馬 勇 劉曉燕 姜灃恩

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）柴里煤礦，山東 滕州 277519）

1 引言

目前柴里煤礦能耗管理仍然依靠較為傳統(tǒng)的人工操作方式，這種方式不僅速度慢，而且極易產(chǎn)生誤差，同時(shí)無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)預(yù)警、對(duì)標(biāo)管理，只能事后控制，已經(jīng)無(wú)法滿足該礦自身對(duì)能耗管理的需要。

柴里煤礦年綜合能源消費(fèi)量 16 000 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，屬于國(guó)家重點(diǎn)用能單位，耗電4725 萬(wàn)kW·h，耗蒸汽293 478 萬(wàn)t，耗水21.89 萬(wàn)t，年折合價(jià)值分別達(dá)到2646 萬(wàn)元、1681 萬(wàn)元、32.84 萬(wàn)元。按照國(guó)家能源戰(zhàn)略和《節(jié)約能源法》及國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布的《重點(diǎn)用能單位節(jié)能管理辦法》的要求，作為重點(diǎn)用能單位，必須加強(qiáng)節(jié)能管理，提高能源利用效率，控制能源消費(fèi)總量，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。為達(dá)到上述目標(biāo)，必須積極推進(jìn)能源在線系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)。

2 構(gòu)建能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)的總體思路及技術(shù)

2.1 總體思路

該平臺(tái)利用目前比較先進(jìn)的lora 技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)。lora 是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離低功耗廣域網(wǎng)無(wú)線傳輸方式，屬于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)之一，它的最大特點(diǎn)就是低功耗、遠(yuǎn)距離，可以有效地抗擊干擾并實(shí)現(xiàn)加密。軟件開(kāi)發(fā)采用Java 語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle 存儲(chǔ)，整個(gè)系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)。該平臺(tái)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合自動(dòng)采集、信息化管理、數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代化手段，構(gòu)建適應(yīng)柴里煤礦實(shí)際需要的能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并組織實(shí)施，從而逐步提升柴里煤礦能耗管理水平。

2.2 流程實(shí)現(xiàn)及主要架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)劃分為三個(gè)層級(jí)：第一層級(jí)為能效數(shù)據(jù)采集層，第二層級(jí)為網(wǎng)絡(luò)通信層，第三層級(jí)為中心管理層。能效數(shù)據(jù)采集層是對(duì)各種用能設(shè)備進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)，包括對(duì)耗水、耗電、耗汽等信息參數(shù)進(jìn)行采集。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信方式，將現(xiàn)場(chǎng)采集到的各類參數(shù)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。中心管理層由路由器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、WEB 服務(wù)器等設(shè)備組成。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)柴里煤礦的整體用能信息處理、分析和展現(xiàn)，可以動(dòng)態(tài)了解當(dāng)前的能耗和生產(chǎn)情況，并客觀地做出更好的能源管理決策、管理和調(diào)度，建立一種高效落實(shí)的生產(chǎn)能源管理體系。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想及技術(shù)

根據(jù)能源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、分布式計(jì)算，以及與其他子系統(tǒng)互聯(lián)的要求，采用了開(kāi)放分布式的設(shè)計(jì)思想，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61970 CIM/CIS，面向柴里煤礦電、水、蒸汽等能源介質(zhì)，對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、處理、管理，并預(yù)留擴(kuò)展功能，實(shí)現(xiàn)了基于Internet 的遠(yuǎn)程維護(hù)和網(wǎng)上瀏覽功能，為礦井能源管理實(shí)現(xiàn)全面信息化提供一套先進(jìn)的、開(kāi)放的、可擴(kuò)展的、可靠的管理平臺(tái)，并在此平臺(tái)上支持對(duì)礦井各種能源數(shù)據(jù)的高級(jí)分析應(yīng)用。

3 構(gòu)建能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 硬件設(shè)施

按照用能單位能源計(jì)量器具配備和管理要求，該平臺(tái)的電氣計(jì)量設(shè)施設(shè)備全部采用最新國(guó)網(wǎng)規(guī)范的國(guó)網(wǎng)表，精度為0.5s 級(jí)。該類型計(jì)量設(shè)備具有計(jì)量準(zhǔn)確性高、數(shù)據(jù)格式符合國(guó)網(wǎng)規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)。用水設(shè)施采用外夾式超聲波水表，該類型水表具有不需要切割原來(lái)的管道、不會(huì)對(duì)生產(chǎn)生活造成停水、安裝方便快捷、計(jì)量準(zhǔn)確等特點(diǎn)。蒸汽數(shù)據(jù)采用隔離器將三路輸入信號(hào)一分為二，新增二次表計(jì)的方式，該方式不會(huì)對(duì)原來(lái)表的使用造成影響。

3.2 通訊與組網(wǎng)技術(shù)

該通信系統(tǒng)基于Lora 技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各類參數(shù)與命令的下達(dá)、數(shù)據(jù)的采集及上傳，主要由通信基站、計(jì)算機(jī)終端、集成通信模塊的用戶設(shè)備、具備通信功能的用戶設(shè)備等組成，如圖1。

系統(tǒng)采用了分時(shí)間片的組網(wǎng)方式，解決了無(wú)線串口收發(fā)模塊可以一發(fā)多收，不能同時(shí)多發(fā)一收的障礙。

如圖2，這種組網(wǎng)方式是先由主機(jī)發(fā)起廣播時(shí)間，從機(jī)收到后，首先校對(duì)并同步本地時(shí)間，然后根據(jù)配置的編號(hào)進(jìn)行陸續(xù)上傳，從而實(shí)現(xiàn)多發(fā)一收的功能。這種組網(wǎng)方式收發(fā)數(shù)據(jù)節(jié)約大量時(shí)間，并且能夠防止同時(shí)收發(fā)造成的系統(tǒng)沖突。

圖1 基于Lora 的組網(wǎng)通信系統(tǒng)組成示意圖

圖2 分時(shí)間片組網(wǎng)圖

4 構(gòu)建能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端

4.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

所有電、水、蒸汽等計(jì)量設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸采用全新的基于Lora 技術(shù)的無(wú)線模塊來(lái)完成。該技術(shù)是一種低功耗局域網(wǎng)無(wú)限標(biāo)準(zhǔn)，改變了計(jì)量設(shè)備的有線數(shù)據(jù)傳輸方式，每一處采集點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)匯總到lora 無(wú)線模塊，而后，此模塊以lora 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端的無(wú)線接收模塊，接收模塊再將數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)集中器。該設(shè)備替代了本該在每個(gè)采集點(diǎn)放置的數(shù)據(jù)集中器，并且省去很多的485 通訊線等輔材及潛在的施工工時(shí)，在保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定的情況下，數(shù)據(jù)質(zhì)量完全達(dá)到了項(xiàng)目要求。該方案的實(shí)施，一是極大地降低了成本，由于本項(xiàng)目表計(jì)眾多，位置復(fù)雜，舊表走線復(fù)雜，安裝分散，無(wú)線模塊在不改變舊表通訊線走線的情況下直接將數(shù)據(jù)送至服務(wù)器，可以節(jié)約大量成本；二是縮短了施工時(shí)間，確保了該項(xiàng)目如期完成并通過(guò)上級(jí)主管部門(mén)驗(yàn)收；三是極大地避免了重復(fù)施工問(wèn)題和很多潛在的施工安全隱患。

4.2 通信設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)組網(wǎng)通信主要是有線485 方式和無(wú)線Lora 方式，通信方式為RTU，通訊協(xié)議為MODBUS，確保可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和點(diǎn)（基站）對(duì)多（模塊）通信。

5 構(gòu)建能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)信息管理系統(tǒng)

5.1 軟件功能設(shè)計(jì)

能源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)總體架構(gòu)遵循SOA 設(shè)計(jì)理念，采用多層分布式體系架構(gòu)，在具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)的選擇上，針對(duì)本項(xiàng)目的功能需求，系統(tǒng)采用C++和JAVA 混合的技術(shù)路線。其中系統(tǒng)的采集計(jì)算平臺(tái)主要面向采集設(shè)備，對(duì)于系統(tǒng)的性能、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性要求較高，采用 C++技術(shù)實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)應(yīng)用主要面向操作人員實(shí)現(xiàn)管理分析功能，對(duì)于系統(tǒng)的易用性、易維護(hù)性和功能的可擴(kuò)展性要求較高，采用Java EE 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

5.2 軟件系統(tǒng)功能特點(diǎn)

5.2.1 能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

通過(guò)采集安裝在現(xiàn)場(chǎng)的各種智能表計(jì)、DCS/ERP 等系統(tǒng)提供的能耗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)等，上送至系統(tǒng)主站中，包含電、水、汽、熱等能源數(shù)據(jù)的采集和手工補(bǔ)錄、集中器電表等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、越限告警、異常告警等。

5.2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能

可根據(jù)實(shí)際配電系統(tǒng)組態(tài)模擬高壓系統(tǒng)圖、低壓線路圖，對(duì)高壓、低壓回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)電度、電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因素等參數(shù)。

5.2.3 能源數(shù)據(jù)的分析功能

通過(guò)對(duì)不同對(duì)象的數(shù)據(jù)及趨勢(shì)曲線分析，有助于管理者了解各個(gè)能源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并迅速做出決策。

5.2.4 能耗報(bào)警管理功能

通過(guò)能耗分析系統(tǒng)智能感知，將能耗異常（用能定額超標(biāo)、待機(jī)能耗、夜間常流水等）通知相關(guān)責(zé)任人。

5.2.5 報(bào)表打印功能

該系統(tǒng)不單能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模板的打印，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自定義數(shù)據(jù)功能。客戶可以對(duì)各類報(bào)表進(jìn)行自定義管理、顯示，并能夠?qū)崿F(xiàn)全圖形、全漢化的顯示和打印功能，人機(jī)界面較好。系統(tǒng)采用交互式、多窗口技術(shù)，可以方便快捷進(jìn)行窗口調(diào)用。

5.2.6 后臺(tái)管理功能

包含檔案維護(hù)、權(quán)限管理、設(shè)備管理等功能。

6 實(shí)施效果

能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)在柴里煤礦實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作以來(lái)，不僅減少人工投入，還大大提高數(shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，據(jù)測(cè)算，每年可節(jié)省電、汽、水抄錄、匯總等人工費(fèi)用90 余萬(wàn)元。

2020 年綜合能耗6.02 kgce/t，較去年同期（8.50 kgce/t）下降2.48 kgce/t，能源消費(fèi)量5404 tce，較去年同期（6380 tce）下降976 tce，初步測(cè)算節(jié)能效率達(dá)15%，節(jié)約能源消耗成本70 余萬(wàn)元。日常對(duì)水、電、蒸汽費(fèi)用的消耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，有效地降低了各項(xiàng)成本費(fèi)用的支出，合計(jì)降低557.75萬(wàn)元。

7 結(jié)語(yǔ)

該平臺(tái)的構(gòu)建是利用信息技術(shù)推動(dòng)節(jié)能降耗,是提升企業(yè)精細(xì)化管理水平的重要舉措，為企業(yè)準(zhǔn)確把握和分析節(jié)能降耗發(fā)展趨勢(shì),科學(xué)利用能源提供技術(shù)支撐，也為政府節(jié)能管理部門(mén)掌握、分析信息、研究節(jié)能改造和制定相關(guān)政策措施提供科學(xué)的依據(jù)。該平臺(tái)的構(gòu)建在棗莊礦業(yè)集團(tuán)公司范圍內(nèi)屬首例，具有較高的推廣、應(yīng)用價(jià)值。