港口用能设备能耗在线监测系统构建技术方法研究

郭 旭，刘磊磊

(交通运输部天津水运工程科学研究所 水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津 300456)

节能减排和低碳发展已成为全球共同面临的重大挑战和课题，交通运输业是资源密集型产业，港口是交通运输业的重要组成部分，也是重点耗能产业之一。我国是港口大国，总吞吐量已连续多年位居世界第一位。随着我国经济社会持续、稳定发展，我国港口仍将保持较快发展，港口节能减排形势依然严峻、任务依然繁重。另外，信息化已逐渐成为现代化港口企业的发展要求，要打造现代化港口企业，各类作业设备能耗数据的监测统计管理的信息化也必不可少，尤其是在目前环境压力巨大，节能减排蔚然成风的时代背景下，港口能耗数据统计的信息化必然成为现代港口企业发展的一种趋势。开展港口能耗及排放在线监测工作，并针对港口生产作业进行动态分析、优化是做好港口节能减排工作的一项重要技术措施。

目前，实时在线监测技术，在各行业领域不断发展，减少了企业人力投入，同时增加了监测的稳定性和实时性，使采集的数据更准确。王嘉亮[1]等引入低压损、高精度的质量流量计,并首次提出基于单流量计的直接计量法,研发了港作船舶在线能耗监测系统。经实践证明,该系统具有很好的应用效果，对实现港作船舶实时能耗的在线监测与船舶的科学管理具有重要意义。阎宗岭[2]等建立了基于GPRS数据传输的山区库岸路基远程健康监测系统；实现了库岸路基安全监测数据的无线远程传输，可掌握路基健康状况并及时发现路基病害。桂中华[3]等开发了抽蓄电站机组群在线监测与状态评价系统,实现了机群运行状态的统一监测、分析与评价,并将该系统成功应用于试点电站,为推进抽水蓄能电站设备状态评价工作奠定了坚实的技术基础。余永华[4]等研制由基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的数据采集硬件和以NI LabVIEW为开发平台的上位机软件组成的船用柴油机缸压在线监测系统。李万新[5]等设计开发采用基于LonWorks的对等网络拓扑结构的列车制定监测系统,创新性地设计了首尾车自动投入终端电阻模式,使列车任意车厢的网络节点都能接收全列的通信数据。李东东[6]等结合ZigBee无线通讯技术研究对接触线接头连接处温度状态的在线监测。通过对接触部件温度的监测判断连接处线夹的松动情况，设计了ZigBee无线监测系统。

本文在研究港口能耗监测管理系统的基础上，对整个港口的能源消耗状况和能源流向进行了深入的研究，确定了项目的系统硬件构成和软件系统设计[7-8]，其中硬件部分主要介绍燃油监测数据采集、传输协议选择、数据采集系统的网络拓扑结构、数据传输格式的标准化；软件系统部分主要介绍系统结构和功能、各功能模块设计及实现。

1 监测系统硬件构成

1.1 监测系统设计

港口企业装卸及运输过程中，主要为燃油消耗和电能消耗，以下分别对两类设备能耗数据的监测采集进行介绍。

1.1.1 燃油监测数据采集

本系统由燃油计量单元、GPS模块、车载控制器以及传输模块等构成。结合港口设备的特殊应用需求，本系统须具有较强的通用性，即可以安装在港口大多数燃油设备或车辆上，而毋须对设备或车辆进行较大的改装。同时具有一定的经济性。

港口燃油设备主要有水平运输车辆和装载机，针对这些燃油设备及港口能耗监测需求，通常采用通过CAN总线读取ECU油耗数据、油路串联燃油流量计、油箱安装燃油液位计3种方式获得油耗数据。

(1)通过CAN总线从发动机ECU读取。

现场总线(Field bus)系统打破了传统控制系统的结构形式，把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，将其连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的控制系统与网络系统，大大提高了系统可靠性和控制管理的技术水平。CAN总线属于现场总线范畴。它是唯一被批准为国际标准的现场总线。现代的电控柴油机都由ECU(引擎控制单元)来进行管理，燃油计量单元可以获得单位时间内的发动机燃油量，该数据由ECU作为发动机重要的工况参数记录。

CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。通过CAN BUS自ECU读取燃油消耗量具有实际的可操作性。但是目前港口燃油设备除部分新购置水平运输车辆采用高压共轨电控柴油发动机，翻斗车、装载机等大多数燃油机械依然在使用直喷式柴油发动机，直喷式发动机不具有电控管理系统，无ECU单元，无法通过CAN总线获取任何发动机数据。

(2)油路中串联燃油流量计对燃油消耗量进行计量。

图1 柴油发动机燃油流量计量Fig.1 Fuel flowmeter for diesel engine

通过串联在发动机供油管路中的燃油流量计是对燃料消耗量进行计量的另一种方式。由图1可见，油路中串联有进油计和回油计，通过分别计量，并将测得的结果相减即可得到实际燃油消耗量。目前通常选用微型转子流量计进行燃油消耗量测量，精度可达1%。

该方法需要对发动机的进油侧和回油侧的燃油流量分别计量，因此需要将两只转子流量计分别安装在柴油发动机的进油和回油管路。经实际测试，采用上述方式进行计量时，由于柴油发动机的回油量很大，进油量也很大，而二者的差在整个测量范围内所占的比例很小，由测量精度引起的误差累积有时会超过±10%，造成真实的测量结果被测量误差所淹没。因此这种利用进油回油量差值获得柴油机油耗的计量方式不能满足港口能效监测与管理系统的要求。

为解决上述问题，本文采用单个转子流量计，仅计量发动机进油侧燃油流量，将发动机回油管改变方向，通过单向阀连接至发动机进油口，该位置处于进油流量计后方，所有经过计量的燃料都不会被送回油箱，而是全部参与燃烧，从而精确测量燃油量。

(3)油箱安装液位计。

通用的油箱液位计主要有投入式、底部安装式和插入式3种。其中投入式液位计采用压力传感器测量静压力，并根据静压力计算液位；底部安装式液位计采用差压方式测量油箱底部的内外压力差，根据压力差计算邮箱内液位；插入式电容液位计利用电容感应原理，直接测量液面的实际位置。

目前，燃料用柴油的清洁度较差，石蜡成份较多；不同批次的柴油密度变化较大；港口作业机械通常处于较剧烈的运动环境。由此，压力式液位计不能满足港口作业设备数据采集要求。而插入式电容液位计依据电容感应原理，将各种物位、液位介质高度的变化转换成标准电流信号，远传至二次仪表或计算机装置进行集中显示、报警或自动控制。可适用于高温、高压、强腐蚀，易结晶，防堵塞，防冷冻及固体粉状、粒状物料，兼容性较好。

(4)油耗测量设备的选择。

3种方式的优缺点和适用范围如表1所示。

表1 3种方式的优缺点和适用范围对比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages and application scope of the three ways

综上所述，对于配置有CAN总线的ECU单元的港口设备，可通过CAN BUS自ECU读取燃油消耗量；如部分较新的水平运输车辆等。

对于未配置CAN总线的ECU单元的港口设备，则通过油耗仪来测量发动机的油耗情况。其中，流量式油耗计，精度高，但安装工艺较复杂，且涉及到油路的改造，在低温环境中，可能会发生油路上冻，发动机无法启动的情况，所以通常用于液位油耗计计量达不到精度要求，且车辆不进入低温环境的情况下使用。

液位油耗计使用情况对油箱的规格要求比较高，必须是形状规则的，高度与油箱油量尽量为线性关系的油箱，安装好后还要进行数据的对标，根据油箱油量与液位油耗刻度进行对标，测量精度低于流量油耗计，但是不会对油路有影响，在任何环境下不影响车辆运行情况，且在大部分情况下，其测量精度能满足监测要求。

由此，水平运输车辆应安装液位式油耗计，以免其进入低温环境导致发动机点火不畅等故障，且其油耗量不大，计量精度可以达到要求；对于港口作业设备如装载机与堆高机等，安装流量式油耗计，以获得较高的测量精度。

1.1.2 用电设备数据采集

(1)通过PLC通信接口获得能耗数据。

对于门机、RTG等带有PLC(可编程逻辑控制器)的大型设备，可以通过通讯接口读取能耗数据。但是该方法存在几点问题：

PLC获取设备各主要电气部件的运行电压和电流，得到电量，再将各部件的耗电量相加得到总电耗。多次测量相加造成误差积累，测量结果准确性降低；需要增加能耗监测的软件模块，修改PLC程序，造成程序不稳定，还有可能带来安全隐患；数据采集传输终端需要连接PLC通讯接口，各类设备通讯接口不一致，通讯协议不一致，需要根据不同设备单独进行开发，工作量大，成本高，并且存在一定的硬件风险。

(2)采用电能表获取能耗数据。

电子式电能表运用模拟或数字电路得到电压和电流向量的乘积，然后通过模拟或数字电路实现电能计量功能。智能电表还配有RS485通讯接口，支持MODBUS协议，可以通过RS485线与数据采集器连接，RS485设备与设备之间连接需采用屏蔽双绞线，手拉手串接方式为最佳，根据采用的波特率和连接线距离适当增加信号中继器。目前除了有单进单出的中继器还有一进多出的双向中继器，同时也增加了组网的灵活性。

由此，实际使用中可根据精度要求和电路结构灵活使用两种方式。

1.2 传输协议的选择

1.2.1 Modbus协议

ModBus是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件,可应用于各种数据采集和过程监控。

1.2.2 CAN协议

CAN是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。

1.2.3 GPRS网络协议

GPRS是目前应用最为广泛的无线传输协议之一。GPRS可用于传输面和控制面两个层面。传输层面为用户提供信息传送及其相关信息传送的控制(如流量控制，错误检测和恢复等)。控制层面则可实现控制和支持的功能，如分组域网络接入连接控制(附着与去激活过程)、网络接入连接特性(PDP上下文激活和去激活)、网络接入连接的路由选择(用户移动性支持)、网络资源的设定控制等。

1.2.4 传输协议的选择

ModBus协议是绝大多数智能测量终端采取的协议，具有开放性、帧结构简洁等特点，且支持多种电气接口，开发相对简单，目前已成为工业领域日常用通信标准协议。由此本系统中的智能电表、油耗计等数据采集装置均使用ModBus通讯协议。

CAN总线是目前营运客车的标准协议，通过CAN总线协议可以直接读取发动机速度、油耗数据，通过采用具有CAN总线协议的终端，可以将速度、油耗数据较为便捷地上传到服务器数据库。

其他使用无线传输的情况下，则采用GPRS网络协议，覆盖面广，费用低，数据传输可靠，且网络拓扑灵活，在港口能耗监测网络中，是联络测量终端与服务器的桥梁。

1.3 数据采集系统的网络拓扑结构

由于港口现场的设备较为分散，数据传输量较小，实时性要求不高，因此采用无线传输，避免了布线的麻烦，也节约成本；对于已有的生产系统，通过有线网络采集的数据，可以通过数据库的网络映射端口实现能效分析平台与已有生产系统数据的共享。

图2 数据采集系统整体拓扑结构Fig.2 The overall topological structure of data acquisition system

现场采集的数据，通过无线公网传到服务器端的数据库，能效管理平台再从数据库服务器提取数据进行统计分析和显示，平台采用B/S架构，用户可对能耗分析数据进行查询、监视以及下载等管理操作。数据采集的网络拓扑结构如图2所示。

1.4 数据传输格式的标准化

港口能耗数据由数据终端采集后，通过无线数据传输汇集至现场数据服务器，然后通过工业以太网，将数据传输至于中央数据存储处理服务器。同时与原生产调度系统数据、生产控制系统数据进行数据交换，实现生产信息的采集和信息的关联共享。

港口耗能设备种类繁多，并且规格复杂，针对港口耗能复杂的特点，根据耗能类型，把港口耗能设备划分为用电设备和用油设备两大类，并分别对每台设备进行能耗计量。因此系统内的每一组能耗数据都对应一台耗能设备，该设备都应该具备唯一的设备标识，并以该标识为后期数据分析与检索提供索引。根据该标识可以明确设备属性，包括用能类型、设备隶属组织、设备类型以及设备流水号，由于篇幅有限，选取部分数据库格式进行说明，如表2所示。

图3 动态分析网络系统软硬件结构图Fig.3 Software and hardware structure diagram of dynamic analysis network system

类型字段含义类型是否可为空燃油计量CarNum车牌号Varchar(50)YTotalOil总油耗Varchar(50)YDistanceDiff里程intYspeed速度intY电能计量power_factor总功率因素Varchar(50)Yfrequency频率Varchar(50)Yrtu_no采集器编号Varchar(50)Yrtu_no采集器编号Varchar(50)Y设备信息EI_INT设备编号Varchar(50)YEI_NAME设备名称Varchar(100)YEI_TYPE设备类型Varchar(50)Y能耗统计EI_ENERGY_TYPE能耗类型Varchar(50)YEI_PORT港区Varchar(50)YWOI_WORKINGOUT作业量Varchar(50)YWOI_DATETIME作业时间DatetimeY

2 软件系统设计

2.1 系统结构和功能

在上述能耗测试平台硬件实现的基础上，开发港口用能及排放在线监测与动态分析优化系统，结构图如图3所示，系统主要实现功能如下：

(1)自动完成对被监测设备能耗及运行参数数据采集、动态显示、报表生成等功能，实时监测的采集数据项、类型、时间、周期可由系统管理员设定；

(2)对被监测设备实时数据、统计数据、报表进行查询，具备Web浏览器登录、查询功能；

(3)基于港区地形图，图形化港口能耗数据显示；

(4)计量数据突变报警(通信故障告警、能耗数据超标告警等)；

(5)基于物联网的港口用能设备跟踪监测。

2.2 各功能模块设计及实现

2.2.1 系统界面

首页为港区的实时3D电子图，在该页面可以查看各个港区每个设备的设备信息、同时也可以根据所勾选的设备来了解该设备的实时动态和轨迹回放，如图4所示。

2.2.2 能耗趋势模块

能耗趋势主要通过接口中间件定时调取数据以及在现场安装的部分前端传感器周期性、不间断地采集并回传能耗数据，这些数据被送入平台的数据处理子系统后，或经过整理修正，或经过简单运算，最后在人机界面被客观地加以展示。可分港区分设备按照日、分、小时三个维度进行能耗趋势查询，如图5所示。

图4 能耗平台及设备数据采集Fig.4 Energy platform and equipment data collection

图5 能耗趋势界面(按日、按分钟计算)Fig.5 Energy consumption trend interface (by day, by minute)

2.2.3 综合查询模块

综合查询主要为用户提供模糊查询的功能，可以实现任何港区，任何时间范围内，任何用能类型，任何来源，任何用量范围，任何设备类别，任何单台设备的数据查询。

查询条件共有7类，分别为日期、港区、用能类型、数据来源、用量、设备类别和设备名称。用户可输入单一的查询条件，也可输入组合类的查询条件，从而满足特定的信息查询需求。若用户不输入任何查询条件，则默认显示当前年份内的所有设备信息。

2.2.4 统计分析模块

统计分析主要为用户提供对设备的能源消耗量的统计功能，里面的子功能分为用电统计、用油统计。并对不同设备的能耗情况进行排名。

2.2.5 报警管理模块

报户可通过自身需要，可分区域、分设备对作业设备的能耗限值进行限定。

3 结论

本文在对整个港口的能源消耗状况和能源流向进行深入研究的基础上，通过对港口用能设备的数据采集方法以及采集网络拓扑结构构建的分析研究、利用物联网、互联网技术以及系统优化理论，研究提出了港口作业机械能耗在线监测技术方法，构建港口能耗监测数据库和动态分析系统平台，基于港口机械能耗和运动状态同步监测，实现了港口装卸运输设备能耗与运行状态的实时同步采集、能耗动态分析、能效考核以及生产运行优化等功能，可实时监控企业能耗情况，并迅速调整，显著降低企业能源消耗。

目前，该技术已应用于天津港、唐山港等国内大型沿海港口。通过该技术的研究及示范推广，可有效提高行业节能减排统计监测手段和能力，提高行业能耗统计数据的全面性、准确性，提升行业节能减排信息化管理水平，并从能源消耗最优角度指导港口作业生产调度，提升作业效率，降低港口运行能耗。