浅谈企业能耗在线监测系统的构建与应用方案

安科瑞 陈聪

摘要：阐述企业能耗在线监测系统，实现对企业能源消耗情况的监测、分析和评估，通过信息化和 可视化管理，整体提升了企业能源管理自动化水平。

关键词：在线监测系统，可视化管理，企业能耗。

0 引言

本文从实际应用角度出发，基于自动化仪表技术、大数据技术、云计算技术、工控组态技术、网络通信技术等开发了企业能耗在线监测系统，简要介绍了有色金属冶炼过程能耗在线监测系统的设计构思和实现手段，对生产主要用能如煤、天然气、电、水等主要能源消耗情况进行实时数据采集、传输与处理、汇总统计等，实现了电气自动化管理。

1 能耗监测系统的设计

监测系统的组成。系统由PLC主站、工业控制系统、生产信息系统、现场控制设备以及仪器仪表等组成，在线监测系统包括端设备、计量器具、采集设备、管理软件等。系统通过采集设备，采集计量器具产生的能耗数据，并通过有线或无线传输汇聚到端设备内网机。其组成框图如图1所示。

1. 端设备。

端设备是企业能耗在线监测系统的关键部件，采用独立双主机“2+1”架构，主要包括内网主机、外网主机、全隔离单元等，其主要功能包括对用能单位能耗数据进行采集、分析、汇总、存储以及协议转换等，并将采集汇总的数据上传到省级平台，可实现与省级平台进行协议上传和回传。

图1 系统的组成框图

1. 计量器具。

计量器具主要指对煤炭、水、电、天然气等能源消耗进行计量的仪器仪表。计量器具的购置需要严格按照国家标准和行业相关标准的要求进行选择，支持数据远传功能，并经过了专业机构的检定，保证能耗数据的准确性。

1. 采集设备。

采集设备需要与器具数据端口进行连接，其主要功能是用于读取计量器具的能耗计量数据，并通过以太网、串口等通信方式传输数据，具有高度的安全性和可靠性。

1. 管理软件。

包括端设备对数据采集、汇聚、传输的程序、以及能源管理系统软件。

能耗监测系统软件系统。软件系统功能包括：基础信息管理、能耗数据监测、数据统计、数据报警分析、企业用能分析、数据下载、系统管理。本单位将能耗监测系统部署在外网，可通过移动端、PC端实时查看能耗数据，企业可以根据自身需求将系统部署在内网或外网，对所采集的能耗数据进行指标统计、汇总、报表分析。能耗监测系统功能包含8大功能模块，具体功能包括：用能看板、用能统计、能平衡分析、自主用能分析、用能报表、用能设备监测、单位产品能耗、计量器具管理。

图2为能源管理系统各功能结构图

用能看板：用能看板实现了用户对能耗数据监测的可视化管理，通过用能看板可以迅速了解各车间、各区域的能耗指标，能够更加直观、系统地了解企业用能情况。

用能统计：用能统计是通过对煤炭、水、电以及天然气等各项能源消耗情况以及指标的计算，再通过图表的方式直观展现出各项能源每月能耗同比情况；还可通过图形及表格等方式直观展示各车间、各区域的能耗占比情况。

能平衡分析：网络系统通过自动计算，以桑吉图的方式展现用能流向。有利于用户清晰掌握供能网络中能源的损耗情况，并结合自助用能分析可进一步判断供电是否存在异常损耗，以及水、气等有无泄漏现象。

自主用能分析：可依据不同时间维度选择不同的计量器具进行公式计算，展示出所选择时间范围内对应的用能情况。同时可通过代入常数对电费、水费等进行成本核算。

用能报表：用能报表可按照全厂、车间、工序、重要设备生成能耗统计报表，按照指标类型分为能耗量统计、能耗成本统计、能耗效率统计；并可以按照日报、周报和月报的形式进行统计。

用能设备监测: 可以在线监测重要用能设备(变压器母排温度、变压器损耗、负荷率以及三相平衡度等的用能情况 和用能指标，可用于及时发现并掌握设备运行情况。

单位产品能耗: 按工序流程、工序环节分类，可以计算各产品的单位产品能耗，通过单产指标对标，可以发现企业在生产工艺上存在的能效问题。

计量器具管理: 可以实现对计量器具的档案信息、原始数据以及网络拓扑结构的快速查询，有助于企业建立能源计量体系。

2 系统功能实现

能耗数据采集。通过RS-485接口进行本地数据采集，并对采集数据进行协议转换；对于4G采集数据，可以借助数据订阅的方式，通过网络获取采集数据。其中，采集网络主要用于采集计量器具(电力计量点、煤计量点和天然气计量点等)所计量的能耗数据。数据从计量器具仪表经过PLC，通过现场总线或无线通信连接到采集工作站；采集工作站采用以太网连接传输数据至端设备内网机，再经由转换模块进入工业以太网，传输到服务器，实现对金属冶炼过程中电、天然气、煤、水等各能耗监测数据的传输。

能耗数据监控。通过人机交互界面，可将现场实时采集的电力、天然气、煤、水等能源数据信息转变成柱状图、饼图或曲线图，通过图形界面可直观反映出现场用能情况，更加一目了然，企业可在交互界面监测设备运行状态和能源消耗情况。同时，企业还可以查看任意时间的日上报、月上报、年上报以及实时监测的设备运行现场数据，并可方便用户进行数据的自行导出，实现了能源消耗数据的在线统计、报表自动生成等功能，提升了能源管理信息化、智能化水平。

能耗数据处理。系统结合企业实际需求，对采集的各种能源(水、电、气、煤等)进行生产全过程的统计、分析，并设置报警功能，建立能源平衡，同时形成各类统计报表。报警分析是能耗监测系统的重要功能，通过对能耗指标的上下限值进行设置，可以实时监控企业用能情况，自动判别用能 异常指标并做出预警，提醒企业及时发现设备运行中存在的故障、以及实际生产中存在的能源浪费现象等。

数据的下载。根据实际情况，企业可按车间、工段、班组以及用能种类进行能耗数据的统计、分类、汇总，并能将能耗数据下载至本地。系统会自动判断数据质量，对需要重新下载的数据进行补录，也可支持手动补录和重录。

3 系统应用特点及实施效果

该系统实现了在线统计与监测的结合，可广泛应用于企业生产和节能管理领域，信息系统在设计上，通过将统计和监测二者有机结合，形成了统计和监测业务高度统一，有效避免了统计和监测的数据误差给企业能源管理工作带来的压力。监测数据可自动传输，以日数据为基础计算监测结果，统计可以以日、月度、年度等为管理周期，具有重要的实际应用价值，在节能管理方面帮助企业落实能源管理指标，贯彻能源专业化、精细化、扁平化管理思路，建立持续改进能效的能源管理模式和机制，提高节能管理水平，为优化用能管理、制定能源目标等提供决策数据。

用能统计通过对各类能耗情况及指标的计算，以直方图的方式直观展现出各能源品种每月能耗同比情况；同时，也通过饼图的方式直观展示各车间、各区域的能耗占比情况。

4 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。

5 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。

6 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：

7 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。

7.1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。

7.2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。

7.3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。

7.4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；

7.5视频监控

接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。

7.6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。

7.7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。

7.8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。

7.9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。

7.10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。

7.11成本分析

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。

7.12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、相应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。

7.13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。

7.14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。

7.15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）。

7.16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。

7.17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。

7.18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。

7.19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。

7.20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。

7.21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。

7.22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。

7.23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。

7.24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。

7.25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。

7.26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。

7.27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。

7.28 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。

7.29 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。

7.30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。

7.31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。

7.32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。

7.33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。

7.34知识产权证书

8 系统硬件配置

9 结语

系统应用于实际生产管理中，取得良好的效果，有效提升企业能源管理水平，实现能耗数据的采集、传输以及统计数据的直观展示。

参考文献

[1]陶英川,韩益宏.重要用能单位能耗在线监测系统研究[J].节能,2014,33(05):4-6+20.

[2]林鑫,王建.企业能耗在线监测系统的设计与应用[J].集成电路应用,2022,39(09):194-195.

[3]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.

[4]安科瑞企业能源管控平台.2020.08版.