基于智能制造的企业能耗管理系统架构设计与应用研究

安科瑞 刘迈

　　摘要：针对目前国内企业在智能制造过程中存在的能源利用率低、成本过高、粗放管理和自动化程度低等一系列问题设计了一种基于物联网技术的企业能耗管理系统。该系统由能耗管理系统客户端、能耗管理系统服务器、能源物联网网关、智能监控装置和设备5部分组成.该系统以企业安全生产为基础，以降低损耗、优化能源、方便调度与管理为目标，能够实现企业能效的多层次、节能管理需求，具有一定的推广使用价值。

　　关键词：智能制造；能耗管理；物联网；无线保真；4G

　　0 引言

　　随着经济的快速发展，以及现阶段智能制造工业化进程的推进，我国能源供应面临着较大的压力，以 2018年为例，我国能源的消费总量为4.64x109标准煤，比 2017年增长 1.5x108t吨同此增长 3.3%，增速较 2017 年提高 0.4 千百分点。能源消费总量较大，对外依存度高，节约能源已经是势在必行，因此，节能增效已经成为我国经济发展的战略中心。

　　为了贯彻落实节约资源的基本国策，围绕“加快转型升级，建设幸福广东"的核心任务，省委、省政府发布了《关于加快发展我省战略新兴产业的意见》，着力围绕“十三五"时期，广东能耗产业企业，实施节能技术改造，引导企业自觉优化用能方式，提高能源利用效率。

　　通过加强节能监管，提高企业能效，缓解当前能源供需矛盾，乃是快捷、有效、切实可行、经济和符合中国国情的措施。本项目的研究针对该领域，项目成果对指导大型耗能企业用户分项能耗监测，节能管控，能源优化，企业能耗数据的实时采集、准确传输、科学处理和有效储存与科学利用，有着重要的示范作用。

　　1 能耗管理系统的总体概述

　　该企业的能耗管理系统分为以下5个部分，能耗管理系统平台软件、能源物联网网关、智能监控装置和设备。系统框架如图1所示，各个部分的功能如下所述。

图1 系统框图

　　a)能耗管理系统平台软件

　　实现现场或者远程对能源数据在线监测，在客户端软件上直观地显示用户关心的各种数据、表，并且满足远程遥测、遥控等功能。

　　b)能源网关

　　将各种不同的智能监控装置采集的水、电气、油、冷量和热量等各种形式的能耗计量及分项数据，通过有线或者无线的方式上传到能耗管理系统服务器；在整个能源物联网中，能源网关起到承上启下的作用。

　　c)智能采集装置

　　采集终端的设备的数据，通过有线或者无线的方式，将原始数据上传到能源网关，包括水、电、气、油、冷量和热量等各种能源的计量和控制装置。由于采集的信息格式不一，在数据格式处理、格式转换、数据合并与汇聚上设计了相应的汇聚技术。

　　d)设备

　　包括水、电、气、油、冷量和热量等终端设备。

　　2 能耗管理系统使用的关键技术

　　2.1窄带物联网技术

　　基于蜂窝的窄带物联网技术(NB-IoT：NarrowBand Internet of Things)，是物联网(IoT： Interneof Things)中一项重要的组成部分，其通过利用蜂窝网络，在有效地完成对 LTE、UMTS 和 GSM 等网络进行直接部署的同时，还能对消耗带宽进行有效的控制。根据 NB-IoT 标准，NB-IoT 需要进一步地实现广域及深度覆盖，降低终端成本与功耗，支持大容量终端接入其中，保障每一个终端的成本不超过5 美元，并在5 Wh 之内可提供至少 10 年的支持。一般情况下，NB-Io1所消耗的带宽不会超过 180 kHz，其不仅能够实现平滑升级，还能够对部署成本进行有效的控制。随着当前物联网业务和通信需求的不断增加，仪表智能化已成为通信产业发展的必然趋势，基于 NB-IoT 技术的远程抄表系统将成为“智慧城市"建设与发展中的重要组成部分。

　　2.2 4G 技术

　　4G 技术能够在终端产品中发送、接收来自另一端的信号，可以找到多个不同的网络平台和无线通信接口之间的较快和有效的通信路径来执行最直接的定位操作。其主要特点如下所述。

　　a)4G 的速度更快，级别更高，针对不同的信道条件下的信息传输速率信号，能使用正常收发器智能信号处理技术，体现其良好的适应性、灵活性、兼容性和共存性。

　　b)4G 能够让低、高速的用户和不同的用户设备实现兼容操作，更好地满足多种类型用户的需求；4G可提供各种标准的通信业务，满足各种业务需求，提高频率使用效率；4G能够使网络结构更加稳定和自主，满足系统变化和发展的要求 同。

　　c)4G通信能满足当前移动通信终端在不同的领域和地区以及全球漫游情况下的不同的通信需求。高品质的 4G 通信技术的应用能够保持稳定的信号传输。

　　2.3 物联网技术

　　IoT 的概念，早于 1999 年被提出。IT产业下一阶段的任务是把新一代 T 技术充分地运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑供水系统、大坝和油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓的 IoT，然后将 loT 与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络当中，存在能力中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理与控制，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产与生活，达到“智慧"状态，提高资源的利用率和生产力水平，改善人与自然之间的关系。IoT 技术就是指通过信息传感设备，将所有的物品连接互联网，实现智能化识别管理。包括两层含义：1)IoT的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；2)其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。业内专家认为，IoT一方面可以提高经济效益，大大地节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，世界上多个国家都投入了大量资金深入地研究探索 IoT。我国也高度重视 IoT 的研究，国家相关部门在新一代信息技术方面也在开展研究，正在制定支持新一代信息技术发展的相关政策措施。

　　开发基于 IoT 的企业能源管理智能化系统的目的是：满足对企业用能的实时监测、在线审计，即时对标、分类计量、分项计量和用能管控等需求，系统实现包括能源计量、分时计量、分类计量、数据存储、数据统计和用能质量控制等功能。

　　基于 IoT 技术，可以对企业节能装备和主要耗能设备使用能耗和工沉进行监测、诊断和分析，从设备、工艺和管理3个方面，将企业全过程、全生命周期和全介质类型的能源数据集成为一个整体，基于 CIP 公共信息模型理论，建立企业系统化的能源数据模型，实现对能源数据的分项计量，并对获得的企业用电数据进行深入的挖掘。

　　2.4 Wi-Fi 技术

　　Wi-Fi 是 Wireless Fidelity 的缩写，是一种无线局域网数据传输的技术与规格，也就是IEEE所定义的无线通信标准 IEEE 802.11，它是利用无线接入手段的新型局域网解决方案，Wi-Fi的主要特点是传输速率高、可靠性高、建网快速、便捷可移动性好、网络结构弹性化和组网灵活，以及组网价格较低等，Wi-H 技术按其速度和技术新旧可分为：802.11b、802.11a、802.11g。

　　3 企业能耗管理系统主要模块设计

　　3.1能耗管理系统平台软件

　　对智能监控装置收集的数据进行分析处理实现对企业用能的实时监测、在线审计、即时对标、分类计量、分项计量和用能管控等需求；达到对企业的节能设备、主要工艺设备和主要耗能设备的能耗和工况进行监测、诊断与分析的目的；并通过基于云服务的网关线上管理平台实现对分散的能源网关设备的状态监视、故障诊断、在线配置、数据下载和在线升级等操作，提高设备的运维效率，方便用户随时掌控终端设备的动态。

　　3.2 能源网关

　　能源网关是能源物联网网关的简称。能源网关是通用型智慧能源数据采集通讯网关，适用于企事业单位建筑、社区公共机构建筑、商业连锁和便利门店等领域的能源管理系统对于水、电气、油、冷量和热量等各种形式的能耗计量，以及分项数据采集的需求。通过基于云服务的网关线上管理平台，实现对分散的智能网关设备的状态监视、故障诊断、在线配置、数据下载和在线升级等操作，提高设备的运维效率，方便用户随时掌控终端设备的动态。

　　3.2.1 能源物联网网关的硬件功能设计

　　能源物联网网关要实现能耗数据的收集及管理功能，就需要相关的硬件支持。其硬件主要包括：处理器、电源、蜂鸣器、显示器、4G模块、存储器、以太网、串口和其他接口电路。硬件结构图如图2所示。

图2 硬件结构图

　　各个部分的主要作用如下：处理器作为系统的中央处理器完成主要的逻辑运算，并提供了基本的外围接口电路和外围设备控制器；电源可以使用电源或干电池供电；当某些参数的设置超过安全门，蜂鸣器就会报警并伴随指示灯闪烁：显示器可以外接HMI串口屏进行数据的显示，并可作为人机交互的接口：4G模块能够与能耗管理系统服务器进行通讯，将多个智能采集装置采集的数据上传到能耗管理系统服务器：以太网接口的作用和4G模块相同，只是通讯方式是有线方式；存储器用于临时存储一些重要的数据作为备份；串口用来作为系统和应用程序调试的接口：其他接口是为设备预留的接口，为后续功能扩展使用。

　　3.2.2 能源物联网网关的软件设计

　　能源物联网网关应用程序使用模块化的程序设计理念，将设备的各项功能根据其完成的任务性质、特定任务和实时性要求，并结合数据流程，详细地划分出每个功能模块。在本方案的软件设计中，主要有如下几个模块：操作日志、系统界面、数据通信、数据库存储和数据查询等。软件结构如图3所示。

图3 软件结构图

　　系统界面是人机交互的界面，通过系统用户界面，用户能够方便地对设备进行控制操作。软件界面采用分层结构，每一个功能模块都采用弹出子界面的方式进行单独处理。操作日志记录了各个用户对设备进行操作的各种信息。日志信息保存在二进制文件中用于查询。数据通信通过4G或以太网来实现各种数据通信功能，为了在数据传输中正确地分离与识别各种数据，通过对不同数据添加相应的标志字节方法对数据进行打包。历史数据查询模块完成历史数据信息的查询操作查看所记录的数据，并进一步地进行处理。设备驱动，在嵌入式系统平台中，针对显示屏、无线模块和触摸屏等硬件设备的驱动。

　　3.2.3 能源物联网网关程序流程设计

　　在应用软件运行之后，首先进行初始化工作包括初始化网络、记录工作日志和打开数据文件等任务，如果初始化失败，则应用程序将会由于不能正常运行而退出。初始化成功后，可以进行功能的选择，选择完成之后，开始执行所选择的功能，直到结束时，程序退出。

　　具体的工作流程如图4所示。

图4 软件主流程图

　　3.3 智能采集设备

　　智能采集设备主要包括采集传感器模块、微控制器和无线传输模块，另外还有SDRAM、Flash存储器和电源等。传感器使用标准的小模块，在主板上预留标准的uart接口，可以根据采集的能源参量的不同安装相对的小模块；CPU选用德州仪器(T：Texas Instruments)的MSP430F147 低功耗单片机；无线通信模块使用 NB-IoT 或 Wi-Fi 通讯方式。

　　MSP430F147 是I公司推出的高性能低功耗16 位微控制器。其具有处理能力，并可在工业环境下稳定地运行，工作温度为-40~+85 ℃MSP430 提供了较丰富的片内外设，降低了系统的成本，为短距离无线通信和一般低功耗场合的广用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。系统的硬件框图如图5所示。其中，MSP430是系统的核心，对系统进行处理和控制。存储器包括 SDRAM 和 Flash 两个部分，SDRAM 是一种易失性存储器，掉电后其存储的数据会丢失，将其作为程序的运行空间：Flash 是非易失性存储器，掉电后数据不丢失，将其作为程序和数据的存储空间。采集传感器和温度传感器所获取的传感电

图5 系统的硬件框图

　　压输入微控制器的A/D接口进行相应的数据处理控制器将传感电压换算为相应的系数后存储到Flash 中。无线通讯模块主要负责与接收设备通信,完成数据的发送，其通过串口与处理器相连接。

　　4 安科瑞企业能源管控系统概述

　　安科瑞企业能源管控系统采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。

　　4.1 应用场所

　　钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。

　　4.2 系统结构

　　现场通过厂区局域网和平台通讯，平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能与局域网联通的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

　　系统可分为三层：即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。

　　现场设备层：主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任，这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。

　　网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

　　平台管理层：包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器，一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。

　　平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：

　　5 系统功能

　　平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。

　　5.1平台登录

　　在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

5.2大屏展示

　　用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。

5.3首页

　　首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。

5.4数据监控

　　对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快的掌握点位的报警，并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。

　　能源实时监控：对于水、电、气等能源消耗进行实时监测，确保用能环节的持续稳定运行，显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。

　　能流图：需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示；当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等；

　　配电图：将配电房真实情况画入配电图，实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。

　　实时统计：实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

　　数据展示：通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数；

　　检测：对能源报警信息进行集中显示，可以对报警阈值信息进行相关处理操作，可以对报警参数进行在线设置，当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示；

5.5视频监控

　　接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。

5.6变压器监控

　　展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。

5.7仪表实时监控

　　展示各个水电气仪表的实时参数变化，以曲线图的方式展示。

5.8能源中控

　　将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中，能从多个维度对比分析，实现各个产业线的对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

5.9用能统计

　　从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。

5.10分析

　　统计各个监测节点（工厂、车间）的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用，其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。

5.11产品单耗统计

　　与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

5.12绩效分析

　　对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力，评定能源消耗是否合理。

5.13运行监测

　　系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。

5.14自定义能耗报表

　　用户可通过自定义报表头与列，灵活生产各种报表，查看企业各个节点的能耗，单耗，成本，综合能耗等信息，并同比、环比报表，支持导出报表。

5.15同比、环比

　　提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。

同比

环比

　　5.16分析报告

　　以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。

5.17能耗设备用能

　　监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。

5.18线损分析

　　根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。

5.19碳排放管理

　　按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现超标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。

　　5.20电能质量监测

　　实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不低于供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。

　　5.21运维管理

　　系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。

5.22报警管理

　　针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。

5.23能耗抄表

　　可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。

5.24能耗分析自定义时间抄表

　　可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。

5.25容需量报表

　　提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。

　　5.26复费率报表

　　对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。

5.27文档管理

　　对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。

5.28 3D可视化大屏

　　对场景进行虚拟仿真，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。

5.29 3D子系统

　　对各动力子系统进行虚拟仿真，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。

5.30工业组态

　　可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。

5.31自定义驾驶舱

　　可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。

5.32基础数据管理

　　对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。

5.33手机APP

　　APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。

5.34知识产权证书

6 系统硬件配置

　　7 结束语

　　本方案是在节能减排以及电力互联化和智慧化的大背景下，针对企业能源管理存在的跑冒滴漏严重、自动化程度低和管理混乱等问题，综合利用大数据、互联网和 IoT 技术，整合全过程数据资源，建设的基于云模式工业企业用电管理及电能优化利用大数据平台，其目的在于服务工业企业进行用电管理及电能优化利用，加快企业节能技术的应用与推广，健全企业能效管理体系，提高行业能源利用率，减轻环境污染，实现行业节约发展、清洁发展和可持续发展。本方案的研究实施和推广对于缓解广东乃至我国节能减排、清洁生产，进一步地实现智能制造具有十分重要的战略意义。

　　参考文献

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　　[4]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.

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