侯成虎

(甘肃稀土新材料股份有限公司,甘肃 白银 730900)

0 引 言

能源消耗水平是一个国家经济结构、增长方式、科技水平、管理能力、消费模式以及国民素质的综合反映。伴随着经济社会的快速发展,我国正面临日益严峻的能源供应危机。近年来，为了能够全方位感知现实世界，各地广泛部署了各类传感器，使得互联网、传统电信网与物理世界结合愈加紧密，让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络[1]。随着海量数据存储、数据分析、数据感知、网络传输等技术的不断提升，骨干企业纷纷入局物联网战略。随着物联网技术的飞速发展和企业数字化转型的持续深入，越来越多的企业逐渐认识到用能计量是企业科学管理的一项重要手段，也是企业合理用能，实现节能降耗的一项重要工作[2]。 我国物联网也在工业、农业、交通、社会治理等方面得到广泛应用[3]。

目前，为降低企业生产能耗，减少浪费，提高企业用能科学管理水平，企业用能计量已经突破传统计量管理的范畴。新型计量借助于物联网技术，依靠在线数据采集提供的客观数据，通过对所有用能数据的计算，分摊平衡，统计分析等处理，对重点耗能设备进行监控分析，全面考核企业生产中的用能效率和强度[4]，为企业用能管控，提供决策依据。

笔者重点针对企业有效的能源管理和监控难题，采用现代数字仪表、应用物联网技术、应用现场总线设备监控技术，通过对水、电、汽等各类能源的精确计量、自动数据采集和数据远程上传，达到在线能耗监测、能耗统计、能源平衡分析的目的，为企业提供有效能源管理和成本考核依据，对企业节能增效，降低成本有很高的价值，同时为助力企业数字化转型奠定基础。

1 现状分析

随着第四次工业革命的持续向前推进，2015年以来，中央相继出台了《中国制造2025》《信息化和工业化融合发展规划》等一系列政策规划，促进数字化、网络化、智能化。根据《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》，制定了《工业控制系统信息安全防护指南》。笔者所在公司属于稀土工业企业。现有稀土冶炼分离、稀土金属、稀土抛光材料、稀土磁性材料、稀土贮氢材料、稀土发光材料、氯碱化工等七大产业板块。目前靠人工定时抄表的方式统计能源消耗状况，这种方式存在数据滞后、时效性差、数据单一等问题，不能及时掌握各生产环节和重点能耗设备的实时能耗数据、单位能耗数据、能耗变化趋势和实时运行参数等信息。为积极响应国家政策、提高产品质量和售后服务、开拓市场，在过去的几年里，为实时监控公司内水、电、蒸汽等的用能情况，公司充分利用自己在工控行业积累多年的经验，对老旧仪表及设备进行自动化改造，利用现代计算机通信技术、物联网技术、智能测控技术、自动控制技术等领域最新成果，自主研发了基于物联网的水、电、蒸汽计量仪表数据采集系统，此系统可以实时监控各设备的用能情况，并进行用能统计分析，系统的成功应用可实现数据共享和信息互通，助力打造“绿色环保，节能降耗”型企业。

2 改造实施方案

针对公司现有的各种设备以及用能情况，在有效利用现有设备资源的基础上，对一些老旧仪表进行改造或更换，加装I/O模块和数据采集设备，通过增加少量硬件设备，将现场设备的用能数据通过网络传输到计量仪表数据采集系统平台，全面掌握现场设备用能及运行状况，实现管控一体化，为信息化管理提供基本数据支持。

2.1 供水系统数据采集

供水系统数据采集通过改造现有水计量仪表和加装电磁流量计来完成，电磁流量计既可以测瞬时流量，也可以测累计流量。同时为了能实时监控供水系统的运行状态，在供水系统中安装压力表，若供水系统压力出现突变情况时，计量仪表数据采集系统则会报警提示。

整个供水系统的数据采集主要由电磁流量计、压力表构成，可全方位保证供水系统正常运行，并能实时计量供水系统的瞬时流量、累计流量和供水压力等参数。

2.2 电能系统采集

每个配电室有多个低压配电柜和多个电表。重点用能设备均有智能电表，带485通讯接口。

将配电室重点用能设备的智能电表采用总线的方式串联起来，再将电表总线与串口服务器连接，串口服务器将所有电表数据汇总打包，然后通过网络将电表数据传输至计量仪表数据采集系统服务器。该系统可实时监测中心配电室供电系统运行参数是否正常；统计分析月、季、年用电情况，生成报表；分析用电量，减少电能浪费；实现远程抄表，减少工作人员工作量。

2.3 蒸汽系统数据采集

蒸汽系统数据采集通过在设备蒸汽管道上安装蒸汽流量计和数据采集装置来完成。系统数据包括蒸汽温度、压力、流量等状态值。串口服务器通过 RS-485 通讯接口连接蒸汽流量计来采集数据，串口服务器连接接入层交换机传输数据，然后通过网络将数据上传至服务器，实现远程监测和流量数据统计。

3 数据采集架构

计量仪表数据采集系统采用分布式体系结构，应用物联网技术、现场总线设备监控技术，构建高效、稳定、人性化的计量系统，对用能设备进行全方位、多层次的监测与管理。系统按照数据采集、网络通信、数据应用三层结构完成硬件部署及平台搭建。

项目通过三层体系结构搭建计量仪表数据采集系统平台，数据应用层主要由客户端、操作站、计量仪表数据采集SCADA系统、服务器等组成，保障计量系统的所有核心数据和系统管理软件的稳定运行。网络通信层主要由核心交换机、各区域板块汇聚交换机和各设备现场接入交换机组成。数据采集层主要设备有现场计量仪表、串口服务器、通讯管理机等，通过总线连接各仪表，完成仪表数据统一采集传输。由于各子系统现场仪表各不相同，根据自身特点，采集硬件配置也各不相同。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

待数据采集完成后，通过网络传输至专用的数据服务器上，由于数据采集系统采集的数据量大，将数据存储于时序数据库中，可方便按时间查询。数据应用层包括操作站、工程师站、数据服务器和web服务器。由于数据应用软件系统是基于B/S架构开发，所以用户可以在公司内网的任意一台计算机上了解企业用能情况。

综上所述，该系统可以实现企业用能在线运行、监控和维护，可有效减少人力资源的投入，提高企业生产管理的效率。

4 计量仪表数据采集系统平台设计

计量仪表数据采集系统平台加装智能仪表，通过采集用水、电、蒸汽等的用能数据，既能统计和反映设备用能情况、能源利用率等各项参数，也能为科学排产，节能降耗提供有力数据保障。

4.1 用能数据采集

主要针对企业用能数据进行实时采集，特别是重点耗能设备。之前所有能耗数据都是人工现场抄表，自计量仪表数据采集系统平台投运以后，所有采集点的数据直接通过数据采集系统自动采集并上传至平台端。同时还可以对采集数据进行统计分析得出重点耗能设备，为公司的节能降耗提供数据支撑。

4.2 用能情况监控

用能情况监控主要是把采集到的用能数据以及生产过程中的能耗数据，实时传送至平台端，通过统计和对比，并以曲线图的形式展示，企业可以通过曲线图了解到用能实际分布状况。在生产调度时，可以合理安排每天的生产计划，尽最大可能做到降低能耗成本。

4.3 用能计量综合管控

主要对公司生产过程中的用能数据进行管理、统计和展示。可根据实际业务需要将计量仪表数据采集系统平台模块划分为能耗总览、能耗分析、能源设置、用能计划、异常报警和系统设置等。

5 系统测试应用

基于物联网的计量仪表数据采集系统平台搭建完成后，置于公司生产园区内试运行，测试过程中系统运行稳定，数据准确无误，界面操作顺畅，具有良好的人机交互性。公司用能统计对比如图2所示，可显示公司用能的环比同比对比分析。图3为计量仪表数据采集系统获取的公司供水系统参数，通过参数可以检测供水系统运行状态，当供水压力超过设定的上限或下限值时就会触发预警，平台端就会将预警信息发送至车间工作人员或管理人员，以便及时派人检查。

图2 用能统计对比

图3 供水参数

6 结 语

随着我国国民经济的快速发展，企业生产过程中用能需求与日俱增。传统的人工现场抄表模式已不再适应企业当下的用能环境。随着物联网技术的发展和企业数字化转型的迫切需求，基于物联网的计量仪表数据采集系统可快速有效地实现企业用能数据的实时采集、网络传输和数据分析，已逐渐成为企业用能计量管控的有效手段。文中通过对水、电、汽等各类能源数据的精确计量和采集，快速、直观、全面的了解企业的用能状况，极大地提高了企业的用能效率，降低了企业生产和管理成本，同时为企业数字化转型奠定了基础。