专利名称：一种能源监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及能源处理技术领域，更具体地说，涉及一种能源(尤其是工业能源)的监控系统。
背景技术：
中国经过多年的高速发展，已经成为工业化大国，各种工业特别是重工业与以前相比已经获得了长足进步，各种基础工业产品的产量已跃居世界前列，但是，工业生产对能源的需求量也与日俱增。而能源是有限的，对于中国而言，能源主要是一次能源，具有不可再生的特点，因此持续的大量消耗必将带来能源逐渐减少直至枯竭的问题。并且，中国的能源组成结构中主要是以煤炭为主，大量煤炭能源的使用将造成环境污染。以上各种情况表明，需要对能源使用进行监控，但目前，中国的工业企业在对能源的使用方面缺乏有效的监控管理手段，大部分企业虽然逐步具备珍惜能源的意识，但是缺乏支持能源监控的系统和平台，监控工作需要花费大量的人力，效率低下。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能源监控系统，以解决现有技术需要依靠大量人力进行能源监控而导致效率低下的问题。本发明公开的方案如下一种能源监控系统，包括传输数据的数据传输系统；与多个能源使用设备对应的多个执行机构，每个执行机构包括与能源使用设备相连的接口及通过该接口调节能源使用量的执行部件；与各个能源使用设备及执行机构相连的多个监控装置，用于对能源使用设备进行能耗测量，并通过所述数据传输系统发送测量数据，以及，根据预设策略或者从所述数据传输系统接收到的操作指示，控制相连的执行机构；决策控制工作站，用于从所述数据传输系统接收所述测量数据并按照预设方式呈现，以及，接收操作者输入的操作指示，并通过所述数据传输系统发送。优选的，上述系统还包括能源使用评估计算机，用于从所述数据传输系统接收测量数据，从中获取能源使用设备的现场参数，代入内置于本计算机的能源使用数学模型，进行仿真运算得到参考能源消耗量，以及，将所述参考能源消耗量与所述测量数据中的能耗数据进行比较，依据比较运算结果对所述能源使用设备进行效能评估，并通过所述数据传输系统发布评估结果。优选的，上述系统中，所述决策控制工作站包括监视计算机、生产指挥计算机和决策计算机，其中所述监视计算机，用于从所述数据传输系统获取各个能源使用设备的测量数据， 处理后进行打印或者显示；
所述生产指挥计算机，用于呈现各个能源使用设备的标识，接收携带能源使用设备的标识的操作指示，通过所述数据传输系统传输往连接所述标识对应的监控装置，由所述监控装置发往对应的执行机构；所述决策计算机，用于提供预设多种节能策略，接收选择信息确定目的节能策略， 并通过所述数据传输系统向所述监控装置提供执行所述目的节能策略的操作指示。优选的,上述系统中,所述监控装置中预先存储有决策标识及决策内容,所述决策计算机提供的操作指示携带所述决策标识，所述监控装置依据所述操作指示中的决策标识确定节能策略。优选的，上述系统中，所述数据传输系统包括连接所述监控装置的现场总线；连接所述决策控制工作站的计算机网络；连接所述现场总线和计算机网络的适配器，所述适配器用于将现场总线提供的数据按照TCP/IP协议的要求，发往计算机网络；以及，将计算机网络提供的数据按照现场总线的协议格式处理后发往所述现场总线。优选的，上述系统中，所述适配器包括与现场总线协议适配的总线接口电路；与计算机网络协议适配的计算机网络接口电路；第一寄存器和第二寄存器；连接所述总线接口电路、计算机网络接口电路、第一寄存器和第二寄存器的中央处理器，用于通过所述总线接口电路接收来自现场总线的数据，存储于所述第一寄存器中，读取所述第一寄存器中的数据并按照TCP/IP协议的要求进行处理后，通过所述计算机网络接口电路发送至计算机网络；以及，通过所述计算机网络接口电路接收来自计算机网络的数据，存储于所述第二寄存器中，并读取所述第二寄存器中的数据并按照现场总线协议的要求进行处理后，通过所述现场总线接口电路发送至现场总线。优选的，上述系统中，所述监控装置包括测量能源使用设备的工业现场参数的测量电路，所述工业现场参数包括实时电压信号、实时电流信号和/或模拟电流信号；用于连接现场总线的现场总线接口 ；向执行机构输出操作指令的输出电路；控制上述测量电路、现场总线接口和输出电路工作的中央处理器；存储来自测量电路及现场总线接口的数据的非易失性存储器。优选的，上述系统中，所述监控装置还包括受所述中央处理器控制、用于接收现场操作指令的本地操作输入电路。优选的，上述系统中，所述现场总线接口包括第一现场总线接口和第二现场总线接口，其中所述第一现场总线接口与所述数据传输系统相连接，用于实现与管理层之间的数据传输；所述第二现场总线接口与连接能源使用设备的DCS系统相连，用于从所述DCS系统读取所需数据。
优选的，上述系统中，所述非易失性存储器存储有管理层通过所述数据传输系统下发的节能策略，所述中央处理器在所述第一现场总线接口无法与所述管理层连接时，读取所述非易失性存储器中的节能策略，并依据所述节能策略通过所述输出电路输出相应指令。从上述技术方案可以看出，本发明揭示的方案提供了一种能源监控平台，其结合执行机构、监控装置及决策控制工作站等部件或设备，既能够以分散的方式进行能耗的自动检测和数据上报(即各监控装置独立地进行检测和上报)，又能统一进行数据的汇总以方便操作者全面了解各个能源使用设备的能耗状况，为正确的操作指示的确定提供全面的数据基础，并且，还能够根据操作者确定的操作指示自动进行节能操作。无需依靠大量的人力，较大程度提高了工作效率。并且，本系统中采用现场总线和计算机网络共同组成数据传输系统，并且监控装置中设置有连接不同的现场总线的接口，即其中一个接口通过适配器连接计算机网络，另一个接口连接现有的工业控制部件。这种方式能方便地实现能源使用设备与计算机网络之间的通信，并且使得监控装置可以很容易地与能源使用设备现有的工业控制部件(现有能源使用设备一般设置有工业控制部件，例如DCS系统，尤其是在高压、高危险性的场合)相连，即只需对现有工业控制部件稍加修改即可直接读取其中数据，从而避免了冗余的、危险的现场安装工作。另外，本系统中的监控装置具有连接现场总线的现场总线接口、执行机构输出操作指令的输出电路，及中央处理器和非易失性存储器，既可以进行根据远程传送的操作指示对执行机构进行控制，又可以根据本地输入指令对执行机构进行控制，集合了本地控制和远程控制的功能。并且，在网络通信失败时，可以根据预先获取的节能策略对各执行机构进行控制，充分体现了智能性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图I为本发明提供的能源监控系统的逻辑层次结构示意图；图2为本发明一种实施例提供的能源监控系统的结构示意图；图3为本发明另一种实施例提供的能源监控系统的结构示意图；图4为本发明一种实施例提供的能源监控系统中的数据传输系统的结构示意图；图5为本发明一种实施例提供的能源监控系统中的数据传输系统的一种适配器的结构不意图；图6为本发明一种实施例提供的能源监控系统中的数据传输系统的另一种适配器的结构不意图；图7为本发明又一种实施例提供的能源监控系统中的数据传输系统的结构示意图；图8为本发明一种实施例提供的能源监控系统中的决策控制工作站的一种结构示意图；图构示意图；图示意图；图
9为本发明一种实施例提供的能源监控系统中的决策控制工作站的另一种结
10为本发明一种实施例提供的能源监控系统中的能源使用评估计算机的结构
11为本发明一种实施例提供的能源监控系统中的数学模型库的逻辑结构示意图；图12为本发明一种实施例提供的能源监控系统中的数学模型的逻辑结构示意图；图13为本发明一种实施例提供的能源监控系统中的监控装置的一种结构示意图；图14 图16为本发明一种实施例提供的能源监控系统中的监控装置的另外几种结构的不意图；图17为本发明一种实施例提供的能源监控系统在空压机能源监控领域的应用的结构示意图；图18为本发明一种实施例提供的能源监控系统在工业企业能源监控方面的应用的结构示意图。
具体实施例方式本发明提供了一种能源监控系统，该系统结合多种电子或可控制部件，能够自动对各个能源使用设备进行能耗检测及上报，并且能够在获取到操作指示后自动执行节能策略(即调整能源使用设备的能源使用量)，无需依靠大量的人力，较大程度提高了工作效率。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例提供的能源监控系统从逻辑层次上来看，属于多层结构，如图I所示，包括执行层、检测控制层、数据层和管理层，其中，执行层位于最底层(能源使用设备所在层)，包括用于直接操控能源使用设备的各种部件，检测控制层包括对所述能源使用设备进行能耗检测及对执行层进行控制的硬件设备，数据层位于检测控制层和管理层之间，用于对检测控制层及管理层之间的数据进行传输或处理，所述管理层位于顶层，用于获取数据层传输的来自检测控制层的测量数据，由操作者确定操作指示或节能策略后经由数据层告知所述检测控制层，由所述检测控制层的硬件设备按照所述操作指示或者节能策略对执行层的各种部件进行控制。能源监控系统的一种具体结构如图2所示，包括数据传输系统21、执行机构22、监控装置23和决策控制工作站24，其中所述执行机构22即为位于所述执行层的硬件设备，数量为多个，分别与各个能源使用设备相对应，每个执行机构包括与能源使用设备相连的接口，及通过该接口调节能源使用设备的能源使用量的执行部件。所述执行部件可以是电气开关或阀门，或者变频器、灯光控制器、冷冻机或空压机的控制端口。所述监控装置23即为位于所述检测控制层的设备，数量同样为多个，分别与各个能源使用设备及执行结构相连，用于对能源使用设备进行能耗测量，并通过所述数据传输系统21发送测量数据，以及，根据预设节能策略或者从所述数据传输系统21接收到的操作指示，控制相连的执行机构22。所述决策控制工作站24位于所述管理层，用于从所述数据传输系统21接收所述测量数据并按照预设方式呈现，以及，接收针对所述测量数据的操作指示，并通过所述数据传输系统21发送。上述能源监控系统中，所述监控装置23与所述决策控制工作站24之间的信息交互均是通过数据传输系统21实现的，所述信息交互过程可以包括能耗数据的上报过程及操作指示的下发过程。其中，能耗数据的上报过程如下首先，各个监控装置23测量相连的能源使用设备的工业现场参数，得到测量数据后通过所述数据传输系统21传输，所述测量数据包括设备标识、现场参数和能耗数据，其中所述设备标识可以是该设备的名称，可以进一步包括系列及型号信息；所述能耗数据可以包括能源消耗量(如用电量、用油量等)，可以包括累积消耗量和预设时间内的消耗量；所述现场参数包括实时电压信号、实时电流信号和/或标准模拟电流信号等，所述实时电压信号是指作用在能源使用设备上的实际电压，实时电流信号是指作用在能源使用设备上的实际电流，标准的模拟电流信号是指4 20mA的标准模拟信号，用于支持各种传感器所输出的标准信号的测量，因为各种物理量(例如压力、流速、液位、湿度等)均以标准的 4 20mA信号，被监控装置23所测量。其次，决策控制工作站24通过所述数据传输系统21接收到各个监控装置上报的关于各个能源使用设备的测量数据，经过预设处理(可以是汇总、排列、分类等操作)后呈现给操作者，以方便操作者确定合适的操作指示(即节能策略或者操作命令)。上述各个监控装置23采集和上报测量数据是可以分散、独立进行的，而决策控制工作站24则是统一对测量数据进行处理。所述操作指示的下发过程为决策控制工作站24接收操作者输入的操作指示，将所述操作者指示通过所述数据传输系统21传输往对应的监控装置。接收到所述操作指示的监控装置按照所述操作指示，控制对应的执行机构工作。在其他实施例中，能源监控系统除了包括图2所示各个组成部分之外，还可以进一步包括用于对能源使用进行评估，从而给操作者确定操作指示或节能策略提供参考的装置。如图3所示，能源监控系统除了包括数据传输系统21、执行机构22、监控装置23和决策控制工作站24之外，还包括能源使用评估计算机25。所述能源使用评估计算机25位于所述管理层，其功能包括从数据传输系统21接收测量数据，从中获取能源使用设备的现场参数，代入内置于本计算机的能源使用数学模型，进行仿真运算得到参考能源消耗量，以及，将所述参考能源消耗量与所述测量数据中的能耗数据进行比较，依据比较运算结果对所述能源使用设备进行效能评估，并通过所述数据传输系统21发布评估结果。据传输系统21获取到所述评估结果，从而能够给操作者的确定操作指示或节能策略提供参考。本文中，数据传输系统21、监控装置23、决策控制工作站24和能源使用评估计算机25均是现有的工业领域能源监控方面所不具备的，为了本领域技术人员对本文所提供的方案有详尽的了解，下面逐一介绍一、关于数据传输系统21本文采用的数据传输系统21巧妙地综合现有的现场总线和计算机网络，提出了将现场总线和计算机网络进行组合的方案，下面详细介绍通常情况下，工业领域采用DCS分散式控制系统(为方便描述，下文统称为DCS系统)来实现对工业现场各设备的控制，即该系统中，各个设备之间通过现场总线相连。现场总线具有可靠性高、安装方便、通讯距离长的特点，但与计算机网络无法兼容，且通讯速度一般不高，而所述DCS系统通常是独立运行，不与外界发生直接的通讯联系。随着社会的发展，人们对控制系统的要求越来越高，已经不满足现有的那种独立、 分散及现场式控制，而开始希望能实现一些高级应用(如异地远程控制)，于是开始寻求一些新的方案。计算机网络通讯主要是基于TCP/IP协议的网络通信，其适应面广，兼容性高， 网络资源丰富，并且计算机的处理能力较强，甚至能够组成云服务器，能够为企业的设备管理带来便利，因此，工业领域内有些意见希望采用计算机网络代替现有的DCS系统。但是，计算机网络的安全性和可靠性不高，并且由于协议不兼容而无法与现场总线直接相连，针对此情况，本文综合考虑了现场总线和计算机网络的优缺点，提出了将现场总线和计算机网络进行组合的方案，通过现场总线与现场设备(即监控装置、能源使用设备)相连，并通过一种适配器实现现场总线与计算机网络的互联形成数据传输系统，从而能够将现场设备的数据传输至计算机网络，也可以从计算机网络接收操作指示。具体的，所述数据传输系统21的一种结构如图4所示，包括现场总线211、计算机网络212和适配器213，其中所述现场总线211连接所述监控装置22，所述计算机网络连接管理层设备(如所述决策控制工作站24和/或能源使用评估计算机25)，所述适配器213 —端连接所述现场总线211，另一端连接所述计算机网络212，可以作为设于所述现场总线211和计算机网络 212之间的桥梁或通道，实现现场总线211和计算机网络212之间的信息交互，具体的，用于将所述现场总线211提供的数据按照TCP/IP协议的要求，发往所述计算机网络212，以及，将所述计算机网络212提供的数据按照所述现场总线211的协议格式处理后发往所述现场总线211。所述适配器213的一种结构如图5所示，包括总线接口电路214、计算机网络接口电路215、第一寄存器216、第二寄存器217和中央处理器(即CPU) 218，其中所述总线接口电路214与现场总线211协议适配，用于与所述现场总线211相连。所述计算机网络接口电路215与计算机网络212协议适配，用于与所述计算机网络212相连。所述第一寄存器216和所述第二寄存器217用于存储数据。所述CPU218连接并控制所述总线接口电路214、计算机网络接口电路215、第一寄存器216和第二寄存器217，具体的，其功能包括通过所述总线接口电路214接收来自现场总线211的数据，存储于所述第一寄存器216中，读取所述第一寄存器216中的数据并按照TCP/IP协议的要求进行处理后，通过所述计算机网络接口电路215发送至计算机网络 212 ;以及，通过所述计算机网络接口电路215接收来自计算机网络212的数据，存储于所述第二寄存器217中，并读取所述第二寄存器217中的数据并按照现场总线协议的要求进行处理后，通过所述现场总线接口电路214发送至现场总线211。所述第一寄存器216和第二寄存器217也可称为数据映射寄存器，均由随机存储器(RAM, Random Access Memory)存储芯片组成,而计算机网络接口电路215由网络协议芯片和传输变压器组成，所述RAM存储芯片、网络协议芯片和传输变压器属于现有技术内容， 本文对此不做赘述。常用的现场总线有RS485总线和CAN总线，因此上述总线接口电路214又可以分为两部分，如图6所示，所述总线接口电路214包括RS485总线接口电路2141和CAN总线接口电路2142，其中，所述RS485总线接口电路2141由RS485协议发生芯片、光耦隔离器和配套的外围电路组成，所述CAN总线接口电路2142由CAN协议发生芯片、光耦隔离器和配套的外围电路组成。下文介绍所述适配器213的工作原理本文中，现场总线是按照设备的地址访问的，现场总线上的每个设备具有系统内唯一的地址，而每个设备内部有一组用于存储本设备数据的数据单元，现场总线的读取就是对某个设备内部数据单元的读取，现场总线的写入就是对某个设备内部数据单元的写入。适配器213的工作主要由CPU218来完成，主要工作包括两部分读取现场总线并写入计算机网络的过程，及读取计算机网络并写入现场总线的过程。所述读取现场总线并写入计算机网络的过程如下预先在第一寄存器216中为各个能源使用设备内部的数据单位保存一份快照(即数据单元的镜像)，在需要读取现场总线上的设备(即现场总线通过监控装置所连接的能源使用设备)的内部数据时，依据保存的快照依次轮流读取各个设备的数据单元，将读取到的内部数据填写在第一寄存器216中。然后，统一读取所述第一寄存器216中的所有内部数据，按照TCP/IP通讯协议的要求，处理成数据包，并在所述数据包中设置对应的能源使用设备或监控装置的标识(可以是地址)以及本CPU所在适配器的IP地址(本实施例提供的能源监控系统中，各个适配器均具有唯一标识，所述标识可以是预先分配的IP地址)， 然后，将所述数据包发送到计算机网络接口电路215。需要说明的是，所述监控装置23可以独立于能源使用设备，也可以直接集成于所述能源使用设备中(也就是说，监控装置属于能源使用设备的一部分)，对于监控装置属于能源使用设备的一部分的这种情况，能源使用设备的标识即是监控装置的标识，反之，所述监控装置的标识即为能源使用设备的标识。所述读取计算机网络并写入现场总线的过程如下正如前文所说，预先为每个适配器分配一个标识(如IP地址)，于是，CPU218在需要将从计算机网络212获取的数据传输给某监控装置时，需要先指向该监控装置对应的适配器的IP地址，并按照TCP/IP协议的规则发起访问，即发出数据包，该数据包携带能源使用设备或监控装置的地址、要改写的数据地址及要改写的数据内容。具体的，CPU218获取到计算机网络212传输的上述数据包后，填写到第二寄存器216，然后根据数据包中携带的能源使用设备或监控装置的地址，采用现场总线的协议格式对第二寄存器216中的数据处理后，发送到所述总线接口电路214，由所述总线接口电路214提供给对应的监控装置。为了本领域技术人员能更为清楚地了解本文所述适配器，下面再通过一个实例进行补充说明请参考图7，其中，现场总线设备I、设备2和设备3为RS485总线设备，现场总线设备4、设备5和设备6为CAN总线设备,设备I、设备2和设备3之间，以及设备4、设备5 和设备6之间，均通过简易的双绞线串接，所有设备均可以认为是集成监控装置的能源使用设备。适配器213通过RS485总线接口电路2141与设备3相连，通过CAN总线接口电路2142与设备6相连，并且，通过计算机网络接口电路215与集线器HUB相连，所述集线器 HUB同时也与计算机网络中的计算机相连。工作时，CPU218通过上述RS485总线接口电路 2141及CAN总线接口电路2142读取各个设备，并将读取结果存储于第一寄存器216中，然后将所述第一寄存器216中的数据按照TCP/IP协议格式进行处理后，通过所述计算机网络接口电路215发送出去；以及，通过所述计算机网络接口电路215接收来自计算机网络的数据，当该数据的目的地址与本适配器的IP地址匹配时，将该数据存储于第二寄存器217，将所述第二寄存器217中的数据按照现场总线协议格式进行处理后，按照其中指定的设备地址，通过上述RS485总线接口电路2141或CAN总线接口电路2142发送到相应设备。本实例是在局域网的范围内实现计算机网络与现场总线之间的连接，在另外一些实例中，还可以由计算机网络接口电路215连接路由器，并通过路由器与外部计算机网络连接，实现远程应用。二、关于决策控制工作站24所述决策控制工作站24，一方面能够从所述数据传输系统21接收所述测量数据并按照预设方式呈现，方便操作者统一了解各个能源使用设备的用能情况，另一方面，可以接受并下达操作者的操作指示。可以认为，所述决策控制工作站24是操作者统一了解、管理各个能源使用设备的一个“窗口”，一个“能源管理中心”。所述决策控制工作站24从结构形式上看，可以是一台服务器或计算机，也可以是多台服务器或计算机的组合。图8示出了决策控制工作站24的一种结构，如图所示，所述决策控制工作站24包括监视计算机241、生产指挥计算机242和决策计算机243，其中所述监视计算机241，用于从所述数据传输系统21 (更具体地说，是从计算机网络 212)获取各个能源使用设备测量数据，处理后进行呈现，呈现的方式可以有很多种，例如打印，或者显示在屏幕上。所述生产指挥计算机242，用于在屏幕上显示各个能源使用设备的标识或图例，操作者可通过点击屏幕上的标识或图例来下发针对该标识或图例对应的能源使用设备的操作指示，于是，所述生产指挥计算机242接收操作者针对某目的能源使用设备的操作指示后，通过所述数据传输系统21的计算机网络传递给所述目的能源使用设备对应的监控装置，由监控装置发往对应的执行机构。所述决策计算机243，预先设置有多种节能策略，并依据操作者输入的选择信息确定目的节能策略，通过所述数据传输系统21 (更具体地说，是从计算机网络)向对应的监控装置提供执行所述节能策略的操作指示。通过计算机网络传输的操作指示可以是对能源使用设备的具体操作命令(如开启、关闭等)，也可以是节能策略的内容，所述节能策略指的是对某个或某些能源使用设备的使用方式，例如某种冷却水系统的温度控制方式只要冷却水的温度足够低(低于预设温度)就将冷却水循环泵的转速降低。在某些实施例中，可以预先在决策计算机243和各监控装置中存储各种节能策略及用于表示各种节能策略的标号，于是，所述决策计算机243可以通过发送节能策略的标号来指定具体的节能策略。此外，各监控装置可以周期性从决策计算机243处下载新的节能策略。需要说明的是，所述决策控制工作站24还可以包括其他提供管理或数据处理功能的计算机，例如还可以包括提供能源使用报告和分析功能的计算机，如图9所示，所述决策控制工作站24除了包括监视计算机241、生产指挥计算机242和决策计算机243，另外还包括分析计算机244，所述分析计算机244上运行分析报告软件，从所述数据传输系统21 获取测量数据后，运行所述分析报告软件，得到分析报文，为操作者节能策略的确定提供参考。三、关于能源使用评估计算机25本文提供的能源使用评估计算机能够对能源使用的效能进行评估，对能源使用的品质给出评价，从而能够为节能策略的正确制定提供参考基础，进而保证对能源使用的效率，避免了能源的大量浪费，下面详细介绍所谓“效能”就是“预期一个系统或设备能满足一组特定任务要求程度的量度”，对于所有能源使用设备来说，能源使用的效能就是“预期一个设备能够充分发挥能源使用价值的程度的量度”，也就是一个能源使用设备能够多大程度上使其所消耗的能源发挥积极作用、对能源的充分利用而不浪费的能力的表征。当然，具体到一个设备，在它满足其主要任务的基础上，再评价其能源使用效能才有意义，例如，风机的主要任务是送风，因此需要在它满足充足送风量的基础上，再评价其能源使用效能。因此，本文将能源使用设备的“效能”做了重新定义“在满足使用需求的基础上，该设备预期能够充分发挥能源的使用价值的程度”。例如，风机的“效能”就是“在满足送风量的条件下，该风机预期能够充分利用其所消耗的电能的使用价值的程度”，可以简单认为是风机的能源利用效率。所谓“效能评估”，就是对所述“效能”进行一个计算和判定，给出效能是高、低或高低程度的结论。例如，对两台风机进行效能评估，其中一台能够将电能的作用发挥80%，另一台能够将电能的作用发挥到85%，分析可知，后者的效能更高。图10示出了本文提供的能源使用评估计算机25的逻辑结构示意图，如图所示，能源使用评估计算机25包括数据输入单元251、数学模型库252、数学运算单元253、比较单元 254和决策参考提供单元255，其中所述数据输入单元251用于获取上述数据传输系统传输21的测量数据(包括现场参数和能耗数据)。所述数学模型库252中预先设置有各种能源使用设备(例如风机、水泵、空压机、 冷冻机、离心机、电解槽、锅炉、空调等等)的数学模型。所述数学运算单元253，依据所述数据输入单元251输入的测量数据所属能源使用设备的类型，从所述数学模型库252中选择出相对应的模型并进行实例化(实际上就是根据数学模型下载至数学运算单元253的内存中，虚拟出一个逻辑设备即虚拟设备)。具体的，将所述测量数据中的现场参数(包括实际的能流强度、实际的产出强度)输入到上述实例化的模型中，得到计算结果，所述计算结果包括产出(即虚拟设备在对应输入条件下的产出)，以及该虚拟设备在所述对应输入条件下的能源消耗。上述“从所述数学模型库252 中选择出相对应的模型并进行实例化”的操作具体过程，可以是由数学运算单元253直接从数学模型库252中选择对应模型并进行实例化，也可以是由数学运算单元253向所述数学模型库252发送携带设备标识的模型请求，然后，所述数学模型库252依据该设备标识，将对应的数学模型提供给所述数学运算单元253，由所述数学运算单元253进行实例化。所述比较单元254用于对数学运算单元253的运算结果与所述数据输入单元251 输入的现场参数进行比较，具体来说，就是将实际的“产出/投入”与实例化得到的虚拟设备的“产出/投入”进行比较，得到比较结果，即实际能源使用设备相对于理论模型(即上述虚拟设备)而言，其能源使用效能是否足够高的结论。举例来说，所述数学模型库252中设置风机的数学模型(数据结构及计算公式)， 于是，在所述数据输入单元251输入现场参数(风机的电压、电流)后，所述数学运算单元 253将所述数学模型库252中的风机的数学模型进行实例化，形成虚拟设备，然后将上述现场参数输入所述实例化的数学模型，得到计算结果该虚拟设备在该电压电流条件下的风量及能源消耗量。所述决策参考提供单元255获取所述比较单元254的比较结果后，进行分析，当能源使用设备的效能小于理论模型的效能超过某个预设门限(例如当风机的效能比理论模型低20% )，则可以提供整改意见(即提供信息告知操作者，需要进行整改)，为操作者确定决策提供参考。上述数学模型库252属于本申请的一个独特的发明点，通过设置多种对应不同能源使用设备(例如风机、水泵、空压机、冷冻机、离心机、电解槽、锅炉、空调等设备)的数据结构及计算公式(即数学模型)，向对操作者提供一个直观的形象而屏蔽内部复杂的对应关系及计算过程，方便操作者使用。具体的，在所述数学模型库252中，各个数学模型具有唯一的标识，本文中，该标识即为索引，所述数学模型库252实际上包括索引表及存储单元，其中，所述索引表中具有多个索引项，每个索引项对应一个能源使用设备，所述索引项至少包括设备标识及存储位置，所述设备标识可以包括序号、系列、名称和型号，所述存储位置用于表示其对应的数学模型在存储单元中的具体位置，如图11所示。于是，在查找数学模型时，即可根据测量数据中的设备标识(所述系列、名称和型号等信息)，在所述索引表中查找，找到对应的索引项后获取存储位置，在根据所述存储位置在所述存储单元的相应位置读取对应的数学模型。所述数学模型相当于软件中的一个“类”，所谓“类”是一个面向对象编程的概念， 可以实例化、具有数据变量和行为的软件模型。可以用一个类来描述一个具体的能源使用设备具有一个名称、一系列数据成员及一定的行为，具体结构如图12所示。以风机为例， 其数学模型的名称为“fanX X X ”，其中，fan表示风机名称，XXX是具体型号；数据成员包括额定电压、额定电流、轴功率、转速、风压、流量等；其行为“fan_X X X_work”包括一组从输入到输出的计算公式，即能够执行从输入的电压、电流计算出风压、风量等参数并输出的公式。在使用时，从类(“fan_X X X ”)构造出一个实例“fan_X X X_01”，然后执行其行为“fan_X X X_work”即可得到输出参数。此外，为了方便操作者学习使用，本文针对每个能源使用设备的数学模型，都配套了一份文档，用于对能源使用设备进行描述，该文档可存储于所述数学模型库252中。四、关于监控装置本文中的监控装置23实际上是一种终端，与工业现场的具体末端用能设备(即能源使用设备，如风机、水泵、变频器、空压机、冷冻机、电解槽、锅炉等)相连且一一对应，即一台能源使用设备对应一台所述监控装置23。所述监控装置23具有独立计算和处理能力之外还可以进行信息共享及远程获取操作者指令，例如可以通过访问管理层的服务器来获取该服务器经过计算或者搜索之后返回的结果。相当于拥有了自身难以达到的超强计算能力和庞大的信息支持，可以认为是一个工业领域中的“云终端”。所述监控装置23基本功能是将工业现场数据通过网络传输到管理层(即对工业设备的能源使用情况进行监视)，并接收管理层的服务器的处理结果，然后再依据所述处理结果操控对应的能源使用设备。下文详细介绍其结构及工作原理。所述监控装置23的一种结构如图13所示，包括中央处理器231、测量电路232、现场总线接口 233、输出电路234和非易失性存储器235，其中所述测量电路232与能源使用设备相连，用于该测量能源使用设备的工业现场参数，例如实时电压信号、实时电流信号和/或模拟电流信号。所述现场总线接口 233用于连接现场总线。所述输出电路234与能源使用设备的执行机构相连，用于向所述执行机构输出操作指令。所述非易失性存储器235用于存储包括来自所述测量电路232及现场总线接口 233的数据，包括测量数据、节能策略等。所述中央处理器231与所述测量电路232、现场总线接口 233、输出电路234和非易失性存储器235相连，以控制所述测量电路232、现场总线接口 233、输出电路234和非易失性存储器235工作。所述监控装置23的工作过程测量数据的上传及远程操作指示的获取及下发，其中所述测量数据的上传过程包括首先，所述测量电路232测量其所连接的能源使用设备的工业现场参数，得到测量结果后转换成二进制格式，形成测量数据，然后传输给所述中央处理器231，所述工业现场参数包括实时电压信号、实时电流信号及标准的模拟电流信号，其中，所述实时电压信号是指作用在能源使用设备上的实际电压，实时电流信号是指作用在能源使用设备上的实际电流，标准的模拟电流信号是指4 20mA的标准模拟信号，用于支持各种传感器所输出的标准信号的测量，因为各种物理量(例如压力、流速、液位、湿度等)均可通过传感器转换为可测量的标准的4 20mA信号。然后，所述中央处理器231将所述测量数据进行存储至所述非易失性存储器235， 并同时通过所述现场总线接口 233传输往管理层。当然，在存储和传输之前，还可以进一步对测量数据进行整理，如整理成统一格式。所述远程操作指示的获取及下发过程包括首先，所述现场总线接口 233接收所述数据传输系统21传输的来自管理层的操作指示，然后将所述操作指示提供给所述中央处理器231，所述中央处理器231对所述操作指示进行解析，并根据现有状况判断是否能够执行对应操作，然后在能够执行的情况下，输出执行指令给所述输出电路234。所述来自管理层的操作指示可以是某次具体的操作，如关闭或开启能源使用设备，也可以是节能策略然后，所述输出电路234将所述中央处理器231传递的信号(即上述执行指令) 后，输出给与现场能源使用设备相连的执行机构。此外，在其他实施例中，所述监控装置23在图13的基础上，进一步包括用于实现本地操作命令输入的功能单元，如图14所示，所述监控装置除了包括上述中央处理器231、 测量电路232、现场总线接口 233、输出电路234和非易失性存储器235之外，还包括本地操作输入电路236，所述本地操作输入电路236与所述中央处理器231相连，用于接收现场人员输入的操作指令并传递给所述中央处理器231。当然，也可以在对操作指令进行简单处理 (例如限幅处理)后再传递给所述中央处理器231。所述操作指令可以是开关量输入指令或模拟量输入指令，所述开关量可以是作为操作按钮或故障信号开关的一个触点开关信号输入的，所述模拟量输入包括可调的电压、 电流等，用于实现现场人员进行设定的模拟量。即在某些实施例中，所述本地操作输入电路 236可以至少包括两个具体的电路接收设置于能源使用设备上的操作按钮的开关量的按钮开关量输入电路，及，接收设备出现故障时发出的故障信号的故障开关量输入电路。此外，所述终端还可以进一步包括与所述按钮开关量输入电路、故障开关量输入电路相连的指示灯输出电路，用于驱动一组指示灯表示所述按钮开关量输入电路、故障开关量输入电路的工作状态。所述输出电路234在接收到所述中央处理器231传递的本地操作信号(即上述现场人员输入的操作指令)，一般也会做些简单处理(例如限幅处理)后再以开关量输出或模拟量输出的形式提供给执行机构。所述开关量输出是指开关触点信号，用于控制逻辑通断，以指挥所述执行机构执行“是否通电”、“是否开始工作”等操作；所述模拟量输出是可调的电压信号和/或电流信号，用于指挥执行机构工作，以调整能源使用设备的工作强度、转速、阀门开度、温度和/或压力等。在某些实施例中，所述输出电路234包括运行开关指令触点输出电路、运行设定的模拟量输出电路和节能/旁路触点输出电路，其中所述运行开关指令触点输出电路， 用于输出启动允许信号，驱动与能源使用设备的执行机构启动或停止；所述运行设定的模拟量输出电路，用于输出一个模拟量来设定所述执行机构的状态以调节能源使用设备的能源使用量；所述节能/旁路触点输出电路，用于指导所述执行机构的运行模式，包括节能模式和旁路运行模式。通过上述内容可知，所述中央处理器231可以根据管理层(决策控制工作站)下发的具体操作命令，来控制执行机构工作，还可以根据所述管理层下发的操作指示确定节能策略，然后依据所述节能策略控制执行机构工作。而需要说明的是，所述节能策略可以是所述中央处理器231从决策控制工作站下载得到，具体的，中央处理器231可以周期性地从决策控制工作站下载新的节能策略，并存储至所述非易失性存储器235，而当网络通信失败 (即无法连接到管理层的决策控制工作站)时，则根据现有的节能策略控制执行机构工作。可以看出，本文的监控装置23在综合本地操作、远程控制的功能之外，还具备网络失败下独立、自主地运行节能策略的功能，对能源使用设备节能控制工作的顺利进行提
供保障。需要说明的是，由于工业现场的特殊性，现场往往已经具备工业控制DCS系统，其使用了现场总线对能源使用设备进行了简单的连接，尤其是在高压、高危险的场合，一般都设置有所述DCS系统。鉴于此，本文通过在监控装置23上设置用于与DCS系统相连接的现场总线接口，来直接利用原先的DCS系统获取测量数据，由此只需要对原有DCS系统稍加改动即可直接读取所述DCS系统中的数据，从而避免了冗余的、危险的现场安装工作。也就是说，本文中所述监控装置23的现场总线接口 233可以包括第一现场总线接口 2331和第二现场总线接口 2332，如图15所示，所述第一现场总线接口 2331与所述数据传输系统21 (具体是数据传输系统21中的现场总线211)相连接，用于实现本监控装置23与管理层之间的数据传输；所述第二现场总线接口 2332用于与现有的DCS系统相连，用于从所述DCS系统读取所需数据(即所述测量数据)。在其他实施例中，所述监控装置还可以进一步包括显示装置，以显示测量结果或者一些警告信息。如图16所示，所述监控装置23除了包括上述中央处理器231、测量电路 232、现场总线接口 233、输出电路234、非易失性存储器235和本地操作输入电路236之外， 还包括本地显示屏237及显示屏输出电路238，所述显示屏输出电路238用于将所述中央处理器231提供的测量数据(或者测量数据的一部分，例如风机累积用电量)及各种操作的输入窗口，以及提供给所述显示屏237，由所述显示屏237进行显示。需要说明的是，在其他实施例中，可以将显示装置和输入电路设置为一体，即为输入输出一体化设备，如触摸屏。在详细介绍本系统中几个关键组成部分之后，下面介绍本系统在空压机能源监控方面及工业企业能源监控方面的两个实例。I、在空压机能源监控领域的应用参考图17，工业现场具有多台作为能源使用设备的空压机，共同运行以共同提供压缩空气，本系统中具有多个监控装置，分别与各台空压机相对应。其中空压机I和与其对应的监控装置是相连且相互独立的。空压机2同样和对应的监控装置是相互独立的，但是该对应的监控装置设置于一台电气调速控制柜中，甚至可以认为所述监控装置即是所述电气调速控制柜。空压机3中内置有执行机构及与空压机3对应的监控装置。各监控装置通过现场总线与适配器的一端相连，所述适配器的另一端连接局域网，位于管理层的云服务器(集成能源使用评估功能)、决策控制工作站均与所述局域网相连。各监控装置在对应的空压机的外围进行监视和测量，获得该空压机的现场参数 (电压、电流和输出气压)，根据电压和电流的相乘关系计算出该空压机的耗电功率，累积耗电量并存储，将所述现场参数、耗电功率及累积耗电量等信息(即测量数据)通过现场总线传输给所述适配器。所述适配器按照TCP/IP协议的要求对所述测量数据进行处理后发往局域网，连接所述局域网的能源评估计算机从数学模型库中获取与该各空压机对应的数学模型，进行实例化后输入所述现场参数得到理论耗电功率，将实际耗电功率与所述理论耗电功率进行比较，并根据比较结果提供评估结果，发往局域网。与所述局域网相连且处于管理层的决策控制工作站获取局域网中传输的测量数据，按照预设格式呈现给操作者，以及获取所述评估结果，提供给所述操作者作为决策参考；并且，接收所述操作者的操作指示(可以是对某空压机的具体指令，如关闭、开启，也可以是针对某空压机的节能策略)，通过局域网传输给适配器，由适配器进行转换为现场总线格式后提供给对应的监控装置。各监控装置从现场总线获取决策控制工作站下发的操作命令，并按照该操作命令控制对应的空压机进行工作，或者接收所述决策控制工作站下发的节能策略标号，然后根据该节能策略标号从本监控装置中存储的节能策略中确定出目标节能策略，最后按照所述目标节能策略控制对应的空压机工作。当然，还可以是接收所述决策控制工作站下发的节能策略，存储至本地后，依据该节能策略控制对应的空压机工作。所述监控装置在无法与决策控制工作站正常通讯(如网络中断)的情况下，可以自主执行本地存储的节能策略。2、工业企业能源监控方面的应用在工业企业应用时，与前文空压机能源监控领域的应用相比，情况较为复杂，假设某一家工业企业具有4台设备，如图18所示，其中，设备I和设备4(设备4为高压设备) 已经接入企业原有的DCS系统，由于设备I和设备2距离较近，设备3和设备4距离较近， 因此将设备I和设备2作为一组并配置同一适配器，设备3和设备4作为另一组并配置另一个适配器。每个设备均对应一个监控装置，其中，设备I、设备2和设备3分别直接与各自对应的监控装置连接，而设备4为高压设备，不适合直接连接监控装置，因此，本文将设备4 对应的监控装置的现场总线接口接入企业自身的现场总线以获取数据。所述两个适配器将各监控装置提供的测量数据经适配器传输至网络，由集成了能源使用评估功能和数据传输功能的云服务器进行网络发布，网络上的决策控制工作站 (包括监视机、工作机I、工作机2和工作机3)通过网络获取云服务器发布的信息，所述监视机提供数据监视和报表功能(即前文所述监视计算机241)，工作机I提供生产指挥功能 (即前文所述生产指挥计算机242)，工作机2提供能源使用报告和分析功能(即前文所述分析计算机244)，工作机3提供能源使用的决策功能(即前文所述决策计算机243)。需要说明的是，上述网络可以是局域网，也可以是广域网，即本系统在工业企业能源监控方面的应用可以局限于局域网，也可以拓展至广域网。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排
除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.一种能源监控系统，其特征在于，包括传输数据的数据传输系统；与多个能源使用设备对应的多个执行机构，每个执行机构包括与能源使用设备相连的接口及通过该接口调节能源使用量的执行部件；与各个能源使用设备及执行机构相连的多个监控装置，用于对能源使用设备进行能耗测量，并通过所述数据传输系统发送测量数据，以及，根据预设策略或者从所述数据传输系统接收到的操作指示，控制相连的执行机构；决策控制工作站，用于从所述数据传输系统接收所述测量数据并按照预设方式呈现， 以及，接收操作者输入的操作指示，并通过所述数据传输系统发送。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括能源使用评估计算机，用于从所述数据传输系统接收测量数据，从中获取能源使用设备的现场参数，代入内置于本计算机的能源使用数学模型，进行仿真运算得到参考能源消耗量，以及，将所述参考能源消耗量与所述测量数据中的能耗数据进行比较，依据比较运算结果对所述能源使用设备进行效能评估，并通过所述数据传输系统发布评估结果。
3.根据权利要求I或2所述的系统，其特征在于，所述决策控制工作站包括监视计算机、生产指挥计算机和决策计算机，其中所述监视计算机，用于从所述数据传输系统获取各个能源使用设备的测量数据，处理后进行打印或者显示；所述生产指挥计算机，用于呈现各个能源使用设备的标识，接收携带能源使用设备的标识的操作指示，通过所述数据传输系统传输往连接所述标识对应的监控装置，由所述监控装置发往对应的执行机构；所述决策计算机，用于提供预设多种节能策略，接收选择信息确定目的节能策略，并通过所述数据传输系统向所述监控装置提供执行所述目的节能策略的操作指示。
4.根据权利要求3所述的系统，所述监控装置中预先存储有决策标识及决策内容，所述决策计算机提供的操作指示携带所述决策标识，所述监控装置依据所述操作指示中的决策标识确定节能策略。
5.根据权利要求I或2所述的系统，其特征在于，所述数据传输系统包括连接所述监控装置的现场总线；连接所述决策控制工作站的计算机网络；连接所述现场总线和计算机网络的适配器，所述适配器用于将现场总线提供的数据按照TCP/IP协议的要求，发往计算机网络；以及，将计算机网络提供的数据按照现场总线的协议格式处理后发往所述现场总线。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述适配器包括与现场总线协议适配的总线接口电路；与计算机网络协议适配的计算机网络接口电路；第一寄存器和第二寄存器；连接所述总线接口电路、计算机网络接口电路、第一寄存器和第二寄存器的中央处理器，用于通过所述总线接口电路接收来自现场总线的数据，存储于所述第一寄存器中，读取所述第一寄存器中的数据并按照TCP/IP协议的要求进行处理后，通过所述计算机网络接口电路发送至计算机网络；以及，通过所述计算机网络接口电路接收来自计算机网络的数据，存储于所述第二寄存器中，并读取所述第二寄存器中的数据并按照现场总线协议的要求进行处理后，通过所述现场总线接口电路发送至现场总线。
7.根据权利要求I或2所述的系统，其特征在于，所述监控装置包括测量能源使用设备的工业现场参数的测量电路，所述工业现场参数包括实时电压信号、实时电流信号和/或模拟电流信号；用于连接现场总线的现场总线接口；向执行机构输出操作指令的输出电路；控制上述测量电路、现场总线接口和输出电路工作的中央处理器；存储来自测量电路及现场总线接口的数据的非易失性存储器。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述监控装置还包括受所述中央处理器控制、用于接收现场操作指令的本地操作输入电路。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述现场总线接口包括第一现场总线接口和第二现场总线接口，其中所述第一现场总线接口与所述数据传输系统相连接，用于实现与管理层之间的数据传输;所述第二现场总线接口与连接能源使用设备的DCS系统相连，用于从所述DCS系统读取所需数据。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述非易失性存储器存储有管理层通过所述数据传输系统下发的节能策略，所述中央处理器在所述第一现场总线接口无法与所述管理层连接时，读取所述非易失性存储器中的节能策略，并依据所述节能策略通过所述输出电路输出相应指令。
全文摘要
本发明涉及一种能源监控系统，包括传输数据的数据传输系统；与多个能源使用设备对应的多个执行机构；与各个能源使用设备及执行机构相连的多个监控装置，用于对能源使用设备进行能耗测量，并通过所述数据传输系统发送测量数据，以及，根据预设策略或者从所述数据传输系统接收到的操作指示，控制相连的执行机构；决策控制工作站，用于从所述数据传输系统接收所述测量数据并按照预设方式呈现，以及，接收针对所述测量数据的操作指示，并通过所述数据传输系统发送。本发明分散进行能耗的自动检测和上报，统一进行数据的汇总，方便操作者参考，且能够根据操作者发送的操作指示自动进行节能操作。无需依靠大量的人力，较大程度提高了工作效率。
文档编号G05B19/418GK102591313SQ201210068789
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月15日 优先权日2012年3月15日
发明者曾洪骏, 闫永勤 申请人:北京时代科仪新能源科技有限公司