淺聊基于物聯網的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用
瀏覽次數：58更新時間：2024-11-20
張繼冬
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要： 隨著工業(yè)的快速發(fā)展，能源消耗問題日益突出。本文深入探討了基于物聯網的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用。首先闡述了該系統(tǒng)的研究背景和意義，接著詳細介紹了其系統(tǒng)架構設計，包括感知層、網絡層和應用層的功能與組成。然后論述了系統(tǒng)的關鍵技術，如傳感器技術、網絡通信技術等。最后結合實際案例分析了該系統(tǒng)在工業(yè)企業(yè)中的應用效果及帶來的節(jié)能效益，展示了其在工業(yè)領域實現節(jié)能減排、提高能源管理水平的重要作用。
1、引言
工業(yè)是能源消耗的大戶，在全球能源日益緊張和環(huán)保要求不斷提高的背景下，如何有效監(jiān)控和管理工業(yè)企業(yè)的能耗成為亟待解決的問題。基于物聯網的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)為這一難題提供了有效的解決方案。通過實時采集、傳輸和分析能耗數據，企業(yè)能夠精準掌握能源使用情況，發(fā)現能耗異常點，進而采取有效的節(jié)能措施，實現可持續(xù)發(fā)展。
2、基于物聯網的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)架構設計
2.1、感知層
感知層是系統(tǒng)獲取能耗數據的基礎。主要由各類智能傳感器組成，如電流傳感器、電壓傳感器、水表、氣表等。這些傳感器被安裝在工業(yè)企業(yè)的各種能耗設備上，能夠實時、準確地采集設備的能耗參數，如電量、水量、氣量等的消耗情況。例如，在一臺大型電機上安裝電流和電壓傳感器，就可以通過計算得出該電機的實時功率消耗。
2.2、網絡層
網絡層負責將感知層采集到的數據傳輸到數據處理中心。它采用多種網絡通信技術，如 ZigBee、LoRa、5G 等無線通信技術以及工業(yè)以太網等有線通信技術。ZigBee 技術適用于短距離、低功耗的數據傳輸場景，如在一個車間內的設備之間傳輸數據；LoRa 技術則可實現較長距離的低功耗傳輸，適合于廠區(qū)內不同車間之間的數據傳輸；而 5G 技術憑借其高速、低延遲的特點，可滿足大量能耗數據的快速、穩(wěn)定傳輸需求，尤其是在對實時性要求較高的場合。
2.3、應用層
應用層是對傳輸過來的能耗數據進行處理、分析和應用的層面。它包括數據存儲、數據分析、能耗監(jiān)測與管理等多個模塊。數據存儲模塊負責將接收到的海量能耗數據進行分類存儲，以便后續(xù)查詢和分析。數據分析模塊通過建立能耗模型、運用數據分析算法等方式，對存儲的數據進行深度挖掘，找出能耗異常點、分析能耗趨勢以及評估節(jié)能措施的效果。能耗監(jiān)測與管理模塊則可以實時展示企業(yè)內各設備、各車間乃至整個企業(yè)的能耗狀況，以直觀的圖表形式呈現給管理人員，方便他們及時做出決策。
3、基于物聯網的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術
3.1、傳感器技術
傳感器是感知層的核心部件，其性能直接影響到能耗數據采集的準確性和可靠性。目前，工業(yè)領域常用的能耗傳感器具有高精度、高靈敏度、適應惡劣環(huán)境等特點。例如，一些新型的電量傳感器能夠在復雜的電磁環(huán)境下準確測量電流和電壓，誤差控制在極小范圍內。
3.2、網絡通信技術
如前文所述，網絡通信技術是實現數據傳輸的關鍵。不同的通信技術適用于不同的場景，企業(yè)需要根據自身的廠區(qū)規(guī)模、設備分布等情況選擇合適的通信方式。同時，為了確保數據傳輸的安全和穩(wěn)定，還需要采用數據加密、身份認證等網絡安全技術。
3.3、數據分析技術
數據分析技術對于從海量能耗數據中提取有價值的信息至關重要。常用的數據分析方法包括統(tǒng)計分析、數據挖掘、機器學習等。通過統(tǒng)計分析可以得到能耗的基本統(tǒng)計量，如平均值、最大值、最小值等；數據挖掘技術可以發(fā)現隱藏在數據中的能耗模式和規(guī)律；機器學習則可以根據歷史數據對未來的能耗情況進行預測，為企業(yè)制定節(jié)能計劃提供參考。
4、基于物聯網的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)應用案例分析
4.1、某鋼鐵企業(yè)應用案例
某鋼鐵企業(yè)在引入基于物聯網的能耗監(jiān)控系統(tǒng)之前，能源管理較為粗放，無法準確掌握各生產環(huán)節(jié)的能耗情況。引入該系統(tǒng)后，首先在煉鋼、煉鐵、軋鋼等主要生產設備上安裝了智能傳感器，通過網絡層將數據傳輸到應用層的數據處理中心。
在應用方面，企業(yè)管理人員通過能耗監(jiān)測與管理模塊實時查看各設備的能耗狀況，發(fā)現煉鋼廠的一臺電爐在某些時段存在能耗異常升高的情況。經過數據分析模塊的深入分析，確定是由于該電爐的電極調節(jié)系統(tǒng)出現故障，導致電能浪費。及時維修后，該電爐的能耗恢復正常，每月可節(jié)約電能約 10 萬千瓦時。
此外，通過對長期能耗數據的分析，企業(yè)還調整了生產計劃，合理安排設備運行時間，避免了設備的無效空轉，進一步降低了能耗。據統(tǒng)計，該企業(yè)在應用能耗監(jiān)控系統(tǒng)后的一年內，整體能耗降低了約 15%，取得了顯著的節(jié)能效益。
4.2、某化工企業(yè)應用案例
某化工企業(yè)同樣面臨著能耗管理難題。應用能耗監(jiān)控系統(tǒng)后，在反應釜、輸送帶、泵等設備上安裝傳感器。在網絡層采用了 ZigBee 和工業(yè)以太網相結合的通信方式，確保了數據傳輸的順暢。
通過應用層的數據分析，企業(yè)發(fā)現部分反應釜在加熱過程中存在能源利用率不高的問題。于是對反應釜的加熱系統(tǒng)進行了優(yōu)化改造，采用了更先進的加熱技術和控制方式。經過改造后，這些反應釜的能源利用率提高了約 20%，同時企業(yè)通過能耗監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控各車間的能耗情況，根據生產需求靈活調整設備運行，每年可節(jié)約大量的能源成本。
5 AcrelCloud-5000安科瑞能耗管理系統(tǒng)解決方案
為貫徹落實國發(fā)[2007]15號的精神，住建部印發(fā)《關于印發(fā)國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設相關技術導則的通知》（建科[2008]114號），組織編制“國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)”一系列技術導則及驗收標準。這些導則統(tǒng)一了能耗數據的分類、分項方法及編碼規(guī)則，實現了分項能耗數據的實時采集、準確傳輸、科學處理、有效儲存。我司AcrelCloud-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)嚴格按照導則要求開發(fā)，符合導則要求的各項技術要求。
6 系統(tǒng)架構
計量層：主要安裝各種類型計量儀表（電表、水表、燃氣表、冷熱量計等）；支持RS485、LORA、4G直傳等方式。
傳輸層：傳輸層核心是使用ANet系列網關；主要特點是支持斷點續(xù)傳、支持多種協議轉換、數據機密傳輸。
服務層：能耗系統(tǒng)的中心，主要用于接收網關或4G終端傳輸的數數據，存儲數據，為用戶訪問提供數據接口。
展示層：主要為用戶提供訪問平臺數據的功能，支持跨平臺訪問，用戶可以使用PC瀏覽器、手機APP隨時了解項目能耗情況。
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。針對建筑本周與上周用能出現增加或下降的情況，分別用紅色和藍色圖表表示。平臺可按照單位面積能耗與折標綜合能耗顯示當前平臺的建筑信息。平臺可顯示平臺接入儀表數量、平臺接入建筑總面積、平臺接入建筑上月總能耗等。同時，該頁面還有針對不同維度數據進行大數據分析后的結果展示。
7.2 單建筑能耗對比分析
單建筑能耗主要是針對單一建筑進行建筑分類分項能耗數據分析，分類分項嚴格按照平臺的標準與要求進行劃分，如圖中左側部分的樹形結構。
數據可以按照表格、柱狀圖、曲線的形式進行展示統(tǒng)計?？梢灾庇^觀察分類能耗與分項能耗的數據關聯是否正常。
7.3 多建筑對比分析
多建筑能耗分析主要是將多棟建筑的分類或分項用能情況放到統(tǒng)一界面中?？砂粗饡r、逐日、逐月、逐年的方式查看選中建筑的分了或分項數據。數據通過曲線圖或表格形式展示。
7.4 數據異常判定
平臺接入并維護多棟建筑的數據，建筑現場情況多種多樣，為保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的運行以及數據的準確與可靠，平臺中增加了數據異常檢查功能，當數據檢查時不符合預定的情況時，及時產生報警并生成工單派發(fā)到維護管理人員郵箱中。
7.5 用戶報告
用戶報告主要內容包含各分類能源消耗量的趨勢分析、對比分析、占比分析等，還包含數據異常統(tǒng)計情況與派單情況。
8 系統(tǒng)硬件配置
9、結論
基于物聯網的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)通過其科學合理的架構設計和先進的關鍵技術，在工業(yè)企業(yè)中發(fā)揮了重要作用。通過實際案例分析可以看出，該系統(tǒng)能夠準確采集能耗數據、高效傳輸并深度分析，幫助企業(yè)管理人員及時發(fā)現能耗問題并采取有效措施加以解決，從而實現顯著的節(jié)能效益。隨著物聯網技術的不斷發(fā)展和完善，相信該系統(tǒng)在未來的工業(yè)領域將發(fā)揮更大的作用，為工業(yè)企業(yè)的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻。
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[4]安科瑞企業(yè)微電網設計與選型手冊.2022.05版.
作者簡介：張繼冬，男，安科瑞電氣股份有限公司
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