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浅析物联网环境下加工业过程能耗监测系统设计

2024-04-10 13:39:05 来源：安科瑞陈芳芳

摘要：随着节能减排要求的深入以及日益激烈的市场竞争，如何降低小麦加工过程能耗和运营成本已经成为业内的热点问题。采用物联网技术,建立了小麦加工过程的能耗监测系统,实现对小麦加工的各工段和设备能耗以及运行状态数据的自动采集与传输,并通过对数据的汇总与分析，为节能降耗提供基础数据。设计的系统在河南某面粉有限公司进行了示范应用,提高了企业能耗管理水平，降低了生产成本。

关键词:小麦加工；能耗监测；物联网；生产执行系统（MES）

0引言

小麦经过加工形成面粉的工艺流程主要包括小麦清理、小麦制粉、配粉、面粉后处理等。原粮经筛选、去石、打麦、色选、着水润麦，完成小麦清理工段；经过研磨、松粉、筛选与清粉后，即可按要求生产出各个等级的面粉，完成小麦制粉工段；面粉后处理工段主要包括微量元素的添加以及面粉搭配，以改变面粉品质和营养。

电耗是小麦加工企业运行中的重要经济指标。随着小麦加工工艺的改进，以及小麦加工设备制造水平的提高，加工设备中用电设备日渐增多，功率越来越大，而且随着电能价格的上调，能耗水平对小麦加工企业的利润影响愈发明显。小麦加工过程中能源成本占生产总成本的6%，占加工总成本的30%，因此，能耗水平是衡量小麦加工企业管理水平和技术水平的一项重要指标。所以小麦加工企业要想方设法提高能源利用效率和管理水平来降低能耗，以应对日益激烈的市场竞争。

能耗监测系统，对于企业降低生产成本、提高用能效率意义重大。能耗监测系统包括能耗计量、传输网络、数据处理中心、监测管理软件系统等方面，具有采集、传输、储存、分析等功能。系统利用智能仪表采集用能数据，通过传输网络将数据上传到数据处理中心进行储存、分析、管理优化等，管理者可以通过局域网、因特网等途径查询实时能耗信息。为小麦加工企业提供一个集过程监控、能源管理为一体的先进能源管理系统。

1系统结构设计

基于物联网技术的能耗监测系统分为感知层、传输层和应用层，分别由智能仪表、中间传输设备以及数据处理中心等部分组成。

1.1数据处理中心

数据处理中心由数据库服务器和Web服务器构成，负责接收数据集中器上报的数据，并对数据进行存储、汇总分类和统计分析。同时，为管理人员提供能耗监测管理平台，实现实时监测、能耗数据查询以及统计分析等功能。

能耗监测系统中的管理分析系统属于数据中心端系统，是能耗监测系统的核心部分，安装于服务器中，负责厂区能耗数据的集中管理，功能包括计量仪表管理、传输网络管理、能耗数据接收储存、汇总统计和分析展示等。管理分析系统采用易于管理维护的B/S架构，支持主流的数据库系统，如Oracle，MicrosoftSQLServer等。管理分析系统支持多种能源的能耗管理，并具有一定的可扩充性。该系统能够实现自动抄表，对于无法自动采集到的数据，支持手动录入（或导入）功能。

1.2中间传输设备

中间传输设备属于物联网三层结构中的传输层，将感知层同应用层连接起来。中间传输设备通过现场总线连接企业中的计量仪表，支持多种主流的现场总线标准，主动对计量仪表进行能耗数据采集，定时或按需将能耗数据上传到数据库服务器中。

1.3智能仪表

智能仪表构成物联网感知层，采用具备数据传输以及检测电压、电流以及功率功能的智能仪表(如智能电能表)，带有硬件时钟和完备的通信接口，具有高可靠性、高安全等级以及大存储容量等特点。负责采集小麦加工各个工段以及一些设备的能耗和运行状态数据，为整个系统提供原始数据。

2系统硬件设计

2.1处理中心设备

处理中心设备主要包括数据库服务器、Web服务器和管理分析系统。数据库服务器采用流行的Oracle的数据库管理系统，该系统具有以下特点：①支持大数据库、多用户的事务处理；②遵守数据存取语言、用户接口和网络通信协议的工业标准；③支持分布式数据库和分布处理；④具有完备的实施安全性控制；⑤具有可移植性、可连接性和良好的兼容性。

2.2数据传输系统

根据企业管理、生产过程的要求，数据传输系统分为现场级和管理级，分别使用工业串行总线技术和工业以太网技术构建。

工业串行总线技术采取RS-485电气标准配合MODBUS通讯协议的方式，是当前流行的一种现场级布网方式，其特点是成本低廉，实施简单方便，现在大多数工业现场传感器都支持RS-485电气标准和MODBUS通讯协议。

MODBUS通讯协议已经成为一种通用的工业通讯标准，该通讯协议是开放的，使用时不涉及费用和知识产权等问题，并且支持RS-232，RS-485等多种电气接口，对传输介质没有特殊要求（双绞线，无线，光纤等均可）。不同厂商的设备可以连成工业通讯网络，进行集中监控。MODBUS协议使用主—从技术，即主设备发出请求，其他设备（从设备）响应主设备的请求并执行请求，如返回相应数据，从设备之间不能相互通信。本系统中，数据集中器为主设备，智能仪表为从设备。主设备可以通过广播方式和从设备通信，也可以一对一的方式和从设备通信，以广播方式通信时，从设备接受到广播命令后执行该命令且不会向主设备应答，以一对一方式通信时，从设备接收并处理完主设备的请求后，向主设备作出回应。MODBUS协议有RTU模式及ASCII模式两种传输模式可选，这决定了信息如何打包和解码，同一个网络中只能选择一种模式，且网络中所有设备的串行口参数都要相同。

在工业现场控制中，控制对象分布比较分散，因而往往采用集中管理、分散控制的集散式控制方式，这就构成了集散控制系统(DCS，DistributedControlSystem)，由于串行通信所需的传输线较少，组网成本低，应用于DCS中具有成本优势。在众多串行接口标准中，RS-485接口以其抗干扰能力强、结构简单、传输速率高、传输距离远、组网方便等优势，在DCS中得到广泛应用。通过RS-485总线实现厂区能耗数据采集、传输和汇总。

数据集中器采用西门子的通信模块，是智能仪表与数据处理中心进行数据交换的桥梁。该通信模块支持RS-485传输接口，通过该通信模块实现对与其通过总线连接的各个电能表的数据汇总，然后将汇总的能耗数据上传到数据处理中心。

管理级网络使用工业以太网布网，用户计算机、数据处理中心的服务器及数据集中器通过工业以太网网络连接。工业以太网在技术上与商用以太网兼容，为了符合工业应用的标准，在材质选择、实时性、抗干扰性、可靠性和安全性等方面进行改进，并形成了安全可靠、通信速率高、价格低廉以及应用广泛的工业以太网。

2.3能耗采集系统

能耗采集的对象是企业的各种用电设备，采用的采集装置为智能电表、电流传感器，压力传感器以及温度传感器。根据用电设备对生产的重要性将用电设备分为一般监测设备和监测设备。对于一般监测设备，将其按工段划分，对每个工段能耗和状态进行监测，以减少系统投入。监测设备是指磨粉机、粉碎机、高压风机、高方筛以及罗茨风机，以上设备是小麦加工中的核心设备，其工作状态直接影响小麦加工企业的能耗水平和出粉率以及产出面粉的质量，而这些因素无一不关系到企业能否在激烈的市场竞争中存活下去。因此，本文所述的能耗采集系统根据需要为每台监测设备配备电流传感器、压力传感器或者温度传感器，以便实时准确地监测每台设备的运行状态，当其电流、温度以及压力中的某一项或几项的数值偏差较大时，及时切断异常设备的电源供应，避免其影响生产线上其它设备的运行及产品的质量，以保证企业的正常运转。

3系统软件设计

3.1与企业MES的整合

为了实现企业信息化和生产自动化，设计了小麦加工能耗监测系统与企业MES的整合方案。MES使得公司下层DCS系统与上层ERP系统有机结合，公司各部分自动化系统统筹管理，解决了“自动化信息孤岛”的问题。

MES一方面为企业的生产管理提供先进的信息平台，另一方面为企业的经营管理和决策提供数据支撑，是企业实现管理和可持续发展的前提。MES可以实现以下目标：①实现对ERP、预算等企业经营决策系统的数据支撑，为企业战略发展提供准确、可靠的依据；②实现全厂物料平衡，优化生产运行，提高企业生产效率，增加生产的灵活性，提高生产管理的决策能力；③实现以装置、进出厂计量数据为主体的全厂数据模型及信息平台，为物料平衡提供数据支撑，及时、准确、跟踪生产物流，为指导企业优化运行提供依据。

企业的MES通过“时林”平台构建，进行数据库的开发与界面设计。“时林”平台是时林公司研究开发的开放性平台，主要提供用户一种交互式操作的界面，负责用户权限控制，客户端逻辑操作画面加载，业务数据的显示和接收用户的命令，对象存取控制，映射，域名解析，数据缓存，业务逻辑组件加载与卸载，数据事务控制和数据访问层等。

能源管理分析系统采用ADO.NET技术实现对数据库的访问，其编程环境为.NetFramework4.0平台，所涉及的编程语言有SQL和C#。系统主要实现数据采集传输设备的信息管理，能耗数据的自动采集、储存、分类，查询，统计分析，对设备状态的实时监测，使管理人员能够更加清晰地了解企业生产的状态，提高能源计量水平和能源核算效率，跟踪能源消耗，降低企业成本。

3.2系统的安全性设计

随着网络环境日益复杂，对数据安全构成威胁的因素日益增多。为了应对这些威胁，保护数据安全，防止数据外泄以及应对可能出现的网络攻击，可以从以下方面着手：①访问控制：加强对特权用户的控制，对数据进行分级管理并设置访问权限，防止越权，建立详细的数据库访问和操作记录，严格控制外接存储设备的使用；②数据保护：对数据和数据传输网络加密，对导出以及备份的数据加密；③数据监控：建立数据审计系统并确保审计数据的安全性和保密性，定时检查数据库的安全系统；④用户管理：确保用户拥有安全有效的密码，对用户集中管理；⑤软件安全：设立防火墙，及时更新杀毒软件修补安全漏洞。

4设计的能耗监测系统的优势分析

目前，能耗监测方法有：总量管理、人工管理、独立管理。总量管理只能根据能源购入量统计，无法掌握能源的具体使用细节；人工管理由于采用的仪表老旧，不具有数据传输功能，只能通过人工读取；独立管理为设备配备监控设备，其它设备则采用总量管理或人工管理。

综上所述，基于物联网技术的能源监测系统具有如下优势：

（1）能够对全厂的能源进行集中监测，对设备监测，指导企业进行预防性检修。

（2）在公司层面对能源系统采用分散控制和集中管理，能够做到实时监测。

（3）降低能源管理成本，提高管理效率。

（4）提高能源计量水平和能源核算效率。

（5）建立详细的用能数据库，为进一步的能源优化提供数据支持。

5Acrel-EIOT能源物联网云平台

（1）概述

Acrel-EIoT能源物联网开放平台是一套基于物联网数据中台，建立统一的上下行数据标准，为互联网用户提供能源物联网数据服务的平台。用户仅需购买安科瑞物联网传感器，选配网关，自行安装后扫码即可使用手机和电脑得到所需的行业数据服务。

该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能，并支持多平台、多语言、多终端数据访问。

（2）应用场所

本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。

（3）平台结构

（4）平台功能

◆电力集抄

电力集抄模块可以实现对各种监测数据的查询、分析、预警及综合展示，以保证配电室的环境友好。在智能化方面实现供配电监控系统的遥测'、遥信、遥控控制，对系统进行综合检测和统一管理；在数据资源管理方面，可以显示或查询供配电室内各设备运行（包括历史和实时参数，并根据实际情况进行日报、月报和年报查询或打印，提高工作效率，节约人力资源。

变压器监控

配电图

◆能耗分析

能耗分析模块采用自动化、信息化技术，实现从能源数据采集、过程监控、能源介质消耗分析、能耗管理等全过程的自动化、科学化管理，使能源管理、能源生产以及使用的全过程有机结合起来，运用先进的数据处理与分析技术，进行离线生产分析与管理，实现全厂能源系统的统一调度，优化能源介质平衡、有效利用能源，提高能源质量、降低能源消耗，达到节能降耗和提升整体能源管理水平的目的。

能耗概况

◆预付费管理

1）登陆管理：管理操作员账户及权限分配，查看系统日志等功能；

2）系统配置：对建筑、通讯管理机、仪表及默认参数进行配置；

3）用户管理：对商铺用户执行开户、销户、远程分合闸、批量操作及记录查询等操作；

4）售电管理：对已开户的表进行远程售电、退电、冲正及记录查询等操作；

5）售水管理：对已开户的表进行远程售水、退水、记录查询等操作；

6）报表中心：提供售电、售水财务报表、用能报表、报警报表等查询，本系统所有的报表及记录查询，都支持excel格式导出。

预付费看板

◆充电桩管理

通过物联网技术，对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，包括城市级大屏、交易管理、财务管理、变压器监控、运营分析、基础数据管理等功能。

充电桩看板

◆智能照明

智能照明通过物联网技术对安装在城市各区域的室内照明、城市路灯等照明回路的用电状态进行不间断地数据监测，也可以实现定时开关策略配置及后台远程管理和移动管理等，降低路灯设施的维护难度和成本，提升管理水平，并达到一定节能减挂的效果。

监控页面

◆安全用电

安全用电采用自主研发的剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器，对引发电气火灾的主要因素（导线温度、电流和剩余电流）进行不间断的数据跟踪与统计分析，并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员，指导企业实现及时的排查和治理，达到消除潜在电气火灾安全隐患，实现“防患于未然”的目的。

◆智慧消防

通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。填补了原先针对“九小场所”和危化品生产企业无法有效监控的空白，适应于所有公建和民建，实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”、用电管理“精细化”的实际需求。

（5）系统硬件配置

分类	产品型号	外观	产品功能
无线测温	ARTM-Pn		可监测电压、电流、频率、有功功率、无功功率、电能，可接收60个无线温度传感器温度
无线测温	ATC600		ATC600有2种工作模式：终端(-C)、中继(-Z)，可根据项目布局选择配置。可接收240个无线温度传感器温度
光伏监控	AGF		光伏电池串开路报警，可以配合组串电压进行综合判断；带3路开关量状态监测，用于采集直流断路器、防雷器等输出空接点状态；一次电流采用穿孔方式接入，安装方便；测量元件采用霍尔传感器，隔离测量电流20A；电压测量功能可测量母线电压DC1500V
电力监控	AEM96		三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）、开关量、报警输出
电力监控	APM系列		全电量测量，四象限电能，复费率电能，仪表内部温度测量，总有功、总无功、总视在电能脉冲输出、秒脉冲等可选。三相电流、有功功率、无功功率、视在功率实时需量及需量(包含时间戳)。电流、线电压、相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、电流总谐波、电压总谐波的本月值和上月值(包含时间戳)。中文显示，有功电能0.2s级。
预付费	DDSY		单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。有功电能计量（正、反向），A、B、C分相正向有功电能，支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率需量及发生时间，实时需量，历史冻结数据购电记录；8位段式LCD显示、背光显示；有功电能脉冲输出；有功电能精度1级，无功电能0.5s级。
预付费	DTSY		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。有功电能计量（正、反向），A、B、C分相正向有功电能，支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率需量及发生时间，实时需量，历史冻结数据购电记录；8位段式LCD显示、背光显示；有功电能脉冲输出；有功电能精度1级，无功电能0.5s级。
智能抄表	ADL200		单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。总电能计量（反向计入正向），3个月历史电能数据冻结存储；8位段式LCD显示；有功电能脉冲输出；有功电能精度1级，无功电能2级。
	ADL400		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。（正、反向）有功、无功电能计量；A、B、C分相正向有功电能计量；2-31次谐波电压电流；12位段式LCD显示、背光显示，电能精度0.5s级。
	ADW210		4路三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量；电压电流相角、电压电流不平衡度测量；电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量；当月及上三月的电压、电流、功率值记录；需量及上十二月历史需量记录；事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录；支持12路开关量输入4路开关量输出；支持12路测温4路剩余电流测量；有功电能精度1级。
	ADW300		三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量；电压电流相角、电压电流不平衡度测量；电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量；当月及上三月的电压、电流、功率值记录；需量及上十二月历史需量记录；事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录；支持4路开关量输入、2路开关量输出；支持4路测温；支持1路剩余电流测量；支持本地显示及按键设置；有功电能精度1级。通讯方式：支持RS485通讯、Lora无线通讯、4G通讯；WIFI通讯
直流电能表	DJSF1352		1.精度：1级或0.5级，带±12V电压输出用于霍尔传感器供电 2.测量：电压、电流、功率、正反向电能，支持双路计量。
电气	ARCM300-Z		三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、cosΦ），视在电能、四象限电能计量，单回路剩余电流监测，4路温度监测，2路继电器输出，2 路开关量输入，支持断电报警上传
电气	AAFD-DU		监测故障电弧、漏电、温度两路无源干接点（开关量）输入两路无源常开触点（开关量）输出
充电桩	ACX系列		充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。支持投币、刷卡，扫码、免费充电，
充电桩	AEV_AC007		额定功率7kW,单相三线制，防护等级IP65,具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。通讯方式：4G、蓝牙、Wifi
智慧照明	ASL200		遥控输出两路无源干接点（开关量）输入两路无源常开触点（开关量）输出