摘要: 針對(duì)制造業(yè)智能制造升級(jí)改造過程中，設(shè)備電能監(jiān)控管理的需求，提出一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)理念的設(shè)備電能監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)體系，研究系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及平臺(tái)架構(gòu)，進(jìn)行電能監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)功能、系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)與開發(fā)。該系統(tǒng)采用智能電表監(jiān)測(cè)設(shè)備的電能參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集平臺(tái)把電表的 Modbus 協(xié)議轉(zhuǎn)換成MOTT協(xié)議，并上傳到云平臺(tái)。在某工廠實(shí)際場(chǎng)景下，進(jìn)行系統(tǒng)的安裝部署及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備電能參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控與統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)該工廠的設(shè)備、產(chǎn)線、車間用電的*確計(jì)量，提高了設(shè)備用電統(tǒng)計(jì)分析效率，有效地支撐了工廠電能管理、用電優(yōu)化，提高機(jī)器生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)具有建設(shè)成本低、容易實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行可靠利于復(fù)制推廣的優(yōu)點(diǎn)，可以基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)積累數(shù)據(jù)，進(jìn)一步挖掘分析，構(gòu)建能耗優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)工廠電能的智能管理。

關(guān)鍵詞: 電能監(jiān)控；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；電能管理；能源管理；云平臺(tái)；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

0引言

在我國的能源消耗中，企業(yè)是能源消耗的大戶，企業(yè)能源消耗量占全國能源消耗總量的70%左右。電能消耗，是企業(yè)生產(chǎn)的主要成本，降低用電成本，是生產(chǎn)過程的主要關(guān)注點(diǎn)之一。建設(shè)一個(gè)集中統(tǒng)一的工廠電能監(jiān)控系統(tǒng)，已成為近年研究的熱點(diǎn)。通過獲取機(jī)器詳細(xì)用電數(shù)據(jù)，電能監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備電能的集中采集、監(jiān)控、計(jì)算、分析及處理，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或者決策層展示設(shè)備能耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)和不合理的耗能習(xí)慣，有利于電能消耗的*確分析與優(yōu)化，有效節(jié)約能源，從而在企業(yè)能源平衡、調(diào)度與優(yōu)化、設(shè)備運(yùn)行與能源管理等方面發(fā)揮重要作用。

近年來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展日趨成熟，它融合了先進(jìn)制造技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)化制造服務(wù)模式，是工業(yè)互聯(lián)的信息*樞，是制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施在智慧工廠建設(shè)或企業(yè)智能制造升級(jí)改造中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正逐步應(yīng)用于設(shè)備管理、生產(chǎn)過程控制、供應(yīng)鏈管理安環(huán)管理!3-61等環(huán)節(jié)。本文將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于設(shè)備電能監(jiān)控系統(tǒng)，研究了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工廠設(shè)備電能監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)體系，設(shè)計(jì)與開發(fā)了該系統(tǒng)，并在實(shí)際工廠中開展應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工廠設(shè)備電能的實(shí)時(shí)采集監(jiān)控及處理與分析，有效地支撐了設(shè)備電能優(yōu)化應(yīng)用，優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃，提高生產(chǎn)效率、機(jī)器效能，降低用電成本。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示，由設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)、車間局域網(wǎng)、企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成。設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)主要負(fù)責(zé)設(shè)備層級(jí)聯(lián)網(wǎng)，是指現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、Loral/WiFi/5G等設(shè)備層級(jí)局域網(wǎng);車間局域網(wǎng)一般是以太網(wǎng)、光纖通信網(wǎng)或5G專網(wǎng)構(gòu)建的車間級(jí)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)是為企業(yè)生產(chǎn)與辦公設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)或光纖通信網(wǎng)。

在*點(diǎn)高耗能設(shè)備上安裝智能電表，在車間或產(chǎn)線側(cè)部署數(shù)據(jù)采集終端，采集電表中的電能參數(shù)并發(fā)送至云端，云平臺(tái)接收設(shè)備電能數(shù)據(jù)后，進(jìn)行處理、存儲(chǔ)與展示分析。

1.2 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)理念17-201設(shè)計(jì)的電能監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示，分別由邊緣層、基礎(chǔ)設(shè)施層(IaaS)、工業(yè)平臺(tái)層(PaaS)、工業(yè)應(yīng)用層 (SaaS) 及工業(yè)安全防護(hù)模塊組成

邊緣層面向工廠設(shè)備、傳感器接入與數(shù)據(jù)采集而設(shè)計(jì)，在能源監(jiān)控管理系統(tǒng)中，主要負(fù)責(zé)接入各類能源消耗相關(guān)傳感器和儀表并采集數(shù)據(jù)。

IaaS層是虛擬化的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施資源可以通過 OpenStack、VMware 等軟件自行搭建，或者選用華為云、阿里云等商業(yè)云搭建。

PaaS層主要包含中間件、通用PaaS平臺(tái)、工業(yè)建模和數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用開發(fā)、工業(yè)微服務(wù)庫等模塊。其中中間件提供電表接入、數(shù)據(jù)接收、預(yù)處理及存儲(chǔ)服務(wù)通用PaaS平臺(tái)模塊提供基礎(chǔ)資源的管理與運(yùn)維能力;工業(yè)建模和數(shù)據(jù)分析模塊提供電能模型、設(shè)備建模、工廠建模等的建模與分析能力;應(yīng)用開發(fā)與工業(yè)微服務(wù)庫模塊提供平臺(tái)工具支撐系統(tǒng)的開發(fā)、運(yùn)行與管理。

SaaS層為微服務(wù)化部署的設(shè)備電能監(jiān)測(cè)、產(chǎn)線電能監(jiān)控、能耗預(yù)警、電能統(tǒng)計(jì)分析、電能對(duì)比分析、能耗優(yōu)化分析等應(yīng)用，支撐工廠電能全要素、多維度的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析改善，助力電能管理優(yōu)化。

2 電能監(jiān)測(cè)

2.1 電能監(jiān)測(cè)點(diǎn)

工廠中用電消耗關(guān)注點(diǎn)主要為高能耗的設(shè)備、產(chǎn)線車間，通用輔助設(shè)備、設(shè)施及工廠等。首先需對(duì)工廠全域進(jìn)行電能監(jiān)測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)。某工廠電能監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)示例如表1所示。

2.2 智能電表選擇

工廠設(shè)備常用380 V三相電，考慮設(shè)備電能監(jiān)測(cè)需要高精度、高質(zhì)量、安全可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，且外形緊湊具備通信接口，易于安裝的需求，本文選擇安科瑞三相電能表ACR230ELH/ACR330ELH進(jìn)行設(shè)備的電能監(jiān)測(cè)它是針對(duì)電力系統(tǒng)、工礦企業(yè)、公共設(shè)施等的電能監(jiān)控需求而設(shè)計(jì)的，符合 Class 0.5S/Class 1精度標(biāo)準(zhǔn)，具有三相交流有功功率、無功功率和視在功率測(cè)量與顯示具有 RS485 通信接口(Modbus RTU協(xié)議)，可用于供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控診斷以及電能管理。

2.3 電能數(shù)據(jù)采集

首先，通過串口服務(wù)器USR-N580-H7 連接智能電表，實(shí)現(xiàn)RS485-以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換，將電表接入設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)中。然后，采用工業(yè)網(wǎng)關(guān)、SCADA或數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)電表參數(shù)的采集。由于電表的通信協(xié)議為 ModbusRTU，其協(xié)議棧簡(jiǎn)單，考慮低成本、自主可控因素，本文利用自行開發(fā)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，進(jìn)行設(shè)備的電能采集。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

電能監(jiān)控系統(tǒng)的功能框圖如圖3所示。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)展示與分析、能耗預(yù)警、權(quán)限控制等功能.

(1) 數(shù)據(jù)采集與處理。在各用電計(jì)量節(jié)點(diǎn)及重要耗電設(shè)備的配電柜荃癌傲憊斑艾挨卑啊奔耙豹愛豹拆斃滁胺班苞襖奔榜苞堡報(bào)內(nèi)安裝智能電表，進(jìn)行電能參數(shù)的監(jiān)測(cè)，利用邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)把電能參數(shù)發(fā)送到云端，云端中間件接收電能參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析、處理與存儲(chǔ)。

(2)系統(tǒng)建模。系統(tǒng)建模包括工廠建模和設(shè)備建模工廠建模是指根據(jù)實(shí)施規(guī)劃，進(jìn)行工廠的實(shí)體建模，配置好工序、車間、工廠、基地、集團(tuán)等關(guān)系，并按照管理要求構(gòu)建用電成本中心;設(shè)備建模是指創(chuàng)建設(shè)備類型設(shè)備屬性、設(shè)備配置，并實(shí)例化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，包括:智能儀表、車間配電柜、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

(3) 數(shù)據(jù)展示與分析。能源圖表以所建模型為原型將相關(guān)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)電能參數(shù)在模型上打點(diǎn)，顯示實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)值和電能流向，并以顏色差異提供初步狀態(tài)提示，能按產(chǎn)線、按區(qū)域、按設(shè)備類型、按時(shí)段展示與分析，查詢?cè)O(shè)備的實(shí)時(shí)電能參數(shù)與狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)曲線，生成分析報(bào)表等。

(4)能耗預(yù)警。設(shè)置系統(tǒng)中的報(bào)警類型以及報(bào)警之后對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。當(dāng)設(shè)備發(fā)生能耗異常報(bào)警，以短信微信、郵件、頁面消息等方式通知到對(duì)應(yīng)的責(zé)任人。

(5) 權(quán)限控制。主要是部門、角色、用戶、菜單的系統(tǒng)賬號(hào)及賬號(hào)的權(quán)限管理。

3.2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

(1)設(shè)備電能監(jiān)控界面

系統(tǒng)通過監(jiān)控界面進(jìn)行數(shù)據(jù)展示與分析，設(shè)備電能監(jiān)控界面如圖4所示，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備、產(chǎn)線、車間的電能參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與展示。

(2)設(shè)備電能統(tǒng)計(jì)及趨勢(shì)分析界面

以一臺(tái) (套)機(jī)器的能耗作為分析對(duì)象，依據(jù)機(jī)器的性能及技術(shù)參數(shù)，結(jié)合生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)器的電能數(shù)據(jù)建模計(jì)算分析，以可視化的圖表，展示機(jī)器的性能及生產(chǎn)運(yùn)行是否經(jīng)濟(jì)、高效，生成計(jì)劃、維護(hù)、維修建議，讓機(jī)器保持高效運(yùn)行。設(shè)備電能統(tǒng)計(jì)及趨勢(shì)分析界面如圖5所示。

(3)廠區(qū)/車間/產(chǎn)線能耗對(duì)比分析界面

系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以時(shí)間為維度，查詢與展示生產(chǎn)和非生產(chǎn)時(shí)段的設(shè)備、產(chǎn)線、車間的耗能情況以及趨勢(shì)，能夠進(jìn)行電能數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)，可以展開廠區(qū)、車間、產(chǎn)線能耗同比、環(huán)比、量化對(duì)比分析。廠區(qū)、車間、產(chǎn)線能耗對(duì)比分析界面如圖6所示。

通過統(tǒng)計(jì)分析，整體把握工廠能耗情況，并與上一周、月或年的數(shù)據(jù)做橫向?qū)Ρ?，可結(jié)合產(chǎn)量，將能耗預(yù)分配到一個(gè)單位的產(chǎn)品耗能上。在此基礎(chǔ)上細(xì)分，可下分到產(chǎn)線、班組、工位等。以此可分析出企業(yè)整體耗能情況，*點(diǎn)耗能區(qū)域，做總體量化自身趨勢(shì)分析。根據(jù)不同的方式和算法進(jìn)行分析處理，挖掘出其中的某種規(guī)律并給出節(jié)能優(yōu)化建議，提供給管理人員作為參考決策實(shí)現(xiàn)工廠電能的優(yōu)化管理。

4系統(tǒng)實(shí)施

4.1智能電表安裝部署

在某工廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備的控制柜中安裝電流互感器與智能電表。通過安裝電流互感器感應(yīng)回路中電流的大小，智能電表與電流互感器連接，進(jìn)行回路電流、電壓、功率、電耗等電能參數(shù)的監(jiān)測(cè)，來獲取車間、產(chǎn)線、機(jī)器的電能參數(shù)。

4.2系統(tǒng)配置

智能電表配置參數(shù):協(xié)議ModbusRTU，波特率9600停止位1位，偶檢驗(yàn);串口服務(wù)器USR-N580-H7的配置參數(shù)是通信方式設(shè)置為雙向透明傳輸，其他參數(shù)設(shè)置與智能電表相同:參數(shù)配置完成后，需要給智能電表串口服務(wù)器重新上電，實(shí)現(xiàn)重啟。

4.3系統(tǒng)具體應(yīng)用

某工廠中實(shí)際場(chǎng)景下部署的設(shè)備電能數(shù)據(jù)采集平臺(tái)如圖7所示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 75臺(tái)智能電表的電能參數(shù)監(jiān)測(cè)與采集，并以MOTT協(xié)議把采集到的電能參數(shù)上傳云端。

電能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的 WEB 界面(部分截圖) 如圖8所示。實(shí)現(xiàn)設(shè)備電能參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控與統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)該工廠的設(shè)備、產(chǎn)線、車間用電的*確計(jì)量

在該工廠的實(shí)際應(yīng)用中，通過設(shè)備電能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析效率提高 300%，有效地支撐了工廠電能管理、用電優(yōu)化。結(jié)合設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)系統(tǒng)以可視化的圖表展示機(jī)器的性能及生產(chǎn)運(yùn)行是否經(jīng)濟(jì)、高效，為生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)備維護(hù)、維修提供建議，提高機(jī)器生產(chǎn)效率。

5 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

5.1概述

  用戶端消耗著整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對(duì)用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動(dòng)。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進(jìn)的表計(jì)，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。

   安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對(duì)用戶端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項(xiàng)用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

5.2應(yīng)用場(chǎng)所

   （1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

   （2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機(jī)構(gòu)建筑等）；

   （3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場(chǎng)所等）；

   （4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、衛(wèi)生、體育建筑等）；

   （5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；

   （6）交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭建筑等）。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號(hào)。

2）電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表

系統(tǒng)以豐富的報(bào)表支撐計(jì)量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況，即該節(jié)點(diǎn)進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時(shí)可分析追溯，維護(hù)計(jì)量體系的正確性。

3）詳細(xì)電參量查詢

在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中危髽?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢(shì)曲線及24小時(shí)電壓趨勢(shì)曲線。

4）運(yùn)行報(bào)表

系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲(chǔ)和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時(shí)間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報(bào)表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。

5）變壓器運(yùn)行監(jiān)視

系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢(shì)，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)掌握運(yùn)行水平和用電需求，確保供電安全可靠。