淺析物聯(lián)網環(huán)境下小麥加工過程能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計

安科瑞 劉秋霞

摘要：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營成本已經成為業(yè)內的熱點問題。采用物聯(lián)網技術,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備能耗以及運行狀態(tài)數據的自動采集與傳輸,并通過對數據的匯總與分析，為節(jié)能降耗提供基礎數據。設計的系統(tǒng)在河南某面粉有限公司進行了示范應用,提高了企業(yè)能耗管理水平，降低了生產成本。

關鍵詞:小麥加工；能耗監(jiān)測；物聯(lián)網；生產執(zhí)行系統(tǒng)（MES）

0引言

小麥經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。原糧經篩選、去石、打麥、色選、著水潤麥，完成小麥清理工段；經過研磨、松粉、篩選與清粉后，即可按要求生產出各個等級的面粉，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，以改變面粉品質和營養(yǎng)。

電耗是小麥加工企業(yè)運行中的重要經濟指標。隨著小麥加工工藝的改進，以及小麥加工設備制造水平的提高，加工設備中用電設備日漸增多，功率越來越大，而且隨著電能價格的上調，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)管理水平和技術水平的一項重要指標。所以小麥加工企業(yè)要想方設法提高能源利用效率和管理水平來降低能耗，以應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、傳輸網絡、數據處理中心、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據，通過傳輸網絡將數據上傳到數據處理中心進行儲存、分析、管理優(yōu)化等，管理者可以通過局域網、因特網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能源管理系統(tǒng)。

1系統(tǒng)結構設計

基于物聯(lián)網技術的能耗監(jiān)測系統(tǒng)分為感知層、傳輸層和應用層，分別由智能儀表、中間傳輸設備以及數據處理中心等部分組成。

1.1數據處理中心

數據處理中心由數據庫服務器和Web服務器構成，負責接收數據集中器上報的數據，并對數據進行存儲、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、能耗數據查詢以及統(tǒng)計分析等功能。

能耗監(jiān)測系統(tǒng)中的管理分析系統(tǒng)屬于數據中心端系統(tǒng)，是能耗監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，安裝于服務器中，負責廠區(qū)能耗數據的集中管理，功能包括計量儀表管理、傳輸網絡管理、能耗數據接收儲存、匯總統(tǒng)計和分析展示等。管理分析系統(tǒng)采用易于管理維護的B/S架構，支持主流的數據庫系統(tǒng)，如Oracle，MicrosoftSQLServer等。管理分析系統(tǒng)支持多種能源的能耗管理，并具有一定的可擴充性。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)自動抄表，對于無法自動采集到的數據，支持手動錄入（或導入）功能。

1.2中間傳輸設備

中間傳輸設備屬于物聯(lián)網三層結構中的傳輸層，將感知層同應用層連接起來。中間傳輸設備通過現(xiàn)場總線連接企業(yè)中的計量儀表，支持多種主流的現(xiàn)場總線標準，主動對計量儀表進行能耗數據采集，定時或按需將能耗數據上傳到數據庫服務器中。

1.3智能儀表

智能儀表構成物聯(lián)網感知層，采用具備數據傳輸以及檢測電壓、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。負責采集小麥加工各個工段以及一些設備的能耗和運行狀態(tài)數據，為整個系統(tǒng)提供原始數據。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1處理中心設備

處理中心設備主要包括數據庫服務器、Web服務器和管理分析系統(tǒng)。數據庫服務器采用流行的Oracle的數據庫管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點：①支持大數據庫、多用戶的事務處理；②遵守數據存取語言、用戶接口和網絡通信協(xié)議的工業(yè)標準；③支持分布式數據庫和分布處理；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數據傳輸系統(tǒng)

根據企業(yè)管理、生產過程的要求，數據傳輸系統(tǒng)分為現(xiàn)場級和管理級，分別使用工業(yè)串行總線技術和工業(yè)以太網技術構建。

工業(yè)串行總線技術采取RS-485電氣標準配合MODBUS通訊協(xié)議的方式，是當前流行的一種現(xiàn)場級布網方式，其特點是成本低廉，實施簡單方便，現(xiàn)在大多數工業(yè)現(xiàn)場傳感器都支持RS-485電氣標準和MODBUS通訊協(xié)議。

MODBUS通訊協(xié)議已經成為一種通用的工業(yè)通訊標準，該通訊協(xié)議是開放的，使用時不涉及費用和知識產權等問題，并且支持RS-232，RS-485等多種電氣接口，對傳輸介質沒有特殊要求（雙絞線，無線，光纖等均可）。不同廠商的設備可以連成工業(yè)通訊網絡，進行集中監(jiān)控。MODBUS協(xié)議使用主—從技術，即主設備發(fā)出請求，其他設備（從設備）響應主設備的請求并執(zhí)行請求，如返回相應數據，從設備之間不能相互通信。本系統(tǒng)中，數據集中器為主設備，智能儀表為從設備。主設備可以通過廣播方式和從設備通信，也可以一對一的方式和從設備通信，以廣播方式通信時，從設備接受到廣播命令后執(zhí)行該命令且不會向主設備應答，以一對一方式通信時，從設備接收并處理完主設備的請求后，向主設備作出回應。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，同一個網絡中只能選擇一種模式，且網絡中所有設備的串行口參數都要相同。

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，組網成本低，應用于DCS中具有成本優(yōu)勢。在眾多串行接口標準中，RS-485接口以其抗干擾能力強、結構簡單、傳輸速率高、傳輸距離遠、組網方便等優(yōu)勢，在DCS中得到廣泛應用。通過RS-485總線實現(xiàn)廠區(qū)能耗數據采集、傳輸和匯總。

數據集中器采用西門子的通信模塊，是智能儀表與數據處理中心進行數據交換的橋梁。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據匯總，然后將匯總的能耗數據上傳到數據處理中心。

管理級網絡使用工業(yè)以太網布網，用戶計算機、數據處理中心的服務器及數據集中器通過工業(yè)以太網網絡連接。工業(yè)以太網在技術上與商用以太網兼容，為了符合工業(yè)應用的標準，在材質選擇、實時性、抗干擾性、可靠性和安全性等方面進行改進，并形成了安全可靠、通信速率高、價格低廉以及應用廣泛的工業(yè)以太網。

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。根據用電設備對生產的重要性將用電設備分為一般監(jiān)測設備和監(jiān)測設備。對于一般監(jiān)測設備，將其按工段劃分，對每個工段能耗和狀態(tài)進行監(jiān)測，以減少系統(tǒng)投入。監(jiān)測設備是指磨粉機、粉碎機、高壓風機、高方篩以及羅茨風機，以上設備是小麥加工中的核心設備，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出面粉的質量，而這些因素無一不關系到企業(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)根據需要為每臺監(jiān)測設備配備電流傳感器、壓力傳感器或者溫度傳感器，以便實時準確地監(jiān)測每臺設備的運行狀態(tài)，當其電流、溫度以及壓力中的某一項或幾項的數值偏差較大時，及時切斷異常設備的電源供應，避免其影響生產線上其它設備的運行及產品的質量，以保證企業(yè)的正常運轉。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1與企業(yè)MES的整合

為了實現(xiàn)企業(yè)信息化和生產自動化，設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)有機結合，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)的生產管理提供先進的信息平臺，另一方面為企業(yè)的經營管理和決策提供數據支撐，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：①實現(xiàn)對ERP、預算等企業(yè)經營決策系統(tǒng)的數據支撐，為企業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展提供準確、可靠的依據；②實現(xiàn)全廠物料平衡，優(yōu)化生產運行，提高企業(yè)生產效率，增加生產的靈活性，提高生產管理的決策能力；③實現(xiàn)以裝置、進出廠計量數據為主體的全廠數據模型及信息平臺，為物料平衡提供數據支撐，及時、準確、跟蹤生產物流，為指導企業(yè)優(yōu)化運行提供依據。

企業(yè)的MES通過“時林"平臺構建，進行數據庫的開發(fā)與界面設計。“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，負責用戶權限控制，客戶端邏輯操作畫面加載，業(yè)務數據的顯示和接收用戶的命令，對象存取控制，映射，域名解析，數據緩存，業(yè)務邏輯組件加載與卸載，數據事務控制和數據訪問層等。

能源管理分析系統(tǒng)實現(xiàn)對數據庫的訪問，所涉及的編程語言有SQL和C#。系統(tǒng)主要實現(xiàn)數據采集傳輸設備的信息管理，能耗數據的自動采集、儲存、分類，查詢，統(tǒng)計分析，對設備狀態(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)的安全性設計

隨著網絡環(huán)境日益復雜，對數據安全構成威脅的因素日益增多。為了應對這些威脅，保護數據安全，防止數據外泄以及應對可能出現(xiàn)的網絡攻擊，可以從以下方面著手：①訪問控制：加強對特權用戶的控制，對數據進行分級管理并設置訪問權限，防止越權，建立詳細的數據庫訪問和操作記錄，嚴格控制外接存儲設備的使用；②數據保護：對數據和數據傳輸網絡加密，對導出以及備份的數據加密；③數據監(jiān)控：建立數據審計系統(tǒng)并確保審計數據的安全性和保密性，定時檢查數據庫的安全系統(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：設立防火墻，及時更新殺毒軟件修補安全漏洞。

4設計的能耗監(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、獨立管理。總量管理只能根據能源購入量統(tǒng)計，無法掌握能源的具體使用細節(jié)；人工管理由于采用的儀表老舊，不具有數據傳輸功能，只能通過人工讀取；獨立管理為設備配備監(jiān)控設備，其它設備則采用總量管理或人工管理。

綜上所述，基于物聯(lián)網技術的能源監(jiān)測系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

（1）能夠對全廠的能源進行集中監(jiān)測，對設備監(jiān)測，指導企業(yè)進行預防性檢修。

（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）建立詳細的用能數據庫，為進一步的能源優(yōu)化提供數據支持。

5Acrel-EIOT能源物聯(lián)網云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網開放平臺是一套基于物聯(lián)網數據中臺，建立統(tǒng)一的上下行數據標準，為互聯(lián)網用戶提供能源物聯(lián)網數據服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網傳感器，選配網關，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(yè)數據服務。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監(jiān)測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數據訪問。

（2）應用場所

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、電力運維等領域。

（3）平臺結構

（4）平臺功能

◆電力集抄

電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內各設備運行（包括歷史和實時參數，并根據實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

變壓器監(jiān)控

配電圖

◆能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現(xiàn)從能源數據采集、過程監(jiān)控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產以及使用的全過程有機結合起來，運用先進的數據處理與分析技術，進行離線生產分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調度，優(yōu)化能源介質平衡、有效利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

◆預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表中心：提供售電、售水財務報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導出。

預付費看板

◆充電樁管理

通過物聯(lián)網技術，對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務管理、變壓器監(jiān)控、運營分析、基礎數據管理等功能。

充電樁看板

◆智能照明

智能照明通過物聯(lián)網技術對安裝在城市各區(qū)域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷地數據監(jiān)測，也可以實現(xiàn)定時開關策略配置及后臺遠程管理和移動管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁面

◆安全用電

安全用電采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發(fā)電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數據跟蹤與統(tǒng)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)實現(xiàn)及時的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然"的目的。

◆智慧消防

通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監(jiān)管等目標。彌補了原先針對“九小場所"和危化品生產企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應于所有公建和民建，實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"、用電管理“精細化"的實際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置

6結語

將物聯(lián)網技術引入能耗的監(jiān)測與管理分析，通過智能儀表采集企業(yè)中設備的能耗數據和運行數據，得到真實可信的基礎數據。基礎數據通過傳輸網絡上傳到數據中心，數據中心對能耗數據進行存儲、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)能方案提供數據支持。

通過與企業(yè)MES的整合，構成一個可靠的管理系統(tǒng)，使得企業(yè)的信息化水平進一步提高，提高了企業(yè)的生產管理能力，為企業(yè)帶來良好的社會和經濟效益。

參考文獻

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