摘要：在“碳達峰，碳中和"政策影響下，對工業企業能源管理提出了新的要求。本文結合建材工廠對安全、健康、節能等方面的需求，深入探討了建材行業能源管理工業互聯網平臺的設計與應用，這將給工業互聯網平臺技術在其他工業應用方面提供借鑒。

關鍵詞：能源管理；數據可視化；工業互聯網平臺

 

 

  本文所述建材行業能源管理工業互聯網平臺，實現分層級、分部門、分介質的能耗數據實時監測、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云應用服務，同時建立綜合能效能耗公示、監測及能耗診斷等行業云應用服務，實現對能源的精細化管理，提高能源利用效率，降低企業運營成本，推動建材行業的轉型升級，提高行業核心競爭力。

 

 

  建材行業能源管理工業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。

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、能源監測、能耗報警、能源實績管理、能耗分析、輔助決策、組態工具、信息公示、系統管理等功能服務；提供數據接口，為企業管理級的MES、ERP等系統提供用能信息。

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、行業監管部門、政府部門、行業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相關信息。

 

 

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、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、發電機、風機等各類設備的運行狀態等，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、計量表的運行狀態等。

（4）環保數據

企業各項環保數據如廢氣排放指標檢測，應與環保局采集數據同源。

 

 

能源管理工業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及安裝，具備跨平臺特性。企業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各級生產能耗數據進行實時監測，并隨時查看能耗統計分析數據；行業監管用戶可按行業、地區、特定時段對企業綜合能耗情況進行查看，方便其準確了解行業整體用能情況，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

 

    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交互的圖形及3D動態圖形效果，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）行業總覽

  圖形化展示具體地區、特定時段權限范圍內企業能耗情況，橫向、縱向能效對比情況。

（2）企業總覽

  顯示企業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、能耗報警統計、能效數據統計等。實際能效與、能源計劃橫向、縱向對比情況。

4.2能源監測

    對企業能耗數據進行實時監測，包括對能耗總量、重點工序能耗、重點設備能耗、余熱發電生產能耗，以及電表、水表、燃氣表等儀表數據的監測。支持靈活分組，可按部門、工序、設備、介質等分層級監測。

（1）生產工序監測

  監測重點工序的能源消耗情況，以水泥企業為例，監測熟料煅燒、水泥粉磨工序的能耗，經過深層次的統計分析，輔助工藝操作模式調整，生產能效優化。

（2）能源消耗監測

  監測企業各能源介質的消耗情況，如電能，監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、運行狀態與效率實時監測，統計分析，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、區域、企業用能總量預警、單耗指標預警等。

（2）實時報警

  基于能耗數據實時監測功能，根據用戶自由設置的限值發起設備能耗報警、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、發生量、回收量的實時計量數據）進行采集、存儲與實時監測，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、環比分析，直觀的掌握各能耗趨勢和增長率。針對不同企業或部門（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，發現能耗異常點。

（2）對標分析

  對企業能耗與國家標準、行業標準進行對比分析與綜合能效評價。以水泥行業為例，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，發現問題，找出差距。

（4）能效分析

  基于設備全過程能耗監測數據，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

  行業專家對企業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

  基于能耗預警與能耗報警功能，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）節能評價

  實現以月、季度、年度為單位對企業節能效果進行評估，形成分析節能效果分析報告，在平臺進行信息公示。

4.8組態工具

     云端圖形化組態設計工具，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控畫面。

4.9信息公示

     以新聞發布、消息發送、下載中心等形式，按行業、地區、特定時段對企業綜合能耗情況進行公示。

4.10系統管理

     系統管理功能為其他用戶創建平臺賬號，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。

 

 

5.1 平臺概述

      安科瑞企業能源管理平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業電、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計、同環比分析、能源成本分析、用能預測、碳排分析，為企業加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節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、醫藥、水泥、煤炭、物流、鐵路、航空工業、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、區域能源消耗對比,并三維展示企業重要工藝或設備的能源消耗動態，可直觀了解企業當前用能。

5.4.2運行監控

       能源管理系統的動態顯示對企業使用的各種能源（電、水、蒸汽）進行實時監控，并提供從概貌到具體的動態圖形顯示，并提供區域數據監控，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。系統提供對能源管理系統運行狀態的實時監視功能，實現對能源系統運行過程中關鍵的用能狀態參數的變化趨勢、耗能設備的運行狀態以及系統運行報警事件進行實時監視，確保整個能源供給、轉換和消耗過程的安全、可靠和穩定。系統提供圖形化工具，不僅可以組態出數字化的監控界面，還具有實時趨勢顯示。

     （1）變配電系統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的實時監視，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、壓縮空氣等系統各分支管道分布示意圖以及流量、壓力、溫度等參數狀態的實時監視；

     （3）重點用能設備系統（如壓機等)的運行狀態以及用能參數的實時監視；

     （4）過壓、過流、欠壓等保護信號報警、系統通信中斷、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劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比，測算變壓器損耗，找出變壓器經濟運行區間。根據變壓器經濟運行區間，調整負載，從而降低變壓器損耗，節約電量。

5.4.4用能統計

     系統支持為企業不同的計量監測對象，提供快速查詢顯示日、周、月、季、年的企業用能情況同比環比、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，實現對系統中耗電量、耗水量、耗氣量等能耗數據的統計分析。大到整個企業，小到單個設備或車間，通過對這些區域的計量節點能耗數據查詢分析，實現整個企業能耗數據的統計分析，滿足用戶實現對任意時段內區域、車間、工藝和設備類型等的能耗數據查詢要求。通過對比不同區域等的能耗數據情況，了解不同對象區域等的能耗規律，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

      系統提供對企業分項用能的分項統計。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，及時掌握企業分項用能趨勢情況。對于分項用能異常，能即時發現，調整策略，改善用能，節約能源。

5.4.6產品/產值單耗

     系統可以與企業MES系統對接，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，并進行同比和環比分析。以便企業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

     系統支持為企業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計對比功能。可提供電、水、氣等各種能源類型在統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計和對比，以了解整個企業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

    系統支持為企業以及需要單獨考核計量的區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，根據歷史的預算執行情況和實際耗能的數據預測后續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、區域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力。

5.4.10能耗預測

    通過對企業車間、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，對未來企業能耗趨勢進行，為節能提供有效的決策依據。

5.4.11運行監測

    系統的設備運行監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及關鍵參數監視、設備臺賬管理、設備能耗統計分析以及設備維護管理。通過對設備工作狀態參數以及工況參數的實時采集和監視可及時判斷設備的運行工況是否正常；設備能耗統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

   能源平衡及損耗統計分析主要為企業的電、水、氣等能源在轉換、運輸、使用過程中的各個環節提供能量平衡分析，及時的發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。通過分別統計重要用能環節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，來評估個各環節的用能損耗程度。比如對用水系統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，有利于及時發現是否存在水管漏水或者違規用水的情況；對用電系統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用電、竊電等異常用電現場，幫助用戶發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節能分析

    節能分析主要是為企業在實施節能措施后，具體節能效果的分析，通過錄入節能措施，對比分析實施節能措施前與實施節能措施后的用能情況，以此來評判節能措施的實施效果，為企業節能提供幫助，提高經濟效益。

5.4.14分析報告

    系統提供的用戶分析報告主要是為企業的中、高層管理人員提供有關企業的能耗數據統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 圖形化組件組態成為一份用戶分析報告，讓用戶全面了解系統的運行情況，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

5.4.15事件記錄

    事件報警分析主要是為系統的異常運行狀態或故障原因診斷分析提供依據和分析手段。系統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，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、效率分析、同環比分析、能耗折標、用能預測、運行監視、異常報警等。

5.4.18運行環境

(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)安卓系統移動設備（android 5.0以上），蘋果ios系統

 

5.5推薦現場設備選型（根據實際需求選配）

 

 

  本文所述建材行業能源管理應用服務云平臺充分利用工業通信、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，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計分析方法，結合生產計劃具體需要，進行能耗實時監測、能效分析、優化控制和綜合管理，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，通過分析發現工業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。

 

【參考文獻】

[1]徐會詠. 智慧能源管理系統建設方案[J].能源研究與管理,2020(4）:83~87.

[2]馬秀麗,李媛,楊祖業.建材行業能源管理工業互聯網平臺設計與應用[J].中國儀器儀表,2021(12):40-44.

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版