郭 旭，劉磊磊

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 水路交通環(huán)境保護技術交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

節(jié)能減排和低碳發(fā)展已成為全球共同面臨的重大挑戰(zhàn)和課題，交通運輸業(yè)是資源密集型產(chǎn)業(yè)，港口是交通運輸業(yè)的重要組成部分，也是重點耗能產(chǎn)業(yè)之一。我國是港口大國，總吞吐量已連續(xù)多年位居世界第一位。隨著我國經(jīng)濟社會持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，我國港口仍將保持較快發(fā)展，港口節(jié)能減排形勢依然嚴峻、任務依然繁重。另外，信息化已逐漸成為現(xiàn)代化港口企業(yè)的發(fā)展要求，要打造現(xiàn)代化港口企業(yè)，各類作業(yè)設備能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測統(tǒng)計管理的信息化也必不可少，尤其是在目前環(huán)境壓力巨大，節(jié)能減排蔚然成風的時代背景下，港口能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計的信息化必然成為現(xiàn)代港口企業(yè)發(fā)展的一種趨勢。開展港口能耗及排放在線監(jiān)測工作，并針對港口生產(chǎn)作業(yè)進行動態(tài)分析、優(yōu)化是做好港口節(jié)能減排工作的一項重要技術措施。

目前，實時在線監(jiān)測技術，在各行業(yè)領域不斷發(fā)展，減少了企業(yè)人力投入，同時增加了監(jiān)測的穩(wěn)定性和實時性，使采集的數(shù)據(jù)更準確。王嘉亮[1]等引入低壓損、高精度的質量流量計,并首次提出基于單流量計的直接計量法,研發(fā)了港作船舶在線能耗監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)實踐證明,該系統(tǒng)具有很好的應用效果，對實現(xiàn)港作船舶實時能耗的在線監(jiān)測與船舶的科學管理具有重要意義。閻宗嶺[2]等建立了基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳絽^(qū)庫岸路基遠程健康監(jiān)測系統(tǒng)；實現(xiàn)了庫岸路基安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線遠程傳輸，可掌握路基健康狀況并及時發(fā)現(xiàn)路基病害。桂中華[3]等開發(fā)了抽蓄電站機組群在線監(jiān)測與狀態(tài)評價系統(tǒng),實現(xiàn)了機群運行狀態(tài)的統(tǒng)一監(jiān)測、分析與評價,并將該系統(tǒng)成功應用于試點電站,為推進抽水蓄能電站設備狀態(tài)評價工作奠定了堅實的技術基礎。余永華[4]等研制由基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的數(shù)據(jù)采集硬件和以NI LabVIEW為開發(fā)平臺的上位機軟件組成的船用柴油機缸壓在線監(jiān)測系統(tǒng)。李萬新[5]等設計開發(fā)采用基于LonWorks的對等網(wǎng)絡拓撲結構的列車制定監(jiān)測系統(tǒng),創(chuàng)新性地設計了首尾車自動投入終端電阻模式,使列車任意車廂的網(wǎng)絡節(jié)點都能接收全列的通信數(shù)據(jù)。李東東[6]等結合ZigBee無線通訊技術研究對接觸線接頭連接處溫度狀態(tài)的在線監(jiān)測。通過對接觸部件溫度的監(jiān)測判斷連接處線夾的松動情況，設計了ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)。

本文在研究港口能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的基礎上，對整個港口的能源消耗狀況和能源流向進行了深入的研究，確定了項目的系統(tǒng)硬件構成和軟件系統(tǒng)設計[7-8]，其中硬件部分主要介紹燃油監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸協(xié)議選擇、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構、數(shù)據(jù)傳輸格式的標準化；軟件系統(tǒng)部分主要介紹系統(tǒng)結構和功能、各功能模塊設計及實現(xiàn)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件構成

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)設計

港口企業(yè)裝卸及運輸過程中，主要為燃油消耗和電能消耗，以下分別對兩類設備能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測采集進行介紹。

1.1.1 燃油監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)由燃油計量單元、GPS模塊、車載控制器以及傳輸模塊等構成。結合港口設備的特殊應用需求，本系統(tǒng)須具有較強的通用性，即可以安裝在港口大多數(shù)燃油設備或車輛上，而毋須對設備或車輛進行較大的改裝。同時具有一定的經(jīng)濟性。

港口燃油設備主要有水平運輸車輛和裝載機，針對這些燃油設備及港口能耗監(jiān)測需求，通常采用通過CAN總線讀取ECU油耗數(shù)據(jù)、油路串聯(lián)燃油流量計、油箱安裝燃油液位計3種方式獲得油耗數(shù)據(jù)。

(1)通過CAN總線從發(fā)動機ECU讀取。

現(xiàn)場總線(Field bus)系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結構形式，把單個分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，將其連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務的控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)可靠性和控制管理的技術水平。CAN總線屬于現(xiàn)場總線范疇。它是唯一被批準為國際標準的現(xiàn)場總線?，F(xiàn)代的電控柴油機都由ECU(引擎控制單元)來進行管理，燃油計量單元可以獲得單位時間內的發(fā)動機燃油量，該數(shù)據(jù)由ECU作為發(fā)動機重要的工況參數(shù)記錄。

CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送，報文的優(yōu)先級結合在11位標識符中，具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。通過CAN BUS自ECU讀取燃油消耗量具有實際的可操作性。但是目前港口燃油設備除部分新購置水平運輸車輛采用高壓共軌電控柴油發(fā)動機，翻斗車、裝載機等大多數(shù)燃油機械依然在使用直噴式柴油發(fā)動機，直噴式發(fā)動機不具有電控管理系統(tǒng)，無ECU單元，無法通過CAN總線獲取任何發(fā)動機數(shù)據(jù)。

(2)油路中串聯(lián)燃油流量計對燃油消耗量進行計量。

圖1 柴油發(fā)動機燃油流量計量Fig.1 Fuel flowmeter for diesel engine

通過串聯(lián)在發(fā)動機供油管路中的燃油流量計是對燃料消耗量進行計量的另一種方式。由圖1可見，油路中串聯(lián)有進油計和回油計，通過分別計量，并將測得的結果相減即可得到實際燃油消耗量。目前通常選用微型轉子流量計進行燃油消耗量測量，精度可達1%。

該方法需要對發(fā)動機的進油側和回油側的燃油流量分別計量，因此需要將兩只轉子流量計分別安裝在柴油發(fā)動機的進油和回油管路。經(jīng)實際測試，采用上述方式進行計量時，由于柴油發(fā)動機的回油量很大，進油量也很大，而二者的差在整個測量范圍內所占的比例很小，由測量精度引起的誤差累積有時會超過±10%，造成真實的測量結果被測量誤差所淹沒。因此這種利用進油回油量差值獲得柴油機油耗的計量方式不能滿足港口能效監(jiān)測與管理系統(tǒng)的要求。

為解決上述問題，本文采用單個轉子流量計，僅計量發(fā)動機進油側燃油流量，將發(fā)動機回油管改變方向，通過單向閥連接至發(fā)動機進油口，該位置處于進油流量計后方，所有經(jīng)過計量的燃料都不會被送回油箱，而是全部參與燃燒，從而精確測量燃油量。

(3)油箱安裝液位計。

通用的油箱液位計主要有投入式、底部安裝式和插入式3種。其中投入式液位計采用壓力傳感器測量靜壓力，并根據(jù)靜壓力計算液位；底部安裝式液位計采用差壓方式測量油箱底部的內外壓力差，根據(jù)壓力差計算郵箱內液位；插入式電容液位計利用電容感應原理，直接測量液面的實際位置。

目前，燃料用柴油的清潔度較差，石蠟成份較多；不同批次的柴油密度變化較大；港口作業(yè)機械通常處于較劇烈的運動環(huán)境。由此，壓力式液位計不能滿足港口作業(yè)設備數(shù)據(jù)采集要求。而插入式電容液位計依據(jù)電容感應原理，將各種物位、液位介質高度的變化轉換成標準電流信號，遠傳至二次儀表或計算機裝置進行集中顯示、報警或自動控制?？蛇m用于高溫、高壓、強腐蝕，易結晶，防堵塞，防冷凍及固體粉狀、粒狀物料，兼容性較好。

(4)油耗測量設備的選擇。

3種方式的優(yōu)缺點和適用范圍如表1所示。

表1 3種方式的優(yōu)缺點和適用范圍對比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages and application scope of the three ways

綜上所述，對于配置有CAN總線的ECU單元的港口設備，可通過CAN BUS自ECU讀取燃油消耗量；如部分較新的水平運輸車輛等。

對于未配置CAN總線的ECU單元的港口設備，則通過油耗儀來測量發(fā)動機的油耗情況。其中，流量式油耗計，精度高，但安裝工藝較復雜，且涉及到油路的改造，在低溫環(huán)境中，可能會發(fā)生油路上凍，發(fā)動機無法啟動的情況，所以通常用于液位油耗計計量達不到精度要求，且車輛不進入低溫環(huán)境的情況下使用。

液位油耗計使用情況對油箱的規(guī)格要求比較高，必須是形狀規(guī)則的，高度與油箱油量盡量為線性關系的油箱，安裝好后還要進行數(shù)據(jù)的對標，根據(jù)油箱油量與液位油耗刻度進行對標，測量精度低于流量油耗計，但是不會對油路有影響，在任何環(huán)境下不影響車輛運行情況，且在大部分情況下，其測量精度能滿足監(jiān)測要求。

由此，水平運輸車輛應安裝液位式油耗計，以免其進入低溫環(huán)境導致發(fā)動機點火不暢等故障，且其油耗量不大，計量精度可以達到要求；對于港口作業(yè)設備如裝載機與堆高機等，安裝流量式油耗計，以獲得較高的測量精度。

1.1.2 用電設備數(shù)據(jù)采集

(1)通過PLC通信接口獲得能耗數(shù)據(jù)。

對于門機、RTG等帶有PLC(可編程邏輯控制器)的大型設備，可以通過通訊接口讀取能耗數(shù)據(jù)。但是該方法存在幾點問題：

PLC獲取設備各主要電氣部件的運行電壓和電流，得到電量，再將各部件的耗電量相加得到總電耗。多次測量相加造成誤差積累，測量結果準確性降低；需要增加能耗監(jiān)測的軟件模塊，修改PLC程序，造成程序不穩(wěn)定，還有可能帶來安全隱患；數(shù)據(jù)采集傳輸終端需要連接PLC通訊接口，各類設備通訊接口不一致，通訊協(xié)議不一致，需要根據(jù)不同設備單獨進行開發(fā)，工作量大，成本高，并且存在一定的硬件風險。

(2)采用電能表獲取能耗數(shù)據(jù)。

電子式電能表運用模擬或數(shù)字電路得到電壓和電流向量的乘積，然后通過模擬或數(shù)字電路實現(xiàn)電能計量功能。智能電表還配有RS485通訊接口，支持MODBUS協(xié)議，可以通過RS485線與數(shù)據(jù)采集器連接，RS485設備與設備之間連接需采用屏蔽雙絞線，手拉手串接方式為最佳，根據(jù)采用的波特率和連接線距離適當增加信號中繼器。目前除了有單進單出的中繼器還有一進多出的雙向中繼器，同時也增加了組網(wǎng)的靈活性。

由此，實際使用中可根據(jù)精度要求和電路結構靈活使用兩種方式。

1.2 傳輸協(xié)議的選擇

1.2.1 Modbus協(xié)議

ModBus是一個工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結構既包括硬件、亦包括軟件,可應用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。

1.2.2 CAN協(xié)議

CAN是一種用于實時應用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實時支持、傳輸速率高達1Mb/s、同時具有11位的尋址以及檢錯能力。

1.2.3 GPRS網(wǎng)絡協(xié)議

GPRS是目前應用最為廣泛的無線傳輸協(xié)議之一。GPRS可用于傳輸面和控制面兩個層面。傳輸層面為用戶提供信息傳送及其相關信息傳送的控制(如流量控制，錯誤檢測和恢復等)?？刂茖用鎰t可實現(xiàn)控制和支持的功能，如分組域網(wǎng)絡接入連接控制(附著與去激活過程)、網(wǎng)絡接入連接特性(PDP上下文激活和去激活)、網(wǎng)絡接入連接的路由選擇(用戶移動性支持)、網(wǎng)絡資源的設定控制等。

1.2.4 傳輸協(xié)議的選擇

ModBus協(xié)議是絕大多數(shù)智能測量終端采取的協(xié)議，具有開放性、幀結構簡潔等特點，且支持多種電氣接口，開發(fā)相對簡單，目前已成為工業(yè)領域日常用通信標準協(xié)議。由此本系統(tǒng)中的智能電表、油耗計等數(shù)據(jù)采集裝置均使用ModBus通訊協(xié)議。

CAN總線是目前營運客車的標準協(xié)議，通過CAN總線協(xié)議可以直接讀取發(fā)動機速度、油耗數(shù)據(jù)，通過采用具有CAN總線協(xié)議的終端，可以將速度、油耗數(shù)據(jù)較為便捷地上傳到服務器數(shù)據(jù)庫。

其他使用無線傳輸?shù)那闆r下，則采用GPRS網(wǎng)絡協(xié)議，覆蓋面廣，費用低，數(shù)據(jù)傳輸可靠，且網(wǎng)絡拓撲靈活，在港口能耗監(jiān)測網(wǎng)絡中，是聯(lián)絡測量終端與服務器的橋梁。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構

由于港口現(xiàn)場的設備較為分散，數(shù)據(jù)傳輸量較小，實時性要求不高，因此采用無線傳輸，避免了布線的麻煩，也節(jié)約成本；對于已有的生產(chǎn)系統(tǒng)，通過有線網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡映射端口實現(xiàn)能效分析平臺與已有生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體拓撲結構Fig.2 The overall topological structure of data acquisition system

現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，通過無線公網(wǎng)傳到服務器端的數(shù)據(jù)庫，能效管理平臺再從數(shù)據(jù)庫服務器提取數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和顯示，平臺采用B/S架構，用戶可對能耗分析數(shù)據(jù)進行查詢、監(jiān)視以及下載等管理操作。數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸格式的標準化

港口能耗數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)終端采集后，通過無線數(shù)據(jù)傳輸匯集至現(xiàn)場數(shù)據(jù)服務器，然后通過工業(yè)以太網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸至于中央數(shù)據(jù)存儲處理服務器。同時與原生產(chǎn)調度系統(tǒng)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)生產(chǎn)信息的采集和信息的關聯(lián)共享。

港口耗能設備種類繁多，并且規(guī)格復雜，針對港口耗能復雜的特點，根據(jù)耗能類型，把港口耗能設備劃分為用電設備和用油設備兩大類，并分別對每臺設備進行能耗計量。因此系統(tǒng)內的每一組能耗數(shù)據(jù)都對應一臺耗能設備，該設備都應該具備唯一的設備標識，并以該標識為后期數(shù)據(jù)分析與檢索提供索引。根據(jù)該標識可以明確設備屬性，包括用能類型、設備隸屬組織、設備類型以及設備流水號，由于篇幅有限，選取部分數(shù)據(jù)庫格式進行說明，如表2所示。

圖3 動態(tài)分析網(wǎng)絡系統(tǒng)軟硬件結構圖Fig.3 Software and hardware structure diagram of dynamic analysis network system

類型字段含義類型是否可為空燃油計量CarNum車牌號Varchar(50)YTotalOil總油耗Varchar(50)YDistanceDiff里程intYspeed速度intY電能計量power_factor總功率因素Varchar(50)Yfrequency頻率Varchar(50)Yrtu_no采集器編號Varchar(50)Yrtu_no采集器編號Varchar(50)Y設備信息EI_INT設備編號Varchar(50)YEI_NAME設備名稱Varchar(100)YEI_TYPE設備類型Varchar(50)Y能耗統(tǒng)計EI_ENERGY_TYPE能耗類型Varchar(50)YEI_PORT港區(qū)Varchar(50)YWOI_WORKINGOUT作業(yè)量Varchar(50)YWOI_DATETIME作業(yè)時間DatetimeY

2 軟件系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構和功能

在上述能耗測試平臺硬件實現(xiàn)的基礎上，開發(fā)港口用能及排放在線監(jiān)測與動態(tài)分析優(yōu)化系統(tǒng)，結構圖如圖3所示，系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能如下：

(1)自動完成對被監(jiān)測設備能耗及運行參數(shù)數(shù)據(jù)采集、動態(tài)顯示、報表生成等功能，實時監(jiān)測的采集數(shù)據(jù)項、類型、時間、周期可由系統(tǒng)管理員設定；

(2)對被監(jiān)測設備實時數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、報表進行查詢，具備Web瀏覽器登錄、查詢功能；

(3)基于港區(qū)地形圖，圖形化港口能耗數(shù)據(jù)顯示；

(4)計量數(shù)據(jù)突變報警(通信故障告警、能耗數(shù)據(jù)超標告警等)；

(5)基于物聯(lián)網(wǎng)的港口用能設備跟蹤監(jiān)測。

2.2 各功能模塊設計及實現(xiàn)

2.2.1 系統(tǒng)界面

首頁為港區(qū)的實時3D電子圖，在該頁面可以查看各個港區(qū)每個設備的設備信息、同時也可以根據(jù)所勾選的設備來了解該設備的實時動態(tài)和軌跡回放，如圖4所示。

2.2.2 能耗趨勢模塊

能耗趨勢主要通過接口中間件定時調取數(shù)據(jù)以及在現(xiàn)場安裝的部分前端傳感器周期性、不間斷地采集并回傳能耗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被送入平臺的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)后，或經(jīng)過整理修正，或經(jīng)過簡單運算，最后在人機界面被客觀地加以展示?？煞指蹍^(qū)分設備按照日、分、小時三個維度進行能耗趨勢查詢，如圖5所示。

圖4 能耗平臺及設備數(shù)據(jù)采集Fig.4 Energy platform and equipment data collection

圖5 能耗趨勢界面(按日、按分鐘計算)Fig.5 Energy consumption trend interface (by day, by minute)

2.2.3 綜合查詢模塊

綜合查詢主要為用戶提供模糊查詢的功能，可以實現(xiàn)任何港區(qū)，任何時間范圍內，任何用能類型，任何來源，任何用量范圍，任何設備類別，任何單臺設備的數(shù)據(jù)查詢。

查詢條件共有7類，分別為日期、港區(qū)、用能類型、數(shù)據(jù)來源、用量、設備類別和設備名稱。用戶可輸入單一的查詢條件，也可輸入組合類的查詢條件，從而滿足特定的信息查詢需求。若用戶不輸入任何查詢條件，則默認顯示當前年份內的所有設備信息。

2.2.4 統(tǒng)計分析模塊

統(tǒng)計分析主要為用戶提供對設備的能源消耗量的統(tǒng)計功能，里面的子功能分為用電統(tǒng)計、用油統(tǒng)計。并對不同設備的能耗情況進行排名。

2.2.5 報警管理模塊

報戶可通過自身需要，可分區(qū)域、分設備對作業(yè)設備的能耗限值進行限定。

3 結論

本文在對整個港口的能源消耗狀況和能源流向進行深入研究的基礎上，通過對港口用能設備的數(shù)據(jù)采集方法以及采集網(wǎng)絡拓撲結構構建的分析研究、利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術以及系統(tǒng)優(yōu)化理論，研究提出了港口作業(yè)機械能耗在線監(jiān)測技術方法，構建港口能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和動態(tài)分析系統(tǒng)平臺，基于港口機械能耗和運動狀態(tài)同步監(jiān)測，實現(xiàn)了港口裝卸運輸設備能耗與運行狀態(tài)的實時同步采集、能耗動態(tài)分析、能效考核以及生產(chǎn)運行優(yōu)化等功能，可實時監(jiān)控企業(yè)能耗情況，并迅速調整，顯著降低企業(yè)能源消耗。

目前，該技術已應用于天津港、唐山港等國內大型沿海港口。通過該技術的研究及示范推廣，可有效提高行業(yè)節(jié)能減排統(tǒng)計監(jiān)測手段和能力，提高行業(yè)能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)的全面性、準確性，提升行業(yè)節(jié)能減排信息化管理水平，并從能源消耗最優(yōu)角度指導港口作業(yè)生產(chǎn)調度，提升作業(yè)效率，降低港口運行能耗。