胡燕

（廣東省自動(dòng)化研究所）

0 前言

隨著全球能源供應(yīng)的日趨緊張，各種能源費(fèi)用都呈上升趨勢(shì)，能耗成本在企業(yè)成本中所占比例越來(lái)越大。建立科學(xué)的能源監(jiān)控及管理模式，通過(guò)對(duì)企業(yè)能耗的自動(dòng)化監(jiān)控、信息化管理，降低產(chǎn)品能源成本，對(duì)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)發(fā)展和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[1]。國(guó)內(nèi)大型企業(yè)已普遍建立了企業(yè)能源管理中心，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)水、電、氣等能源消耗的信息化管控與優(yōu)化配置，并取得了較好的節(jié)能效果。但是，占我國(guó)企業(yè)總量 95%以上的中小企業(yè)在能源管理信息系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)程上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于大型企業(yè)，其推廣應(yīng)用的主要障礙在于信息系統(tǒng)建設(shè)所需的資金和技術(shù)門檻較高，加上企業(yè)自身規(guī)劃缺乏系統(tǒng)性、需求不明確、現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施布局不合理等問(wèn)題，進(jìn)一步加大了系統(tǒng)建設(shè)的難度和成本。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種將無(wú)線通信技術(shù)、組態(tài)技術(shù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)綜合應(yīng)用于設(shè)備節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、能源數(shù)據(jù)采集、管理及決策支持各個(gè)環(huán)節(jié)的能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)需鋪設(shè)通信電纜，可隨需動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)及組態(tài)技術(shù)支持多種I/O設(shè)備、通信協(xié)議的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，并應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)能源原始數(shù)據(jù)進(jìn)行二次挖掘應(yīng)用，為企業(yè)的合理用能提供科學(xué)的決策依據(jù)。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活、成本低的特點(diǎn)，符合中小企業(yè)的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求及設(shè)計(jì)原則

能源管理系統(tǒng)是一種基于網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)信息技術(shù)的現(xiàn)代化能源管理平臺(tái)，可對(duì)企業(yè)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理、統(tǒng)計(jì)、查詢和分析，提供企業(yè)用能計(jì)劃、能耗核算及決策支持，實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能績(jī)效的科學(xué)管理和能源效率的持續(xù)改進(jìn)[2]。受前期現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、資金預(yù)算等方面的約束，面向中小企業(yè)的能源管理系統(tǒng)具有其自身特點(diǎn)和需求，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須予以充分考慮。

(1) 系統(tǒng)建設(shè)成本需求。信息系統(tǒng)建設(shè)的資金和技術(shù)門檻較高，中小企業(yè)通常存在現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃不足、布局不合理的問(wèn)題。復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)和大范圍基礎(chǔ)設(shè)施的改造將大幅增加系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本。方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇合理、適用的技術(shù)，避免或減少基礎(chǔ)設(shè)置的改造，減少軟硬件的前期投入，同時(shí)應(yīng)保證系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理范圍的逐步擴(kuò)大。

(2) 系統(tǒng)功能需求。在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)上，應(yīng)圍繞系統(tǒng)建設(shè)目的，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)等基本功能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)能源信息管理及能耗原始數(shù)據(jù)的二次挖掘利用進(jìn)行功能設(shè)計(jì)和開發(fā)。

(3) 系統(tǒng)性能需求。能源管理系統(tǒng)是一套包括了軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、多種通信網(wǎng)絡(luò)的集成系統(tǒng)，涉及到能耗數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理、分析等多個(gè)環(huán)節(jié)。進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件選型時(shí)，應(yīng)盡可能采用成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，使系統(tǒng)具有優(yōu)良的設(shè)備兼容性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的中小企業(yè)能源管理系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)中心服務(wù)層和信息管理層，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集層包括能源計(jì)量?jī)x表和無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置，采用RS485總線組網(wǎng)。無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置將能源計(jì)量?jī)x表的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)打包成Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)包，并以TCP/IP包的形式發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)中心服務(wù)層由多種服務(wù)器組成，提供通信、組態(tài)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理與顯示等應(yīng)用服務(wù)。數(shù)據(jù)中心服務(wù)層與數(shù)據(jù)采集層之間采用GPRS無(wú)線通信方式，現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)不需要鋪設(shè)通信電纜，配置方便靈活。

信息管理層是指用戶通過(guò)系統(tǒng)提供的顯示、查詢、分析功能實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)能耗數(shù)據(jù)的管理、監(jiān)控、分析和決策。

2 硬件系統(tǒng)

(1) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。根據(jù)各種現(xiàn)場(chǎng)需求的不同，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包括模擬量輸出設(shè)備和數(shù)字量輸入/輸出設(shè)備。模擬量設(shè)備包括電表、流量計(jì)、壓力計(jì)、積算儀等計(jì)量?jī)x表；數(shù)字量設(shè)備包括光電開關(guān)、繼電器、LED等開關(guān)設(shè)備。信號(hào)的采集主要通過(guò)將非電量轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA、1 V～5 V或毫伏級(jí)熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)[3]?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以二線制RS485總線與數(shù)據(jù)采集控制單元相連接，模擬信號(hào)、開關(guān)狀態(tài)信號(hào)、控制信號(hào)分別連接到數(shù)據(jù)采集控制單元的 AI端口、DI端口和DO端口。

(2) 無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置。數(shù)據(jù)采集裝置下接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、上接數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)能源數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和遠(yuǎn)程通信等工作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙信、遙測(cè)及遙控，它的設(shè)計(jì)和選型對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能、性能和建設(shè)成本起著重要的影響作用，是能源管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。

本系統(tǒng)所采用的無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置集成了數(shù)據(jù)采集模塊和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，裝置采用片上資源豐富、處理速度快的 ARM 芯片作為處理器，集成了FLASH、SDRAM、RS485接口、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字量I/O模塊和GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)RTU和DTU的無(wú)縫連接，具有性價(jià)比高、功耗低、采集與通信性能更加穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)量、狀態(tài)量的采集和向現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)設(shè)備發(fā)送控制命令，再將這些信號(hào)以Modbus協(xié)議打包成數(shù)據(jù)包。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與能源管理中心的數(shù)據(jù)通信，通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸?shù)姆绞竭h(yuǎn)程發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)并接收遠(yuǎn)程控制命令。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊內(nèi)部封裝PPP撥號(hào)協(xié)議以及TCP/IP協(xié)議棧，通過(guò)RS485接口與數(shù)據(jù)采集模塊相連接，將串行通信數(shù)據(jù)以TCP/IP包的形式發(fā)出，而將收到的TCP/IP數(shù)據(jù)包用串行通信的方式傳輸，完成相互間的透明轉(zhuǎn)換，而不需要改變?cè)械臄?shù)據(jù)通信內(nèi)容[4]。無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

與常用的可編程控制器PLC采集方案相比，本系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置采用高度集成的、更緊湊的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)集成工作、增加了系統(tǒng)的可靠性；采用無(wú)線通訊方式，不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制，系統(tǒng)擴(kuò)展方便靈活；采用通用的通信協(xié)議，可支持不同廠家的數(shù)據(jù)采集設(shè)備；具有主/從上傳和主動(dòng)上傳兩種通訊方式，有效保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和有效性。

(3) 系統(tǒng)服務(wù)器。系統(tǒng)服務(wù)器組包括數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及WEB服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器運(yùn)行組態(tài)軟件，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的接收、解析、能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。數(shù)據(jù)服務(wù)器安裝 SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)和主題數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)所采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)，如能源計(jì)劃數(shù)據(jù)、能源實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)；主題數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)來(lái)源于歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)清洗、整理后根據(jù)不同的分析主題建立多種數(shù)據(jù)集市，這些數(shù)據(jù)共同為管理系統(tǒng)能源計(jì)劃、管理、查詢、分析統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘、決策支持提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。應(yīng)用服務(wù)器上運(yùn)行能源管理軟件，是整個(gè)能源管理系統(tǒng)的核心，提供能源計(jì)劃、實(shí)績(jī)管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、決策支持等功能。WEB服務(wù)器用于提供WEB發(fā)布及網(wǎng)上信息瀏覽服務(wù)，用戶通過(guò)IE瀏覽器查看能源數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)報(bào)表。在實(shí)際的部署中可根據(jù)數(shù)據(jù)的采集量、處理量、系統(tǒng)性能等因素將多種服務(wù)合并在一臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器中。

3 軟件系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集軟件和能源管理軟件兩部分。數(shù)據(jù)采集軟件基于組態(tài)軟件的開發(fā)環(huán)境，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中心服務(wù)層與數(shù)據(jù)采集層之間的遠(yuǎn)程通信、實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。能源管理軟件基于面向?qū)ο蟮腣isual Studio .NET的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)基礎(chǔ)信息的信息化管理并提供個(gè)性化的能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)測(cè)功能，能源管理系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件功能架構(gòu)圖

(1) 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

基于組態(tài)軟件的開發(fā)環(huán)境，具有良好的人機(jī)圖形界面、集成多種通信協(xié)議、支持多種I/O設(shè)備、開放的數(shù)據(jù)庫(kù)接口，預(yù)置了各種組態(tài)功能模塊，可方便、快速地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，構(gòu)造不同行業(yè)、不同需求的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集軟件主要功能包括：① 參數(shù)配置：對(duì)設(shè)備識(shí)別號(hào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)采集周期、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)精度、報(bào)警閥值等數(shù)據(jù)通信相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；② 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：對(duì)企業(yè)能源消耗數(shù)據(jù)（水、電、油、燃?xì)?、蒸汽等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并提供從概貌到具體的動(dòng)態(tài)數(shù)字、圖形顯示；③ 異常報(bào)警：根據(jù)用戶需求對(duì)異常狀態(tài)和數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，并保存歷史報(bào)警的發(fā)生時(shí)間和內(nèi)容；④ 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：根據(jù)日、周、月、季度、年等不同周期生成能源消耗的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

(2) 能源管理軟件設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的能源管理中，信息組織與處理以分類數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為主，面對(duì)種類繁多的能源數(shù)據(jù)缺乏深層次的開發(fā)利用，缺少綜合性、分析性數(shù)據(jù)，不能滿足中上層管理決策人員對(duì)信息的查詢、分析和決策要求。本系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)、鏈接分析處理技術(shù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將能源供需統(tǒng)計(jì)、能耗分析預(yù)測(cè)、能耗指標(biāo)管理等重要的決策支持功能應(yīng)用在企業(yè)能源管理系統(tǒng)中，為企業(yè)能源的科學(xué)管理和決策提供依據(jù)。

能源管理軟件基于面向?qū)ο蟮腣isual Studio .NET的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，提供了可視化設(shè)計(jì)開發(fā)工具箱、公共語(yǔ)言運(yùn)行庫(kù)和龐大的公用代碼庫(kù)，可快速構(gòu)建Windows應(yīng)用程序、Web應(yīng)用程序、Web服務(wù)和其它各種類型的應(yīng)用程序，縮短系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間和難度。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用SQL Server 2005，其引入了決策樹、管理規(guī)則、時(shí)間序列等算法模型，提供了聯(lián)機(jī)在線分析工具和簡(jiǎn)單而豐富的API接口，具有易使用，可伸縮和可擴(kuò)展性且價(jià)格便宜，特別適合中小企業(yè)信息化系統(tǒng)的應(yīng)用。

能源管理軟件的核心功能包括：① 多主題數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)：對(duì)企業(yè)能耗的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)和拓展，提取有用數(shù)據(jù)與其它相關(guān)信息整合，建立包括能源計(jì)劃主題、能源供需主題、能源指標(biāo)主題等多種主題的能源管理數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，為企業(yè)能源的供需統(tǒng)計(jì)、消耗預(yù)測(cè)、指標(biāo)管理等提供依據(jù)和工具；② 系統(tǒng)信息管理：對(duì)企業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化管理，包括按照區(qū)域、部門、車間、設(shè)備劃分的多層次管理；能源種類、屬性、價(jià)格的管理；不同時(shí)間段生產(chǎn)班次的管理等；③ 能耗指標(biāo)管理：制定設(shè)備能耗指標(biāo)、單位產(chǎn)品能耗指標(biāo)等各類能源在生產(chǎn)過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)能耗值作為能源監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)能耗指標(biāo)；④ 統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)測(cè)：針對(duì)不同的生產(chǎn)工序、產(chǎn)品建立能源消耗數(shù)據(jù)集市，按能源介質(zhì)種類、時(shí)間、車間等維度構(gòu)建數(shù)據(jù)視圖，應(yīng)用橫向?qū)Ρ确治?、縱向趨勢(shì)分析、變動(dòng)因素分析、切片鉆取分析等多種分析方法，對(duì)實(shí)際能耗與基準(zhǔn)能耗指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析及趨勢(shì)預(yù)測(cè)，以圖形與表格相結(jié)合的方式，多角度展示數(shù)據(jù)，包括不同級(jí)別、不同周期的能耗統(tǒng)計(jì)、能耗對(duì)比分析、成本分析與考核、節(jié)能績(jī)效分析、能耗趨勢(shì)預(yù)測(cè)等；⑤ 報(bào)表管理中心：具有報(bào)表模板自定義功能，用戶可根據(jù)習(xí)慣、喜好定制不同展現(xiàn)形式和風(fēng)格的報(bào)表模板，滿足個(gè)性化的報(bào)表需求，報(bào)表支持EXCEL和PDF格式導(dǎo)出，用戶可方便的進(jìn)行編輯和打印。能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)測(cè)如圖5所示。

圖5 能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)測(cè)

4 結(jié)束語(yǔ)

基于無(wú)線技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)具有節(jié)點(diǎn)配置簡(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)管理按需擴(kuò)展、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)；系統(tǒng)功能方面，在實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)等基本功能的基礎(chǔ)上，增加了能耗指標(biāo)管理、產(chǎn)品成本核算、多維度數(shù)據(jù)分析等豐富的能源管理功能。面向中小企業(yè)的能源管理系統(tǒng)在降低企業(yè)能源管理系統(tǒng)建設(shè)資金和技術(shù)門檻的同時(shí)，能有效地為企業(yè)的管理和技術(shù)人員提供決策支持，幫助中小企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能績(jī)效的科學(xué)管理及能源效率的持續(xù)改進(jìn)。

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