浅谈工业云平台能源管理系统的设计与实现

摘要：为了解决传统印染企业对能源管理存在粗放、滞后、管理不足等问题，提出了一种基于工业云平台的能源管理系统设计方案。以大数据、物联网和互联网等基础设施建设的能源管理系统拥有很快的工作效率。该系统具有稳定性、通用性、持续扩展性，为印染企业提供了能耗监控、订单产量损耗的能源监测解决方案，以及未来能源管理系统的运行维护。

关键词：云平台；大数据；物联网；能源监测；稳定性；通用性

印染行业在纺织工业中占据着重要的地位，而我国大部分印染企业都属于中小型的劳动密集型企业，随着企业规模的扩大，企业运作过程中需要管理的信息日益繁杂，传统的管理模式已经不能满足实际的需求，特别是企业的能源管理方式还存在相对落后的人手抄表和人工记录耗损的情况。为此，本方案提出了工业互联网能源管理解决方案，集“物联网”“大数据”“云计算”“AI”“边缘计算”“智能网关”等技术于一体，服务于园区、企事业单位在能源的生产、输配、使用过程中对能源管理的两化（信息化、自动化）融合需求，服务于安全用能、经济用能以及精细化管理的需求。具体如下：（1）能耗管理系统采用分层分布式系统体系结构，对电力、天然气、水、蒸汽等各分类能耗数据进行采集、处理，并分析能耗状况，实现节能应用；（2）采用仪表管理、能源监控、能源统计、能耗预测分析、能耗设备管理、能源计量设备管理等多种手段，使企业管理者对企业的能源成本比重、发展趋势有准确的掌握；（3）让电力、用水、天然气、蒸汽等用能信息可视化，并与生产运营相结合，形成单位制品能耗、日均网损、平均（水电气）价格等指标，协助管理者快速掌控企业状况，进行客观、科学的分析，为企业精细化管理提供新的数据化维度。

1 系统总体设计

1.1 业务架构

业务架构图如图1所示。

能耗管理系统采用分层分布式系统体系结构，对电力、天然气、水、蒸汽等各分类能耗数据进行采集、处理，并分析能耗状况，实现节能应用。技术路线为采集终端智能仪表水、电、蒸汽、天然气等数据，并将数据通过以太网、4G/5G 的形式传输、存储至技研工业云平台进行相关的分析处理，用户只需打开相应系统的应用软件（Windows、Android、IOS）即可通过手机APP、电脑客户端完成对用能数据的调取、监控分析、管理等需求，让用能信息变得简单和直观，使决策者、管理者更有效地掌控企业能源管理信息。

1.1.1 终端感知层

终端感知层提供的数据主要来自现场的水表、天然气表、蒸汽表以及安装在现场的智能电表、电气安全预警仪等。

1.1.2 网络传输层

网络传输层主要提供工业网关，负责终端智能表（计）与平台应用层的连接，实时采集设备数据，上报到云上的物联网服务。

1.1.3 平台应用层

平台应用层基于技研云平台工业 PaaS 服务搭建，提供面向能源管理领域的特定场景应用。其中，通用 PaaS 提供云计算、大数据、应用开发、物联网等基础 PaaS 服务能力，提供以数据为核心的工业数据服务、机理模型服务和业务微服务。应用层提供安全预警、能耗管理、设备监控等功能，服务安全用能、经济用能以及精细化管理的需求，同时支持 PC 端和移动端（微信小程序）访问，满足不同用户群体的使用需求。

1.2 能源管理业务流程设计

能耗业务逻辑：通过计量表管理对能源系统的底层现场设备进行定义，计量表数据通过485通讯自动采集与人工录入作为基础数据的输入端，将规定的计量表与统计对象（包括区域、设备等）进行运算赋值、绑定连接，生成各时间段的区域、设备等能耗明细。

单耗业务逻辑：在能耗统计的基础上，结合各统计对象的产量情况及各产品类型的系数加成，定时核算单耗数据。系统设定统计对象的单耗基准，在实际单耗与设定的单耗基准出现一定的偏差时，自动发起警报。

批耗业务逻辑：在能耗与单耗的基础上，结合每个订单/批次的工艺数据、配方数据、机台排程数据、订单/批次的开始与结束节点等信息，核算出每个订单/批次/工艺的生产能耗。

能源管理业务流程如图2所示。

2 主要功能设计

能源管理系统实时信息采集管理系统的目标是建立数据通信网络，实现对能耗信息的自动监测，进而完成能源的管理，实现安全、优良供能，提高工作效率，降低能耗，从而达到降低产品成本的目的。包括数据采集、数据发布和数据分析管理，主要功能是实现所有能耗数据的采集，并在企业内部范围内实现数据的发布。

整个能源管理系统采用可靠的硬件平台辅以成熟的软件平台，构成集中式数据采集监控分析管理系统，并实现能耗数据的集中管理和归档，通过网络在企业内部范围内实现数据发布。

2.1 实时能耗采集

通过数据采集器自动采集现场仪表的能耗数据信息，为能源信息管理提供原始数据。

2.1.1 通信协议与网络接口

本系统涉及到电、水、天然气、蒸汽等能耗监测仪表设备的采集工作；提供的监测仪表设备要支持RS-485、RS-232、RJ45、CDMA3G/4G 等多种网络接口或支持 OPC、MODBUS、104、CDT、DLT645 等多种通信协议的数据接入，实现企业、分厂、车间、设备等多级能源介质的采集、存储管理。

2.1.2 断网本地预存

在网络中断或者主数据存储设备出现无法通信的情况时，数据采集设备应当继续采集能耗数据，并将采集到的能耗数据保存在本地，在网络联通或者与主数据存储设备恢复通信后将预存的数据上传到云存储设备中。

2.1.3 远程抄表

对规定区域内的能耗监测设备进行远程抄表，而且选择规定的日期与时间对能耗仪表进行远程抄表，将对应的时间累积能耗数据推送给技研云平台数据采集库。

2.1.4 运行监测

（1）系统以数据列表、分布图、曲线等形式直观展示企业实时或历史生产能耗数据、生产指标、能耗指标和数据通信报警。

（2）通过集中监控生产和能源系统指标、生产异常实时报警、系统巡检到位等措施提高企业能源系统的运行管理水平及整体安全水平，确保生产安全进行。

2.2 能耗统计分析

2.2.1 计量分析

能源管理系统计量分析采用饼状图的形式展现规定时间段内各类能耗所占总能耗的百分数；能耗趋势分析采用折线图的形式展现规定时间段内规定能源的消耗。

能耗报表管理：自动生成所需要的数据（日/月/季度/年）报表、定期阶段报表和事件报表，并能以用户所需要的格式和方式保存、导出或打印。报表的类型、内容和格式可由用户动态调整，如图3所示。

能耗报表分析：系统可提取各类能耗数据进行自动分析，并对各监控点的能耗情况进行水耗、电耗、气耗判定，对能耗改善提出一套完整的诊断流程，并提供能耗分析报告，帮助用户进行节能措施及设备改造。

人工数据上传：针对尚未安装自动采集仪的支路或无法使用数据采集仪进行自动采集的能源消耗（机械式仪表）提供人工数据上传及审核的功能，避免数据缺失导致的各类问题。

数据备份管理：用户手动或系统自动备份保存各项数据；当发生特殊情况导致数据丢失时，可自动导入近期的备份数据进行数据恢复，避免特殊情况出现数据丢失导致的各项损失。

2.2.2 单耗分析

能源管理系统实时监控整厂各区域、各设备的单位产量耗费的能源情况。单耗通常作为各管理人员所管辖区域的能源考核指标，可通过监控、分析实际单耗与设定绩效的偏差来判断能源管理水平的优劣；单耗超出控制线出现异常时自动发起警报，通过及时的反馈提高能源的利用效率。

2.2.3 批耗分析

能源管理系统实时监控各订单/批次在各工序的能耗情况，实现订单/批次级别高颗粒度的能源分析。在大量的批次能耗数据采集后，系统通过分布拟合的方法制定各订单、批次、工艺的标准能耗模型，当实际生产能耗与标准能耗模型偏差较大时发起警报，促进能源问题的解决与完善，同时系统通过行业BI 大数据自动输出工艺改进的方案建议，提高染整工厂的能源利用效率。

2.3 能耗预测

以客观数据为依据，以企业整体、分厂、车间、生产线、主要用能设备为对象，并结合历史能耗数据，对未来的能耗情况进行预测分析：（1）利用历史能耗数据分析未来能耗趋势；（2）按照日、月、年的日期形式分别统计出对应的能耗趋势数据；（3）与企业的生产线、主要用能设备的使用情况相结合；（4）趋势图表界面美观，条目清晰，并提供在线打印与导出功能。

2.4 警报设置

企业可根据不同厂区、不同支路、不同设备的用能需求，分时间段设置不同的警报策略。当发生不合理的能源消耗时，系统按照所设置的警报方式对用户进行提醒，避免设备故障或人为原因造成的能源浪费。在一段时间后，用户可通过历史警报记录分析当前的节能策略是否需要修改，很大限度地确保能源和资金的合理利用。此外，当系统发生能源警报时，消息可推送给相关的生产角色（工人、主管、企业高层管理者）。

3 系统的实现与应用

3.1 硬件设备

能源管理采用高性能智能网关作为硬件采集及通信设备。该网关拥有自主嵌入式操作系统，具有强大的功能扩展和系统升级的空间，用于能源管理中各类能耗仪表的数据采集、存储与管理，可实现用能数据智能处理等边缘计算功能，可通过物联网、以太网等与云平台进行数据交互，具备边缘计算能力，具备断点续传功能。

智慧能源网关特点：（1）水电气热4表合一，一台网关可支持水、电、气、热等各类能耗仪表的信息采集，支持多点位高速采集；（2）支持各类工业规约，支持符合 DLT645-2007 与 DLT645-1997 规约的所有电能表（计），支持符合CJ 188-2004-T规约的所有水、气、热表（计），支持协议扩展；（3）下行支持多协议RS485、M-Bus、CAN、红外等，上行支持多通信方式如以太网、GPRS（2G/3G/4G）、WIFI、LORA、NB-IOT 等；（4）安装方式灵活，导轨式、壁挂式任意可选，终端设有4个固定孔位，可采用Φ3的标准螺丝进行固定安装。

3.2 应用场景

系统面向传统印染纺织企业染色机、定形机、丝光机、煮漂机、开幅机等通用生产设备，针对企业能源管理粗放、存在用能监测黑箱、能耗高、设备寿命短、问题点查找困难等，基于对整个车间的通用生产设备及传感器的实时数据采集，利用边缘计算和云服务器实现对车间设备运行参数的智能优化控制，提高企业的能源利用水平和用能安全水平，降低能耗。

普遍使用场景：（1）管理人员对工厂的能耗有基本的了解与整体的把控；（2）作为进一步分析的基础数据；（3）给抄表人员提供方便实用的工具；（4）区域单耗作为各车间管理人员的考核指标，及时反馈分析总结；（5）设备单耗作为能耗异常的深度分析；（6）单耗异常发起警报，发起查异常解决问题的流程；（7）能源预信（分布拟合）；（8）工艺改进；（9）制定订单工艺的能耗标准；（10）订单批号的耗能预警。

4 系统优势

能源管理系统是综合运用现代信息技术和能源互联网技术，实现对印染企业能耗的在线监测、动态

分析和集中管理，建立“多能互补，需求响应”新机制，精细化、信息化的能源管理方式，可提升印染企业能源管理水平，降低能源成本，实现能源的动态需求响应和企业能源的优化调度。系统具体的优势如下：（1）易部署、易实施、见效快。能源管理服务根据当前印染企业现状进行实际调研与分析，帮助企业制定一套轻量化的能效监控系统，系统基于云平台模式搭建，可以快速部署，免去复杂的系统设计与安装。在不影响当前生产的前提下进行实施，可以使企业减少在安装实施过程中带来的损失。能源管理服务在整个系统部署完毕后 2 个月就会有明显的优化效果，见效快。（2）便捷的使用方式。系统提供 PC 端、手机端等丰富的展示方式，提供简易的人性化的使用界面，帮助用户快速地获取所需用能信息，降低使用者学习的成本；同时为设备管理人员、企业领导等管理者提供数字化的设备模型和实时运行情况的各种健康指标，作为决策分析依据。（3）实时的自动预警通知。系统可以向移动 APP 应用自动推送预警通知，实时告知相关人员能源事件信息。

5 安科瑞工业能源管理系统介绍

安科瑞企业能源管控系统采用自动化、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、挖掘和趋势分析，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、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等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、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。

6 应用场所

钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。

7 系统结构

现场通过厂区局域网和平台通讯，平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能与局域网联通的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

系统可分为三层：即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。

现场设备层：主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任，这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。

网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

平台管理层：包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器，一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。

平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：

8 系统功能

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。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。

8.1平台登录

在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

8.2大屏展示

用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。

8.3首页

首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。

8.4数据监控

对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快的掌握点位的报警，并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。

• 能源实时监控：对于水、电、气等能源消耗进行实时监测，确保用能环节的持续稳定运行，显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。

• 能流图：需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示；当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等；

• 配电图：将配电房真实情况画入配电图，实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。

• 实时统计：实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

• 数据展示：通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数；

• 检测：对能源报警信息进行集中显示，可以对报警阈值信息进行相关处理操作，可以对报警参数进行在线设置，当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示；

8.5视频监控

接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。

8.6变压器监控

展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。

8.7仪表实时监控

展示各个水电气仪表的实时参数变化，以曲线图的方式展示。

8.8能源中控

将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中，能从多个维度对比分析，实现各个产业线的对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

8.9用能统计

从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。

8.1分析

统计各个监测节点（工厂、车间）的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用，其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。

8.11产品单耗统计

与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

8.12绩效分析

对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、规定时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力，评定能源消耗是否合理。

8.13运行监测

系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。

8.14自定义能耗报表

用户可通过自定义报表头与列，灵活生产各种报表，查看企业各个节点的能耗，单耗，成本，综合能耗等信息，并同比、环比报表，支持导出报表。

8.15同比、环比

提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。

同比

环比

8.16分析报告

以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。

8.17能耗设备用能

监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。

8.18线损分析

根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。

8.19碳排放管理

按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现超标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。

8.20电能质量监测

实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不低于供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。

8.21运维管理

系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。

8.22报警管理

针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。

8.23能耗抄表

可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。

8.24能耗分析自定义时间抄表

可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。

8.25容需量报表

提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。

8.26复费率报表

对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。

8.27文档管理

对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。

8.28 3D可视化大屏

对场景进行虚拟仿真，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。

8.29 3D子系统

对各动力子系统进行虚拟仿真，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。

8.30工业组态

可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。

8.31自定义驾驶舱

可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。

8.32基础数据管理

对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。

8.33手机APP

APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。

8.34知识产权证书