摘要：在“碳达峰，碳中和”政策影响下，对工业企业能源管理提出了新的要求。本文结合建材工厂对安全、健康、节能等方面的需求，深入探讨了建材行业能源管理工业互联网平台的设计与应用，这将给工业互联网平台技术在其他工业应用方面提供借鉴。
关键词：能源管理；数据可视化；工业互联网平台
1概述
本文所述建材行业能源管理工业互联网平台，实现分层级、分部门、分介质的能耗数据实时监测、能耗报警、能源基础数据管理、能源实绩管理、能源指标对比分析、能效综合分析、能耗数据可视化等企业云应用服务，同时建立综合能效能耗公示、监测及能耗诊断等行业云应用服务，实现对能源的精细化管理，提高能源利用效率，降低企业运营成本，推动建材行业的转型升级，提高行业核心竞争力。
2总体结构
建材行业能源管理工业互联网平台由现场设备层、边缘层、平台层和客户端组成，整体架构如图1所示。
图1 建材行业能源管理应用服务云平台架构图
2.1现场设备层
由多功能电表、水表、气表、冷热表、流量表、压力表、温湿度表以及其他能耗监控设备组成，用于计量能源数据；还包括用于测量影响生产的主要设备（如锅炉、汽轮机、发电机、风机等各类设备）运行情况和关键工艺参数、品质参数的各类传感器和控制系统。
2.2边缘层
利用云网关采集现场设备层的各类多源异构数据，进行协议解析、数据清洗、分析处理，通过以太网、移动网络等传输方式与云平台进行数据通信，实现设备上云。
2.3平台层
提供安全稳定、成熟可靠的云服务器，对能源数据进行存储、分析和处理；结合工业知识多维建模，建立能耗预测模型、能耗预警模型；提供综合看板、能源监测、能耗报警、能源实绩管理、能耗分析、辅助决策、组态工具、信息公示、系统管理等功能服务；提供数据接口，为企业管理级的MES、ERP等系统提供用能信息。
2.4客户端
提供浏览器客户端、移动客户端访问方式，满足建材企业、行业监管部门、、行业协会等不同用户的使用需求，实现随时随地掌握能源管理系统相关信息。
3能源数据采集
平台提供云网关和软网关两种数据采集方式，连接现场PLC、DCS、IPC、智能仪表等设备，汇聚不同子行业、不同工厂利用智能化设备采集的多源异构数据，通过以太网、2G、3G、4G、5G等上网方式，将数据传输到云平台，提供高效稳定的数据传输、准确及时的数据分析和安全可靠的设备远程管理服务。
主要采集的数据包括以下几种：
（1）用电量
通过智能电能表采集数据，包括各条线路的正向有功电量，正向无功电量，反向有功电量，反向无功电量，电度表的峰、平、谷电量，以及准实时数据电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数的采集。
（2）生产工序生产工艺数据
基于现有工序已有的DCS，数据全部采自DCS，采集的生产数据侧重在能够反映影响生产的主要设备运行情况及关键工艺参数，如锅炉、汽轮机、发电机、风机等各类设备的运行状态等，通过实时数据反映出生产实际情况。
（3）能源计量数据
建材行业能源介质主要为煤、电、蒸汽、水及压缩空气等，涉及到上述介质的进、出口的检测计量均视为一级计量，需纳入到生产能源管理中心进行监控。为保证能源数据的同源性，避免中间转换带来的误差，能源数据采集对象主要为瞬时流量、累积流量、温度、压力、计量表的运行状态等。
（4）环保数据
企业各项环保数据如废气排放指标检测，应与环保局采集数据同源。
4能源管理服务
能源管理工业互联平台采用云计算技术，结合微服务架构，实现可扩展、高可用的基础运行环境，采用B/S架构，只需安装浏览器，即可访问平台资源，减轻客户端程序的开发及安装，具备跨平台特性。企业管理人员可通过生产工艺流程图、实时曲线等可视化界面对企业各级生产能耗数据进行实时监测，并随时查看能耗统计分析数据；行业监管用户可按行业、地区、特定时段对企业综合能耗情况进行查看，方便其准确了解行业整体用能情况，并进行能源协同配置。详细功能架构如图2所示。
图2 能源管理应用服务平台功能架构图
4.1综合看板
为管理人员提供全局视角，通过综合看板显示平台内部各类数据汇总情况，使其能够随时宏观掌握平台关键数据指标。支持丰富的显示模式，包括饼状图、柱状图、散点图、折线图、雷达图、仪表盘等几十种动态交互的图形及3D动态图形效果，如3D折线图、3D曲面图、3D散点图、3D柱图等数据可视化展示方式。
（1）行业总览
图形化展示具体地区、特定时段权限范围内企业能耗情况，横向、纵向能效对比情况。
（2）企业总览
显示企业特定时段内能源使用情况，具体包括能耗总量、各介质消耗总量、能耗报警统计、能效数据统计等。实际能效与、能源计划横向、纵向对比情况。
4.2能源监测
对企业能耗数据进行实时监测，包括对能耗总量、重点工序能耗、重点设备能耗、余热发电生产能耗，以及电表、水表、燃气表等仪表数据的监测。支持灵活分组，可按部门、工序、设备、介质等分层级监测。
（1）生产工序监测
监测重点工序的能源消耗情况，以水泥企业为例，监测熟料煅烧、水泥粉磨工序的能耗，经过深层次的统计分析，辅助工艺操作模式调整，生产能效优化。
（2）能源消耗监测
监测企业各能源介质的消耗情况，如电能，监测各条线路的正向有功电量，正向无功电量，反向有功电量，反向无功电量，电度表的峰、平、谷电量，以及准实时数据电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数。
（3）能耗设备监测
对重点设备如水泥制作工艺中回转窑、生料磨、煤磨、水泥磨等设备，进行能耗、运行参数、运行状态与效率实时监测，统计分析，助力管理人员通过调整工艺操作模式，提高能效，降低成本。
4.3能耗报警
（1）能耗预警
基于能耗历史数据，构建能耗预警模型，作用于实时能耗数据，对能耗趋势进行预判，实现对能耗报警的早期预警。可实现行业、区域、企业用能总量预警、单耗指标预警等。
（2）实时报警
基于能耗数据实时监测功能，根据用户自由设置的限值发起设备能耗报警、能耗总量报警，并记录报警数据，支持线上实时报警与历史数据导出，支持短信、微信、邮件等报警信息推送功能。
（3）报警设置
设置能耗报警参数，具体包括报警限值，报警周期、报警对象、报警提示方式等。
4.4能源实绩管理
（1）能源计划
利用能耗预测模型，生成煤耗、电耗等能源使用预测曲线，根据企业生产计划及能源需求预测结果，编制能源使用计划，并检测能源计划合理性。
（2）能源实绩分析
对能源实绩数据（各个能源介质消耗量、发生量、回收量的实时计量数据）进行采集、存储与实时监测，提供能源计划与能源实绩的可视化对比分析。
4.5能耗分析
（1）对比分析
支持对能源介质的同比、环比分析，直观的掌握各能耗趋势和增长率。针对不同企业或部门（工序、班组、岗位）之间进行同级对比分析，参考平均能耗基准，发现能耗异常点。针对同级别不同时间段进行历史对比分析，并参考平均能耗基准，发现能耗异常点。
（2）对标分析
对企业能耗与国家标准、行业标准进行对比分析与综合能效评价。以水泥行业为例，对标分析可比熟料综合煤耗、可比熟料综合电耗、可比水泥综合电耗、可比熟料综合能耗、可比水泥综合能耗等能耗指标[3]。
（3）能耗排名
多级别（部门、工序、班组、岗位）进行能耗排名，实行内部能耗考核比较，通过对季度、月度、每天考核结果进行对比分析，发现问题，找出差距。
（4）能效分析
基于设备全过程能耗监测数据，结合电耗、功率、效率和负载等参数进行综合分析，对设备、操作人员进行用能效评价。辅助工艺操作模式调整，提升能源利用率。
（5）趋势分析
对能耗数据的变化趋势进行实时追踪与历史记录，深度分析其动态特性。通过单一数据分析、多数据对比分析、趋势分析、相关性分析等形式，帮助用户快速掌握能耗变化规律，建立能耗预测模型。
4.6能耗报表
支持按照能源介质、使用部门、供应部门进行分部门、分介质、分层级统计，运用图形与表格的形式展示各部门下属能源结构的能耗组成，通过时间维度（天、周、月、季、年）可查看各分类的历史数据。自动或手动生成日、月、年报表。
4.7辅助决策
（1）辅助运维
通过报警趋势分析、知识库关联分析、报警定位与设备关联分析等手段，从多角度分析设备故障原因，辅助企业运维人员进行故障判断和消除，提高工作效率。
（2）辅助诊断
对企业生产过程中出现的耗能问题（如：单位能耗超标、设备非经济运行、功率因数低、谐波畸变率超标等）提供在线辅助诊断，并针对所发现的问题和对应的工序，提供解决方案。
（3）辅助安全生产
基于能耗预警与能耗报警功能，分析报警产生原因与关联关系，向安全管理人员推送严重报警，辅助安全生产。
（4）节能评价
实现以月、季度、年度为单位对企业节能效果进行评估，形成分析节能效果分析报告，在平台进行信息公示。
4.8组态工具
云端图形化组态设计工具，通过拖拽等简单操作，低代码实现数据可视化设计，灵活绘制现场实时监控画面。
4.9信息公示
以新闻发布、消息发送、下载中心等形式，按行业、地区、特定时段对企业综合能耗情况进行公示。
4.10系统管理
系统管理功能为其他用户创建平台账号，设置人员角色，为角色分配平台权限，同时可借助分组功能，实现对人员多结构多层级的灵活管理。
4.11平台安全性
平台构建包括业务安全、数据安全、网络安全和资源安全的整体安全保障体系，提供设备接入、网络传输、数据处理、用户访问等全流程安全保障。
5安科瑞企业能源管理平台
5.1 平台概述
安科瑞企业能源管理平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、重大能耗设备的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、用能预测、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。
5.2应用场所
钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、物流、铁路、航空工业、木材、化学原料以及机电设备、电器产品、工器具制造等。
5.3平台结构
图3 平台结构
5.4平台主要功能
5.4.1首页
首页通过展示企业各类能耗总量、折标值、能源成本、能源消耗趋势、分项能耗占比、区域能源消耗对比,并三维展示企业重要工艺或设备的能源消耗动态，可直观了解企业当前用能。
5.4.2运行监控
能源管理系统的动态显示对企业使用的各种能源（电、水、蒸汽）进行实时监控，并提供从概貌到具体的动态图形显示，并提供区域数据监控，在工厂平面图或者某个车间的平面图快速浏览到所管理的能耗数据。系统提供对能源管理系统运行状态的实时监视功能，实现对能源系统运行过程中关键的用能状态参数的变化趋势、耗能设备的运行状态以及系统运行报警事件进行实时监视，确保整个能源供给、转换和消耗过程的安全、可靠和稳定。系统提供图形化工具，不仅可以组态出数字化的监控界面，还具有实时趋势显示。
（1）变配电系统的电气主接线图展示，实现对全电量参数以及开关断路器状态的实时监视，如电压、电流、频率、功率、功率因数、三相不平衡度、谐波等参数。
（2） 水、燃气、压缩空气等系统各分支管道分布示意图以及流量、压力、温度等参数状态的实时监视；
（3）重点用能设备系统（如压机等)的运行状态以及用能参数的实时监视；
（4）过压、过流、欠压等保护信号报警、系统通信中断、电量、非电量参数越限、能耗超标预警等实时事件报警监视。
（5）工艺流程图展示重点关注工艺各设备运行参量以及能耗情况
5.4.3变压器监控
展示各变压器负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比，测算变压器损耗，找出变压器经济运行区间。根据变压器经济运行区间，调整负载，从而降低变压器损耗，节约电量。
5.4.4用能统计
系统支持为企业不同的计量监测对象，提供快速查询显示日、周、月、季、年的企业用能情况同比环比、产品单耗、产品折标对比、能耗排名等。数据通过棒图，饼图，直方图等形式，实现对系统中耗电量、耗水量、耗气量等能耗数据的统计分析。大到整个企业，小到单个设备或车间，通过对这些区域的计量节点能耗数据查询分析，实现整个企业能耗数据的统计分析，满足用户实现对任意时段内区域、车间、工艺和设备类型等的能耗数据查询要求。通过对比不同区域等的能耗数据情况，了解不同对象区域等的能耗规律，自动对这些对象进行能耗排名，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。
5.4.5分项用能
系统提供对企业分项用能的分项统计。根据分项，用柱状图以及饼图，展示各分项用能情况，直观，清晰。通过用能趋势，及时掌握企业分项用能趋势情况。对于分项用能异常，能即时发现，调整策略，改善用能，节约能源。
5.4.6产品/产值单耗
系统可以与企业MES系统对接，导入产品产量。对不能导入的数据提供人工录入功能。通过系统采集的能耗数据，结合产品产量，计算产品单耗，生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。
5.4.7用能成本分析
系统支持为企业整体以及车间等各个需要单独进行能耗考核的对象提供各种能源消耗的总费用成本的统计对比功能。可提供电、水、气等各种能源类型在统计周期中的消耗量以及对应的费用数据，并且可以将各种能源的费用进行百分比占比统计和对比，以了解整个企业能源费用成本的详细分布情况。同时支持对单位成本费用进行分析。用户可选择多个考核区域进行耗能成本的对比分析，为用户建立有效的绩效奖惩机制和日常管理提供真实、可靠的数据依据。
5.4.8用能成本预测分析
系统支持为企业以及需要单独考核计量的区域提供能源成本预算管理功能，允许用户录入能源成本的详细预算计划，通过对比能源实际费用和预算费用进行预算执行管理，可以直观的了解到每月或者每年能源成本是否超出预算，方便用户及时的进行预算的调整和干预。此外，系统还支持按照指定的预测算法进行能源成本的成本预测，根据历史的预算执行情况和实际耗能的数据预测后续的几个月的能源成本费用，帮助用户进行有效的成本计划管理。
5.4.9绩效分析
对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、指定时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力。
5.4.10能耗预测
通过对企业车间、生产工艺、生产设备等的能耗使用情况进行分析，建立能耗计算模型，根据人工智能算法对数据和模型进行修正，对未来企业能耗趋势进行预测分析，为节能提供有效的决策依据。
5.4.11运行监测
系统的设备运行监测功能专门针对重点耗能设备提供全方位的管理，主要包括设备运行状态及关键参数监视、设备台账管理、设备能耗统计分析以及设备维护管理。通过对设备工作状态参数以及工况参数的实时采集和监视可及时判断设备的运行工况是否正常；设备能耗统计分析可提供针对设备对象的实时耗能量以及历史耗能趋势的分析和对比；设备台账管理以及维护管理可建立全面的设备基本信息档案，可快速实现对于设备各种特性参数的查询和统计分类，对设备及其主要零配件的检修、更换历史记录进行信息化管理，并可提供设备计划检修到期提醒以及逾期检修告警等功能，便于为每一个重要设备建立经济运行档案，确保设备的安全、稳定、经济运行。
5.4.12能源平衡及损耗分析
能源平衡及损耗统计分析主要为企业的电、水、气等能源在转换、运输、使用过程中的各个环节提供能量平衡分析，及时的发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。通过分别统计重要用能环节的能源供给量和能源消耗量并计算两者之间的差值损耗量，来评估个各环节的用能损耗程度。比如对用水系统的干管计量和各个车间支管的计量消耗量之和进行损耗分析，有利于及时发现是否存在水管漏水或者违规用水的情况；对用电系统的低压进线计量和各馈线回路的计量消耗量之和进行损耗分析，来评估判断是否存在违规用电、窃电等异常用电现场，帮助用户发现并纠正能源使用过程中的能源浪费问题，降低能源综合运行成本。
5.4.13节能分析
节能分析主要是为企业在实施节能措施后，具体节能效果的分析，通过录入节能措施，对比分析实施节能措施前与实施节能措施后的用能情况，以此来评判节能措施的实施效果，为企业节能提供帮助，提高经济效益。
5.4.14分析报告
系统提供的用户分析报告主要是为企业的中、高层管理人员提供有关企业的能耗数据统计结果汇总和分析结论展示，注重整体能耗状况和变化趋势的说明。一般包括企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况，用能趋势排名，重点能耗排名，综合能耗排名等。通过丰富多样的 图形化组件组态成为一份用户分析报告，让用户全面了解系统的运行情况，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。
5.4.15事件记录
事件报警分析主要是为系统的异常运行状态或故障原因诊断分析提供依据和分析手段。系统运行过程中所产生的各种报警时间均会被自动记录和存储，通过对事件的发生时间、范围对象、事件的类型、事件的等级以及事件描述关键字搜索查询，即可快速的实现对目标事件的查询和分类。
5.4.16自定义报表
用户可通过自定义报表头与列，灵活生成各种报表，从各种能耗数据及费用比较，到电力峰谷平报表；从碳排放报告到系统能耗评估，从能耗指标到能耗预算等等，使用者无需繁琐的编辑，只需要简单操作就能生成精美的报表。
5.4.17移动端支持
APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、效率分析、同环比分析、能耗折标、用能预测、运行监视、异常报警等。
5.4.18运行环境
(1)浏览器运行设备
(2)台式电脑，手机、平板等移动端设备
(3)浏览器运行环境
(4)支持谷歌、火狐、搜狗、360等主流浏览器访问
(5)客户端运行设备
(6)安卓系统移动设备（android 5.0以上），苹果ios系统
5.5推荐现场设备选型（根据实际需求选配）
6结束语
本文所述建材行业能源管理应用服务云平台充分利用工业通信、大数据、云计算、可视化等先进技术，依靠底层现有的能源硬件基础和控制系统，通过云网关汇聚各类生产过程参数和能源数据，经过数据清洗、存储、整理，并运用科学先进的统计分析方法，结合生产计划具体需要，进行能耗实时监测、能效分析、优化控制和综合管理，平台采用微服务架构，为用户提供数字化、网络化和智能化的能源管理与服务。
由此可见，工业互联网平台是实现智能化能源管理的重要手段，通过分析发现工业互联网平台在能源数据采集、汇聚、分析、价值挖掘等方面都具有较高的应用价值，可推广应用至其他应用领域。