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淺析物聯網環境下小麥加工過程能耗監測系統設計

更新時間：2024-04-07

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安科瑞陳聰

摘要：隨著節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內的熱點問題。采用物聯網技術,建立了小麥加工過程的能耗監測系統,實現對小麥加工的各工段和設備能耗以及運行狀態數據的自動采集與傳輸,并通過對數據的匯總與分析，為節能降耗提供基礎數據。設計的系統在河南某面粉有限公司進行了示范應用,提高了企業能耗管理水平，降低了生產成本。

關鍵詞:小麥加工；能耗監測；物聯網；生產執行系統（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。

電耗是小麥加工企業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的利潤影響愈發明顯。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管理水平和技術水平的一項重要指標。所以小麥加工企業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。

能耗監測系統，對于企業降低生產成本、提高用能效率意義重大。能耗監測系統包括能耗計量、傳輸網絡、數據處理中心、監測管理軟件系統等方面，具有采集、傳輸、儲存、分析等功能。系統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。為小麥加工企業提供一個集過程監控、能源管理為一體的先進能源管理系統。

1系統結構設計

基于物聯網技術的能耗監測系統分為感知層、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、匯總分類和統計分析。同時，為管理人員提供能耗監測管理平臺，實現實時監測、能耗數據查詢以及統計分析等功能。

能耗監測系統中的管理分析系統屬于數據中心端系統，是能耗監測系統的核心部分，安裝于服務器中，負責廠區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、匯總統計和分析展示等。管理分析系統采用易于管理維護的B/S架構，支持主流的數據庫系統，如Oracle，MicrosoftSQLServer等。管理分析系統支持多種能源的能耗管理，并具有一定的可擴充性。該系統能夠實現自動抄表，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場總線連接企業中的計量儀表，支持多種主流的現場總線標準，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數據，為整個系統提供原始數據。

2系統硬件設計

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。數據庫服務器采用流行的Oracle的數據庫管理系統，該系統具有以下特點：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議的工業標準；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

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

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

MODBUS通訊協議已經成為一種通用的工業通訊標準，該通訊協議是開放的，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通訊網絡，進行集中監控。MODBUS協議使用主—從技術，即主設備發出請求，其他設備（從設備）響應主設備的請求并執行請求，如返回相應數據，從設備之間不能相互通信。本系統中，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。

在工業現場控制中，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(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、組網方便等優勢，在DCS中得到廣泛應用。通過RS-485總線實現廠區能耗數據采集、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以太網網絡連接。工業以太網在技術上與商用以太網兼容，為了符合工業應用的標準，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以太網。

2.3能耗采集系統

能耗采集的對象是企業的各種用電設備，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測設備和監測設備。對于一般監測設備，將其按工段劃分，對每個工段能耗和狀態進行監測，以減少系統投入。監測設備是指磨粉機、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，其工作狀態直接影響小麥加工企業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根據需要為每臺監測設備配備電流傳感器、壓力傳感器或者溫度傳感器，以便實時準確地監測每臺設備的運行狀態，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，以保證企業的正常運轉。

3系統軟件設計

3.1與企業MES的整合

為了實現企業信息化和生產自動化，設計了小麥加工能耗監測系統與企業MES的整合方案。MES使得公司下層DCS系統與上層ERP系統有機結合，公司各部分自動化系統統籌管理，解決了“自動化信息孤島"的問題。

MES一方面為企業的生產管理提供先進的信息平臺，另一方面為企業的經營管理和決策提供數據支撐，是企業實現管理和可持續發展的前提。MES可以實現以下目標：①實現對ERP、預算等企業經營決策系統的數據支撐，為企業戰略發展提供準確、可靠的依據；②實現全廠物料平衡，優化生產運行，提高企業生產效率，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，為指導企業優化運行提供依據。

企業的MES通過“時林"平臺構建，進行數據庫的開發與界面設計。“時林"平臺是時林公司研究開發的開放性平臺，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。

能源管理分析系統實現對數據庫的訪問，所涉及的編程語言有SQL和C#。系統主要實現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，統計分析，對設備狀態的實時監測，使管理人員能夠更加清晰地了解企業生產的狀態，提高能源計量水平和能源核算效率，跟蹤能源消耗，降低企業成本。

3.2系統的安全性設計

隨著網絡環境日益復雜，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數據監控：建立數據審計系統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；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設計的能耗監測系統的優勢分析

目前，能耗監測方法有：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計，無法掌握能源的具體使用細節；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，基于物聯網技術的能源監測系統具有如下優勢：

（1）能夠對全廠的能源進行集中監測，對設備監測，指導企業進行預防性檢修。

（2）在公司層面對能源系統采用分散控制和集中管理，能夠做到實時監測。

（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，為進一步的能源優化提供數據支持。

5Acrel-EIOT能源物聯網云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯網開放平臺是一套基于物聯網數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯網用戶提供能源物聯網數據服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯網傳感器，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數據服務。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、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、樓管系統集成商、小型物業、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業能耗、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對各種監測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環境友好。在智能化方面實現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進行綜合檢測和統一管理；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，節約人力資源。

變壓器監控

配電圖

◆能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現從能源數據采集、過程監控、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，實現全廠能源系統的統一調度，優化能源介質平衡、有效利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節能降耗和提升整體能源管理水平的目的。