理論與實踐:EMC項目遠程能耗數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)設計與實踐
作者：鄭曉敏
中國是世界第一能源消耗大國，2013年的能源消費總量為37.5億t標準煤；然而，中國的能源利用效率卻相對較低，2013年萬元(;DP能耗約為0. 659 t標準煤。在當前資源約束趨緊、環(huán)境污染加重和生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴峻形勢下，提高能源利用效率、減少能源消耗對中國經(jīng)濟和社會的長遠可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
國務院辦公廳印發(fā)的《2014-2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動方案》明確指出，應大力發(fā)展合同能源管理( EMC)，促進節(jié)能服務業(yè)發(fā)展。EMC客觀上已經(jīng)成為國家發(fā)展節(jié)能產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)節(jié)能減排的重要抓手。 EMC是指節(jié)能服務公司與用戶通過簽訂能源管理合同，為用戶提供用能狀況診斷、節(jié)能項目設計、融資、改造（施工、設備安裝、調試）、運行管理等一整套的節(jié)能系統(tǒng)化服務，并從客戶節(jié)能改造后獲得的節(jié)能效益中收回投資和取得利
潤的一種節(jié)能服務機制。
對于一個以EMC為主要商業(yè)模式提供節(jié)能服務的公司來說，由于EMC項目地域分布廣（幾乎遍布全國各地）、節(jié)能服務技術類型多樣，因此，采用人工方式對EMC項目中設備（系統(tǒng)）進行管理，不僅工作量大、實時性差，而且容易出差錯；同時，現(xiàn)場節(jié)能設備（系統(tǒng)）的狀態(tài)和節(jié)能量數(shù)據(jù)不易及時掌握，影響對客戶的服務質量。為此，開發(fā)遠程能耗采集和分析系統(tǒng)非常重要。作者開發(fā)了EMC項目遠程能耗數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，并在冶金行業(yè)進行了應用。下面以某鋼鐵節(jié)能服務公司EMC項目遠程能耗數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)為例進行介紹。
1 架構設計
系統(tǒng)架構如圖1所示。系統(tǒng)整體架構自下而上劃分為6個層次，分別為現(xiàn)場設備層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)存儲層、業(yè)務邏輯層、業(yè)務應用層。其中，現(xiàn)場設備層是指節(jié)能項目現(xiàn)場的所有設備，包括各式傳感器、智能儀表、現(xiàn)場的PLC、DCS等；數(shù)據(jù)采集層通過標準的OPC、Modbus、IEC60870-5 -104．SNMP等協(xié)議或設備自定義的傳輸協(xié)議，遠程獲取現(xiàn)場設備的實時數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理層對來自數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)進行存儲、分發(fā)、報警、計算、解析和過濾等處理；數(shù)據(jù)存儲層將處理后的實時數(shù)據(jù)存儲到內存的過程數(shù)據(jù)庫中，并可通過標準接口，把需要長期保存的統(tǒng)計數(shù)據(jù)轉存到關系數(shù)據(jù)庫中；業(yè)務邏輯層將不
同用戶的業(yè)務需求抽象成統(tǒng)一的業(yè)務邏輯，形成通用的業(yè)務服務供業(yè)務應用層使用，包括授權服務、報表服務、趨勢服務、報警服務等；業(yè)務應用層直接面向最終用戶，向節(jié)能服務公司提供現(xiàn)場設備監(jiān)測、設備報警提示、統(tǒng)計報表等，便于節(jié)能服務公司及時掌握現(xiàn)場節(jié)能設備的運行和節(jié)能情況，并根據(jù)設備的運行趨勢，對系統(tǒng)進行優(yōu)化和完善。
2 網(wǎng)絡設計
系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡把各地EMC項目節(jié)能設備的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到處于節(jié)能服務公司內網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集服務器上，因此，網(wǎng)絡安全涉及2個方面：(1)節(jié)能服務公司內網(wǎng)安全，由于數(shù)據(jù)采集服務器同時連接節(jié)能服務公司的內網(wǎng)和外部網(wǎng)絡，因此需預防由外部網(wǎng)絡侵入內網(wǎng)的風險；(2)由于現(xiàn)場采集器和現(xiàn)場生產(chǎn)網(wǎng)絡直接連接，因此需防范由采集器侵入到現(xiàn)場生產(chǎn)網(wǎng)絡中的風險。
為了防范上述網(wǎng)絡風險，遠程能耗數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)的網(wǎng)絡設計采用以下幾個措施：(1)搭建無線專網(wǎng)。與無線傳輸網(wǎng)絡運營商合作，搭建節(jié)能服務公司的無線專網(wǎng)，建立數(shù)據(jù)
采集服務器與現(xiàn)場EMC項目的互聯(lián)網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)采集服務器通過防火墻接入無線專網(wǎng)，現(xiàn)場EMC項目的數(shù)據(jù)采集器通過無線路由接入到無線專網(wǎng)中。無線專網(wǎng)建立后，只有通過認證的SIM卡才能撥人無線專網(wǎng)，且無線專網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間不能互聯(lián)互通。
(2)采用固定的IP地址。接入無線專網(wǎng)內設備，全部具有固定的IP地址，外場EMC項目的無線路由器通過SIM卡接入到無線專網(wǎng)時，將從運營商處獲取一個預先分配好的IP地址。
(3)部署防火墻。在數(shù)據(jù)采集服務器和無線專網(wǎng)之間部署一套防火墻，在防火墻上配置IP過濾、端口過濾等規(guī)則，只允許來自指定IP地址的外場EMC項目中配置的無線路由器訪問數(shù)據(jù)采集服務器上特定的端口。
(4)單向數(shù)據(jù)流策略。外場EMC項目的無線路由器通過SIM卡撥號接入無線專網(wǎng)，在設置無線路由器控制策略時只允許EMC項目內部的數(shù)據(jù)采集器主動發(fā)起對外的數(shù)據(jù)傳輸，即對于數(shù)據(jù)采集服務器來說外場EMC項目的無線路由器是“只讀”模式，不允許外部數(shù)據(jù)源通過采集器侵入到現(xiàn)場生產(chǎn)網(wǎng)絡中進行“寫”操作，確保現(xiàn)場生產(chǎn)網(wǎng)絡安全。系統(tǒng)網(wǎng)絡設計如圖2所示。
3 軟件設計
系統(tǒng)軟件技術架構如圖3所示。
由圖3可見，數(shù)據(jù)采集器負責從現(xiàn)場設備采集實時數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡傳輸回節(jié)能服務公司的服務器；服務器上的數(shù)據(jù)接收服務對實時數(shù)據(jù)進行處理后，存儲到過程數(shù)據(jù)庫中；過程數(shù)據(jù)庫訪問代理服務從過程數(shù)據(jù)庫中讀取實時數(shù)據(jù)，提供給過程信息組態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備狀態(tài)的監(jiān)測；對于非中間狀態(tài)的累計值，如電能量、蒸汽流量、冷卻水流量等，通過數(shù)據(jù)轉儲程序，定時轉存到關系數(shù)據(jù)庫中；信息管理和報表系統(tǒng)通過JA-VA應用程序訪問關系數(shù)據(jù)庫獲得節(jié)能數(shù)據(jù)，對節(jié)能數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，并形成相應的業(yè)務報表。
由于EMC項目分布在全國各地，數(shù)據(jù)采集需要適應現(xiàn)場不同的環(huán)境，因此數(shù)據(jù)采集器需要兼容Window。和Linux多種操作系統(tǒng)。另外，為了減少后期的調試和維護，對采集器的穩(wěn)定性要求非常高，因此，在對數(shù)據(jù)采集器進行功能設計時，將其定位成僅實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集和傳輸，其他復雜的功能由數(shù)據(jù)接收服務來完成。服務器環(huán)境選擇CentOS操作系統(tǒng)，CentOS是RHEL發(fā)行版對直的開源版本，它的問題相對較少、長期穩(wěn)定，很好地適應服務器的應用需求，降低病毒的潛在威脅：客戶端采用Web組態(tài)實現(xiàn)設備狀態(tài)的實時監(jiān)測，通過配置完成不同項目監(jiān)測畫面的搭建，極大地滿足了節(jié)能眼務公司EMC項目數(shù)量眾多的需求。在設計組態(tài)軟件時，采用B/S架構模式，便于設備監(jiān)測和信息管理的相互融合，用戶可以在同一個界面框架中，實現(xiàn)實時監(jiān)測畫面和信息管理畫面之間的靈活切換。
4 功能設計
遠程能耗采集和分析系統(tǒng)的功能設計包括：采集分布在各地的節(jié)能設備的實時數(shù)據(jù)；實時監(jiān)測節(jié)能設備的狀態(tài)，對設備異常情況及時報警；快速計算EMC項目節(jié)能量數(shù)據(jù)，進而形成節(jié)能計費報表；對能耗數(shù)據(jù)進行分析，建立設備系統(tǒng)的狀態(tài)和工藝參數(shù)原始數(shù)據(jù)庫，通過對系統(tǒng)能耗進行定量分析形成系統(tǒng)的綜合優(yōu)化模型。
4.1 實時監(jiān)測和報警
實時監(jiān)測功能可以遠程監(jiān)測現(xiàn)場節(jié)能設備的運行狀態(tài)，掌握實時信息，便于及時發(fā)現(xiàn)設備異常，對分布于異地的眾多的EMC項目實現(xiàn)統(tǒng)一設備狀態(tài)管理。
實時監(jiān)測功能采用Web組態(tài)實現(xiàn)，組態(tài)模塊可運行在各種主流瀏覽器上，經(jīng)過授權可以在任意PC終端上查看設備運行數(shù)據(jù)，對設備運行狀態(tài)進行監(jiān)測。
Web組態(tài)提供了豐富的圖形控件、工況圖庫以及作圖工具，使得系統(tǒng)管理人員可以繪制各種工業(yè)界面，并進行相關編輯；支持XAML和SVG格式的圖元，方便用戶直接從現(xiàn)場級的組態(tài)畫面中提取所需要的設備圖元，充分利用原有工作基礎，減少系統(tǒng)管理人員的工作量。
通過Web組態(tài)可以呈現(xiàn)節(jié)能設備（系統(tǒng)）的相關屬性和基本參數(shù)信息，如：設備運行狀態(tài)、電能、電流、電壓、流量、壓力、溫度、閥門開度等信息，并與節(jié)能設備圖元相關聯(lián)，以工程量數(shù)值直觀顯示。
根據(jù)報警策略，當監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)超過或低于系統(tǒng)中設定的閾值時顯示相應報警信息，例如蒸汽壓力高、蒸汽壓力極高、汽包水位低、汽包水位極低等。系統(tǒng)自動保存報警及報警確認記錄，EMC項目運營人員可以通過實時報警或歷史報警畫面獲得報警信息。
根據(jù)設備或系統(tǒng)的故障嚴重程度將報警信息分為3個等級：對設備或系統(tǒng)有嚴重威脅的故障發(fā)生時發(fā)出嚴重報警；危害程度次于嚴重報警的故障發(fā)生時發(fā)出次嚴重報警；對設備和系統(tǒng)運行出現(xiàn)輕微影響時發(fā)出一般報警。
4.2節(jié)能量管理
節(jié)能量管理功能對EMC項目的水、電、蒸汽等能源介質使用量的基準值和各類能源介質的實際發(fā)生量進行記錄管理，可對EMC項目的節(jié)能量計算公式進行編輯、使用。能源計量數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場傳感器檢測后，經(jīng)過PLC.DCS及其他數(shù)字控制設備傳送到數(shù)據(jù)中心，進一步轉換處理后將計量數(shù)據(jù)長期保存，以便查詢、統(tǒng)計和生成報表�，F(xiàn)場直接抄表數(shù)據(jù)作為節(jié)能量確認單上的能源數(shù)據(jù)，可以與遠程采集的數(shù)據(jù)進行對比分析，生成查詢表單和報表。
4.3能耗數(shù)據(jù)分析
能耗數(shù)據(jù)分析包括能耗數(shù)據(jù)和工藝運行參數(shù)分析以及故障分析診斷。
(1)能耗數(shù)據(jù)和工藝運行參數(shù)分析。將某段時間內的設備實際能耗量與規(guī)范標準單耗數(shù)據(jù)進行比較，得出各類單耗比較數(shù)據(jù)，輔助用能單位進行節(jié)能診斷；把計費周期的當期能耗量與基準能耗量進行比較分析，得出項目依據(jù)時域的節(jié)能狀態(tài)分布。建立設備（系統(tǒng)）的狀態(tài)和工藝參數(shù)原始數(shù)據(jù)庫，著重于系統(tǒng)電參量測量系統(tǒng)的設計，依據(jù)滿足流體機械工程應用的在線定量計算分析方法，對系統(tǒng)運行性能和系統(tǒng)能耗進行定量分析。對于建筑節(jié)能中的冷熱源系統(tǒng)集水器、分水器及主要管路的水溫、壓力、流量及不同季節(jié)時段的能耗實際數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析計算，建立系統(tǒng)綜合優(yōu)化模型。
(2)故障分析診斷。根據(jù)耗能設備的變化規(guī)律、專業(yè)領域內的判斷標準或規(guī)則，對系統(tǒng)獲取的各類狀態(tài)數(shù)據(jù)進行比較，對發(fā)生異常變化的參數(shù)按照規(guī)則進行預警，并及時采取預防對策消除故障隱患。
4.4綜合統(tǒng)計
綜合統(tǒng)計功能對采集到的能耗數(shù)據(jù)進行自動統(tǒng)計，并以表格或圖形等形式進行展示，包括能源發(fā)生量曲線、設備能耗曲線、監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表、設備運行參數(shù)曲線等，各種曲線和報表均可以日、月、年等周期統(tǒng)計。
綜合統(tǒng)計功能還可以依據(jù)EMC項目的收益分成比例，在每個計費周期約定結算日自動生成項目的效益分享結算表，便于開展EMC項目的節(jié)能服務公司和用能單位之間的節(jié)能效益結算。
5 系統(tǒng)特點
本系統(tǒng)的主要特點是實現(xiàn)了跨網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)采集，研發(fā)和實現(xiàn)了高性能分布式過程數(shù)據(jù)庫和矢量化組態(tài)系統(tǒng)。
(1)跨網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)采集。遠程能耗數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)可以從分布于全國各地的項目中采集數(shù)據(jù)，通過無線專網(wǎng)發(fā)送回位于中心的服務器。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)通常僅在工廠或企業(yè)的內部網(wǎng)絡中部署，對內部設備狀態(tài)進行監(jiān)控，本系統(tǒng)則可以對不同地域、不同網(wǎng)絡中的設備進行數(shù)據(jù)采集并匯總分析，當遠程網(wǎng)絡出現(xiàn)異常時，可以將數(shù)據(jù)緩存在采集端，待遠程網(wǎng)絡恢復后再發(fā)送到中心服務器，從而保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性。為了實現(xiàn)跨網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)提供OPC、IEC60870-5 -104、Modbus等3種協(xié)議的數(shù)據(jù)采集器，使用C++編程語言開發(fā)，可以在Windows、Linux等多種平臺下進行編譯。
(2)高性能分布式過程數(shù)據(jù)庫。遠程能耗數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)庫使用C++編程語言開發(fā)，提供了高性能的過程數(shù)據(jù)處理能力，并且隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大，過程數(shù)據(jù)庫支持分布式部署，當接入項目增多時，可以通過擴充服務器的方式來增加系統(tǒng)支持的點數(shù)，為系統(tǒng)擴容提供了彈性。
(3)矢量化組態(tài)系統(tǒng)。通過使用XAML和SVG這樣的矢量圖形繪制組態(tài)畫面，不僅保證了組態(tài)畫面的美觀細致，而且還可以適應各種分辨率的屏幕，不會出現(xiàn)變形、扭曲等現(xiàn)象。對于不同分辨率的設備，只要制作一次組態(tài)畫面即可，大大減少了系統(tǒng)維護工作量。
6 結束語
EMC項目遠程能耗數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)為節(jié)能服務公司開展EMC項目帶來諸多便利：從分布在各地的合同能源管理項目中采集實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對遠程項目的實時監(jiān)測，及時有效開展運行維護工作；自動生成用于合同能源管理項目雙方的項目效益分享結算表，避免了手工抄送所產(chǎn)生的誤差；對采集數(shù)據(jù)的深度分析，有利于降低EMC項目投資風險。
作者率領的研發(fā)團隊自2012年開展設計工作至2014年完成期間陸續(xù)實施了上海、南京、寧波等多個合同能源管理項目的接人工作，將上述地區(qū)多個項目的實時數(shù)據(jù)匯集到某節(jié)能服務公司的上�？偛�，進行項目設備狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)的集中監(jiān)測，及時了解各項目運行情況，提升了節(jié)能服務公司的管理水平和效率，取得了較大的經(jīng)濟效益。
7摘要：
從合同能源管理的需求出發(fā)，設計一套遠程能耗數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能設備（系統(tǒng)）的狀態(tài)監(jiān)控和能耗數(shù)據(jù)采集，通過對采集的能耗數(shù)據(jù)進行綜合計算和分析，幫助節(jié)能服務公司快速計算EMC項目節(jié)能量數(shù)據(jù)，結合工藝數(shù)據(jù)的變動情況分析節(jié)能量數(shù)據(jù)的波動因素，指導對節(jié)能設備（系統(tǒng)）進行優(yōu)化調整，進一步提高節(jié)能效益。
