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(yùn)營成本已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)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(yùn)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(jìn)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。
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(yùn)行中的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。隨著小麥加工工藝的改進(jìn)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(hù)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(kuò)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)?功能。
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(jìn)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(diǎn)。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(yùn)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(diǎn)：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(diǎn)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(fèi)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(jìn)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(qiáng)、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(jìn)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(jī)、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(jìn)行改進(jìn)，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(jìn)行監(jiān)測，以減少系統(tǒng)投入。監(jiān)測設(shè)備是指磨粉機(jī)、粉碎機(jī)、高壓風(fēng)機(jī)、高方篩以及羅茨風(fēng)機(jī)，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(yùn)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(yùn)行及產(chǎn)品的質(zhì)量，以保證企業(yè)的正常運(yùn)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(jī)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(jìn)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(yùn)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(jìn)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(yùn)行提供依據(jù)。
企業(yè)的MES通過“時林”平臺構(gòu)建，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的開發(fā)與界面設(shè)計。“時林”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(hù)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(qiáng)對特權(quán)用戶的控制，對數(shù)據(jù)進(jìn)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(hù)：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(bǔ)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(dú)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?。华?dú)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(jìn)行集中監(jiān)測，對設(shè)備監(jiān)測，指導(dǎo)企業(yè)進(jìn)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(jìn)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(jī)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(fèi)管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運(yùn)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(yùn)維等領(lǐng)域。
(3)平臺結(jié)構(gòu)
(4)平臺功能
電力集抄；能耗分析；預(yù)付費(fèi)管理；充電樁管理；智能照明；安全用電；智慧消防
(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(yùn)行數(shù)據(jù)，得到真實可信的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基礎(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(jìn)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)MES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(jìn)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(jì)效益。
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