胡燕

（广东省自动化研究所）

0 前言

随着全球能源供应的日趋紧张，各种能源费用都呈上升趋势，能耗成本在企业成本中所占比例越来越大。建立科学的能源监控及管理模式，通过对企业能耗的自动化监控、信息化管理，降低产品能源成本，对企业的经营发展和提高经济效益具有重要意义[1]。国内大型企业已普遍建立了企业能源管理中心，实现生产过程中对水、电、气等能源消耗的信息化管控与优化配置，并取得了较好的节能效果。但是，占我国企业总量 95%以上的中小企业在能源管理信息系统的建设进程上远远落后于大型企业，其推广应用的主要障碍在于信息系统建设所需的资金和技术门槛较高，加上企业自身规划缺乏系统性、需求不明确、现场基础设施布局不合理等问题，进一步加大了系统建设的难度和成本。

针对以上问题，本文提出一种将无线通信技术、组态技术及数据挖掘技术综合应用于设备节点动态组网、能源数据采集、管理及决策支持各个环节的能源管理系统设计方案。该方案利用无线网络无需铺设通信电缆，可随需动态组网的优点及组态技术支持多种I/O设备、通信协议的特点，实现能源数据的动态采集和实时监控，并应用数据挖掘技术对能源原始数据进行二次挖掘应用，为企业的合理用能提供科学的决策依据。系统具有结构简单、组网灵活、成本低的特点，符合中小企业的需求。

1 系统总体设计

1.1 系统需求及设计原则

能源管理系统是一种基于网络、计算机等先进信息技术的现代化能源管理平台，可对企业能耗数据进行采集、存储、处理、统计、查询和分析，提供企业用能计划、能耗核算及决策支持，实现企业节能绩效的科学管理和能源效率的持续改进[2]。受前期现场基础设施、资金预算等方面的约束，面向中小企业的能源管理系统具有其自身特点和需求，在进行系统设计时必须予以充分考虑。

(1) 系统建设成本需求。信息系统建设的资金和技术门槛较高，中小企业通常存在现场网络等基础设施规划不足、布局不合理的问题。复杂的系统架构和大范围基础设施的改造将大幅增加系统的建设和维护成本。方案设计时，应优化系统结构，选择合理、适用的技术，避免或减少基础设置的改造，减少软硬件的前期投入，同时应保证系统具有良好的扩展性，实现企业管理范围的逐步扩大。

(2) 系统功能需求。在系统功能设计上，应围绕系统建设目的，在实现数据采集、存储等基本功能的基础上，重点对能源信息管理及能耗原始数据的二次挖掘利用进行功能设计和开发。

(3) 系统性能需求。能源管理系统是一套包括了软件系统、硬件系统、多种通信网络的集成系统，涉及到能耗数据的采集、存储、处理、分析等多个环节。进行系统软硬件选型时，应尽可能采用成熟的技术和产品，使系统具有优良的设备兼容性、数据准确性和稳定性。

1.2 系统架构设计

本文所设计的中小企业能源管理系统架构分为数据采集层、数据中心服务层和信息管理层，其系统架构如图1所示。

图1 能源管理系统架构图

数据采集层包括能源计量仪表和无线数据采集装置，采用RS485总线组网。无线数据采集装置将能源计量仪表的标准工业信号打包成Modbus协议数据包，并以TCP/IP包的形式发送到远程数据中心。

数据中心服务层由多种服务器组成，提供通信、组态、数据存储、处理与显示等应用服务。数据中心服务层与数据采集层之间采用GPRS无线通信方式，现场的数据采集节点不需要铺设通信电缆，配置方便灵活。

信息管理层是指用户通过系统提供的显示、查询、分析功能实现对企业能耗数据的管理、监控、分析和决策。

2 硬件系统

(1) 现场设备。根据各种现场需求的不同，现场设备主要包括模拟量输出设备和数字量输入/输出设备。模拟量设备包括电表、流量计、压力计、积算仪等计量仪表；数字量设备包括光电开关、继电器、LED等开关设备。信号的采集主要通过将非电量转换为4 mA～20 mA、1 V～5 V或毫伏级热电偶的标准工业信号[3]。现场设备以二线制RS485总线与数据采集控制单元相连接，模拟信号、开关状态信号、控制信号分别连接到数据采集控制单元的 AI端口、DI端口和DO端口。

(2) 无线数据采集装置。数据采集装置下接现场设备、上接数据中心，负责能源数据的采集、计算和远程通信等工作，从而实现系统的遥信、遥测及遥控，它的设计和选型对整个系统的功能、性能和建设成本起着重要的影响作用，是能源管理系统中的关键设备。

本系统所采用的无线数据采集装置集成了数据采集模块和无线数据传输模块，装置采用片上资源丰富、处理速度快的 ARM 芯片作为处理器，集成了FLASH、SDRAM、RS485接口、A/D转换模块、D/A转换模块、数字量I/O模块和GPRS模块，实现了传统RTU和DTU的无缝连接，具有性价比高、功耗低、采集与通信性能更加稳定的优点。数据采集模块负责现场设备数据量、状态量的采集和向现场开关设备发送控制命令，再将这些信号以Modbus协议打包成数据包。无线数据传输模块负责与能源管理中心的数据通信，通过GPRS无线传输的方式远程发送所采集的数据并接收远程控制命令。无线数据传输模块内部封装PPP拨号协议以及TCP/IP协议栈，通过RS485接口与数据采集模块相连接，将串行通信数据以TCP/IP包的形式发出，而将收到的TCP/IP数据包用串行通信的方式传输，完成相互间的透明转换，而不需要改变原有的数据通信内容[4]。无线数据采集装置硬件结构图如图2所示。

图2 无线数据采集装置硬件结构图

与常用的可编程控制器PLC采集方案相比，本系统无线数据采集装置采用高度集成的、更紧凑的模块化结构设计，简化了系统集成工作、增加了系统的可靠性；采用无线通讯方式，不受现场环境限制，系统扩展方便灵活；采用通用的通信协议，可支持不同厂家的数据采集设备；具有主/从上传和主动上传两种通讯方式，有效保证了数据的实时性和有效性。

(3) 系统服务器。系统服务器组包括数据采集服务器、数据服务器、应用服务器及WEB服务器。数据采集服务器运行组态软件，负责现场数据的接收、解析、能耗实时监测等功能。数据服务器安装 SQL Server数据库软件，建立实时数据库、历史数据库、管理中心数据库和主题数据仓库，实时数据库和历史数据库用于存储所采集的现场数据；管理中心数据库用于存储能源管理系统的应用数据，如能源计划数据、能源实绩数据；主题数据仓库的数据来源于历史数据库和管理系统数据库，在经过数据清洗、整理后根据不同的分析主题建立多种数据集市，这些数据共同为管理系统能源计划、管理、查询、分析统计、数据挖掘、决策支持提供数据基础。应用服务器上运行能源管理软件，是整个能源管理系统的核心，提供能源计划、实绩管理、统计报表、决策支持等功能。WEB服务器用于提供WEB发布及网上信息浏览服务，用户通过IE浏览器查看能源数据及统计报表。在实际的部署中可根据数据的采集量、处理量、系统性能等因素将多种服务合并在一台或多台服务器中。

3 软件系统

能源管理系统包括数据采集软件和能源管理软件两部分。数据采集软件基于组态软件的开发环境，负责数据中心服务层与数据采集层之间的远程通信、实时能耗数据的采集和存储。能源管理软件基于面向对象的Visual Studio .NET的系统开发环境，在原始数据的基础上进行二次开发，实现企业基础信息的信息化管理并提供个性化的能源数据统计分析和预测功能，能源管理系统软件功能架构如图3所示。

图3 软件功能架构图

(1) 数据采集软件设计

基于组态软件的开发环境，具有良好的人机图形界面、集成多种通信协议、支持多种I/O设备、开放的数据库接口，预置了各种组态功能模块，可方便、快速地实现系统集成，构造不同行业、不同需求的数据采集与监控系统。

数据采集软件主要功能包括：① 参数配置：对设备识别号、通信协议、数据采集周期、数据存储周期、数据类型、数据精度、报警阀值等数据通信相关参数进行设置；② 实时监测：对企业能源消耗数据（水、电、油、燃气、蒸汽等）进行实时监控，并提供从概貌到具体的动态数字、图形显示；③ 异常报警：根据用户需求对异常状态和数据及时发出报警，并保存历史报警的发生时间和内容；④ 数据统计：根据日、周、月、季度、年等不同周期生成能源消耗的统计数据。能耗数据实时监控界面如图4所示。

图4 能耗数据实时监控界面

(2) 能源管理软件设计

在传统的能源管理中，信息组织与处理以分类数据统计为主，面对种类繁多的能源数据缺乏深层次的开发利用，缺少综合性、分析性数据，不能满足中上层管理决策人员对信息的查询、分析和决策要求。本系统应用数据仓库技术、链接分析处理技术及数据挖掘技术，将能源供需统计、能耗分析预测、能耗指标管理等重要的决策支持功能应用在企业能源管理系统中，为企业能源的科学管理和决策提供依据。

能源管理软件基于面向对象的Visual Studio .NET的系统开发环境，提供了可视化设计开发工具箱、公共语言运行库和庞大的公用代码库，可快速构建Windows应用程序、Web应用程序、Web服务和其它各种类型的应用程序，缩短系统的开发时间和难度。数据库系统采用SQL Server 2005，其引入了决策树、管理规则、时间序列等算法模型，提供了联机在线分析工具和简单而丰富的API接口，具有易使用，可伸缩和可扩展性且价格便宜，特别适合中小企业信息化系统的应用。

能源管理软件的核心功能包括：① 多主题数据仓库：对企业能耗的原始数据进行精简和拓展，提取有用数据与其它相关信息整合，建立包括能源计划主题、能源供需主题、能源指标主题等多种主题的能源管理数据仓库，为企业能源的供需统计、消耗预测、指标管理等提供依据和工具；② 系统信息管理：对企业的基础数据进行信息化管理，包括按照区域、部门、车间、设备划分的多层次管理；能源种类、属性、价格的管理；不同时间段生产班次的管理等；③ 能耗指标管理：制定设备能耗指标、单位产品能耗指标等各类能源在生产过程中的标准能耗值作为能源监测的基准能耗指标；④ 统计分析与预测：针对不同的生产工序、产品建立能源消耗数据集市，按能源介质种类、时间、车间等维度构建数据视图，应用横向对比分析、纵向趋势分析、变动因素分析、切片钻取分析等多种分析方法，对实际能耗与基准能耗指标进行对比分析及趋势预测，以图形与表格相结合的方式，多角度展示数据，包括不同级别、不同周期的能耗统计、能耗对比分析、成本分析与考核、节能绩效分析、能耗趋势预测等；⑤ 报表管理中心：具有报表模板自定义功能，用户可根据习惯、喜好定制不同展现形式和风格的报表模板，满足个性化的报表需求，报表支持EXCEL和PDF格式导出，用户可方便的进行编辑和打印。能源数据统计分析与预测如图5所示。

图5 能源数据统计分析与预测

4 结束语

基于无线技术的系统架构具有节点配置简单、组网灵活的优点，可根据管理按需扩展、动态组网；系统功能方面，在实现能耗数据的采集、监测、存储、查询、统计等基本功能的基础上，增加了能耗指标管理、产品成本核算、多维度数据分析等丰富的能源管理功能。面向中小企业的能源管理系统在降低企业能源管理系统建设资金和技术门槛的同时，能有效地为企业的管理和技术人员提供决策支持，帮助中小企业实现节能绩效的科学管理及能源效率的持续改进。

[1] 田树静.论能源计量在企业节耗中的作用[J].中国科技纵横,2010 (12):271-271.

[2] 黄龙云,苗新强,任工昌.基于 GPRS的卷烟企业能源管理系统研究[J].微型电脑应用,2009 (10) :34-36.

[3] 邢泽斌,何小刚,王慧明.远程测控终端（RTU）的设计[J].科技情报开发与经济,2008(32) :171-172.

[4] 郭启军,张浩然,姜彬.基于 GPRS的嵌入式无线数据传输终端的设计[J].计算机系统应用,2008(12) :69-72.