能源计量管理系统技术方案

一．系统简介
       能源是现代化工业企业生产中最重要的要素之一，因此构建工厂能源计量管理系统，实现能源合理有效的利用至关重要。
       ONTOP智能 能源计量管理系统，是集自动化智能仪表、计算机技术、现场总线技术等各项专业技术为一体，利用ONTOP FIO 系列智能控制器作为网络终端，将蒸汽、水、电、天然气、氢气、煤气、冷却媒介等各种能源、物料数据实时采集到上位机能源计量管理系统；实现了由计算机集中动态数据显示，计量计费报表，打印等功能；并且网络内的任何一台联网计算机通过授权后都可以查询整个系统的计量管理情况。采用本系统能及时了解整个系统的能源，物料消耗情况，最大限度地提高能源和物料的利用率，从而达到全面节能降耗的目的，提高企业的经济效益。
       本系统采用站内用lonworks现场总线联接各子采集模块，站间由光纤以太网经TCP/IP传输数据；作为一种国际标准，Lonworks保证了现场设备连接可靠、标准化、开放性、可互操作等诸多工控行业一直追求的目标，而全局的光纤以太网传输又保证了大信息量、标准化、实时性、低成本的技术管理目标得以达成。
       LonWorks技术是目前在国际上得到广泛应用的一种现场总线技术，由美国Echelon公司推出。目前几千家公司已经开发和安装了LonWorks产品；超过4千万件基于LonWorks的处理器运行在世界各地的住宅、楼宇、工厂、列车以及其他系统中。LonWorks技术广泛应用于各个行业的复杂程度不一的控制网络，小到只有两个节点的简单网络大到包括成千上万个节点的复杂控制网，LonWorks现场总线技术均能满足用户要求。
LonWorks技术具有开放性，LonWorks协议是公开的，得到工业界的广泛接受和支持；具有互操作性，凡是符合LonMark互操作规范的产品都可以实现完全的互操作，从而为用户提供了更大的产品选择空间。    LonWorks技术除拥有一般现场级控制系统所要求的开放性、互操作性等特性外，还具有其他现场总线技术无法比拟的优势：一是，多介质传输，包括：双绞线，电力线，红外，射频，光纤等。二是，多种网络拓扑结构，包括：总线型，星型，环型和自由拓扑结构，可实现灵活而低成本的现场布线。三是，LonTalk通讯协议符合ISO/OSI七层网络协议模型，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从78kbps至1.25Mbps不等，直接通信距离可达2700米。
       LonTalk协议的介质访问层MAC子层采用带预测的P-坚持CSMA（载波信号多路侦听）介质访问控制协议。带预测的P-坚持CSMA，所有节点根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，有效避免了网络的碰撞；另外为了提高紧急事件的响应时间，提供了一个可选择的优先级机制，该机制允许用户为每一个需要优先级的节点分配一个特定的优先级时间片，加入优先级的节点总比非优先级的节点具有更快的响应时间。  MAC子层具有的这些优点，使得它支持低速网络，可以在重负载的情况下保持网络性能，支持大型网络。
       LonWorks现场总线进入中国已近十年，已经成为现场总线领域内一种使用广泛、经受考验的成熟技术，其多拓扑结构、长传输距离、高度集成的通信控制等特色，不仅在楼控、交通、国防领域被广泛认可，也在工业自动化控制领域得到了越来越多的应用，lonworks的特点，尤其适合工厂能源计量。
它有以下几方面的技术优势：
       遵守ISO／OSI的7层模型，由神经元（nueron chip）芯片本身完成所有与通讯相关的功能，有极好通信可靠性；
       LonWorks是诸多现场总线中唯一涵盖Sensor Bus、Device Bus和Fieldbus三种应用层次的总线技术。
       LonWorks是一个完全开放的控制网络平台，任何一家lonworks产品都可以无缝地连接在一个系统中；
       网络结构简单、布线容易、更改方便，并可灵活选择双绞线、电力线或其它通信媒体，在许多场合可以避免重新布线；
       容易与管理微机局域网络实现联网和信息共享；
       可通过Internet实现远程管理和监控，有助于全局的集中管理，包括设备的远程监测、远程控制和远程诊断；
       LonWorks的互操作性保证总体规划和分步实施能顺利实现。系统设计和实施的各个阶段采用统一的平台，统一的协议，统一的工具，而分步实施过程中的各个系统设备可以根据市场情况及性能价格比灵活选择；
       电力系统中遥信、遥测、遥控、遥调、设备监控与设施监控可以采用同一控制网络平台，有利于系统的实施、管理和维护；
       LonWorks的通信协议（即LonTalk协议）已成为许多国家和国际标准化组织采纳的控制网络通信协议的标准。其开放性和互操作性保证了系统的标准化、可持续发展和建设，以保证投资者的长期利益；
       LonWorks功能强大的网络管理服务体系，使网络配置、管理、监控、维护非常方便，适用于各种不同类型的应用，和不同规模的控制网络。
       本系统中，LonWorks技术解决的是数据采集及传输，要使数据能得到有效的利用，必须提供一种高效、开放的数据平台，并使能源计量与工厂的MIS或ERP能方便地接口，本系统以SQL Server作为平台，参照美国Wonderware公司著名的Industrial SQL Server, 开发了一整套数据压缩、存贮、发布、分析、报表的软件。上位机监控软件基于Wonderware公司的Intouch组太软件开发。
       Wonderware InTouch for FactorySuite 为以工厂和操作人员为中心的制造信息系统提供了可视化工具。这些制造信息系统集成了操作人员所需的各种信息，可以在工厂内部和各工厂之间共享。
      根据ARC调查，Wonderware InTouch占据了全球人机界面市场份额的22%，再次成为当之无愧的市场领袖。到目前为止，在世界各地已经安装了18万套 InTouch产品，这些产品为世界工业做出了巨大贡献，使用该产品可以显著降低项目和设备使用期的开支，同时提高生产的质量和数量。该产品所提供的附件，例如Recipe、QIAnalyst和DTAnalyst，可以帮助用户实现多种工业报表功能。与Wonderware的MES紧密集成的Batch和Historian产品为今天的制造生产提供了多种功能——而所有这些功能都来源于同一公司。我们的最新版的Wonderware InTouch继续承诺：现有的InTouch应用可以在明天的软件系统上运行（向下兼容），从而有效地实现了对用户的投资、物力和财力的保护。
二．系统网络结构图
       ONTOP智能能源计量管理系统采用LONWORKS现场总线技术，包括位于现场的底层控制网络和上层的管理网络。底层控制网络包括：LonWorks智能控制器、路由器和现场采集仪表。管理网络由监控主机、数据库服务器、管理工作站、车间数据发布终端构成。监控主机由一台接入互联网的工控机实现，安装有ONTOP智能 能源计量管理软件。
       各种能源的计量由不同的一次仪表（现场变送器）实时测量，测量信号输入到ONTOP FIO 系列智能控制器中，数据在控制器中处理，然后通过控制器的通讯接口与LonWorks现场总线相连。通过iLon服务器把数据传输到的上位机。 ONTOP智能能源计量管理软件，从而对数据进行进一步的处理分析、曲线显示、报表等处理。

       水表和气表可采用脉冲表或ModBus表或模拟变送器加上LonWorks模块
       前端软件可采用组态软件生成实时计量显示和历史纪录及报表分析
       利用iLon100表示将分布的计量装置连接到企业网络中，实现与企业信息系统对接。
       控制单元+FIO模块在能源管理系统的应用策略
节能的手段
       直接降低设备能耗
       通过对能源的科学管理降低整个系统能耗
       能源管理的前提就是实现能源计量，是能源分析决策的基础
计量内容
       工业用冷/热水、三相/单项用电、工业用气
       采用信号变送器（脉冲量或模拟量或其他通信接口等）加上控制单元模块实现各种通讯。
       上位机同时又挂在用户原有的局域网上，上位机的各种数据可通过网络共享让其它网内的显示终端计算机查看和设置。
系统网络结构图如下：

三． 能源计量管理软件
       ONTOP智能能源计量管理软件基于美国WonderWare公司的Intouch组态软件开发，数据库选用SQL Server；具备工业监控软件系统的常用功能，如数显画面、实时（历史）趋势图、历史数据查询、报警记录和报表处理等；同时，该软件系统具有高度扩展功能，能够根据用户特定的需求进行快速开发。
ONTOP智能能源计量管理软件主要实现以下功能：
数据处理：
1． 对各能源品种，包括蒸汽、上水、空气、氮气、溴化锂（七度水、九度水）、冷盐水、循环水、电、天然气等能源的流量瞬时值、温度、压力，三相电压、电流、各种功率、表底的峰、谷、平、尖峰电量、最大需量等参数进行采集。
2． 对各抄表计量点的初始化、即时抄表、定时抄表时间设定、定时上报时间设定。
3． 统计数据三相电压合格率、越上限时间、越下限时间、失压累计时间、断相累计时间。当月运行时间，总超限时间，总失压累计时间，总失流累计时间。
4． 历史数据管理：对历史日、月数据、报警记录等数据存入网络数据库中。系统每日能根据操作员设定的时间定时从终端自动采集数据并存入数据库，以便形成统计报表。
5． 实现了各能源品种计量数据的分站、分类、分级显示汇总。
监测管理：
       采集的数据经中心数据服务器实现可靠存贮（使用SQL Server关系数据库平台），并通过世界知名的InTouch软件平台进行数据、报警、报表、动画、趋势等处理、再通过B/S或C/S方式先传输到监控站，实现由工作人员对现场数据进行集中监控。
       利用数据服务器中实时和历史数据，通过统计分析、计算等形式，为管理职能部门决策提供量化的决策支持，可以把水、电、气等的计量数据合并为一个系统，为MIS或ERP提供接口。
6． 实现了各能源品种计量数据的集中监测。实时监测各单位能源数据的瞬时值和累积值。数据显示画面根据不同区域进行划分，每个区域作为一个独立的单元，实时显示现场各采集点的计量值。该画面的特点是能够集中管理所有采集点，画面 简洁，可对各参数进行直观地比较，方便查看各参数是否异常。功能有：显示各采集点的压力值、瞬时流量值和累积值，各区域设备通讯故障报警。
7． 自动生成各能源品种计量参数实时及历史趋势图。实时趋势画面主要功能为显示瞬时流量（或压力）的趋势图，同步实时数据库中采集到的最新数据，同时能够拖动游标定位到当前时间前一时刻，在坐标轴纵轴显示该时刻各个区域的瞬时流量（或压力）值。 历史趋势主要功能为在指定的时间范围内显示历史流量（或压 力）的趋势图，能够拖动游标定位到某一时刻，在坐标轴纵轴显示该时刻各个区域的历史流量（或压力）值。在坐标轴底下有一排按钮进行历史趋势追忆的设置，可向前向后追忆固定的时间，亦可通过曲线时间设置对话框指定起始时间和结束时间。
8． 数据查询主要功能为历史数据查询，能够查询历史数据库中保存的所有历史数据，查询的时间间隔和时间范围可由用户指定，超过一屏的数据可通过 右边的滚动条进行滚动显示。
9． 自动生成各能源数据的报表。并具有自动月结统计、报表打印功能。报表处理系统包括根据用户名和基准时间，生成日报表、月报表和年报表，并进行费用结算以及打印当前报表。日报表列出了某一天（由基准时间指定）所有用户使用的流 量值以及对应的费用，流量的单价可根据不同的日期输入不同的值。月报表和年报表表示了该用户在某月（或某年）的每天（或每月）的使用情况，该月的累积值及累计费用，不同时期的月单价亦可进行调整，凭借本月报表即可对本系统的用户进行收费。
10． 根据参数分析，判断各种故障，发出报警提示、记录故障时间及内容。报警记录包括实时报警记录和历史报警记录，实时报警可跟踪最新的报警数据，实时反映各采集点的实时瞬时量的低低报、低报、高报、高高报等信息，并保存报警信息以供随时查询；历史报警能查询所有产生过的报警记录；报警记录信息包括报警类型、日期、时间、位号、报警值、级别、确认信息等。
11． 仪表校验数据调整和仪表故障数据处理。
12． 软件允许用户对电网线损率、用户用电异常的报警参数值范围进行设置，当发生报警，中心自动弹出报警信息提示窗口。
13． 系统分布图以实际地理空间作为背景，并能够以动画的形式形象地描述整个数据采集监控系统的组成及分布情况。在该画面中亦能查看到当前的各参数实时值，并能得知设备通讯是否正常。
14． 各种图表、曲线显示，电量、异常等报表分析，完善的日志、密码管理。
实时数据库系统
       基于客户/服务器结构设计的能源计量关系数据库设计包括数据服务器端程序、车间工作站客户端程序和与其它第三方软件接口程序。其中客户端程序又分为管理专用和监控专用两个版本。
       数据服务器端程序，利用MS VB编程，通过标准DDE接口，将各种监控采集系统的实时数据读取后写入实时数据库系统，供客户端调用。在本系统中服务器端程序运行在数据采集监控计算机上，将采集的动态数据读出写入服务器上实时数据库中。
       客户端程序，功能为从服务器的实时数据库中读取实时及历史数据，供各监控人员及管理人员查看并具有打印功能。其查看内容可以是一个系统中的全部或部分数据，也可以是多个系统中的全部或部分数据。
       软件的对外接口程序是供用户进行二次开发或使用其它组态软件从实时数据库中读取实时数据，向其它支持标准DDE接口的应用程序中写数据。例如可以把读取的数据写入Excel中的表格中，生成报表。
       实时数据库是ONTOP智能能源计量管理系统的核心，它负责整个系统的实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警信息处理和数据服务请求处理，完成与设备数据采集的双向数据通信。
实时数据库结构示意图如下：

系统安全管理
       提供禁止退出系统、禁止系统常用热键功能等措施，防止意外或非法地关闭系统。并提供了数据安全管理，保证未授权的用户无法修改一些重要的参数；可以设置不同等级的用户，登录系统和退出系统时需要进行用户注册和用户注销，并由日志系统记录，以供日后查询。
用户管理
       可以创建四个级别的用户：操作工级、班长级、工程师级和系统管理员级，其中操作工的级别与权限最低而系统管理员的级别与权限最高，可以通过设置不同级别的用户来控制访问，保护系统的安全性。
四． 系统数据智能终端
4．1智能终端类型
       能源计量系统现场智能控制器包括：模拟量信号采集器，数字量信号采集器、智能电表网关LonGate和iLon100 Internet服务器等。
4． 2智能终端特色
1）有强大的硬件、软件可靠性设计。平均无故障工作时间（MTBF）≥100,000小时；
2）具有完善周密的电磁兼容性设计（机械结构、电源、PCB走线、去耦、滤波、接地、光电隔离等方面），能够适应高低温和高湿等恶劣运行环境。
3）具有完善周密的防雷措施，尤其是电源线、通信接口（包括RS485、RS232、Modem口）的防雷措施。
4）西门子工业电源，工作可靠。
5）具有丰富的接口类型（RS485、Modem、TCP/IP网络口）。
       由longate提供485接口, 支持智能电能表计通讯；带时标存储全电子电能表的各种类型电能数据和瞬时量数据以及失压断相数据等；
       由于模块化结构，可以灵活地设定longate的个数，每个longate带8个电表，每个采集终端可带64＊8个智能电表（还可能加lonrouter后扩展）
       提供Modem通讯口（300bps～56000bps），10BASE-T TCP/IP协议网络口。支持以拨号、专线、TCP/IP协议网络与计费主站通讯。
6）非易失性存贮器存贮数据
7）具有方便的当地及远方维护。
通过本地、以太网、互连网、拔号等多种接口修改设备参数，具有在线升级应用程序功能。
8）提供高精度时钟；
9）模拟量智能控制器有8路和16路信号输入两种类型，输入信号可以是电压或电流模数转换精度高。
10）数字量信号采集器，具有输入输出功能，触点输入和继电器输出，并具有输入去抖动和输出防误操作功能。
4．3 采集终端的技术特点
1）i.LON 100 Internet 服务器
        美国echelon公司的产品，是lonworks技术领域内的重要设备，可以将基于LonWorks的设备连接到因特网（Internet）、局域网（LAN）或者广域网（WAN）, 通过i.LON 100 服务器将信息数据通过宽带连接到因特网。本地或远程服务中心能够在世界任意地方来配置、监视和控制现场设备。
        iLON 100 Internet服务器是一个高性能的网络接口，它可以连接LonWorks网络到企业IP网络或者Internet。它内置了一个Web Server，因此允许通过Web的方式访问其内置的时序调度、报警处理和数据记录应用程序。此外，它还提供一个用作和企业应用相互集成的SOAP/XML Web Services接口。i.LON 100工作电压为100至240VAC。用户可以选择购买内置56k V.90模拟调制解调器的i.LON 100。


系统结构如下图所示：

2) LonGate智能电表网关
1、 把智能电表无缝结合进可互操作的LonWorks®网络,每个longate最多可将8台普通智能电表变为lonworks电表；
2、 可扩展模拟传感器、开关传感器、开关执行器的接口模块，遥控提供技术准备
2、基于LonWorks®技术的智能节点，应用层的开发完全遵照LonMark®标准；
3、节点核心模块采用FLASH存储器，应用程序或参数可在线下载；
4、通信媒体采用双绞线，网络接口无极性，便于网络布线；
5、节点接线采用可插拔端子，便于安装维护。

五. 系统特点
1. 增容性。计量检测点的增加，可以很快简单的完成（用已有的现场数据采集站）。现场数据采集站的增加，利用总线结构的拓扑性，可很容易实现新增采集站的连网。
2. 计量算法的灵活性。可针对不同的计量要求，实现不同的运算，中间变量的生成。系统中采集模块为智能型，可进行自由编程，以实现不同的应用需求。
3. 数据危险的分散性。数据采集站中智能模块，互相独立地接入总线网络中，一个或几个模块的故障，不会影响其它模块的运行，总线网络不受影响。
4. 数据记录的连续性。数据采集站中，由于基本运算由智能模块独立完成（下位机），当总线网络或主控计算机发生故障时，智能模块仍能正常工作，可保证数据记录的不间断。
5. 计量基础数据存储、处理采用数据服务器。数据源唯一，准确、可靠。
6. 数据管理站采用工作站配置，系统软件，功能性强，画面丰富，满足各种不同的管理需求。
7. 现场显示终端机，采用性能优越的Pc机型，实现计量数据实时显示，历史趋势查询，历史数据列表查询，并提供历史数据导出平台，实现数据进一步的统计分析。
六．系统应用范围
本系统主要应用于：
       热电厂供热计量； 给排水监测系统；自来水供水计量； 企业内部能源计量； 煤气、天然气计量管理等。