摘要:隨著節(jié)能減排要求的深入以及日益激烈的市場競爭,如何降低小麥加工過程能耗和運營成本已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的熱點問題。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),建立了小麥加工過程的能耗監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)對小麥加工的各工段和設(shè)備能耗以及運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸,并通過對數(shù)據(jù)的匯總與分析,為節(jié)能降耗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。設(shè)計的系統(tǒng)在河南某面粉有限公司進行了示范應(yīng)用,提高了企業(yè)能耗管理水平,降低了生產(chǎn)成本。
關(guān)鍵詞:小麥加工;能耗監(jiān)測;物聯(lián)網(wǎng);生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)
0引言
小麥經(jīng)過加工形成面粉的工藝流程主要包括小麥清理、小麥制粉、配粉、面粉后處理等。原糧經(jīng)篩選、去石、打麥、色選、著水潤麥,完成小麥清理工段;經(jīng)過研磨、松粉、篩選與清粉后,即可按要求生產(chǎn)出各個等級的面粉,完成小麥制粉工段;面粉后處理工段主要包括微量元素的添加以及面粉搭配,以改變面粉品質(zhì)和營養(yǎng)。
電耗是小麥加工企業(yè)運行中的重要經(jīng)濟指標(biāo)。隨著小麥加工工藝的改進,以及小麥加工設(shè)備制造水平的提高,加工設(shè)備中用電設(shè)備日漸增多,功率越來越大,而且隨著電能價格的上調(diào),能耗水平對小麥加工企業(yè)的利潤影響愈發(fā)明顯。小麥加工過程中能源成本占生產(chǎn)總成本的6%,占加工總成本的30%,因此,能耗水平是衡量小麥加工企業(yè)管理水平和技術(shù)水平的一項重要指標(biāo)。所以小麥加工企業(yè)要想方設(shè)法提高能源利用效率和管理水平來降低能耗,以應(yīng)對日益激烈的市場競爭。
能耗監(jiān)測系統(tǒng),對于企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高用能效率意義重大。能耗監(jiān)測系統(tǒng)包括能耗計量、傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理中心、監(jiān)測管理軟件系統(tǒng)等方面,具有采集、傳輸、儲存、分析等功能。系統(tǒng)利用智能儀表采集用能數(shù)據(jù),通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)處理中心進行儲存、分析、管理優(yōu)化等,管理者可以通過局域網(wǎng)、因特網(wǎng)等途徑查詢實時能耗信息。為小麥加工企業(yè)提供一個集過程監(jiān)控、能源管理為一體的先進能源管理系統(tǒng)。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能耗監(jiān)測系統(tǒng)分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層,分別由智能儀表、中間傳輸設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理中心等部分組成。
1.1數(shù)據(jù)處理中心
數(shù)據(jù)處理中心由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web服務(wù)器構(gòu)成,負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)集中器上報的數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行存儲、匯總分類和統(tǒng)計分析。同時,為管理人員提供能耗監(jiān)測管理平臺,實現(xiàn)實時監(jiān)測、能耗數(shù)據(jù)查詢以及統(tǒng)計分析等功能。
能耗監(jiān)測系統(tǒng)中的管理分析系統(tǒng)屬于數(shù)據(jù)中心端系統(tǒng),是能耗監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分,安裝于服務(wù)器中,負(fù)責(zé)廠區(qū)能耗數(shù)據(jù)的集中管理,功能包括計量儀表管理、傳輸網(wǎng)絡(luò)管理、能耗數(shù)據(jù)接收儲存、匯總統(tǒng)計和分析展示等。管理分析系統(tǒng)采用易于管理維護的B/S架構(gòu),支持主流的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),如Oracle,MicrosoftSQLServer等。管理分析系統(tǒng)支持多種能源的能耗管理,并具有一定的可擴充性。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動抄表,對于無法自動采集到的數(shù)據(jù),支持手動錄入(或?qū)耄┕δ堋?/p>
1.2中間傳輸設(shè)備
中間傳輸設(shè)備屬于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的傳輸層,將感知層同應(yīng)用層連接起來。中間傳輸設(shè)備通過現(xiàn)場總線連接企業(yè)中的計量儀表,支持多種主流的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),主動對計量儀表進行能耗數(shù)據(jù)采集,定時或按需將能耗數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。
1.3智能儀表
智能儀表構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)感知層,采用具備數(shù)據(jù)傳輸以及檢測電壓、電流以及功率功能的智能儀表(如智能電能表),帶有硬件時鐘和完備的通信接口,具有高可靠性、高安全等級以及大存儲容量等特點。負(fù)責(zé)采集小麥加工各個工段以及一些設(shè)備的能耗和運行狀態(tài)數(shù)據(jù),為整個系統(tǒng)提供原始數(shù)據(jù)。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1處理中心設(shè)備
處理中心設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器和管理分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用流行的Oracle的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),該系統(tǒng)具有以下特點:①支持大數(shù)據(jù)庫、多用戶的事務(wù)處理;②遵守數(shù)據(jù)存取語言、用戶接口和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn);③支持分布式數(shù)據(jù)庫和分布處理;④具有完備的實施安全性控制;⑤具有可移植性、可連接性和良好的兼容性。
2.2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
根據(jù)企業(yè)管理、生產(chǎn)過程的要求,數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為現(xiàn)場級和管理級,分別使用工業(yè)串行總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建。
工業(yè)串行總線技術(shù)采取RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)配合MODBUS通訊協(xié)議的方式,是當(dāng)前流行的一種現(xiàn)場級布網(wǎng)方式,其特點是成本低廉,實施簡單方便,現(xiàn)在大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場傳感器都支持RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)和MODBUS通訊協(xié)議。
MODBUS通訊協(xié)議已經(jīng)成為一種通用的工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn),該通訊協(xié)議是開放的,使用時不涉及費用和知識產(chǎn)權(quán)等問題,并且支持RS-232,RS-485等多種電氣接口,對傳輸介質(zhì)沒有特殊要求(雙絞線,無線,光纖等均可)。不同廠商的設(shè)備可以連成工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò),進行集中監(jiān)控。MODBUS協(xié)議使用主—從技術(shù),即主設(shè)備發(fā)出請求,其他設(shè)備(從設(shè)備)響應(yīng)主設(shè)備的請求并執(zhí)行請求,如返回相應(yīng)數(shù)據(jù),從設(shè)備之間不能相互通信。本系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)集中器為主設(shè)備,智能儀表為從設(shè)備。主設(shè)備可以通過廣播方式和從設(shè)備通信,也可以一對一的方式和從設(shè)備通信,以廣播方式通信時,從設(shè)備接受到廣播命令后執(zhí)行該命令且不會向主設(shè)備應(yīng)答,以一對一方式通信時,從設(shè)備接收并處理完主設(shè)備的請求后,向主設(shè)備作出回應(yīng)。MODBUS協(xié)議有RTU模式及ASCII模式兩種傳輸模式可選,這決定了信息如何打包和解碼,同一個網(wǎng)絡(luò)中只能選擇一種模式,且網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的串行口參數(shù)都要相同。
在工業(yè)現(xiàn)場控制中,控制對象分布比較分散,因而往往采用集中管理、分散控制的集散式控制方式,這就構(gòu)成了集散控制系統(tǒng)(DCS,DistributedControlSystem),由于串行通信所需的傳輸線較少,組網(wǎng)成本低,應(yīng)用于DCS中具有成本優(yōu)勢。在眾多串行接口標(biāo)準(zhǔn)中,RS-485接口以其抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)方便等優(yōu)勢,在DCS中得到廣泛應(yīng)用。通過RS-485總線實現(xiàn)廠區(qū)能耗數(shù)據(jù)采集、傳輸和匯總。
數(shù)據(jù)集中器采用西門子的通信模塊,是智能儀表與數(shù)據(jù)處理中心進行數(shù)據(jù)交換的橋梁。該通信模塊支持RS-485傳輸接口,通過該通信模塊實現(xiàn)對與其通過總線連接的各個電能表的數(shù)據(jù)匯總,然后將匯總的能耗數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)處理中心。
管理級網(wǎng)絡(luò)使用工業(yè)以太網(wǎng)布網(wǎng),用戶計算機、數(shù)據(jù)處理中心的服務(wù)器及數(shù)據(jù)集中器通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容,為了符合工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn),在材質(zhì)選擇、實時性、抗干擾性、可靠性和安全性等方面進行改進,并形成了安全可靠、通信速率高、價格低廉以及應(yīng)用廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)。
2.3能耗采集系統(tǒng)
能耗采集的對象是企業(yè)的各種用電設(shè)備,采用的采集裝置為智能電表、電流傳感器,壓力傳感器以及溫度傳感器。根據(jù)用電設(shè)備對生產(chǎn)的重要性將用電設(shè)備分為一般監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測設(shè)備。對于一般監(jiān)測設(shè)備,將其按工段劃分,對每個工段能耗和狀態(tài)進行監(jiān)測,以減少系統(tǒng)投入。監(jiān)測設(shè)備是指磨粉機、粉碎機、高壓風(fēng)機、高方篩以及羅茨風(fēng)機,以上設(shè)備是小麥加工中的核心設(shè)備,其工作狀態(tài)直接影響小麥加工企業(yè)的能耗水平和出粉率以及產(chǎn)出面粉的質(zhì)量,而這些因素?zé)o一不關(guān)系到企業(yè)能否在激烈的市場競爭中存活下去。因此,本文所述的能耗采集系統(tǒng)根據(jù)需要為每臺監(jiān)測設(shè)備配備電流傳感器、壓力傳感器或者溫度傳感器,以便實時準(zhǔn)確地監(jiān)測每臺設(shè)備的運行狀態(tài),當(dāng)其電流、溫度以及壓力中的某一項或幾項的數(shù)值偏差較大時,及時切斷異常設(shè)備的電源供應(yīng),避免其影響生產(chǎn)線上其它設(shè)備的運行及產(chǎn)品的質(zhì)量,以保證企業(yè)的正常運轉(zhuǎn)。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1與企業(yè)MES的整合
為了實現(xiàn)企業(yè)信息化和生產(chǎn)自動化,設(shè)計了小麥加工能耗監(jiān)測系統(tǒng)與企業(yè)MES的整合方案。MES使得公司下層DCS系統(tǒng)與上層ERP系統(tǒng)有機結(jié)合,公司各部分自動化系統(tǒng)統(tǒng)籌管理,解決了“自動化信息孤島"的問題。
MES一方面為企業(yè)的生產(chǎn)管理提供先進的信息平臺,另一方面為企業(yè)的經(jīng)營管理和決策提供數(shù)據(jù)支撐,是企業(yè)實現(xiàn)管理和可持續(xù)發(fā)展的前提。MES可以實現(xiàn)以下目標(biāo):①實現(xiàn)對ERP、預(yù)算等企業(yè)經(jīng)營決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐,為企業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù);②實現(xiàn)全廠物料平衡,優(yōu)化生產(chǎn)運行,提高企業(yè)生產(chǎn)效率,增加生產(chǎn)的靈活性,提高生產(chǎn)管理的決策能力;③實現(xiàn)以裝置、進出廠計量數(shù)據(jù)為主體的全廠數(shù)據(jù)模型及信息平臺,為物料平衡提供數(shù)據(jù)支撐,及時、準(zhǔn)確、跟蹤生產(chǎn)物流,為指導(dǎo)企業(yè)優(yōu)化運行提供依據(jù)。
企業(yè)的MES通過“時林"平臺構(gòu)建,進行數(shù)據(jù)庫的開發(fā)與界面設(shè)計?!皶r林"平臺是時林公司研究開發(fā)的開放性平臺,主要提供用戶一種交互式操作的界面,負(fù)責(zé)用戶權(quán)限控制,客戶端邏輯操作畫面加載,業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的顯示和接收用戶的命令,對象存取控制,映射,域名解析,數(shù)據(jù)緩存,業(yè)務(wù)邏輯組件加載與卸載,數(shù)據(jù)事務(wù)控制和數(shù)據(jù)訪問層等。
能源管理分析系統(tǒng)采用ADO.NET技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問,其編程環(huán)境為.NetFramework4.0平臺,所涉及的編程語言有SQL和C#。系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備的信息管理,能耗數(shù)據(jù)的自動采集、儲存、分類,查詢,統(tǒng)計分析,對設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測,使管理人員能夠更加清晰地了解企業(yè)生產(chǎn)的狀態(tài),提高能源計量水平和能源核算效率,跟蹤能源消耗,降低企業(yè)成本。
3.2系統(tǒng)的安全性設(shè)計
隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日益復(fù)雜,對數(shù)據(jù)安全構(gòu)成威脅的因素日益增多。為了應(yīng)對這些威脅,保護數(shù)據(jù)安全,防止數(shù)據(jù)外泄以及應(yīng)對可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)攻擊,可以從以下方面著手:①訪問控制:加強對特權(quán)用戶的控制,對數(shù)據(jù)進行分級管理并設(shè)置訪問權(quán)限,防止越權(quán),建立詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫訪問和操作記錄,嚴(yán)格控制外接存儲設(shè)備的使用;②數(shù)據(jù)保護:對數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)加密,對導(dǎo)出以及備份的數(shù)據(jù)加密;③數(shù)據(jù)監(jiān)控:建立數(shù)據(jù)審計系統(tǒng)并確保審計數(shù)據(jù)的安全性和保密性,定時檢查數(shù)據(jù)庫的安全系統(tǒng);④用戶管理:確保用戶擁有安全有效的密碼,對用戶集中管理;⑤軟件安全:設(shè)立防火墻,及時更新殺毒軟件修補安全漏洞。
4設(shè)計的能耗監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢分析
目前,能耗監(jiān)測方法有:總量管理、人工管理、獨立管理??偭抗芾碇荒芨鶕?jù)能源購入量統(tǒng)計,無法掌握能源的具體使用細(xì)節(jié);人工管理由于采用的儀表老舊,不具有數(shù)據(jù)傳輸功能,只能通過人工讀取;獨立管理為設(shè)備配備監(jiān)控設(shè)備,其它設(shè)備則采用總量管理或人工管理。
綜上所述,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源監(jiān)測系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢:
(1)能夠?qū)θ珡S的能源進行集中監(jiān)測,對設(shè)備監(jiān)測,指導(dǎo)企業(yè)進行預(yù)防性檢修。
(2)在公司層面對能源系統(tǒng)采用分散控制和集中管理,能夠做到實時監(jiān)測。
(3)降低能源管理成本,提高管理效率。
(4)提高能源計量水平和能源核算效率。
(5)建立詳細(xì)的用能數(shù)據(jù)庫,為進一步的能源優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。
5Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺
(1)概述
Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺,建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器,選配網(wǎng)關(guān),自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。
該平臺提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測、電能質(zhì)量分析、用電管理、預(yù)付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能,并支持多平臺、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。
(2)應(yīng)用場所
本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運維等領(lǐng)域。
(3)平臺結(jié)構(gòu)
(4)平臺功能
◆電力集抄
電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預(yù)警及綜合展示,以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制,對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)一管理;在數(shù)據(jù)資源管理方面,可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設(shè)備運行(包括歷史和實時參數(shù),并根據(jù)實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印,提高工作效率,節(jié)約人力資源。
變壓器監(jiān)控
配電圖
◆能耗分析
能耗分析模塊采用自動化、信息化技術(shù),實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學(xué)化管理,使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機結(jié)合起來,運用先進的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù),進行離線生產(chǎn)分析與管理,實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度,優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源,提高能源質(zhì)量、降低能源消耗,達(dá)到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。
能耗概況
◆預(yù)付費管理
1)登陸管理:管理操作員賬戶及權(quán)限分配,查看系統(tǒng)日志等功能;
2)系統(tǒng)配置:對建筑、通訊管理機、儀表及默認(rèn)參數(shù)進行配置;
3)用戶管理:對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠(yuǎn)程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作;
4)售電管理:對已開戶的表進行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作;
5)售水管理:對已開戶的表進行遠(yuǎn)程售水、退水、記錄查詢等操作;
6)報表中心:提供售電、售水財務(wù)報表、用能報表、報警報表等查詢,本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢,都支持excel格式導(dǎo)出。
預(yù)付費看板
◆充電樁管理
通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預(yù)警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能,包括城市級大屏、交易管理、財務(wù)管理、變壓器監(jiān)控、運營分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能。
充電樁看板
◆智能照明
智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測,也可以實現(xiàn)定時開關(guān)策略配置及后臺遠(yuǎn)程管理和移動管理等,降低路燈設(shè)施的維護難度和成本,提升管理水平,并達(dá)到一定節(jié)能減掛的效果。
監(jiān)控頁面
◆安全用電
安全用電采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災(zāi)探測器,對引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素(導(dǎo)線溫度、電流和剩余電流)進行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析,并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員,指導(dǎo)企業(yè)實現(xiàn)及時的排查和治理,達(dá)到消除潛在電氣火災(zāi)安全隱患,實現(xiàn)“防患于未然"的目的。
◆智慧消防
通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析,幫助實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。原先針對“九小場所"和?;飞a(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白,適應(yīng)于所有公建和民建,實現(xiàn)了無人化值守智慧消防,實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"、用電管理“精細(xì)化"的實際需求。
(5)系統(tǒng)硬件配置
6結(jié)語
將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入能耗的監(jiān)測與管理分析,通過智能儀表采集企業(yè)中設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù),得到真實可信的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?;A(chǔ)數(shù)據(jù)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心對能耗數(shù)據(jù)進行存儲、統(tǒng)計、分析,實現(xiàn)了對全廠的能耗管理,有效提高了能源管理水平,為企業(yè)制定節(jié)能方案提供數(shù)據(jù)支持。
通過與企業(yè)EMS的整合,構(gòu)成一個可靠的管理系統(tǒng),使得企業(yè)的信息化水平進一步提高,提高了企業(yè)的生產(chǎn)管理能力,為企業(yè)帶來良好的社會和經(jīng)濟效益。