力控监控软件eForceCon在智能能源计量中的应用
关键词： 通讯网管服务器 pFieldComm SCADA软件
智能化能源计量管理系统EMS 力控监控组态软件 力控eForceCon SD
1．行业背景
1.1．现状
纵观全球，能源危机四伏，节能的呼声愈来越高。目前全国单位建筑面积能耗是发达国家的2~3倍以上，面对如此严峻的事实，节能减排迫在眉睫。目前在我国大部分用能单位特别是民营用能单位缺乏熟悉计量工作的专业人员（管理、技术），用能单位计量管理水平不高，没有建立比较完善计量检测体系，特别是能源计量体系的建立。部分小区的高层管理者对能源计量工作重视不够，认为能源计量是只投入不产出，没有认识到能源计量工作的基础保证作用。
1.2．需求分析
能源计量是节能减排量化数据的体现，起着举足轻重的作用。同时作为一种管理工具和手段，利用能源计量数据的采集，诊断，分析，实施有效管理，科学准确的计量数据能够指导建筑能源的利用，由此达到节能降耗的目的。此外能源计量还是一种工艺手段，一种测量技术，帮助建筑节能建立科学合理的节能流程，为今后的建筑节能提供科学准确的基础条件。EMS智能能源管理系统是为了满足用户在生产过程中对能源的规划、计量、分析、调度等进行实时监控的需要而设计开发的能源综合管理系统。
2．能耗计量系统的设计及开发
2.1．方案设计简介
EMS智能化能源计量管理系统在中央空调计费系统基础上完善和发展起来的，以数据传输为基础，数据库为核心的物业服务系统，可实现水、电、气、暖（中央空调）的远程抄表、集中监控、防盗报警、欠费禁用、数据处理、日报月报、数据备份、查询打印等计量管理功能。
EMS智能化能源计量管理系统集计算机技术、通讯技术、网络技术和自控技术于一体，采用集散式结构、模块化设计、智能终端等灵活的组网方式，将用户的水、电、气、暖（中央空调）等能源计量集成为一个完整的管理系统，其开放式工作平台可兼容各种小区物业管理系统，同时管理多个小区。
2.2小区能源系统建设目标
能源介质数据采集、能源设备状态监控、基本能源管理。
1)数据采集功能
将全小区的能源数据采集进入系统，供数据监视、报警、数据分析、数据计算、数据统计等用。
2)监控功能
监视功能: 以大屏幕或者常规操作员站方式，对全小区能源系统的实时运行工况进行监视。
报警功能： 对全小区能源系统的设备异常，能源质量异常等给出分类声光警报；
历史趋势功能：通过数据历史曲线和实施趋势，进行运行状态分析。
运行报表功能：自动生成能源生产运行报表。实现水、电、气、暖（中央空调）的远程抄表、集中监控、防盗报警、欠费禁用、数据处理、日报月报、数据备份、查询打印等计量管理功能。
3)基本能源管理功能
将采集的数据进行归纳、分析和整理，结合生产计划的数据，进行能源管理工作，包括能源实绩分析管理、能源质量管理、能源平衡管理、能源预测分析、运行管理支持等。
2.3 系统网拓扑图
典型能源系统架构包括能源调度管理中心、通讯网络、远程数据采集单元等三级物理结构（如图示）。
1） 以力控新一代监控组态软件eForceCon SD为核心，建立I/O Server实时数据服务器，实现在线的数据监视、工艺操作和实时的能源管理功能；基于数据库技术开发具有模型背景的能源管理功能并对外提供接口。
2） 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讯网络。
3） 以力控通信网管服务器pFieldComm产品为核心，通过数据采集、通讯、协议转换等技术手段，将能源介质参数的采集与生产控制系统隔离，提供连续、真实、可靠的数据依据。
3. 力控新一代监控组态软件eForceCon SD 简介
3.1力控新一代监控组态软件eForceCon SD 简介
力控eForceCon SD系列监控组态软件是力控科技面向64位操作系统进行设计、规划的下一代大型SCADA监控组态软件，支持服务器以基于linux和unix操作系统进行实时和历史数据管理，适应了SCADA调度系统数据充分的安全与保障，该产品面向OO设计技术，不但继承了ForceControl系列软件产品的优点和特点，而且充分利用了当前IT行业新技术的发展成果，该产品的设计采用了多任务设计，不但可以充分发挥多核CPU的威力，而且极大的保证了系统的稳定性。
与同类产品相比，由力控eForceCon SD监控组态软件构成的控制系统可以构成先进的、分布式冗余、容错架构，该产品采用分布式组件设计，适应网络的多人协作与并行开发，保证了软件的可“伸缩性”非常强，适应了“e”时代的要求，结合. NET平台技术，集成了web service技术，轻松构建小区实时信息门户，开发过程采用了先进软件工程方法，使产品品质得到充分保证，该产品的设计避免了目前市场上各类软件不是操作过于复杂或者就是功能过于简单的弊病，在提高产品功能的前提下，即保证了产品的灵活性，又保证了使用的简单性，可以使您快速构建工业项目，是web时代的杰作。
3.2力控新一代监控组态软件eForceCon SD技术特点
eForceCon SD®系列软件完全符合远程大型工厂管理模式，根据大型工厂远程监控的需要采用多种“模型技术与软数据库总线技术进行模型设计，内置的分布式的实时数据库支持多种工厂模型的信息数据类型及结构。
eForceCon SD®系列软件支持工厂数据模型、工程模型、窗口模型、智能单元模型、对象模型等多种技术，多种“脚本”技术嵌套保证系统最大便利的集成。支持远程部署，在线修改参数，适合多人协作开发，可以构建典型的分布式应用，可以同步构建历史站、事件服务器、报警服务器等多种应用模式，适合大型SCADA系统和小区生产信息化应用。
eForceCon SD®系列软件完全符合远程大型工厂管理模式，根据大型工厂远程监控的需要采用多种“模型技术与软数据库总线技术进行模型设计，内置的分布式的实时数据库支持多种工厂模型的信息数据类型及结构。
eForceCon SD®系列软件支持工厂数据模型、工程模型、窗口模型、智能单元模型、对象模型等多种技术，多种“脚本”技术嵌套保证系统最大便利的集成。支持远程部署，在线修改参数，适合多人协作开发，可以构建典型的分布式应用，可以同步构建历史站、事件服务器、报警服务器等多种应用模式，适合大型SCADA系统和小区生产信息化应用。
数据库的分层结构设计方便了“海量”的数据管理与历史数据归档，图形监控系统与数据归档采用分离结构可以构造复杂灵活的分布式信息化系统，，方便监控与管理，具备强大稳定的数据内核，内置的软件自诊断功能方便构造稳定的监控系统。
“动态”数据源的设计保证了B/S和C/S等网络模式的数据访问，除了访问自己的实时历史数据库，同步也支持SQL关系数据库和国外大型实时历史数据库等多种数据库系统，系统的参数管理提供了参数的“动态”注册，方便负载调度，历史数据存储归档支持数据定时存储、条件存储、变化压缩存储、趋势压缩存储等多种技术，具备更强大的生产数据分析与统计功能，为工程组态提供便捷的组态方式。
秉承原有方便、灵活的开发环境，提供各种工程模板、大大降低了组态开发的工作量并加强了行业定制能力，支持大画面漫游，分辨率自动调整，方便工程组态，支持工程模板、画面模板、对象模板等功能，“模型对象”一次生成、多次使用，保证类似画面只需要组态一副画面即可，大大降低开发周期。
强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能并增加声音、邮件和短信报警通知方式，全新的多线程IO调度程序，使通讯效率更高、速度更快。
支持脚本在线调试，支持变量智能搜索功能，变量构件模板保证快速生成网络工程，支持多语言切换，保证多语言版本稳定内核，海外扩展更方便，可以充当力控小区实时历史数据库pSpace 5.0的客户端，与pSpace系统无缝集成，可以和地理信息系统（GIS）、ERP系统等诸多第三方软件系统进行无缝连接与集成，支持PDA掌上终端和IE浏览器来访问力控的WEB服务器。
开放式体系架构，全面支持DDE、OPC、ODBC/SQL、OLE DB XML、ActiveX等标准，以OLE、COM/DCOM、API等多种形式提供外部访问接口，便于用户利用各种常用开发工具（如：VC++、VB、.net等）进行深层的二次开发。
全新的、灵活的Excel Addin工具，提供数据库实时和历史数据还有事件和报警记录的操作向导函数、和excel无缝结合能够支持VBA复杂脚本控制，包括：脚本调用和事件脚本，可以为自定义报表、曲线和分析提供设计器。
批次配方组件提供灵活的批量生产控制功能，用于提供一套完整的批量生产过程的历史记录并使其自动化，快速而轻松地创建配方并按照过程模型模拟实施过程。所有这些均无须写一行控制码。批次配方组件还提供完整的生产记录和材料的来龙去脉，您可以减少40%到货60%成本和时间来实现批量生产的过程。批次配方组件将被广泛地应用于食品、医药、化工等任何涉及批量配方的领域。
3.3力控eForceCon SD智能化能源计量管理系统应用
1) 对小区能源进行集中监视、测量、控制和管理，实现能源实时及历史数据存储、查询、分析、统计、分析功能，实现能源管理的自动化。
2) 充分利用真实数据，作为节能运转分析的依据，避免了人为判断的疏失，帮助小区强化能源消耗、能源核算管理，使小区管理科学。
3）帮助小区提高能源管理效率和质量，减少人力成本，强化基础信息设施建设，提高小区信息化水平。
4) 实时监测能源单耗、各小区能耗、大耗能设备的能源利用，分析各小区资源利用效率和节能潜力；统计各小区能源消耗状况。
5) 为小区综合管理信息系统提供包括能耗成本、能耗定额的管理，为整个小区管理系统的数据传递与共享，提供一个完备的信息平台。
6) 可根据需要设置或自动生成小区能源管理所需的各类报表。值班记录表、日报、月报、年报表等)
7) 编制、下达、调整旬、月、季和年度能源计划，制定小区能源平衡表
4. SIXNET - 专业的工业以太网交换机
SIXNET具有30余年的工业自动化产品设计、制造经验，充分了解各种工业场合的应用需求，并将其成熟的工业自动化产品设计理念注入工业交换机产品中，使其能够真正经受各种恶劣工业环境的考验。SIXNET全系列工业以太网交换机具有卓越的工业品质，低功耗、无风扇散热电路设计，宽范围工作环境温度(-40°C~+85°C)，美国军标MIL-STD-1275防浪涌保护以及严格的国际质量认证(CE认证,UL认证,危险场所Zone2防爆认证、DNV认证等)特性确保在各种恶劣工业环境下长期稳定、可靠、安全使用。适合冶金、电力、交通、石化、石油天然气、水处理、煤矿、船舶、海上钻井平台、军工等行业应用。
5、力控@通讯网关pFieldComm@
由于小区智能化能源计量管理系统涉及范围广，水、电、气、供暖等各个部门所采用的计量设备千差万别，所采用的通信协议不一致，同时由于监控的设备种类繁多、协议多样化，小区的生产监控及信息化软件标准又不统一，导致解决系统联网中通信协议转换的问题越来越突出，由于信息不能共享，严重影响到系统的性能、工期、成本和系统稳定。
力控科技推出的pFieldComm网关服务器可以解决信息集成中由于各信息化软件系统、控制及数据采集设备通讯协议不一致、造成系统通讯连接和数据交换成本加大的困难，可广泛应用于发电、变电、化工、石油、楼宇、水利、冶金、机械、交通、环保等领域的异种系统互连及信息集成项目中。
5.1 力控通讯网关pFieldComm简介
力控pFeildComm系列工业通讯网关采用高性能的嵌入式计算平台，服务内核软件可运行于桌面操作系统或嵌入式操作系统中，是一个脱离于具体硬件设备接口的通讯服务平台，该系统拥有高性能的实时数据库系统（原型为Unix下标准C开发），具有多种通讯采集和转发规约库。可以实现采集多个不同子系统的数据，进行数据集中汇总、分类和预处理，可以简化系统中异种协议的转换和系统联网过程，异种协议容易接入并可转换为标准协议（如OPC方式）与其它系统联网。
力控pFeildComm支持对多个上级调度等平台系统进行数据转发与上传。可作为分布式数据采集装置、工业协议转换网关、电力通讯服务器或通讯前置机等使用，同时实现了多个互联子系统之间的物理级安全隔离，同时结合了软件和网络安全技术、远程组态技术，使得系统更加稳定、易于使用和维护。
5.2. 力控pFieldComm产品结构
力控pFieldComm系统是由嵌入式网关服务器（以下简称网关）和应用软件包两部分组成，嵌入式网关服务器自动完成数据的采集与转发，pFieldComm的应用软件包按照可以项目要求进行组态，来选择和配置相关采集与转发设备的通讯协议、物理地址、通道地址、参数名称等，完成系统应用，所有数据采集、转发均支持数据的读、写双向访问,根据安全需要可以设置成只读方式，保证系统数据的安全，系统说明如下：
1) 网关
网关由嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统和嵌入式运行系统三部分组成。
嵌入式硬件平台：采用的是集成了以太网、多串口功能的硬件平台，由于具备低功耗、无风扇、使用电子盘等特点，因此可以投运在恶劣的现场环境。
嵌入式操作系统：采用主流的嵌入式系统，并针对硬件平台进行了裁剪和优化。
嵌入式运行系统包括：实时数据库、数据采集、数据转发、事件记录等子系统。嵌入式运行系统占用的磁盘空间很小，运行系统运行在网关设备内，出厂时由厂家工程人员自动配置好。
2) 应用开发软件组成
软件由开发系统、运行系统、协议开发工具包（SDK）等构成， 开发维护软件运行在PC上，通过PC可以对通讯网关的运行软件进行上传、下载、远程启动、报文监测等功能。完成远程诊断与维护，
3) 实时数据处理
pFieldComm系统适用于处理不断更新的快速变化的数据及事件处理，能够以各种方式对数据库进行各种操作，包括：数据运算处理、历史数据存储、统计处理、报警处理、服务请求等。
pFieldComm系统利用实时技术为实时数据库提供时间驱动调度和资源分配算法，针对不同的应用需求和特点，它采用L树索引技术、专用的内存分配和管理方法、数据字典和结构化设计，并采用了多线程和并行处理方式等技术。
4) 物理级安全隔离
隔离措施：
·物理隔离：将以太网输入/输出转化为485/232总线型输出/输入，将以太网进行物理级安全隔离。
·安全通道隔离。即通过专用通信硬件和私有不可路由协议等安全机制来实现内外部网络的隔离和数据交换，有效地把内外部网络隔离开来，而且高效地实现了内外网数据的安全交换。
5) 通讯性能特点：
支持串口、以太网、现场总线、电话拨号、电台、GSM/GPRS/CDMA等多种通讯方式；
提供端到端的“协议转发”方案，灵活可扩展讯口多达32个；
支持数据包进行加密处理，可以将数据转化为规范化文本格式（XML格式）的数据包；
支持“ 多” 转“ 多” 的协议转换模式，方便不同上级系统共享相同数据；
支持根据数据中心命令采集和主动定时采集等数据采集模式，定时采集周期可灵活配置；
支持设备诊断，通讯中断的时候可以本地存储，同时数据可以进行断点续传；
数据采集器对数据中心（服务器）数据远传时支持国际标准：OPCServer、ODBC/JDBC、MODBUS/TCP、 DNP传送规范，支持OPC、DDE、ODBC等通讯方式的数据互相转换；
可以提供基于C/C++接口的数据采集程序开发包，可供用户独立增加、下载新的驱动程序；
对于不便公开的保密协议，用户可利用驱动开发包自行开发采集设备的驱动程序。
5.3 力控pFieldComm系统特点
1）多对多的协议转换：单台通讯服务期支持最多16个串口，6个以太网口。所有的端口均可自由指定接收或转发的协议类型。协议库种类达到上千种，包括国内外主流PLC、DCS、智能仪表、智能模块、IEC60870系列电力规约等；
2）完全工业级的产品：系统搭载串口均支持RS422/485/232跳线转换，支持RS485自动数据流控制，端口加载3000V隔离装置；采用千兆以太网；所有端口工作状态均有前面板指示灯供观察；所有芯片部件均采用高可靠元件；通过CE、EMC、FCC认证；
3）安全隔离：当数据采集接口网关为上位软件提供实时数据时，它一般位于自动化控制系统和上位软件服务器之间，由于pFieldComm采用了多网段隔离和单项数据传输技术，可达到自动化控制系统和上位软件服务器之间的安全隔离目的；
4）实时稳定：采用嵌入式低功耗设计，工业级DOM存储介质，导热管散热工艺，整机无任何机械部件；采用嵌入式实时操作系统，搭载大容量工业级实时数据库，具有很强的实时性和稳定性；
5）实用性强：pFieldComm不但支持通用的工业标准协议，还可以支持多种协议的变种。例如，电力的国标或国际规约通常各厂家的实现都不尽相同，pFieldComm已经实现了对国内主流厂家的兼容；同时提供定制功能，对非标协议或协议中的非标部分均可进行定制；
6）开发维护简便：可实现远程组态，远程上传、下载；不需要编写代码；
7）多级冗余设计，支持网关之间的冗余和多台网关组网的扩展功能；
8）多种数据集成接口：除了转换成多种标准规约外，pFieldComm同时提供对多种软件的内部接口，可实现上位机轻松组态，例如iFix、ForceControl、Intouch、PI、Infoplus、PHD等。在上述软件中，均可通过其自身的底层接口对pFieldComm进行组态和通讯；
5、4 pFieldComm软件配置与管理
5.4.1pFieldComm的软件简介
pFieldComm的软件系统分为开发系统和嵌入式运行系统，pFieldComm开发系统是一个集成的开发环境，可以创建I/O设备、转发设备、数据库、SOD，配置各种系统参数，工程组态的工作可完全在开发系统环境内完成。嵌入式运行系统对开发系统创建的工程进行解释执行，完成数据采集、协议转换、实时通信等过程。 嵌入式运行系统安装运行在网关内。当用开发系统完成工程组态后，需要将工程文件下载到网关里，再由嵌入式运行系统解释运行。
5.4.2 pFieldComm的开发系统
pFieldComm开发系统主要由工程管理器和开发工具Admin组成，工程管理器完成对多个工程数据的管理，开发工具Admin完成创建I/O设备、转发设备、数据库、SOD，配置各种系统参数。Admin提供FTP功能，可以对网关硬件平台完成工程文件的上传、下载，同时可通过以太网对网关实现远程启停、在线报文查看等功能。开发系统是一个单独的软件包，一般安装在工程师站上，用于完成对网关的全部组态功能。开发系统主要包括：工程管理器、开发工具Admin，分别用于应用工程的管理、工程组态。
5.4.3 pFieldComm的运行系统
pFieldComm通信服务器平台软件的运行系统主要由AngelServer ，I/O驱动程序、转发器程序、NetOPCServer等几部分组成：
AngelServer，进程调度机。负责管理和守护pFieldComm的所有进程，拥有完善的看门狗机制，同时与pFieldComm的硬件看门狗紧密配合；
IOServer，通讯调度机。负责通过不同的通讯链路与不同厂家的设备建立通讯，自身拥有一套完整的通讯调度，故障排查，故障恢复，负载均衡机制，I/O驱动程序是一个单独的软件包，包含了pFieldComm所支持的设备接口的配置文件。
DBServer，实时数据库。这是pFieldComm在通信服务器领域的一大突破。传统的通信服务器，由于不具备实时数据库平台，通常只能用于较小范围的应用。而搭载实时数据库的pFieldComm，目前的最大支持数据点已达到12.6万点；
NetServer，网络通讯调度机。用于构建通信服务器之间，或通信服务器与上级调度之间的网络通讯服务。该服务同时用于建立多级冗余机制；
DataServer，数据服务器。用于以多种方式向第三方系统，例如上级调度提供数据。支持多种链路和通讯规约。例如Modbus RTU，Modbus TCP，IEC60870-5-101，IEC60870-5-104等。转发器程序是一个单独的软件包，包含了转发协议接口的配置文件。
NetOPCServer：是一个单独的软件包，它为使用pFieldComm产品的用户提供了标准OPC访问接口（DA2.0）。NetOPCServer可以安装在具有OPC Client接口的SCADA工作站、通信前置机或其它运行HMI系统的工作站上，通过OPC方式实现工作站与pFieldComm通信服务器的数据通信。
配置与维护模块。pFieldComm支持本地/远程配置方式，上述所有部件功能均通过该模块进行配置。配置与维护模块可以安装在任意一台计算机上，通过网络和用户授权认证登入。
5.5 力控pFieldComm的应用
在本方案中主要用到的采集控制系统包括：
Modicon Quatumm PLC系统、Siemens S7-300、GE 90-30、 PLC系统GE 90-70 PLC系统、AB PLC5、AB ControlLogix5000系统、okogawa的CS1000、CS3000系统、 ABB AC800M DCS系统等。产品涉及厂家多，设备种类繁多、协议多样化。
引入力控pFieldComm通讯网关解决方案，有效隔离能源系统与现场控制系统，彻底解决联网安全问题:
1)、采用力控pFieldComm IOServer组件，对小区控制系统，如S7-300、GE 90-70、GE 90-30进行通讯，实现对小区水源的使用实时监控管理与调度；
2）、采用力控pFieldComm NetServer组件，对小区控制系统，AB Controllogix5000系统进行通讯，实现对小区煤气的使用实时监控管理与调度；
3）、采用力控pFieldComm IOServer组件，对小区控制系统，ABB AC800M以及Siemens S7-200进行通讯，实现对小区电量的使用实时监控管理与调度；
4）、采用力控pFieldComm NetServer组件，对小区控制系统，AB PLC5以及Yokogawa CS 1000和CS 3000 DCS系统进行通讯，实现对小区供暖锅炉的使用实时监控管理与调度。
5）、采用先进的通讯协议DNP3.0、IEC104、IEC102（电度量通讯协议）。煤气系统和水系统采用DNP3.0，电力系统采用IEC104，IEC102协议。
6.总结
小区能源智能计量管理系统通过力控pFieldComm将设备种类繁多、协议多样的数据进行整合，采用力控新一代监控组态软件eForceCon SD强大的数据分析功能，实现了能源系统分散的数据采集和控制、集中的管理调度和能源供需平衡以及能源预测，为较好地实现节能、降耗和环保的目标创造条件。即对生产能源数据进行采集、加工、分析，处理以实现对能源设备、能源实绩、能源计划、能源平衡、能源预测等全方位的监控和管理功能，达到小区节能增效的目的。
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