管理與信息監控系統平臺的開發應用[J].現代工業經濟和信息化，2017，7（10）：100-101.

[4] 吳聰.統計過程控制方法及應用研究[D].濟南：山東大學，2012.

[5] 孫勇.統計過程控制方法在汽車配件行業的應用研究[D].武漢：華中科技大學，2005.

[6] 朱磊.重慶煙廠能源綜合管理系統的研究與設計[D].重慶：重慶大學，2009.

[7] 王慧，徐躍明，韓志輝，等.卷煙生產企業能源管理系統開發與應用[J].節能，2012，31（9）：12-16，2.

【通聯編輯：梁書】