摘 要：針對(duì)工業(yè)制造企業(yè)存在高能耗、高污染的問題，提出了一種用于工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控的多層級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本系統(tǒng)可完成企業(yè)內(nèi)部電力、水資源以及燃?xì)獾饶茉聪牡闹悄鼙O(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果存儲(chǔ)至Web服務(wù)器和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，在前端用戶交互面板顯示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)能耗系統(tǒng)化的監(jiān)控和管理目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)（IoT）；工業(yè)企業(yè)；能耗監(jiān)控。

0 引言

無線或有線傳感裝置、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用，可通過不同能耗設(shè)備工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)能耗等指標(biāo)來構(gòu)建企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)，制定一套企業(yè)能耗監(jiān)控、節(jié)能管理的系統(tǒng)化解決方案，并監(jiān)測能耗數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信息處理以及實(shí)時(shí)能耗反饋。因此，在物聯(lián)網(wǎng)感知層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的多層系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，加強(qiáng)能耗數(shù)據(jù)感知與采集、統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)控結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)基于關(guān)系模型工業(yè)企業(yè)能耗的實(shí)時(shí)監(jiān)控、問題處理的目標(biāo)。

1 公共建筑能耗情況分析

1 工業(yè)制造企業(yè)能耗監(jiān)控中的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 環(huán)境信息感知設(shè)備

當(dāng)前，工業(yè)制造企業(yè)能耗監(jiān)控使用的傳感裝置包含電量傳感器、測溫傳感器、ESR型燃?xì)鈧鞲衅鳌囟雀綦x變送器以及水位計(jì)，用于多源環(huán)境信息的感知、采集與處理分析。而射頻識(shí)別（Radio Frequency IDentification，RFID）技術(shù)往往通過電子標(biāo)簽來記錄多種多樣的環(huán)境信息，可自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別電力供電狀態(tài)信息、設(shè)備維護(hù)的操作信息。一旦系統(tǒng)開啟，便可實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄相關(guān)環(huán)境信息，并及時(shí)回傳至后臺(tái)處理。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

在工業(yè)制造企業(yè)的能耗監(jiān)控過程中，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境信息的感知、傳輸，通常更多用到無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、CC1100無線接收模塊、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication，GSM）模塊，形成各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信和資源共享。當(dāng)前外部環(huán)境能耗監(jiān)控中運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，包括 NSA/SA 通信技術(shù)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow BandInternet of Things，NB-IoT），其中NSA/SA為常見的5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和雙模通信模式，上行支持256正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）和HPUE、下行支持探測參考信號(hào)（Sounding Reference Signal，SRS）輪發(fā)，可滿足不同場景下的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸要求。而NB-IoT屬于小范圍空間的無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，主要依托于5G移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在企業(yè)不同生產(chǎn)設(shè)備中部署，包括網(wǎng)絡(luò)上行/下行基帶信號(hào)、獨(dú)立載波的部署，從而保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸和智能業(yè)務(wù)分配的控制。

1.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

利用物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)測系統(tǒng)和傳感器裝置接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息，通常會(huì)被傳送至多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。而用于數(shù)據(jù)處理控制的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要分為互聯(lián)網(wǎng)信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）節(jié)點(diǎn)、有源CPS節(jié)點(diǎn)和無源CPS節(jié)點(diǎn)，其中互聯(lián)網(wǎng)CPS節(jié)點(diǎn)可針對(duì)海量化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算、分析。而有源/無源CPS節(jié)點(diǎn)通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)間的連接構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息控制中心，用于少量能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的處理和存儲(chǔ)。這樣對(duì)簡單能源消耗數(shù)據(jù)的處理可不再傳送至核心處理器即可完成處理計(jì)算。

2 物聯(lián)網(wǎng)感知與傳輸技術(shù)的組成框架結(jié)構(gòu)

議構(gòu)建具有工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)獲取、處理、傳遞、存儲(chǔ)與共享的多級(jí)結(jié)構(gòu)。因而，依托智能傳感器裝置、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫等軟硬件以及其他的可擴(kuò)展組件，可完成物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組網(wǎng)，自動(dòng)收集、整理和保存有關(guān)工業(yè)能耗的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的組成框架包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層以及應(yīng)用層等。

網(wǎng)絡(luò)層和控制層是物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分。其中，網(wǎng)絡(luò)層包含網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、以太網(wǎng)卡、無線通信模塊以及控制輸出接口結(jié)構(gòu)，主要用于建立控制層和應(yīng)用層間的網(wǎng)絡(luò)連接。物理層通信協(xié)議用于數(shù)據(jù)采集的控制，但難以保證數(shù)據(jù)傳輸、處理的安全性。而數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可對(duì)物理信道的傳輸使用進(jìn)行控制、復(fù)制，并通過引入多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)讀取、寫入和分析載入數(shù)據(jù)信息。而控制層屬于感知層、網(wǎng)絡(luò)層的中間層級(jí)，通常將網(wǎng)絡(luò)傳感器收集的的各類能耗信息，經(jīng)由多功能電表、智能水表、燃?xì)獗硪约岸鄠€(gè)設(shè)備控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集信息傳輸、設(shè)備狀態(tài)信息、能耗監(jiān)控指令、能耗信息存儲(chǔ)與調(diào)用等功能控制，并將從網(wǎng)絡(luò)層返回的能耗數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 工業(yè)企業(yè)的能源消耗分析

工業(yè)制造企業(yè)在日常生產(chǎn)經(jīng)營過程中通常會(huì)用到水、煤、電力以及燃?xì)獾饶茉矗渲忻禾俊㈦娏κ枪I(yè)生產(chǎn)制造消耗量至大的能源，但煤炭的利用效率僅為55%～70%、且對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，因而近年來煤炭能源的用量顯著下降。特別對(duì)工業(yè)企業(yè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)工序而言，通常會(huì)經(jīng)過熱處理、切削、成型、干燥、黏結(jié)及裝配等流程，并涉及能源消耗的分配、計(jì)量、監(jiān)測的控制環(huán)節(jié)。

3.2 工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)屬于互相獨(dú)立、分布式的監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺(tái)。通常采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)、JavaScript腳本語言，建立用于綜合能耗監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫管理控制的平臺(tái)。

首先，依托物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層包括紅外探測器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)以及RFID智能識(shí)別卡等環(huán)境信息監(jiān)測裝置，以及多功能電表、智能水表、燃?xì)獗淼膬?nèi)部控制設(shè)備。相關(guān)人員探測與采集企業(yè)內(nèi)部的環(huán)境信息和不同運(yùn)行設(shè)備的能耗信息，智能識(shí)別水、煤、電力及燃?xì)獾哪茉从昧浚⒔?jīng)由網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、紅外通信協(xié)議、RS485通信模塊與GSM通信模塊、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器上傳至系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理。其次，由燈具、空調(diào)、風(fēng)機(jī)以及切削車床等設(shè)備控制器，參與能耗節(jié)能管理的網(wǎng)關(guān)控制中，由特定設(shè)備控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層和感知層命令的傳輸控制，包括網(wǎng)絡(luò)層命令下發(fā)和感知層命令上傳。最后，利用NSA/SA通信技術(shù)、NB-IoT組網(wǎng)技術(shù)、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）、RS485無線通信模塊、433M通信模塊、GSM通信模塊自組網(wǎng)方式，設(shè)置多個(gè)生產(chǎn)設(shè)備的開啟和關(guān)閉時(shí)間，用于企業(yè)能耗狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，以達(dá)到系統(tǒng)智能化的節(jié)能目標(biāo)。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)企業(yè)系統(tǒng)能耗監(jiān)控管理功能實(shí)現(xiàn)

目前，工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)依托 B/S架構(gòu)、JavaScript腳本語言、無線通信協(xié)議、RS485總線、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、平臺(tái)服務(wù)器以及用戶客戶端等設(shè)置數(shù)據(jù)采集、能耗監(jiān)控、節(jié)能管理以及系統(tǒng)管理模塊，可由每個(gè)區(qū)域獨(dú)立的監(jiān)控子系統(tǒng)為主導(dǎo)，開展企業(yè)系統(tǒng)管理環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控、能耗監(jiān)控、生產(chǎn)產(chǎn)能分析、設(shè)備控制以及節(jié)能管理等功能操作。

4.1 系統(tǒng)管理功能

工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)管理設(shè)置主要圍繞用戶訪問、操作權(quán)限、設(shè)備配置以及網(wǎng)元調(diào)試等服務(wù)功能，構(gòu)建用于系統(tǒng)基本信息配置、人員與操作管理的監(jiān)控模塊。

4.1.1 用戶管理

為保證外部用戶訪問的安全性，針對(duì)用戶注冊、登錄、信息訪問與調(diào)用的操作流程，使用Segment token數(shù)據(jù)表、token范圍的登錄信息驗(yàn)證機(jī)制，由后臺(tái)服務(wù)器端開展用戶名和密碼的驗(yàn)證，并生成用戶應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）請求調(diào)用和token身份驗(yàn)證的信息數(shù)據(jù)。

4.1.2 網(wǎng)絡(luò)防護(hù)與網(wǎng)元權(quán)限管理

工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營的權(quán)限管理包括網(wǎng)絡(luò)權(quán)限、網(wǎng)元權(quán)限以及功能權(quán)限等權(quán)限控制要素。在物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的管理過程中，應(yīng)先收集通信網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)設(shè)備狀態(tài)信息，包括交換機(jī)、路由器及傳輸設(shè)備等運(yùn)行狀況信息，實(shí)時(shí)監(jiān)視存在的網(wǎng)絡(luò)配置、設(shè)備異常或故障情況，在此基礎(chǔ)上從遠(yuǎn)程發(fā)送指令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸通道設(shè)置、設(shè)備修改或刪除等重新配置。

4.1.3 能耗設(shè)備與視頻管理

基于不同物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的能耗信息，要通過內(nèi)部控制設(shè)備進(jìn)行相關(guān)文檔、視頻和音頻數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控管理，如配置視頻攝像頭的焦距、焦點(diǎn)、亮度、色彩等信息，以及對(duì)紅外探測器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)以及RFID智能識(shí)別卡等傳感裝置，完成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和詳細(xì)參數(shù)的合理監(jiān)測與管理。

4.2 能耗監(jiān)控功能

工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控的管理功能執(zhí)行主要面對(duì)園區(qū)內(nèi)的煤炭系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)，包括鍋爐制漿機(jī)、磨漿機(jī)、泵機(jī)以及作業(yè)塔等設(shè)備。將網(wǎng)關(guān)服務(wù)器收集的歷史能耗、實(shí)時(shí)能耗使用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、導(dǎo)出與顯示，能耗監(jiān)控的時(shí)間間隔設(shè)為每次1h。

4.2.1 煤炭能耗監(jiān)控

在大數(shù)據(jù)云服務(wù)器和 B/S 網(wǎng)頁服務(wù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用環(huán)境傳感器和智能能源監(jiān)控裝置搜集企業(yè)某一站點(diǎn)的煤炭用量和設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，顯示當(dāng)前時(shí)間的能耗數(shù)據(jù)、告警及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以統(tǒng)計(jì)表、柱狀圖和餅狀圖等形式展示用能信息，從而得出在某一時(shí)段內(nèi)的設(shè)備能耗值。

4.2.2 電力能耗監(jiān)控

企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營的電力使用監(jiān)控主要是對(duì)廠區(qū)內(nèi)不同回路的電氣參數(shù)，包括采集、統(tǒng)計(jì)與記錄變壓器、變電站以及配電站等裝置所發(fā)生的電力耗能狀況，顯示與記錄故障自動(dòng)報(bào)警和故障問題日志的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制功能。

4.2.3 供水使用能耗監(jiān)控

供水監(jiān)控系統(tǒng)通常設(shè)置兩個(gè)配水池，向企業(yè)提供生產(chǎn)恒壓供水和消防噴淋供水。這一情況下供水總管進(jìn)入廠區(qū)后可分為兩路，分別與生產(chǎn)用水管網(wǎng)和消防用水管網(wǎng)的控制設(shè)備連接。為保證供水使用能耗的準(zhǔn)確檢測，可以在配水池和總供水管路中同時(shí)設(shè)置水位計(jì)、流量計(jì)及壓力計(jì)等供水監(jiān)測裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測計(jì)量水池水位、供水水壓和供水流量。

4.2.4 天然氣能耗監(jiān)控

工業(yè)企業(yè)內(nèi)部存在眾多的熱源和隔壓站。對(duì)于各監(jiān)測點(diǎn)位的天然氣能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，通常使用分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，圍繞天然氣的生產(chǎn)消耗量和采暖消耗量來監(jiān)控天然氣瞬時(shí)流量、累計(jì)流量及傳輸壓力等數(shù)據(jù)信息。通過在某一時(shí)段內(nèi)啟停生產(chǎn)設(shè)備，利用天然氣門站計(jì)量裝置觀察傳感器、閥門執(zhí)行器和端設(shè)備的參數(shù)變化情況，將生成的實(shí)時(shí)天然氣流量和壓力傳回至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，并整合多設(shè)備燃?xì)馐褂脿顟B(tài)的數(shù)據(jù)和分類存儲(chǔ)，至大限度地保證能耗供需計(jì)劃和供需分配的合理性。

4.3 產(chǎn)能與節(jié)能管理功能

根據(jù)每臺(tái)機(jī)器的生產(chǎn)班次和班次產(chǎn)能，工業(yè)企業(yè)搜集、統(tǒng)計(jì)與錄入分析生產(chǎn)的產(chǎn)能信息。在接收生產(chǎn)工作后由管理人員參與，統(tǒng)計(jì)每個(gè)班次產(chǎn)能信息、生成能耗與產(chǎn)出的統(tǒng)計(jì)對(duì)比表，得出某一時(shí)段內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)能趨勢圖和能耗變化趨勢圖，并依次錄入以上的產(chǎn)能及能耗數(shù)據(jù)信息，以反映企業(yè)每個(gè)產(chǎn)出生產(chǎn)班次的能耗效用高低。

5 AcrelCloud-5000安科瑞能耗管理系統(tǒng)解決方案

為貫徹落實(shí)國發(fā)[2007]15號(hào)的精神，住建部印發(fā)《關(guān)于印發(fā)國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則的通知》（建科[2008]114號(hào)），組織編制“國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)"一系列技術(shù)導(dǎo)則及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。這些導(dǎo)則統(tǒng)一了能耗數(shù)據(jù)的分類、分項(xiàng)方法及編碼規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、準(zhǔn)確傳輸、科學(xué)處理、有效儲(chǔ)存。我司AcrelCloud-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)嚴(yán)格按照導(dǎo)則要求開發(fā)，符合導(dǎo)則要求的各項(xiàng)技術(shù)要求。

6 系統(tǒng)架構(gòu)

計(jì)量層：主要安裝各種類型計(jì)量儀表（電表、水表、燃?xì)獗怼⒗錈崃坑?jì)等）；支持RS485、LORA、4G直傳等方式。

傳輸層：傳輸層核心是使用ANet系列網(wǎng)關(guān)；主要特點(diǎn)是支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳、支持多種協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)機(jī)密傳輸。

服務(wù)層：能耗系統(tǒng)的中心，主要用于接收網(wǎng)關(guān)或4G終端傳輸?shù)臄?shù)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，為用戶訪問提供數(shù)據(jù)接口。

展示層：主要為用戶提供訪問平臺(tái)數(shù)據(jù)的功能，支持跨平臺(tái)訪問，用戶可以使用PC瀏覽器、手機(jī)APP隨時(shí)了解項(xiàng)目能耗情況。

7 系統(tǒng)主要功能介紹

7.1 綜合看板

包含GIS地圖，可用顯示所有建筑的分布情況。針對(duì)建筑本周與上周用能出現(xiàn)增加或下降的情況，分別用紅色和藍(lán)色圖表表示。平平臺(tái)可顯示平臺(tái)接入儀表數(shù)量、平臺(tái)接入建筑總面積、平臺(tái)接入建筑上月總能耗等。同時(shí)，該頁面還有針對(duì)不同維度數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果展示。

7.2 單建筑能耗對(duì)比分析

單建筑能耗主要是針對(duì)單一建筑進(jìn)行建筑分類分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)分析，分類分項(xiàng)嚴(yán)格按照平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)與要求進(jìn)行劃分，如圖中左側(cè)部分的樹形結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)可以按照表格、柱狀圖、曲線的形式進(jìn)行展示統(tǒng)計(jì)。可以直觀觀察分類能耗與分項(xiàng)能耗的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是否正常。

7.3 多建筑對(duì)比分析

多建筑能耗分析主要是將多棟建筑的分類或分項(xiàng)用能情況放到統(tǒng)一界面中。可按逐時(shí)、逐日、逐月、逐年的方式查看選中建筑的分了或分項(xiàng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過曲線圖或表格形式展示。

7.4 數(shù)據(jù)異常判定

平臺(tái)接入并維護(hù)多棟建筑的數(shù)據(jù)，建筑現(xiàn)場情況多種多樣，為保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與可靠，平臺(tái)中增加了數(shù)據(jù)異常檢查功能，當(dāng)數(shù)據(jù)檢查時(shí)不符合預(yù)定的情況時(shí)，及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警并生成工單派發(fā)到維護(hù)管理人員郵箱中。

7.5 用戶報(bào)告

用戶報(bào)告主要內(nèi)容包含各分類能源消耗量的趨勢分析、對(duì)比分析、占比分析等，還包含數(shù)據(jù)異常統(tǒng)計(jì)情況與派單情況。

8 系統(tǒng)硬件配置