淺聊基于物聯網的工業企業能耗監控系統的設計與應用
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張繼冬
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要： 隨著工業的快速發展，能源消耗問題日益突出。本文深入探討了基于物聯網的工業企業能耗監控系統的設計與應用。首先闡述了該系統的研究背景和意義，接著詳細介紹了其系統架構設計，包括感知層、網絡層和應用層的功能與組成。然后論述了系統的關鍵技術，如傳感器技術、網絡通信技術等。最后結合實際案例分析了該系統在工業企業中的應用效果及帶來的節能效益，展示了其在工業領域實現節能減排、提高能源管理水平的重要作用。
1、引言
工業是能源消耗的大戶，在全球能源日益緊張和環保要求不斷提高的背景下，如何有效監控和管理工業企業的能耗成為亟待解決的問題。基于物聯網的工業企業能耗監控系統為這一難題提供了有效的解決方案。通過實時采集、傳輸和分析能耗數據，企業能夠精準掌握能源使用情況，發現能耗異常點，進而采取有效的節能措施，實現可持續發展。
2、基于物聯網的工業企業能耗監控系統架構設計
2.1、感知層
感知層是系統獲取能耗數據的基礎。主要由各類智能傳感器組成，如電流傳感器、電壓傳感器、水表、氣表等。這些傳感器被安裝在工業企業的各種能耗設備上，能夠實時、準確地采集設備的能耗參數，如電量、水量、氣量等的消耗情況。例如，在一臺大型電機上安裝電流和電壓傳感器，就可以通過計算得出該電機的實時功率消耗。
2.2、網絡層
網絡層負責將感知層采集到的數據傳輸到數據處理中心。它采用多種網絡通信技術，如 ZigBee、LoRa、5G 等無線通信技術以及工業以太網等有線通信技術。ZigBee 技術適用于短距離、低功耗的數據傳輸場景，如在一個車間內的設備之間傳輸數據；LoRa 技術則可實現較長距離的低功耗傳輸，適合于廠區內不同車間之間的數據傳輸；而 5G 技術憑借其高速、低延遲的特點，可滿足大量能耗數據的快速、穩定傳輸需求，尤其是在對實時性要求較高的場合。
2.3、應用層
應用層是對傳輸過來的能耗數據進行處理、分析和應用的層面。它包括數據存儲、數據分析、能耗監測與管理等多個模塊。數據存儲模塊負責將接收到的海量能耗數據進行分類存儲，以便后續查詢和分析。數據分析模塊通過建立能耗模型、運用數據分析算法等方式，對存儲的數據進行深度挖掘，找出能耗異常點、分析能耗趨勢以及評估節能措施的效果。能耗監測與管理模塊則可以實時展示企業內各設備、各車間乃至整個企業的能耗狀況，以直觀的圖表形式呈現給管理人員，方便他們及時做出決策。
3、基于物聯網的工業企業能耗監控系統關鍵技術
3.1、傳感器技術
傳感器是感知層的核心部件，其性能直接影響到能耗數據采集的準確性和可靠性。目前，工業領域常用的能耗傳感器具有高精度、高靈敏度、適應惡劣環境等特點。例如，一些新型的電量傳感器能夠在復雜的電磁環境下準確測量電流和電壓，誤差控制在極小范圍內。
3.2、網絡通信技術
如前文所述，網絡通信技術是實現數據傳輸的關鍵。不同的通信技術適用于不同的場景，企業需要根據自身的廠區規模、設備分布等情況選擇合適的通信方式。同時，為了確保數據傳輸的安全和穩定，還需要采用數據加密、身份認證等網絡安全技術。
3.3、數據分析技術
數據分析技術對于從海量能耗數據中提取有價值的信息至關重要。常用的數據分析方法包括統計分析、數據挖掘、機器學習等。通過統計分析可以得到能耗的基本統計量，如平均值、最大值、最小值等；數據挖掘技術可以發現隱藏在數據中的能耗模式和規律；機器學習則可以根據歷史數據對未來的能耗情況進行預測，為企業制定節能計劃提供參考。
4、基于物聯網的工業企業能耗監控系統應用案例分析
4.1、某鋼鐵企業應用案例
某鋼鐵企業在引入基于物聯網的能耗監控系統之前，能源管理較為粗放，無法準確掌握各生產環節的能耗情況。引入該系統后，首先在煉鋼、煉鐵、軋鋼等主要生產設備上安裝了智能傳感器，通過網絡層將數據傳輸到應用層的數據處理中心。
在應用方面，企業管理人員通過能耗監測與管理模塊實時查看各設備的能耗狀況，發現煉鋼廠的一臺電爐在某些時段存在能耗異常升高的情況。經過數據分析模塊的深入分析，確定是由于該電爐的電極調節系統出現故障，導致電能浪費。及時維修后，該電爐的能耗恢復正常，每月可節約電能約 10 萬千瓦時。
此外，通過對長期能耗數據的分析，企業還調整了生產計劃，合理安排設備運行時間，避免了設備的無效空轉，進一步降低了能耗。據統計，該企業在應用能耗監控系統后的一年內，整體能耗降低了約 15%，取得了顯著的節能效益。
4.2、某化工企業應用案例
某化工企業同樣面臨著能耗管理難題。應用能耗監控系統后，在反應釜、輸送帶、泵等設備上安裝傳感器。在網絡層采用了 ZigBee 和工業以太網相結合的通信方式，確保了數據傳輸的順暢。
通過應用層的數據分析，企業發現部分反應釜在加熱過程中存在能源利用率不高的問題。于是對反應釜的加熱系統進行了優化改造，采用了更先進的加熱技術和控制方式。經過改造后，這些反應釜的能源利用率提高了約 20%，同時企業通過能耗監控系統實時監控各車間的能耗情況，根據生產需求靈活調整設備運行，每年可節約大量的能源成本。
5 AcrelCloud-5000安科瑞能耗管理系統解決方案
為貫徹落實國發[2007]15號的精神，住建部印發《關于印發國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統建設相關技術導則的通知》（建科[2008]114號），組織編制“國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統”一系列技術導則及驗收標準。這些導則統一了能耗數據的分類、分項方法及編碼規則，實現了分項能耗數據的實時采集、準確傳輸、科學處理、有效儲存。我司AcrelCloud-5000能耗監測系統嚴格按照導則要求開發，符合導則要求的各項技術要求。
6 系統架構
計量層：主要安裝各種類型計量儀表（電表、水表、燃氣表、冷熱量計等）；支持RS485、LORA、4G直傳等方式。
傳輸層：傳輸層核心是使用ANet系列網關；主要特點是支持斷點續傳、支持多種協議轉換、數據機密傳輸。
服務層：能耗系統的中心，主要用于接收網關或4G終端傳輸的數數據，存儲數據，為用戶訪問提供數據接口。
展示層：主要為用戶提供訪問平臺數據的功能，支持跨平臺訪問，用戶可以使用PC瀏覽器、手機APP隨時了解項目能耗情況。
7 系統主要功能介紹
7.1 綜合看板
包含GIS地圖，可用顯示所有建筑的分布情況。針對建筑本周與上周用能出現增加或下降的情況，分別用紅色和藍色圖表表示。平臺可按照單位面積能耗與折標綜合能耗顯示當前平臺的建筑信息。平臺可顯示平臺接入儀表數量、平臺接入建筑總面積、平臺接入建筑上月總能耗等。同時，該頁面還有針對不同維度數據進行大數據分析后的結果展示。
7.2 單建筑能耗對比分析
單建筑能耗主要是針對單一建筑進行建筑分類分項能耗數據分析，分類分項嚴格按照平臺的標準與要求進行劃分，如圖中左側部分的樹形結構。
數據可以按照表格、柱狀圖、曲線的形式進行展示統計。可以直觀觀察分類能耗與分項能耗的數據關聯是否正常。
7.3 多建筑對比分析
多建筑能耗分析主要是將多棟建筑的分類或分項用能情況放到統一界面中。可按逐時、逐日、逐月、逐年的方式查看選中建筑的分了或分項數據。數據通過曲線圖或表格形式展示。
7.4 數據異常判定
平臺接入并維護多棟建筑的數據，建筑現場情況多種多樣，為保證系統持續穩定的運行以及數據的準確與可靠，平臺中增加了數據異常檢查功能，當數據檢查時不符合預定的情況時，及時產生報警并生成工單派發到維護管理人員郵箱中。
7.5 用戶報告
用戶報告主要內容包含各分類能源消耗量的趨勢分析、對比分析、占比分析等，還包含數據異常統計情況與派單情況。
8 系統硬件配置
9、結論
基于物聯網的工業企業能耗監控系統通過其科學合理的架構設計和先進的關鍵技術，在工業企業中發揮了重要作用。通過實際案例分析可以看出，該系統能夠準確采集能耗數據、高效傳輸并深度分析，幫助企業管理人員及時發現能耗問題并采取有效措施加以解決，從而實現顯著的節能效益。隨著物聯網技術的不斷發展和完善，相信該系統在未來的工業領域將發揮更大的作用，為工業企業的節能減排和可持續發展做出更大貢獻。
參考文獻：
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[4]安科瑞企業微電網設計與選型手冊.2022.05版.
作者簡介：張繼冬，男，安科瑞電氣股份有限公司
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