基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的能源管理平臺(tái)的構(gòu)建

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的能源管理平臺(tái)的構(gòu)建

“第25天”和“第35天”是中國(guó)工業(yè)體系低碳發(fā)展和全面轉(zhuǎn)型的重要關(guān)鍵時(shí)期。目前，霧污染物源排放的嚴(yán)重形勢(shì)嚴(yán)重影響了中國(guó)人民的生活和國(guó)家形象。為了徹底消除這種情況，我們必須樹(shù)立“重新觀念，注重節(jié)能減排，完善激勵(lì)和約束機(jī)制，加快建立符合環(huán)境條件的生產(chǎn)模式和消費(fèi)模式，提高可持續(xù)發(fā)展能力”的理念。作為“第25屆中國(guó)青年政治發(fā)展戰(zhàn)略之一，它將成為國(guó)家的重要發(fā)展戰(zhàn)略之一。作為全面指導(dǎo)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)的規(guī)劃綱要,中央強(qiáng)調(diào)堅(jiān)持把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要著力點(diǎn),加強(qiáng)資源節(jié)約和管理,落實(shí)節(jié)約優(yōu)先戰(zhàn)略,全面實(shí)行資源利用總量控制、供需雙向調(diào)節(jié)、差別化管理。其中,建立健全重點(diǎn)能耗排放企業(yè)能耗在線監(jiān)測(cè)閉環(huán)管控系統(tǒng)是關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)手段之一。自2009年工業(yè)和信息化部聯(lián)合財(cái)政部在全國(guó)鋼鐵、化工等行業(yè)全面推進(jìn)工業(yè)企業(yè)能源管理中心建設(shè)以來(lái),全國(guó)各重點(diǎn)耗能企業(yè)建成了多個(gè)能源管控中心,通過(guò)先進(jìn)的自動(dòng)化和信息化技術(shù)手段,各高耗能行業(yè)能源管理工作逐步走向精細(xì)化和規(guī)范化,并取得了一定的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。但是目前建成的能源管理系統(tǒng)也存在如下問(wèn)題。(1)能源管理平臺(tái)作為獨(dú)立的軟件系統(tǒng)存在,關(guān)鍵功能在于展現(xiàn)能耗分類(lèi)指標(biāo),未能與生產(chǎn)控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),難以實(shí)現(xiàn)能耗自動(dòng)化、智能化監(jiān)視及反向控制的目標(biāo)。(2)能耗平臺(tái)的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于智能水表、電能表、氣表的數(shù)據(jù)。雖然對(duì)于重點(diǎn)設(shè)備的管理可以獨(dú)立安裝表計(jì),但是常規(guī)管理還是單個(gè)或單類(lèi)回路安裝一臺(tái)電能表,所以難以做到檢測(cè)每個(gè)用能端的能耗狀況,能耗細(xì)分的顆粒度相對(duì)較粗。(3)使用單機(jī)版軟件,在獨(dú)立廠區(qū)安裝和使用不太容易出現(xiàn)運(yùn)行故障。但是,當(dāng)按照規(guī)范要求在區(qū)縣、省市、國(guó)家部委級(jí)別部署安裝單機(jī)版軟件時(shí),非常容易出現(xiàn)因數(shù)據(jù)量過(guò)大,軟件運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)困難的問(wèn)題。(4)前期能源管理平臺(tái)分散部署,工業(yè)能耗大數(shù)據(jù)沒(méi)有得到充分利用,后期該平臺(tái)要求現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、區(qū)縣級(jí)、省市級(jí)和部委級(jí)分別部署服務(wù)器,無(wú)形中又增加了后臺(tái)投入和維護(hù)成本,特別是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的維護(hù)和管理水平不滿(mǎn)足系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的需求。1物聯(lián)網(wǎng)的概念界定云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出和快速發(fā)展,為解決上述能源管理系統(tǒng)存在的問(wèn)題提供了全新的思路。概括地講,云計(jì)算是一種基于信息技術(shù)支持能力(硬件與軟件)、極富彈性(增加與減少的),并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以服務(wù)形式提供給客戶(hù)的公共設(shè)施。這種模式實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源(主要是指服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)三大資源)的高度集中,即將分布在各地的計(jì)算資源整合為一個(gè)虛擬的統(tǒng)一資源,實(shí)現(xiàn)按需獲取、按量付費(fèi),就像用電和用自來(lái)水一樣方便。因此,云計(jì)算時(shí)代將徹底改變整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的生態(tài)環(huán)境,無(wú)論是基礎(chǔ)設(shè)施、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造,還是軟件都將發(fā)生巨大的變化。“大數(shù)據(jù)”是一個(gè)數(shù)量特別多,數(shù)據(jù)類(lèi)別特別大的數(shù)據(jù)集。大數(shù)據(jù)技術(shù)是指從各種各樣類(lèi)型的巨量數(shù)據(jù)中,快速獲得有價(jià)值信息的技術(shù)。目前所說(shuō)的“大數(shù)據(jù)”不僅指數(shù)據(jù)本身的規(guī)模,也包括采集數(shù)據(jù)的工具、平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。大數(shù)據(jù)研發(fā)目的是發(fā)展大數(shù)據(jù)技術(shù)并將其應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域,通過(guò)解決巨量數(shù)據(jù)處理問(wèn)題促進(jìn)其突破性發(fā)展。2005年,國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005:物聯(lián)網(wǎng)》,對(duì)“物聯(lián)網(wǎng)”的涵義進(jìn)行了擴(kuò)展。廣義上,物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)各種感知設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng),連接物體與物體的,全自動(dòng)、智能化采集、傳輸與處理信息的,實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地和科學(xué)管理的一種網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)化、物聯(lián)化、互聯(lián)化、自動(dòng)化、感知化、智能化是物聯(lián)網(wǎng)的基本特征?？梢詫⑽锫?lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)聯(lián)姻,作為一個(gè)新興信息科技的嫁接應(yīng)用在能源管理系統(tǒng)中,運(yùn)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和基于大數(shù)據(jù)分析的反饋閉環(huán)智能控制技術(shù),對(duì)高耗能流程工業(yè)企業(yè)的用能設(shè)備進(jìn)行在線實(shí)時(shí)能源監(jiān)控及管理、同時(shí)進(jìn)行海量設(shè)備能耗數(shù)據(jù)挖掘分析,在數(shù)據(jù)采集和分析基礎(chǔ)之上,通過(guò)仿真模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況,進(jìn)行閉環(huán)反饋能效優(yōu)化控制,實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)可視化、達(dá)到能耗排放最優(yōu)化,并為企業(yè)能源管理部門(mén)及政府能源管理機(jī)構(gòu)提供節(jié)能減排信息化服務(wù)。2基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的財(cái)務(wù)管理平臺(tái)2.1對(duì)能耗監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母倪M(jìn)和發(fā)展基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析的工業(yè)企業(yè)能源管理平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包含三層:傳感器感知和數(shù)據(jù)采集層、云平臺(tái)與大數(shù)據(jù)分析層、應(yīng)用顯示層。主要內(nèi)容涵蓋了工業(yè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及能耗排放的感知層數(shù)據(jù)采集、基于分布式控制系統(tǒng)(DCS)的分布式閉環(huán)控制、云平臺(tái)大數(shù)據(jù)分析、以及相關(guān)的接口/協(xié)議/標(biāo)準(zhǔn)等。系統(tǒng)主要建設(shè)思路基于以下幾點(diǎn):(1)能源管理平臺(tái)需要與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián),在成為檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上,實(shí)現(xiàn)“檢測(cè)、控制、執(zhí)行和反饋”的閉環(huán)邏輯控制,這樣使能耗管理和控制結(jié)合起來(lái),成為能源管理和控制平臺(tái)。(2)能源管理平臺(tái)軟件采用云計(jì)算技術(shù)架構(gòu),滿(mǎn)足跨區(qū)域城市級(jí)別工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管控需求,實(shí)現(xiàn)無(wú)限量用戶(hù)登陸,后臺(tái)存儲(chǔ)采用云存儲(chǔ)方式滿(mǎn)足隨需增加的無(wú)限量后臺(tái)存儲(chǔ)空間,從社會(huì)節(jié)能大角度入手,減少并降低后臺(tái)投入、維護(hù)、管理等成本。(3)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)能耗采集和傳輸設(shè)備進(jìn)行改進(jìn),每臺(tái)設(shè)備具有全球唯一身份識(shí)別的IP地址碼,便于使被其管理的能耗數(shù)據(jù)具有身份識(shí)別功能。能耗采集和傳輸設(shè)備除具有數(shù)據(jù)發(fā)送和傳輸功能外,還具有數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)、處理和分析功能,便于能源管控平臺(tái)做數(shù)據(jù)校驗(yàn)和核準(zhǔn),保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。(4)盡可能將能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顆粒度最小化,爭(zhēng)取監(jiān)測(cè)到每個(gè)用能端的能耗數(shù)據(jù)和用能趨勢(shì),這樣才能實(shí)施有針對(duì)性的節(jié)能減排措施。(5)能源管理平臺(tái)增加第三方監(jiān)測(cè)和評(píng)估接口,實(shí)現(xiàn)公平、公正、開(kāi)放的監(jiān)督體系,使節(jié)能效果和過(guò)程透明化。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。數(shù)據(jù)感知與監(jiān)控系統(tǒng)基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)DCS技術(shù),同時(shí)支持傳統(tǒng)信號(hào)采集控制網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和電氣信息監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)集成,形成各個(gè)不同監(jiān)控領(lǐng)域的信息共享。數(shù)據(jù)感知與監(jiān)控系統(tǒng)主要分為現(xiàn)場(chǎng)層、控制層、監(jiān)控層三個(gè)子層,如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)層主要由傳統(tǒng)的各種溫濕度儀表、壓力傳感器、流量計(jì)、智能計(jì)量表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能電氣保護(hù)裝置等組成?？刂茖臃譃槿N:傳統(tǒng)儀表信號(hào)采集控制、無(wú)線傳感器信息采集和電氣監(jiān)控信息采集。監(jiān)控層主要有工程師站、操作員站、歷史站、數(shù)據(jù)接口站,其中數(shù)據(jù)接口站用于連接能源管理云計(jì)算平臺(tái)與數(shù)據(jù)挖掘中心。系統(tǒng)采用多種IT和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),用來(lái)構(gòu)建從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和開(kāi)放式應(yīng)用的完整工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案,系統(tǒng)所具有的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)特征包括:1基于多種類(lèi)型的通用、專(zhuān)用傳感器采集系統(tǒng);2支持通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、無(wú)線技術(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;3提供大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和開(kāi)放式的應(yīng)用平臺(tái);4提供基于多種終端設(shè)備的一致使用體驗(yàn),包括信息發(fā)布及事務(wù)流程處理等;5一體化的安全策略,建立從現(xiàn)場(chǎng)采集端到站控端,一直到遠(yuǎn)程應(yīng)用平臺(tái)、各類(lèi)終端產(chǎn)品的自上而下完整安全體系,在現(xiàn)場(chǎng)采集端使用了首創(chuàng)的工業(yè)自動(dòng)化安全信息控制器產(chǎn)品,集成了現(xiàn)有工業(yè)控制器和安全網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品,有效抵御各種外來(lái)和內(nèi)在的現(xiàn)實(shí)和潛在威脅。同時(shí),電氣控制信息與過(guò)程控制信息采用一體化系統(tǒng)平臺(tái)。從智能工廠的發(fā)展趨勢(shì)看,目前電廠、化工、石化、鋼鐵、建材等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,每個(gè)行業(yè)從設(shè)計(jì)院到工廠用戶(hù),都分為兩個(gè)專(zhuān)業(yè),電氣和自控系統(tǒng)各自為政,導(dǎo)致電氣自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化各自獨(dú)立發(fā)展,造成各自動(dòng)化系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,部分功能重復(fù)建設(shè),不能發(fā)揮自動(dòng)化系統(tǒng)的整體優(yōu)勢(shì)。電氣控制系統(tǒng)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)的一體化是未來(lái)智慧工廠的必然趨勢(shì)。電氣控制信息與過(guò)程控制信息采用一體化系統(tǒng)平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)信息共享,有利于更好的對(duì)工廠的各種生產(chǎn)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、節(jié)能分析、故障預(yù)警、安全隱患分析,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化、遠(yuǎn)程化、高可靠性的智慧工廠。2.3分析方法及結(jié)果綜合能源管理大數(shù)據(jù)平臺(tái)基于能耗排放數(shù)據(jù)在廣度和深度上的大量采集,通過(guò)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行KPI相關(guān)性分析、同類(lèi)用能場(chǎng)所KPI波動(dòng)規(guī)律發(fā)現(xiàn)、大規(guī)模用能設(shè)備能耗特性聚類(lèi)分析等數(shù)據(jù)分析手段,輔以友好的數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)方法,最終建立用能場(chǎng)所能耗模型,確立標(biāo)桿用能單元,總結(jié)用能規(guī)律,發(fā)現(xiàn)節(jié)能空間,提供節(jié)能趨勢(shì)引導(dǎo)咨詢(xún)信息,最終達(dá)到節(jié)能減排、幫助企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。(2)可視化數(shù)據(jù)分析能耗數(shù)據(jù)分析的結(jié)果展示,主要采用Flash、XML、JSON、Ajax、JQuery等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。提供通用和個(gè)性訂制化的數(shù)據(jù)分析服務(wù),包括對(duì)可視化數(shù)據(jù)的下鉆、上卷、切片、分塊以及自定義可視化報(bào)表等。溫度及能效云場(chǎng)以及用能場(chǎng)所用3D呈現(xiàn),如圖4所示。在呈現(xiàn)端主要通過(guò)3D建模,然后集成3D引擎,最終封裝在3D模型并填充數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。溫度及能效云場(chǎng)的構(gòu)建主要基于高密度的溫度及能效數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)通過(guò)基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的梯度云場(chǎng)構(gòu)建算法,最終生成高準(zhǔn)確度的溫度及能效場(chǎng)。(3)基于duce的基于開(kāi)發(fā)平臺(tái)架構(gòu)數(shù)據(jù)處理部分采用基于開(kāi)源的分布式系統(tǒng)架構(gòu)Hadoop結(jié)合MapReduce,再混搭OracleRAC構(gòu)成開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu),該架構(gòu)是一個(gè)能夠?qū)Ａ看髷?shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理的軟件框架,能夠?qū)崿F(xiàn)海量大數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析計(jì)算的并行化,為用戶(hù)提供高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析服務(wù)。(4)基于不同用戶(hù)體驗(yàn)的知識(shí)學(xué)習(xí)集成通過(guò)面向數(shù)據(jù)服務(wù)的SDO與公共持久化數(shù)據(jù)引擎技術(shù),統(tǒng)一封裝用能場(chǎng)所能耗及運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù),為不同租戶(hù)的個(gè)性化數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)學(xué)習(xí)提供集成數(shù)據(jù)服務(wù)。平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成層將基于數(shù)據(jù)中心的云計(jì)算平臺(tái)建成7×24h的數(shù)據(jù)集成環(huán)境,為社會(huì)租戶(hù)及政府能源管理機(jī)構(gòu)提供即時(shí)能耗數(shù)據(jù)服務(wù),也可為社會(huì)用戶(hù)提供其用能場(chǎng)所設(shè)備能耗監(jiān)控信息化服務(wù)支撐。3平臺(tái)部署和應(yīng)用該系統(tǒng)將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)DCS智能控制三者有機(jī)融合,充分發(fā)揮各自領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì),將包括智能傳感器感知在內(nèi)的多種能耗排放數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚,通過(guò)前端DCS系統(tǒng)的