浅聊基于物联网的工业企业能耗监控系统的设计与应用
浏览次数：20更新时间：2024-11-20
张继冬
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要： 随着工业的快速发展，能源消耗问题日益突出。本文深入探讨了基于物联网的工业企业能耗监控系统的设计与应用。首先阐述了该系统的研究背景和意义，接着详细介绍了其系统架构设计，包括感知层、网络层和应用层的功能与组成。然后论述了系统的关键技术，如传感器技术、网络通信技术等。最后结合实际案例分析了该系统在工业企业中的应用效果及带来的节能效益，展示了其在工业领域实现节能减排、提高能源管理水平的重要作用。
1、引言
工业是能源消耗的大户，在全球能源日益紧张和环保要求不断提高的背景下，如何有效监控和管理工业企业的能耗成为亟待解决的问题。基于物联网的工业企业能耗监控系统为这一难题提供了有效的解决方案。通过实时采集、传输和分析能耗数据，企业能够精准掌握能源使用情况，发现能耗异常点，进而采取有效的节能措施，实现可持续发展。
2、基于物联网的工业企业能耗监控系统架构设计
2.1、感知层
感知层是系统获取能耗数据的基础。主要由各类智能传感器组成，如电流传感器、电压传感器、水表、气表等。这些传感器被安装在工业企业的各种能耗设备上，能够实时、准确地采集设备的能耗参数，如电量、水量、气量等的消耗情况。例如，在一台大型电机上安装电流和电压传感器，就可以通过计算得出该电机的实时功率消耗。
2.2、网络层
网络层负责将感知层采集到的数据传输到数据处理中心。它采用多种网络通信技术，如 ZigBee、LoRa、5G 等无线通信技术以及工业以太网等有线通信技术。ZigBee 技术适用于短距离、低功耗的数据传输场景，如在一个车间内的设备之间传输数据；LoRa 技术则可实现较长距离的低功耗传输，适合于厂区内不同车间之间的数据传输；而 5G 技术凭借其高速、低延迟的特点，可满足大量能耗数据的快速、稳定传输需求，尤其是在对实时性要求较高的场合。
2.3、应用层
应用层是对传输过来的能耗数据进行处理、分析和应用的层面。它包括数据存储、数据分析、能耗监测与管理等多个模块。数据存储模块负责将接收到的海量能耗数据进行分类存储，以便后续查询和分析。数据分析模块通过建立能耗模型、运用数据分析算法等方式，对存储的数据进行深度挖掘，找出能耗异常点、分析能耗趋势以及评估节能措施的效果。能耗监测与管理模块则可以实时展示企业内各设备、各车间乃至整个企业的能耗状况，以直观的图表形式呈现给管理人员，方便他们及时做出决策。
3、基于物联网的工业企业能耗监控系统关键技术
3.1、传感器技术
传感器是感知层的核心部件，其性能直接影响到能耗数据采集的准确性和可靠性。目前，工业领域常用的能耗传感器具有高精度、高灵敏度、适应恶劣环境等特点。例如，一些新型的电量传感器能够在复杂的电磁环境下准确测量电流和电压，误差控制在极小范围内。
3.2、网络通信技术
如前文所述，网络通信技术是实现数据传输的关键。不同的通信技术适用于不同的场景，企业需要根据自身的厂区规模、设备分布等情况选择合适的通信方式。同时，为了确保数据传输的安全和稳定，还需要采用数据加密、身份认证等网络安全技术。
3.3、数据分析技术
数据分析技术对于从海量能耗数据中提取有价值的信息至关重要。常用的数据分析方法包括统计分析、数据挖掘、机器学习等。通过统计分析可以得到能耗的基本统计量，如平均值、最大值、最小值等；数据挖掘技术可以发现隐藏在数据中的能耗模式和规律；机器学习则可以根据历史数据对未来的能耗情况进行预测，为企业制定节能计划提供参考。
4、基于物联网的工业企业能耗监控系统应用案例分析
4.1、某钢铁企业应用案例
某钢铁企业在引入基于物联网的能耗监控系统之前，能源管理较为粗放，无法准确掌握各生产环节的能耗情况。引入该系统后，首先在炼钢、炼铁、轧钢等主要生产设备上安装了智能传感器，通过网络层将数据传输到应用层的数据处理中心。
在应用方面，企业管理人员通过能耗监测与管理模块实时查看各设备的能耗状况，发现炼钢厂的一台电炉在某些时段存在能耗异常升高的情况。经过数据分析模块的深入分析，确定是由于该电炉的电极调节系统出现故障，导致电能浪费。及时维修后，该电炉的能耗恢复正常，每月可节约电能约 10 万千瓦时。
此外，通过对长期能耗数据的分析，企业还调整了生产计划，合理安排设备运行时间，避免了设备的无效空转，进一步降低了能耗。据统计，该企业在应用能耗监控系统后的一年内，整体能耗降低了约 15%，取得了显著的节能效益。
4.2、某化工企业应用案例
某化工企业同样面临着能耗管理难题。应用能耗监控系统后，在反应釜、输送带、泵等设备上安装传感器。在网络层采用了 ZigBee 和工业以太网相结合的通信方式，确保了数据传输的顺畅。
通过应用层的数据分析，企业发现部分反应釜在加热过程中存在能源利用率不高的问题。于是对反应釜的加热系统进行了优化改造，采用了更先进的加热技术和控制方式。经过改造后，这些反应釜的能源利用率提高了约 20%，同时企业通过能耗监控系统实时监控各车间的能耗情况，根据生产需求灵活调整设备运行，每年可节约大量的能源成本。
5 AcrelCloud-5000安科瑞能耗管理系统解决方案
为贯彻落实国发[2007]15号的精神，住建部印发《关于印发国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设相关技术导则的通知》（建科[2008]114号），组织编制“国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统”一系列技术导则及验收标准。这些导则统一了能耗数据的分类、分项方法及编码规则，实现了分项能耗数据的实时采集、准确传输、科学处理、有效储存。我司AcrelCloud-5000能耗监测系统严格按照导则要求开发，符合导则要求的各项技术要求。
6 系统架构
计量层：主要安装各种类型计量仪表（电表、水表、燃气表、冷热量计等）；支持RS485、LORA、4G直传等方式。
传输层：传输层核心是使用ANet系列网关；主要特点是支持断点续传、支持多种协议转换、数据机密传输。
服务层：能耗系统的中心，主要用于接收网关或4G终端传输的数数据，存储数据，为用户访问提供数据接口。
展示层：主要为用户提供访问平台数据的功能，支持跨平台访问，用户可以使用PC浏览器、手机APP随时了解项目能耗情况。
7 系统主要功能介绍
7.1 综合看板
包含GIS地图，可用显示所有建筑的分布情况。针对建筑本周与上周用能出现增加或下降的情况，分别用红色和蓝色图表表示。平台可按照单位面积能耗与折标综合能耗显示当前平台的建筑信息。平台可显示平台接入仪表数量、平台接入建筑总面积、平台接入建筑上月总能耗等。同时，该页面还有针对不同维度数据进行大数据分析后的结果展示。
7.2 单建筑能耗对比分析
单建筑能耗主要是针对单一建筑进行建筑分类分项能耗数据分析，分类分项严格按照平台的标准与要求进行划分，如图中左侧部分的树形结构。
数据可以按照表格、柱状图、曲线的形式进行展示统计。可以直观观察分类能耗与分项能耗的数据关联是否正常。
7.3 多建筑对比分析
多建筑能耗分析主要是将多栋建筑的分类或分项用能情况放到统一界面中。可按逐时、逐日、逐月、逐年的方式查看选中建筑的分了或分项数据。数据通过曲线图或表格形式展示。
7.4 数据异常判定
平台接入并维护多栋建筑的数据，建筑现场情况多种多样，为保证系统持续稳定的运行以及数据的准确与可靠，平台中增加了数据异常检查功能，当数据检查时不符合预定的情况时，及时产生报警并生成工单派发到维护管理人员邮箱中。
7.5 用户报告
用户报告主要内容包含各分类能源消耗量的趋势分析、对比分析、占比分析等，还包含数据异常统计情况与派单情况。
8 系统硬件配置
9、结论
基于物联网的工业企业能耗监控系统通过其科学合理的架构设计和先进的关键技术，在工业企业中发挥了重要作用。通过实际案例分析可以看出，该系统能够准确采集能耗数据、高效传输并深度分析，帮助企业管理人员及时发现能耗问题并采取有效措施加以解决，从而实现显著的节能效益。随着物联网技术的不断发展和完善，相信该系统在未来的工业领域将发挥更大的作用，为工业企业的节能减排和可持续发展做出更大贡献。
参考文献：
[1]周华.基于物联网的工业企业能耗监控系统[J].信息与电脑,2022(15):182-184.
[2]时培昕.解析物联网和大数据分析的渊源[J].软件和集成电路,2018(11):12-17.
[3]王聪.基于网络数据分析的物联网终端监控研究[J].电子测试,2019,0(17):57-58.
[4]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.
作者简介：张继冬，男，安科瑞电气股份有限公司
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