番茄加工全流程能耗監測與可視化平臺設計

王軍宏，閆文斌，李 鵬，梁晉輝

（1.新疆天番食品科技有限公司，新疆維吾爾自治區 焉耆 841100；2.石河子大學機械電氣工程學院，新疆維吾爾自治區 石河子 832000）

隨著消費者對番茄制品需求的增加，我國番茄制品產業快速發展，企業的市場競爭壓力越來越大，而提高產品質量和降低生產成本依舊是企業贏得市場的關鍵[1-2]。番茄加工全流程涉及使用水、電、蒸汽等能源，且消耗大，能耗成本占到產品生產總成本4%以上。為此，新疆天番食品科技有限公司針對番茄加工工藝耗水量大、循環利用率低等問題，優化改造廢水回用工藝，為企業節省約25%的用水量[3]；針對番茄前處理工藝存在的用水協調度低、原料損耗大的問題，對番茄前處理過程控制進行自動化改造，有效打通物料交售、水力輸送、多級清洗、廢水回用、能源轉換等多環節的工藝流程控制，使單位產品耗電量同比下降了14.63%，平均料耗比同比降低了8.76%[4]。本文根據番茄深加工全流程各個用能環節的特性和條件，設計開發了番茄加工全流程能耗監測與可視化平臺系統，減少了能源損失，有效降低了企業生產成本[5]。

1 番茄加工能源管理現狀分析

番茄加工全流程包括番茄原料的接收入場、清洗、初步加工、生產、加工處理、包裝和出庫等環節，其消耗的能源主要是水、電、蒸汽。目前工廠的5 條生產線共用一個市政給水入戶總表，生產線后段各工序供電較分散，且不具備數采條件，電量統計核算較難，需進行升級改造。目前能耗統計報表只統計了每日用電總量和辦公樓、食堂用電量。蒸汽計量采用差壓流量計，具有數據接口，具備數據采集條件，能統計每日低壓蒸汽用量、高壓蒸汽用量，及蒸汽總用量。當前能源管理仍存在以下問題：一是無法實時統計水、電、蒸汽等關鍵能源消耗數據；二是水、電、蒸汽等能源消耗數據采用人工采集，效率低、勞動強度大，且存在安全隱患[6]。

2 番茄加工能源管理業務流程規劃

結合新疆天番食品科技有限公司現有的制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES），規劃水、電、蒸汽等能源消耗統計業務的流程，如圖1 所示。具體的能源管理業務流程如下：一是車間主任在MES 系統中維護基礎數據，下發工單，直到工單結束，相關生產數據自動傳送至MES 數據庫；二是MES 系統通過數采設備每間隔5 s 采集車間水表、電表及蒸汽表數據，并自動計算各產線的能耗占比、各班次單耗和各產線單耗；三是MES 系統根據產品在各自生產線的生產時長占比計算各產品能耗和各產品單耗；四是將水、電、蒸汽的能耗信息以數字化大屏方式進行可視化展示。

圖1 番茄加工能源管理業務流程Fig.1 Tomato processing energy monitoring business process diagram

3 番茄加工全流程能耗監測與可視化平臺的設計

3.1 平臺總體架構設計

根據規劃的番茄加工能源管理業務流程，搭建番茄加工全流程能耗監測與可視化平臺。整體架構包括數據采集層、數據傳輸層、數據存儲層、數據應用層，如圖2所示。

圖2 番茄加工全流程能耗監測與可視化平臺整體架構Fig.2 Overall architecture of energy monitoring and visualization platform for tomato processing

數據采集層：主要采集各車間番茄加工過程中實時消耗的水、電、蒸汽值，硬件配置包括電表3 塊、水表1塊、差壓式蒸汽流量計2塊，以及PLC設備。

數據傳輸層：配置AP、交換機、數采網關、防火墻、核心交換機、AC、服務器、485 線、光纖收發器以及網線等，構建網絡傳輸硬件平臺，使用Modbus TCP 協議、OPC UA 協議、串口協議等對數據進行格式轉換與解析，并實時傳輸消耗的水、電、蒸汽值。

數據存儲層：利用數據庫技術與物聯網技術，實時處理與判別傳輸的數據，并根據數據類型存入不同數據庫。

數據應用層：將番茄加工過程中實時消耗的水、電、蒸汽值等信息以數字化大屏方式展示；同時，結合番茄加工時能源消耗的實時監測數據和大數據分析結果，進行協同優化和實時決策。

3.2 平臺系統功能設計

平臺的主要功能模塊包括能源采集、能源監控、能耗分析及參數設置功能，各功能模塊的業務關系如圖3所示。

圖3 番茄加工全流程能耗監測與可視化平臺的功能業務流程Fig.3 Business process of energy monitoring and visualization platform in tomato processing

能源采集模塊：能源采集模塊的功能是對工廠能源（水、電、蒸汽）的數據進行實時采集，并實時發送到MES數據庫存儲。

能源監控模塊：能源監控模塊的功能是對工廠能源（水、電、蒸汽）的數據進行實時監控，及時發現能源消耗情況，并通過曲線圖和數據表格的方式展示，實現儀表歷史采集數據的分時段查詢。

能耗分析模塊：能耗分析模塊主要用于展示電、水、蒸汽能源消耗的數據趨勢圖形，按照能源類型分類展示，以時間維度、班組維度、產線維度進行同種能源類型的能耗橫向分析比對，查看同一能源類型下車間各班組消耗對比分析，以及同一班組不同產線下能源消耗對比情況。

參數設置模塊：參數設置模塊用于設置產線能耗分攤比例。

4 番茄加工全流程能耗監測與可視化平臺的實現

4.1 硬件及軟件部署

將水表機械表更換為數字表，電表更換為數字電表，差壓式蒸汽流量計接入485 通訊線，使用串口服務器通過RS485 通訊協議讀取水、電、蒸汽數據采集點位信息，連接數采平臺軟件KEP Server EX實時讀取數據，發送到MES 數據庫存儲。利用IoT Gateway 軟件將KEP Server EX 的采集數據傳輸到IoT 時序數據庫供MES 系統使用，并且在IoT Core 中進行維護。配置4 臺PDA，將系統自動計算的能源消耗數據以折線圖的形式展示工廠或各班組每日、月的單耗趨勢。同時，在能耗分析模塊增加人工錄入界面，當數采通訊中斷時，人工錄入抄表底數。

4.2 系統集成及應用

將MES 系統與數據采集部分集成，能源監控和能耗統計分析通過MES系統外接數字化大屏實現。最終開發出的數字化能耗監測平臺界面如圖4 所示。該數字化大屏將復雜、多變、密集的多種信息進行采集、融合、分析和數據可視化，以圖形形式直觀地展示給管理者。例如，水耗班次統計、水耗日統計、水耗月統計、電耗班次統計、電耗日統計、電耗月統計、蒸汽耗班次統計、蒸汽耗日統計、蒸汽耗月統計等。

圖4 番茄加工全流程能耗監測與可視化平臺Fig.4 Energy monitoring and visualization platform for tomato processing

5 結語

綠色低碳環保是企業實現真正可持續發展的重要手段。本文針對傳統番茄加工過程存在關鍵能源消耗數據無法實時監控與管理的問題，利用新一代信息技術并部署數采設備，建立番茄加工全流程能耗監測與可視化平臺，實現番茄深加工能耗管控智能化、數字可視化，為番茄加工過程中能源管理提供智慧決策支持。達到了提高決策效率和管理水平、降低番茄加工過程能耗損失，增加了企業經濟效益的目的。