数据采集能源计量信息系统设计研究

摘要:通过运用先进的信息技术，开展企业能源计量信息系统项目的建设，能够实现各种能源介质的计量与管控，通过对上传数据的分析整合和过程评估，及时为企业提供能源系统相关信息和优化解决方案，提高能源系统运行优化的实时性、准确性和稳定性，保证安全有序、合理平稳的生产工艺流程，最终实现企业能源效率的提高。文中对基于数据采集的能源计量信息系统其设计原则和架构方法展开综述，并详细列举其总体框架和组成内容。

关键词:能源计量信息系统;数据采集;信息化

引言

当前，在中国经济整体迈入新常态和全面深化改革的大背景下，传统工业企业的可持续发展遇到了前所未有的挑战，无法再继续走落后的粗放型发展道路。越来越多的企业认识到，节能减排虽然意味着短期的“阵痛”，但最终可以帮助工业企业实现健康、绿色的可持续发展，并面向未来。这就要求工业企业大力开展结构优化和技术创新，加快推进工业化和信息化的技术升级和相互融合，加大节能技术改造、创新力度，在企业的能源生产、传输和使用等各环节开展实时的、在线的监测和管理，重点关注能源平衡的优化升级，从而实现全局性、系统性的节能降耗。能源计量信息系统的组网运行，一方面在确保生产流程稳定进行的前提下，可以实现能源介质的在线监控和调整优化，并能够实时监控能源设备的运行状况;另一方面，企业资源计划系统ERP(EnterpriseResourcePlanning)可以从中获取全方位的能源信息。工业企业应挖掘战略拓展潜力，投身供给侧改革的大局，着眼于可持续发展的高度，充分认识建设能源计量信息系统的必要性，努力实现能源集中管控［1］。

1能源计量信息系统

能源计量信息系统作为工业企业整体信息化的一个重要组成部分，向企业资源计划系统ERP(EnterpriseResourcePlanning)提供管理所需的全方位能源信息;对生产过程所需能源流进行优化调整合分配;对实时的能源消耗做到在线监测，确保生产过程平稳有序;对能源设备运行工况、状态全面掌控，并做到统一管理、自动化调控。能源计量信息系统是凸显工业企业节能能力和水平的重要标志。能源计量信息系统应能够确保生产用能的稳定供应;充分利用低价能源代替高价能源，降低企业成本;同时对能源集中管控与自动化操作、提高企业劳动生产率、以及发展清洁生产和实现循环经济应起到关键性作用［2］。概括来说，能源计量信息系统作为一种全方位、一体化的计算机信息系统，对于企业的能源信息流能够做到实时监测、定量分析、集成管控、智能预测以及高效优化。能源计量信息系统作为企业整体信息化和全面自动化的主要组成单元，为企业能源管理及节能降耗提供全面整体的解决方案。

2基于数据采集的能源计量信息系统

由于当前各工业企业所采用管理理念以及所在发展阶段各不相同，能源计量信息系统所覆盖的范畴、其架构方法也会有所不同，其所涉猎的技术范围和产出的管控效益也有所差异。概括来说，其系统架构主要分为两种:基于完全扁平化管理支撑的和基于不完全扁平化管理支撑的，以总体管理思路作为区分，后者相对较为灵活，更加能够做到因地制宜、因厂而异。基于不完全扁平化管理支撑的能源计量信息系统，其生产调度和总体管理仍延用分层管理模式，但对于能源管控实行集中管理，能够实现数据收集与处理、分析与研判、调控与分配、平衡预测和综合管理等功能的汇总和集成，其能源利用效率和相关指标领先于行业标准，提高了能源的综合利用率，并且在二次能源的回收方面，也能够达到较高水平，基本上实现了零排放。基于数据采集的能源计量信息系统作为不完全扁平化管理支撑系统的代表，其数据采集网络覆盖了工业企业的各个角落，所需的全部数据均通过数据采集模块获得，包括全部能源介质数据，辅以少量的生产过程数据。根据目前工业企业各子系统现状，数据架构大致为三层:第一层是基础数据采集层，第二层是汇聚数据处理层，第三层是集中监控管理层，从而逐步形成集中的数据采集系统架构［3］。系统总体形成了较完备的数据采集、处理、统计分析等功能，基本能够满足两化融合初期管理需要，其优越的节能效率和稳定的运行效能，成为工业企业新建能源计量信息系统的首选。下文的论述均围绕着这一类型的能源计量信息系统展开。

3设计原则

按照先进的运行管理和能源管理的理念，提升企业能源管理模式，并在应用系统的规划和设计中全面的落实，确保将设计思路与管理理念有机的组合起来，以达到为节能、减排和环保服务的目的，并实现能源计量信息系统的稳定运行［4］。基于数据采集的能源计量信息系统的设计原则如下:(1)坚持企业需求为根本原则。企业为推动能源计量信息系统项目的建设，应加强引导，广泛宣传，将项目建设提高到尽可能高的优先级，尤其是日常生产工作更要适当的为之让路，充分发挥各技术管理部门、生产车间的主观能动性。(2)坚持高起点原则。根据行业发展现状，尽可能按照国内外同类系统的最高要求开展设计工作，推动能源优化技术水平大幅提升。(3)坚持全面推进与分期实施相结合。方案的具体部署推进应根据企业存量资金状况、面临的国内外营销环境以及日常生产运营情况，坚持全面推进、稳妥布局，并分期、分阶段组织实施，确保能源计量信息系统项目建设稳步有序推进。(4)坚持新技术落地与企业改革和振兴相结合。应与时俱进的根据国家产业战略调整和相关振兴规划方案，灵活结合、有的放矢，推动供给侧改革，加快能源计量信息系统项目建设，提高企业节能降耗水平和能力，促进企业业务转型，助力相关产业振兴。(5)坚持平台化与标准化的系统建设原则。应采用工业信息化、工业控制和管理信息化领域的国际先进的标准化接口和平台，推动企业信息化建设的快速发展。

4系统定位与总体框架

4．1系统定位

基于数据采集的能源计量信息系统通过能源介质和能源流，将全厂与能源介质相关的生产设备的过程控制系统PCS(ProcessControlSystem)、先进控制系统APC(AdvancedProcessControl)、制造执行系统MES(ManufacturingExecutionSys-tem)、以及企业资源计划系统ERP(EnterpriseRe-sourcePlanning)、办公自动化系统OA(OfficeAu-tomation)等有机的整合在一起，由于要全面实现对能源生产的实时调度、数据分析、指标分析、流程管理等应用功能，并需要支持ERP系统的成本管理和业务流程管理，因此，能源计量信息系统在企业自动化与信息化系统体系中的定位是跨越PCS、APC、MES、ERP及OA系统，并与各个系统有机联系的系统。

4．2总体框架

基于数据采集的能源计量信息系统总体框架的建立遵循“资源整合、信息互通、架构共享、业务协同”的原则。应用系统采取功能导向、分层架构的方式，通过数据采集层得到的能源信息经由网络系统上传、以及通过实时监控系统平台呈现的能源流在线状态，实现了以能源信息流为主要关注源的系统资源、信息和服务的共享，实现了能源业务层与展现层的分离，确保系统具有良好的可维护性的开放性。总体框架中如图1所示，包含6个层次:(1)基础设施层:是能源计量信息系统的硬件基础之一，包括能源管理中心、监控大屏幕、能源网络系统、能源管理中心服务器群、数据存储集群、能源管理中心调度电话、能源管理中心视频监控等。基础设施层作为能源管理功能的实现基础，其中服务器群的设计是架构工作的重中之重。能源管理中心的服务器群包含了专为实时调度系统配置的数据采集服务器、趋势报警服务器、和历史数据库服务器，并为基础能源管理功能配置了应用服务器、数据库服务器、报表服务器、Web服务器等。同时应着重为固废综合利用系统和预测优化等高级功能配置独立的服务器。为了实现系统安全，还应设置域服务器、防病毒服务器和网管服务器等。(2)数据采集层:与基础设施层共同构成能源计量信息系统的硬件基础，数据采集层应依据企业的数据采集现状开展设计工作，通过数据采集站和数据采集服务器实现能源计量数据采集与数据集成，其中包括与电力调度系统之间的数据接口、与能源计量网的数据接口及改造、自动化系统的接口改造以及与生产指挥系统和设备管理系统的接口。根据能源计量信息系统对能源数据的需求，能源计量数据采集主要有网关通讯(基于OPC协议)和直接I/O采集两种方法，具体方法的选择应结合企业自身现状以及规划设计情况［5］。网关通讯的方式可借助原有自动化网络，通过升级改造实现功能需求，适应性广，品牌兼容性好;直接I/O采集的方式需要新建多个I/O采集站，成本较高，但采集效率更高，且后期维护成本较低。由于历史沿革，大多数企业现场的自动化环境纷繁冗杂、设备有新有旧。本着经济、节约的原则，能源计量数据的采集方案在设计过程中，应尽量在原有系统的基础上实施升级、改造，以减少新增设备所带来的成本消耗。所以，采用网关通讯(利用原有设备)为主，辅之以直接I/O采集(全新购置设备)的方法无疑是最佳的解决方案。完成基础数据采集层的架构之后，只需要一套成熟的架构于汇聚数据处理层的SCADA系统(Super-visoryControlAndDataAcquisition数据采集与监视控制系统)，与汇聚层下属全部数据采集站进行通信及数据交换，从而打破了品牌和厂家的壁垒［6］。(3)数据中心层:数据中心层汇总了能源计量信息系统的所有实时数据、历史数据、统计分析结果、能源标准、政策、法规等资源信息，同时也保存大量的能源报表。数据中心层也是与其他相关信息系统之间进行数据交换的必经之路。在数据中心层，包含了历史数据库、应用数据库、资源信息库和数据接口等组件。(4)支撑平台层:支撑平台层是一系列系统开发和运行平台和中间件的统称，他们是整个应用功能实现的基础，由于这些平台的支撑，才能实现组态化的开发，配置化的编程，以及所见即所得的绘制画面等。在支撑平台层，包括:实时监控与调度平台，历史数据库，绩效管理平台，工作流平台，报表开发平台，高级算法平台等。(5)应用功能层:应用功能层包含实时监控、基础管理、报表等多个方面，在支撑平台的基础上，本项目将实现以下应用功能:能源实时监视、远程调度、应急预案、预测优化、供需实绩、平衡报表、综合平衡、计划管理、实绩管理、绩效指标、分析报告、质量管理、停机管理、设备台账、基础数据、调度日志、运方单、停复役、标准管理、文档查询、物料定义、固废计划、以及固废报告等。(6)信息层:能源计量信息系统的实时画面、管理表单、平衡报告等将通过信息层进行，同时也是系统标准、政策、制度到等信息查询的门户。除此之外，贯穿六个层次的还有系统安全管理、系统配置及维护管理等功能，这些功能模块是保证系统正常运行的关键。系统安全管理包括硬件系统的安全措施，以及通过域、防病毒服务器以及网管服务器等提供的软件保护措施。系统配置和维护管理功能主要在系统单独配置的工程师站上完成。同时，系统应严格遵守能源管理体系相关的标准、政策、法规等文件。能源管理制度建设以及业务流程梳理也是项目至关重要的部分。为了实现能源计量信息系统的长期可持续发展，也必须设计专门的技术支持计划与培训体系。

5结束语

当前，“节约资源和环境保护”已经成为我国的基本国策，加强能源资源节约和生态环境保护、增强可持续发展能力，是推进经济结构调整的首要任务和突破口。工业企业想要推动供给侧改革，走新型工业化道路，降低能源资源消耗、从而减少环境污染是重中之重。通过先进信息技术的应用，建设完备的、大型的基于数据采集的能源计量信息系统，可以实现工业企业能源信息流的高度整合及预测管理，从而大幅度减少能源和资源的消耗、改善环境，同时为进一步全面、多角度、实时、在线的计量和管控各种能源信息提供了现代化手段。这也是在我国资源、能源相对不足的现状下推动工业现代化、信息化、国际化进程的必由之路。

参考文献

［1］江宁川，李祥，赵喆．钢铁企业能源管控信息系统数据采集方法综述［J］．冶金自动化，2012(S2):5－8．

［2］李广军．能源管理中心系统在宁波钢铁有限公司的应用［A］．中国计量协会冶金分会2011年会论文集［C］．2011．

［3］陈辉，刘贤堂，吴宝健．钢铁企业能源管理系统的应用研究［J］．自动化与信息工程，2011(4):20－23．

［4］胡燕．面向中小企业的能源管理系统设计［J］．自动化与信息工程，2012(4):38－40．

［5］韩香玉，张丽娜，刘亮．钢铁企业能源管控信息系统技术框架研究［J］．资源节约与环保，2013(2):17－20．

［6］潘武平．基于OPC协议的数据通信［D］．北京:北京化工大学，2004.

作者：江宁川 杨佳 王振国 韩瑞国 单位：天津市计量监督检测科学研究院