艾優(yōu)花
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：在“碳達峰，碳中和"政策影響下，對工業(yè)企業(yè)能源管理提出了新的要求。本文結合建材工廠對安全、健康、節(jié)能等方面的需求，深入探討了建材行業(yè)能源管理工業(yè)互聯網平臺的設計與應用，這將給工業(yè)互聯網平臺技術在其他工業(yè)應用方面提供借鑒。
關鍵詞：能源管理；數據可視化；工業(yè)互聯網平臺
1概述
本文所述建材行業(yè)能源管理工業(yè)互聯網平臺，實現分層級、分部門、分介質的能耗數據實時監(jiān)測、能耗報警、能源基礎數據管理、能源實績管理、能源指標對比分析、能效綜合分析、能耗數據可視化等企業(yè)云應用服務，同時建立綜合能效能耗公示、監(jiān)測及能耗診斷等行業(yè)云應用服務，實現對能源的精細化管理，提高能源利用效率，降低企業(yè)運營成本，推動建材行業(yè)的轉型升級，提高行業(yè)核心競爭力。
2總體結構
建材行業(yè)能源管理工業(yè)互聯網平臺由現場設備層、邊緣層、平臺層和客戶端組成，整體架構如圖1所示。
圖1 建材行業(yè)能源管理應用服務云平臺架構圖
2.1現場設備層
由多功能電表、水表、氣表、冷熱表、流量表、壓力表、溫濕度表以及其他能耗監(jiān)控設備組成，用于計量能源數據；還包括用于測量影響生產的主要設備（如鍋爐、汽輪機、發(fā)電機、風機等各類設備）運行情況和關鍵工藝參數、品質參數的各類傳感器和控制系統(tǒng)。
2.2邊緣層
利用云網關采集現場設備層的各類多源異構數據，進行協議解析、數據清洗、分析處理，通過以太網、移動網絡等傳輸方式與云平臺進行數據通信，實現設備上云。
2.3平臺層
提供安全穩(wěn)定、成熟可靠的云服務器，對能源數據進行存儲、分析和處理；結合工業(yè)知識多維建模，建立能耗預測模型、能耗預警模型；提供綜合看板、能源監(jiān)測、能耗報警、能源實績管理、能耗分析、輔助決策、組態(tài)工具、信息公示、系統(tǒng)管理等功能服務；提供數據接口，為企業(yè)管理級的MES、ERP等系統(tǒng)提供用能信息。
2.4客戶端
提供瀏覽器客戶端、移動客戶端訪問方式，滿足建材企業(yè)、行業(yè)監(jiān)管部門、政府部門、行業(yè)協會等不同用戶的使用需求，實現隨時隨地掌握能源管理系統(tǒng)相關信息。
3能源數據采集
平臺提供云網關和軟網關兩種數據采集方式，連接現場PLC、DCS、IPC、智能儀表等設備，匯聚不同子行業(yè)、不同工廠利用智能化設備采集的多源異構數據，通過以太網、2G、3G、4G、5G等上網方式，將數據傳輸到云平臺，提供高效穩(wěn)定的數據傳輸、準確及時的數據分析和安全可靠的設備遠程管理服務。
主要采集的數據包括以下幾種：
（1）用電量
通過智能電能表采集數據，包括各條線路的正向有功電量，正向無功電量，反向有功電量，反向無功電量，電度表的峰、平、谷電量，以及準實時數據電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數的采集。
（2）生產工序生產工藝數據
基于現有工序已有的DCS，數據全部采自DCS，采集的生產數據側重在能夠反映影響生產的主要設備運行情況及關鍵工藝參數，如鍋爐、汽輪機、發(fā)電機、風機等各類設備的運行狀態(tài)等，通過實時數據反映出生產實際情況。
（3）能源計量數據
建材行業(yè)能源介質主要為煤、電、蒸汽、水及壓縮空氣等，涉及到上述介質的進、出口的檢測計量均視為一級計量，需納入到生產能源管理中心進行監(jiān)控。為保證能源數據的同源性，避免中間轉換帶來的誤差，能源數據采集對象主要為瞬時流量、累積流量、溫度、壓力、計量表的運行狀態(tài)等。
（4）環(huán)保數據
企業(yè)各項環(huán)保數據如廢氣排放指標檢測，應與環(huán)保局采集數據同源。
4能源管理服務
能源管理工業(yè)互聯平臺采用云計算技術，結合微服務架構，實現可擴展、高可用的基礎運行環(huán)境，采用B/S架構，只需安裝瀏覽器，即可訪問平臺資源，減輕客戶端程序的開發(fā)及安裝，具備跨平臺特性。企業(yè)管理人員可通過生產工藝流程圖、實時曲線等可視化界面對企業(yè)各級生產能耗數據進行實時監(jiān)測，并隨時查看能耗統(tǒng)計分析數據；行業(yè)監(jiān)管用戶可按行業(yè)、地區(qū)、特定時段對企業(yè)綜合能耗情況進行查看，方便其準確了解行業(yè)整體用能情況，并進行能源協同配置。詳細功能架構如圖2所示。
圖2 能源管理應用服務平臺功能架構圖
4.1綜合看板
為管理人員提供全局視角，通過綜合看板顯示平臺內部各類數據匯總情況，使其能夠隨時宏觀掌握平臺關鍵數據指標。支持豐富的顯示模式，包括餅狀圖、柱狀圖、散點圖、折線圖、雷達圖、儀表盤等幾十種動態(tài)交互的圖形及3D動態(tài)圖形效果，如3D折線圖、3D曲面圖、3D散點圖、3D柱圖等數據可視化展示方式。
（1）行業(yè)總覽
圖形化展示具體地區(qū)、特定時段權限范圍內企業(yè)能耗情況，橫向、縱向能效對比情況。
（2）企業(yè)總覽
顯示企業(yè)特定時段內能源使用情況，具體包括能耗總量、各介質消耗總量、能耗報警統(tǒng)計、能效數據統(tǒng)計等。實際能效與、能源計劃橫向、縱向對比情況。
4.2能源監(jiān)測
對企業(yè)能耗數據進行實時監(jiān)測，包括對能耗總量、重點工序能耗、重點設備能耗、余熱發(fā)電生產能耗，以及電表、水表、燃氣表等儀表數據的監(jiān)測。支持靈活分組，可按部門、工序、設備、介質等分層級監(jiān)測。
（1）生產工序監(jiān)測
監(jiān)測重點工序的能源消耗情況，以水泥企業(yè)為例，監(jiān)測熟料煅燒、水泥粉磨工序的能耗，經過深層次的統(tǒng)計分析，輔助工藝操作模式調整，生產能效優(yōu)化。
（2）能源消耗監(jiān)測
監(jiān)測企業(yè)各能源介質的消耗情況，如電能，監(jiān)測各條線路的正向有功電量，正向無功電量，反向有功電量，反向無功電量，電度表的峰、平、谷電量，以及準實時數據電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數。
（3）能耗設備監(jiān)測
對重點設備如水泥制作工藝中回轉窯、生料磨、煤磨、水泥磨等設備，進行能耗、運行參數、運行狀態(tài)與效率實時監(jiān)測，統(tǒng)計分析，助力管理人員通過調整工藝操作模式，提高能效，降低成本。
4.3能耗報警
（1）能耗預警
基于能耗歷史數據，構建能耗預警模型，作用于實時能耗數據，對能耗趨勢進行預判，實現對能耗報警的早期預警。可實現行業(yè)、區(qū)域、企業(yè)用能總量預警、單耗指標預警等。
（2）實時報警
基于能耗數據實時監(jiān)測功能，根據用戶自由設置的限值發(fā)起設備能耗報警、能耗總量報警，并記錄報警數據，支持線上實時報警與歷史數據導出，支持短信、微信、郵件等報警信息推送功能。
（3）報警設置
設置能耗報警參數，具體包括報警限值，報警周期、報警對象、報警提示方式等。
4.4能源實績管理
（1）能源計劃
利用能耗預測模型，生成煤耗、電耗等能源使用預測曲線，根據企業(yè)生產計劃及能源需求預測結果，編制能源使用計劃，并檢測能源計劃合理性。
（2）能源實績分析
對能源實績數據（各個能源介質消耗量、發(fā)生量、回收量的實時計量數據）進行采集、存儲與實時監(jiān)測，提供能源計劃與能源實績的可視化對比分析。
4.5能耗分析
（1）對比分析
支持對能源介質的同比、環(huán)比分析，直觀的掌握各能耗趨勢和增長率。針對不同企業(yè)或部門（工序、班組、崗位）之間進行同級對比分析，參考平均能耗基準，發(fā)現能耗異常點。針對同級別不同時間段進行歷史對比分析，并參考平均能耗基準，發(fā)現能耗異常點。
（2）對標分析
對企業(yè)能耗與國家標準、行業(yè)標準進行對比分析與綜合能效評價。以水泥行業(yè)為例，對標分析可比熟料綜合煤耗、可比熟料綜合電耗、可比水泥綜合電耗、可比熟料綜合能耗、可比水泥綜合能耗等能耗指標[3]。
（3）能耗排名
多級別（部門、工序、班組、崗位）進行能耗排名，實行內部能耗考核比較，通過對季度、月度、每天考核結果進行對比分析，發(fā)現問題，找出差距。
（4）能效分析
基于設備全過程能耗監(jiān)測數據，結合電耗、功率、效率和負載等參數進行綜合分析，對設備、操作人員進行用能效評價。輔助工藝操作模式調整，提升能源利用率。
（5）趨勢分析
對能耗數據的變化趨勢進行實時追蹤與歷史記錄，深度分析其動態(tài)特性。通過單一數據分析、多數據對比分析、趨勢分析、相關性分析等形式，幫助用戶快速掌握能耗變化規(guī)律，建立能耗預測模型。
4.6能耗報表
支持按照能源介質、使用部門、供應部門進行分部門、分介質、分層級統(tǒng)計，運用圖形與表格的形式展示各部門下屬能源結構的能耗組成，通過時間維度（天、周、月、季、年）可查看各分類的歷史數據。自動或手動生成日、月、年報表。
4.7輔助決策
（1）輔助運維
通過報警趨勢分析、知識庫關聯分析、報警定位與設備關聯分析等手段，從多角度分析設備故障原因，輔助企業(yè)運維人員進行故障判斷和消除，提高工作效率。
（2）輔助診斷
行業(yè)專家對企業(yè)生產過程中出現的耗能問題（如：單位能耗超標、設備非經濟運行、功率因數低、諧波畸變率超標等）提供在線輔助診斷，并針對所發(fā)現的問題和對應的工序，提供解決方案。
（3）輔助安全生產
基于能耗預警耗報警功能，分析報警產生原因與關聯關系，向安全管理人員推送嚴重報警，輔助安全生產。
（4）節(jié)能評價
實現以月、季度、年度為單位對企業(yè)節(jié)能效果進行評估，形成分析節(jié)能效果分析報告，在平臺進行信息公示。
4.8組態(tài)工具
云端圖形化組態(tài)設計工具，通過拖拽等簡單操作，低代碼實現數據可視化設計，靈活繪制現場實時監(jiān)控畫面。
4.9信息公示
以新聞發(fā)布、消息發(fā)送、下載中心等形式，按行業(yè)、地區(qū)、特定時段對企業(yè)綜合能耗情況進行公示。
4.10系統(tǒng)管理
系統(tǒng)管理功能為其他用戶創(chuàng)建平臺賬號，設置人員角色，為角色分配平臺權限，同時可借助分組功能，實現對人員多結構多層級的靈活管理。
4.11平臺安全性
平臺構建包括業(yè)務安全、數據安全、網絡安全和資源安全的整體安全保障體系，提供設備接入、網絡傳輸、數據處理、用戶訪問等全流程安全保障。
5安科瑞企業(yè)能源管理平臺
5.1 平臺概述
安科瑞企業(yè)能源管理平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數據化管理，監(jiān)測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、重大能耗設備的能源利用情況等進行能耗統(tǒng)計、同環(huán)比分析、能源成本分析、用能預測、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎數據和支持。
5.2應用場所
鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫(yī)藥、水泥、煤炭、物流、鐵路、航空工業(yè)、木材、化學原料以及機電設備、電器產品、工器具制造等。
5.3平臺結構
圖3 平臺結構
5.4平臺主要功能
5.4.1首頁
首頁通過展示企業(yè)各類能耗總量、折標值、能源成本、能源消耗趨勢、分項能耗占比、區(qū)域能源消耗對比,并三維展示企業(yè)重要工藝或設備的能源消耗動態(tài)，可直觀了解企業(yè)當前用能。
5.4.2運行監(jiān)控
能源管理系統(tǒng)的動態(tài)顯示對企業(yè)使用的各種能源（電、水、蒸汽）進行實時監(jiān)控，并提供從概貌到具體的動態(tài)圖形顯示，并提供區(qū)域數據監(jiān)控，在工廠平面圖或者某個車間的平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據。系統(tǒng)提供對能源管理系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)視功能，實現對能源系統(tǒng)運行過程中關鍵的用能狀態(tài)參數的變化趨勢、耗能設備的運行狀態(tài)以及系統(tǒng)運行報警事件進行實時監(jiān)視，確保整個能源供給、轉換和消耗過程的安全、可靠和穩(wěn)定。系統(tǒng)提供圖形化工具，不僅可以組態(tài)出數字化的監(jiān)控界面，還具有實時趨勢顯示。
（1）變配電系統(tǒng)的電氣主接線圖展示，實現對全電量參數以及開關斷路器狀態(tài)的實時監(jiān)視，如電壓、電流、頻率、功率、功率因數、三相不平衡度、諧波等參數。
（2） 水、燃氣、壓縮空氣等系統(tǒng)各分支管道分布示意圖以及流量、壓力、溫度等參數狀態(tài)的實時監(jiān)視；
（3）重點用能設備系統(tǒng)（如壓機等)的運行狀態(tài)以及用能參數的實時監(jiān)視；
（4）過壓、過流、欠壓等保護信號報警、系統(tǒng)通信中斷、電量、非電量參數越限、能耗超標預警等實時事件報警監(jiān)視。
（5）工藝流程圖展示重點關注工藝各設備運行參量以及能耗情況
5.4.3變壓器監(jiān)控
展示各變壓器負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規(guī)劃。通過各種運行參數狀態(tài)下用電效能的對比，測算變壓器損耗，找出變壓器經濟運行區(qū)間。根據變壓器經濟運行區(qū)間，調整負載，從而降低變壓器損耗，節(jié)約電量。
5.4.4用能統(tǒng)計
系統(tǒng)支持為企業(yè)不同的計量監(jiān)測對象，提供快速查詢顯示日、周、月、季、年的企業(yè)用能情況同比環(huán)比、產品單耗、產品折標對比、能耗排名等。數據通過棒圖，餅圖，直方圖等形式，實現對系統(tǒng)中耗電量、耗水量、耗氣量等能耗數據的統(tǒng)計分析。大到整個企業(yè)，小到單個設備或車間，通過對這些區(qū)域的計量節(jié)點能耗數據查詢分析，實現整個企業(yè)能耗數據的統(tǒng)計分析，滿足用戶實現對任意時段內區(qū)域、車間、工藝和設備類型等的能耗數據查詢要求。通過對比不同區(qū)域等的能耗數據情況，了解不同對象區(qū)域等的能耗規(guī)律，自動對這些對象進行能耗排名，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。
5.4.5分項用能
系統(tǒng)提供對企業(yè)分項用能的分項統(tǒng)計。根據分項，用柱狀圖以及餅圖，展示各分項用能情況，直觀，清晰。通過用能趨勢，及時掌握企業(yè)分項用能趨勢情況。對于分項用能異常，能即時發(fā)現，調整策略，改善用能，節(jié)約能源。
5.4.6產品/產值單耗
系統(tǒng)可以與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，導入產品產量。對不能導入的數據提供人工錄入功能。通過系統(tǒng)采集的能耗數據，結合產品產量，計算產品單耗，生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析。以便企業(yè)能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。
5.4.7用能成本分析
系統(tǒng)支持為企業(yè)整體以及車間等各個需要單獨進行能耗考核的對象提供各種能源消耗的總費用成本的統(tǒng)計對比功能?？商峁╇姟⑺?、氣等各種能源類型在統(tǒng)計周期中的消耗量以及對應的費用數據，并且可以將各種能源的費用進行百分比占比統(tǒng)計和對比，以了解整個企業(yè)能源費用成本的詳細分布情況。同時支持對單位成本費用進行分析。用戶可選擇多個考核區(qū)域進行耗能成本的對比分析，為用戶建立有效的績效獎懲機制和日常管理提供真實、可靠的數據依據。
5.4.8用能成本
系統(tǒng)支持為企業(yè)以及需要單獨考核計量的區(qū)域提供能源成本預算管理功能，允許用戶錄入能源成本的詳細預算計劃，通過對比能源實際費用和預算費用進行預算執(zhí)行管理，可以直觀的了解到每月或者每年能源成本是否超出預算，方便用戶及時的進行預算的調整和干預。此外，系統(tǒng)還支持按照的預測算法進行能源成本的成本預測，根據歷史的預算執(zhí)行情況和實際耗能的數據預測后續(xù)的幾個月的能源成本費用，幫助用戶進行有效的成本計劃管理。
5.4.9績效分析
對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區(qū)域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、時段績效統(tǒng)計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內部能效水平和節(jié)能潛力。
5.4.10能耗預測
通過對企業(yè)車間、生產工藝、生產設備等的能耗使用情況進行分析，建立能耗計算模型，根據人工智能算法對數據和模型進行修正，對未來企業(yè)能耗趨勢進行，為節(jié)能提供有效的決策依據。
5.4.11運行監(jiān)測
系統(tǒng)的設備運行監(jiān)測功能專門針對重點耗能設備提供的管理，主要包括設備運行狀態(tài)及關鍵參數監(jiān)視、設備臺賬管理、設備能耗統(tǒng)計分析以及設備維護管理。通過對設備工作狀態(tài)參數以及工況參數的實時采集和監(jiān)視可及時判斷設備的運行工況是否正常；設備能耗統(tǒng)計分析可提供針對設備對象的實時耗能量以及歷史耗能趨勢的分析和對比；設備臺賬管理以及維護管理可建立全面的設備基本信息檔案，可快速實現對于設備各種特性參數的查詢和統(tǒng)計分類，對設備及其主要零配件的檢修、更換歷史記錄進行信息化管理，并可提供設備計劃檢修到期提醒以及逾期檢修告警等功能，便于為每一個重要設備建立經濟運行檔案，確保設備的安全、穩(wěn)定、經濟運行。
5.4.12能源平衡及損耗分析
能源平衡及損耗統(tǒng)計分析主要為企業(yè)的電、水、氣等能源在轉換、運輸、使用過程中的各個環(huán)節(jié)提供能量平衡分析，及時的發(fā)現能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。通過分別統(tǒng)計重要用能環(huán)節(jié)的能源供給量和能源消耗量并計算兩者之間的差值損耗量，來評估個各環(huán)節(jié)的用能損耗程度。比如對用水系統(tǒng)的干管計量和各個車間支管的計量消耗量之和進行損耗分析，有利于及時發(fā)現是否存在水管漏水或者違規(guī)用水的情況；對用電系統(tǒng)的低壓進線計量和各饋線回路的計量消耗量之和進行損耗分析，來評估判斷是否存在違規(guī)用電、竊電等異常用電現場，幫助用戶發(fā)現并糾正能源使用過程中的能源浪費問題，降低能源綜合運行成本。
5.4.13節(jié)能分析
節(jié)能分析主要是為企業(yè)在實施節(jié)能措施后，具體節(jié)能效果的分析，通過錄入節(jié)能措施，對比分析實施節(jié)能措施前與實施節(jié)能措施后的用能情況，以此來評判節(jié)能措施的實施效果，為企業(yè)節(jié)能提供幫助，提高經濟效益。
5.4.14分析報告
系統(tǒng)提供的用戶分析報告主要是為企業(yè)的中、高層管理人員提供有關企業(yè)的能耗數據統(tǒng)計結果匯總和分析結論展示，注重整體能耗狀況和變化趨勢的說明。一般包括企業(yè)的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況，用能趨勢排名，重點能耗排名，綜合能耗排名等。通過豐富多樣的 圖形化組件組態(tài)成為一份用戶分析報告，讓用戶全面了解系統(tǒng)的運行情況，方便用戶發(fā)現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節(jié)能潛力。
5.4.15事件記錄
事件報警分析主要是為系統(tǒng)的異常運行狀態(tài)或故障原因診斷分析提供依據和分析手段。系統(tǒng)運行過程中所產生的各種報警時間均會被自動記錄和存儲，通過對事件的發(fā)生時間、范圍對象、事件的類型、事件的等級以及事件描述關鍵字搜索查詢，即可快速的實現對目標事件的查詢和分類。
5.4.16自定義報表
用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生成各種報表，從各種能耗數據及費用比較，到電力峰谷平報表；從碳排放報告到系統(tǒng)能耗評估，從能耗指標到能耗預算等等，使用者無需繁瑣的編輯，只需要簡單操作就能生成精美的報表。
5.4.17移動端支持
APP支持Android、iOS操作系統(tǒng)，方便用戶按能源分類、區(qū)域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業(yè)能源消耗、效率分析、同環(huán)比分析、能耗折標、用能預測、運行監(jiān)視、異常報警等。
5.4.18運行環(huán)境
(1)瀏覽器運行設備
(2)臺式電腦，手機、平板等移動端設備
(3)瀏覽器運行環(huán)境
(4)支持、火狐、搜狗、360等主流瀏覽器訪問
(5)客戶端運行設備
(6)安卓系統(tǒng)移動設備（android 5.0以上），蘋果ios系統(tǒng)
5.5推薦現場設備選型（根據實際需求選配）
6結束語
本文所述建材行業(yè)能源管理應用服務云平臺充分利用工業(yè)通信、大數據、云計算、可視化等先進技術，依靠底層現有的能源硬件基礎和控制系統(tǒng)，通過云網關匯聚各類生產過程參數和能源數據，經過數據清洗、存儲、整理，并運用科學先進的統(tǒng)計分析方法，結合生產計劃具體需要，進行能耗實時監(jiān)測、能效分析、優(yōu)化控制和綜合管理，平臺采用微服務架構，為用戶提供數字化、網絡化和智能化的能源管理與服務。
由此可見，工業(yè)互聯網平臺是實現智能化能源管理的重要手段，通過分析發(fā)現工業(yè)互聯網平臺在能源數據采集、匯聚、分析、價值挖掘等方面都具有較高的應用價值，可推廣應用至其他應用領域。
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[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06版
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更新時間：2022-04-18 
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