能源管理系统的设计与实现

文｜中能兴科（北京）节能科技股份有限公司 秦根建

能源管理系统的设计与实现

文｜中能兴科（北京）节能科技股份有限公司 秦根建

本文论述了能源管理系统的设计与实现：整个系统采用分布式布置、集中管理的模式，对生产工艺设备、用能设备的能量数据进行管理；以SCADA软件和I/O Server实时数据服务器为核心构建，分为数据现场采集系统、网络通信系统和能源管理系统三部分。

能源管理系统 SCADA OPC 实时数据库 现场总线 现场数据采集

1 前言

能源问题，从中国乃至全球范围来看，正日益成为一个亟待解决的问题。目前，解决能源供应日趋紧张的问题主要有两种手段，一是开发新能源、可再生能源；二是对现有的能源设施进行节能改造，实现能源的优化。我国在“十一五”规划中提出了建设资源节约型和环境友好型社会的奋斗目标，能量的综合利用、能源的使用效率越来越受到人们的重视。

为了能使企业更好地完成资源调配、组织生产、企业能量平衡、部门结算、成本核算、能源预测等，需要建立一套有效能源数据的自动采集、监测、管理、调配系统，以便企业随时掌握能源消耗、使用状况。

本文将选取采用分布式监控、集中式管理模式，基于现场总线方式的网络分布式能源管理系统，将其划分为数据现场采集系统、网络通信和能源管理系统三部分，介绍其对生产工艺设备、用能设备的能量数据进行采集、监控、计量、统计、分析等机制，论述其方案的设计与实现。

2 能源管理的现状和需求

当前企业采用数据管理的模式，基本上是现场安装数据采集仪器、仪表，人工定时采集数据，填报能量消耗报表，然后逐级汇总，统计后上报到企业的能源管理部门、财务部门和上级主管部门。这种方法的缺点非常明显：效率低下、不具有实时性。

企业的能量计量仪器、仪表种类繁多、通信协议各异、分布范围广，进行自动数据采集、系统布置时要仔细加以考虑。各企业的自动化水平不一，有的企业从国外引进的生产线自动化水平很高，有的还停留在二十世纪七八十年代的水平；企业的办公自动化水平也千差万别，有的企业基本可以实现无纸办公，有的还处在繁杂的手工劳动中。这些复杂的局面提高了能源管理系统的布置难度。

随着信息技术、网络技术、计算机控制技术的不断发展，对传统的能源管理的方式进行自动化改造变得完全有必要和可能。国外的一些DCS系统已经将能源管理系统纳入其中，作为整个DCS系统的一个子系统。国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）和国务院公布的九大行业近期淘汰落后产能目标的文件，明确指出企业提高管理水平的必要性，这也给企业能源管理系统的实施带来了机遇。

3 能源管理系统的设计与实现

3.1 系统架构

能源管理系统以SCADA系统为核心，利用OPC作为接口连接数据采集和后台数据库，系统结构如图1所示。

能源管理系统的架构可以从体系结构上分成三层，即数据采集系统、现场控制器（集中器）及通信网络、能源管理监控中心。整个系统以实时数据库和SCADA软件为基础，结合网络通信、嵌入式技术组成一套先进的自动采集、存储、分析数据并进行预测。

（1）能源管理监控中心

能源管理监控中心以SCADA软件和I/O Server实时数据服务器为核心，布置分布式数据采集管理系统，实现在线的数据监视、数据采集和实时传输等能源管理功能并支持二次开发和现场组态。

（2）通信网络

通信网络采用工业级以太网交换机，建立分区域的冗余环网，环与环之间采用耦合拓扑结构进行连接，从而建立高可靠、专有的能源数据采集通信网络。

（3）数据采集

数据采集系统以现场数据采集柜为核心，进行数据信号采集、AD处理、通信、协议转换等，将采集到的能源消耗数据连续、真实、可靠地传输到系统数据库中，为能源管理系统的统计分析提供基础数据。

系统的主要功能包括：

◆ 采集基础数据，包括电流、电压、功率因数、流量、温度、压力、设备状态等；

◆ 传感器网络通信协议的实现、转换及实现装置，以太网网络通信协议的实现；

◆ 数据库系统、接口、OPC实现；

◆ Web访问；

◆ 过程监视、操作控制、实时调整等界面和过程曲线、信息显示等辅助界面的显示、切换；

◆ 介质计量参数管理、维护单位管理、计量设备管理、测点耗量关系等基础数据的管理；

◆ 各种配置参数设置、用户权限设置、其他需人工录入的参数设置等界面管理；

◆ 能源数据汇总、统计、管理以及数据报表的生成；

◆ 能源使用分析、计划、仿真；

◆ 能量平衡计算、能源使用估计、能源消耗的预测；

◆ 能源供给品质估计、供给能力估计；

◆ 能源费用管理；

◆ 能源使用分配；

◆ 能源生产监测，包括能源品质监测、能源生产绩效监测等；

◆ 安全管理。

3.2 能源管理系统的实现

系统可以从实现原理上分为管理软件（包括SCADA软件、应用软件）和现场数据采集柜两部分，下面分别针对这两部分介绍系统的实现。

3.2.1 软件系统的实现

SCADA软件是管理系统的基础平台，其可以采用通用软件，例如NI LookOut、组态王等，也可针对专用的平台独立开发。整个SCADA系统的功能主要是通信控制、报文解析、数据库接口管理、设备驱动管理、变量管理、画面管理、单元组态管理、动画功能等。

图2展示出了一个基于Windows NT，采用VC++ 6.0开发的，专用SCADA平台的主要功能模块。SCADA软件的主要功能包括：

◆ I/O通信冗余，能够在主通信中断时自动切换到旁路；

◆ 支持在线组态；

◆ 支持ODBC、OPC、API、DDE等标准数据交换方式；

◆ 网络通信采用标准的NetBIOS，支持IPX/SPX、TCP/IP等协议；

◆ 支持多种关系型数据，包括Oracle、SQL Server等。

应用软件的主要功能是提供数据访问、统计、分析等服务。软件采用B/S结构，基于J2EE架构实现，开发环境采用Eclipse，应用系统的布局采用Spring、Struts、Hibernate的开源解决方案，系统程序主界面如图3所示。

3.2.2 现场数据采集柜的实现

现场数据采集系统作为SCADA系统的一部分，在整个能源管理系统中扮演着基础数据提供者的角色，占有非常重要的位置。它的主要功能是从计量仪器中采集数据、读取执行机构的状态、实现协议转换、和系统数据库进行通信等。现场数据采集系统的采集速度、采用精度、设备稳定性、扩展性等决定了整个系统的性能。

现场数据采集系统的硬件实现方式为：

◆ 采用嵌入式32位ARM CPU作为控制器，安装Windows CE 6.0嵌入式操作系统；

◆ 为模拟信号的采集设计独立的采集卡作为子板；

◆ 数字信号采用协议扩展板进行通信，目前实现的协议包括Mbus、ModBus、CAN；

◆ 和上位机的通信协议，目前实现TCP/IP和GPRS方式；

◆ 设备采用接口板、背板、功能子板的结构，方便数据采集柜的升级、扩展。

作为能源管理系统中的智能采集的终端设备，系统的结构如图4所示。

系统实现机制为：

◆ 外部模拟信号进入数据采集柜后，首先经过信号放大调理部分，被调理为0～4.5V的电压信号，进入AD芯片；

◆ AD芯片的操作由FPGA控制，FPGA定时控制AD转换，得到8路AD采集结果后，产生DSP中断信号，通知DSP读取AD采集结果；

◆ 对数字信号，经协议解析后读取相应的计量、状态数据，对开关信号直接读取状态，放入DURAM（双口RAM）中；

◆ DSP根据AD采集结果，将处理完的数据放在DURAM中，通知控制器读取；

◆ MCU应用程序读取DURAM中的频域数据，并利用SCADA提供的OPC机制，将该数据通过工业以太网或GPRS传送到后台数据库中。

4 结束语

能源管理系统的设计参考了工业自动化DCS的设计思想，采用分布式采集、集中管理的方式，充分利用了网络技术和嵌入式系统的优势。各个子系统之间既相互独立，又通过企业数据库相互关联。这使得各子系统得以充分发挥其能力：数据采集端专注数据的采集、处理，数据库端专注于数据的接收和分发工作，监控中心充分发挥数据统计分析、数据仿真、人机访问的能力。系统布置时可根据业务特点、复杂程度，选择不同的模块组成不同规模的管理系统。

1 黄维通.Visual C++面向对象与可视化程序设计.清华大学出版社，1997

2 尹立民.Visual C++软件项目开发实例.电子工业出版社，2004

3 甘永梅.现场总线技术及其应用.机械工业出版社，2004

4 林小峰，等.基于IEC 61131-3标准的控制系统及应用.电子工业出版社，2007

5 高安邦，等.LonWorks技术开发和应用.机械工业出版社，2009

6 Andrew N·Sloss等. ARM嵌入式系统开发.沈建华，译.北京航空航天大学出版社，2006

7 丁展等.Visual C++网络通信编程实用案例精选.人民邮电出版社，2004

8 W·Richard Stevens. TCP/IP Illustrated.范建华，等，译.机械工业出版社，2000

9 王常力，罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例.电子工业出版社，2004

10 冯博，朱穗晖，等.J2EE 1.4程序设计教程.清华大学出版社，2005

11 思志学等.J2EE整合详解与典型案例.电子工业出版社，2008

12 西门子、罗克韦尔等工业自动化方案资料