浅谈基于无线物联网的工业企业能耗监控系统设计

摘要：针对工业制造企业存在高能耗、高污染的问题，提出了一种用于工业企业能耗监控的多层级网络系统。本系统可完成企业内部电力、水资源以及燃气等能源消耗的智能监测，并将监测结果存储至Web服务器和后台数据库，在前端用户交互面板显示，以实现对企业能耗系统化的监控和管理目标。关键词：物联网（IOT）；工业企业；能耗监控0.引言随着通信技术的迅猛发展，各行业加强智能化建设也迈向新的台阶。目前，无线公网在配电自动化和计量自动化中的应用都颇为广泛，*了供电企业抄表方式的转变。为此，供电企业*智能电表和低压集抄全覆盖工作，逐步取消人工抄表模式，实现全量客户自动化模式抄表，以适应新一轮电力体制*新要求，提升企业管理水平，提高工作效率。公网无信号区域大部分为偏远山区，人工抄表耗时费力且人身风险较大。显然，解决公网无信号区域的远程抄表问题是必行之举。1.工业制造企业能耗监控中的物联网关键技术1.1　环境信息感知设备当前，工业制造企业能耗监控使用的传感装置包含电量传感器、测温传感器、ESR型燃气传感器、温度隔离变送器以及水位计，用于多源环境信息的感知、采集与处理分析。而射频识别（RadioFrequencyIDentification，RFID）技术往往通过电子标签来记录多种多样的环境信息，可自动准确识别电力供电状态信息、设备维护的操作信息。一旦系统开启，便可实时监控、记录相关环境信息，并及时回传至后台处理。1.2　网络通信技术在工业制造企业的能耗监控过程中，对于物联网环境信息的感知、传输，通常更多用到无线网络通信技术、CC1100无线接收模块、全球移动通信系统（GlobalSystemforMobileCommunication，GSM）模块，形成各节点间的数据通信和资源共享。当前外部环境能耗监控中运用的网络通信技术，包括NSA/SA通信技术、窄带物联网（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT），其中NSA/SA为常见的5G网络通信技术和双模通信模式，上行支持256正交振幅调制（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）和HPUE、下行支持探测参考信号（SoundingReferenceSignal，SRS）轮发，可满足不同场景下的物联网数据传输要求。而NB-IoT属于小范围空间的无线移动通信网络，主要依托于5G移动蜂窝网络，在企业不同生产设备中部署，包括网络上行/下行基带信号、独立载波的部署，从而保证网络数据信息传输和智能业务分配的控制。1.3　数据处理技术利用物联网能耗监测系统和传感器装置接收网络数据信息，通常会被传送至多个网络节点进行处理。而用于数据处理控制的网络节点主要分为互联网信息物理系统（CyberPhysicalSystem，CPS）节点、有源CPS节点和无源CPS节点，其中互联网CPS节点可针对海量化的网络数据信息进行能耗监测数据计算、分析。而有源/无源CPS节点通过多个节点间的连接构建物联网系统的信息控制*，用于少量能耗监测数据信息的处理和存储。这样对简单能源消耗数据的处理可不再传送至核心处理器即可完成处理计算。
[*]物联网感知与传输技术的组成框架结构
物联网系统利用信息采集的传感装置、多种网络通信协议构建具有工业企业数据获取、处理、传递、存储与共享的多级结构。因而，依托智能传感器装置、网络通信协议、网关服务器、后台数据库等软硬件以及其他的可扩展组件，可完成物联网络系统的组网，自动收集、整理和保存有关工业能耗的数据信息。当前，物联网技术的组成框架包括感知层、网络层、控制层以及应用层等，具体结构如图1所示。5.安科瑞工业能耗分析系统5.1概述Acrel-7000企业能源管控平台采用自动化，信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和怕势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、重大能耗设备的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、用能预测、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率，挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。5.2应用场所适用于钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、物流、铁路、航空工业、木材、化学原料以及机电设备、电器产品、工器具制造等。5.3系统功能5.3.1自定义驾驶舱用户根据实际需求自己搭建驾驶舱，通过丰富的图形化界面展示各类统计数据。https://mall.acrel.cn:10078/mall/a94a117aff754638b3318be50acd8b77.png5.3.2可视化3D通过虚拟仿真实现多维度可视化，为客户提供数字化服务，助力企业能源经济双向管理，提升能源管理水平。https://mall.acrel.cn:10078/mall/2d9bdff6996247c4bd764480ce1dd378.png5.3.3多系统对接集成https://mall.acrel.cn:10078/mall/745d4a5a229648839a1905f83c2f7630.png5.3.4数据自诊断数据异常诊断，提升安装调试效率，保障数据准确性。https://mall.acrel.cn:10078/mall/1cb8d7717b9444ccb56b68251056abef.png5.3.5能效分析报告提供设备能效分析结果及节能建议，帮助管理人员*了解企业的能效水平，为企业节能降耗提供数据支持。https://mall.acrel.cn:10078/mall/75abc8ff89ae4ffdb9f41f9122349a94.png5.3.6能源流向图能源流向图展示单栋建筑*时段内各类能源从源头到末端的的能源流向，支持按原始值和折标值查看。https://mall.acrel.cn:10078/mall/edce0aed89064a069febeb2bc2d4c8a3.png5.3.7夜间能耗分析夜间能耗以表格、曲线、饼图等形式对选择支路分类能源在*时段工作时间与非工作时间用能统计对比，支持导出报表。https://mall.acrel.cn:10078/mall/9de9fac473c74dba8b731cc20f2d56fa.png5.3.8设备管理设备管理包括，设备类型、设备台账、维保记录等功能。辅助用户合理管理设备，确保设备的运行。https://mall.acrel.cn:10078/mall/d86dbdb26048476f906019f9f3475b8e.png>6.系统硬件配置
应用场景型号图 片保护功能
建筑能耗管理系统Acrel-5000web采用泛在物联、云计算、大数据、移动通讯、智能传感等技术手段可为用户提供能源数据采集、统计分析、能效分析、用能预警、设备管理等服务，平台可以广泛应用于多种领域。
智能网关ANet-1E2S1采用嵌入式硬件计算机平台，具有多个下行通信接口及一个或者多个上行网络接口，作为信息采集系统中采集终端与平台系统间的桥梁，能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总，并使用相应的规约转发现场设备的数据给平台系统。
高压重要回路或低压进线柜APM810具有全电量测量，电能统计，电能质量分析及网络通讯等功能，主要用于对电网供电质量的综合监控诊断及电能管理。该系列仪表采用了模块化设计，当客户需要增加开关量输入输出，模拟量输入输出，SD卡记录，以太网通讯时，只需在背部插入对应模块即可。
APM520三相全电量测量，2-63次谐波，不平衡度，支持付费率，越限告警，SOE,4-20mA输出。
低压联络柜、出线柜AEM96三相多功能电能表，均集成三相电力参数测量及电能计量及考核管理，提供上24时、上31日以及上12月的电能数据统计。具有63次分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和继电器输出可实现“遥信”和“遥控”功能，并具备告警输出，可广泛应用于多种控制系统，SCADA系统和能源管理系统中。
动力柜ACR120EL测量所有的常用电力参数，如三相电流、电压，有功、无功功率，电度，谐波等，并具备完善的通信联网功能，非常适合于实时电力监控系统。
DTSD1352DIN35mm导轨式安装结构，体积小巧，能测量电能及其他电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，精度高、可靠性好、性能指标符合国标GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和电力行业标准DL/T614-2007对电能表的各项技术要求，并且具有电能脉冲输出功能；可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。
AEW100三相全电量测量，剩余电流、2-63次谐波，支持付费率，量值、电缆温度，可选2G/4G通讯。

照明箱DTSD1352DIN35mm导轨式安装结构，体积小巧，能测量电能及其他电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，精度高、可靠性好、性能指标符合国标GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和电力行业标准DL/T614-2007对电能表的各项技术要求，并且具有电能脉冲输出功能；可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。
DDSD1352DDSD1352单相电子式电能表主要用于计量低压网络的单相有功电能，同时可测量电压、电流、功率等电量，具有红外通讯功能，并可选配RS485通讯功能，方便用户进行用电监测、集抄和管理。可灵活安装于配电箱内，实现对不同区域和不同负荷的分项电能计量，统计和分析。
DDS1352单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量，红外及RS485通讯，电流规格10（60）A，有功电能精度1级。无功精度2级，尺寸:1P
ADW300/4G计量低压网络的三相有功电能，具有RS485通讯和470MHz无线通讯功能，方便用户进行用电监测、集抄和管理。可灵活安装于配电箱内，实现对不同区域和不同负荷的分项电能计量，统计和分析。
ARCM300T-Z-4G三相全电量测量，剩余电流、2-63次谐波，支持付费率，量值、电缆温度，可选2G/4G通讯。
给水管道水表计量流经给水管道用水的体积总量，适用于单向水流，采用电子直读技术，通过RS485总线直接输出表盘数据。

[*]结语
物联网技术作为互联网信息产业的新兴技术，通常会运用外部信息感知的数据采集技术，包括温度传感器、光电传感器、声音传感器以及RFID射频识别等软硬件，采集工业企业生产经营过程中涉及的电力、水资源及燃气等能源消耗数据。因此，针对工业生产的电力、水资源及燃气等能源消耗，可通过传感设备信息获取和标签读写的方式采集能耗数据、处理数据信息，并设置多个设备控制端口，监测与反馈企业的实时能耗，可满足规定的企业节能降耗的控制要求。参考文献时培昕.解析物联网和大数据分析的渊源.王聪.基于网络数据分析的物联网终端监控研究.张浩文.物联网大数据分析的初探.周华,丁香.基于物联网的工业企业能耗监控系统.安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.