摘要: 針對制造業(yè)智能制造升級改造過(guò)程中，設備電能監控管理的需求，提出一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)理念的設備電能監控系統的架構體系，研究系統的網(wǎng)絡(luò )架構以及平臺架構，進(jìn)行電能監測，系統功能、系統界面的設計與開(kāi)發(fā)。該系統采用智能電表監測設備的電能參數，通過(guò)數據采集平臺把電表的 Modbus 協(xié)議轉換成MOTT協(xié)議，并上傳到云平臺。在某工廠(chǎng)實(shí)際場(chǎng)景下，進(jìn)行系統的安裝部署及應用，實(shí)現設備電能參數的實(shí)時(shí)采集、監控與統計分析，實(shí)現該工廠(chǎng)的設備、產(chǎn)線(xiàn)、車(chē)間用電的*確計量，提高了設備用電統計分析效率，有效地支撐了工廠(chǎng)電能管理、用電優(yōu)化，提高機器生產(chǎn)效率。該系統具有建設成本低、容易實(shí)現、運行可靠利于復制推廣的優(yōu)點(diǎn)，可以基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺積累數據，進(jìn)一步挖掘分析，構建能耗優(yōu)化模型，實(shí)現工廠(chǎng)電能的智能管理。

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

0引言

在我國的能源消耗中，企業(yè)是能源消耗的大戶(hù)，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(guò)程的主要關(guān)注點(diǎn)之一。建設一個(gè)集中統一的工廠(chǎng)電能監控系統，已成為近年研究的熱點(diǎn)。通過(guò)獲取機器詳細用電數據，電能監控系統可實(shí)現對生產(chǎn)設備電能的集中采集、監控、計算、分析及處理，以直觀(guān)的數據和圖表向管理人員或者決策層展示設備能耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)和不合理的耗能習慣，有利于電能消耗的*確分析與優(yōu)化，有效節約能源，從而在企業(yè)能源平衡、調度與優(yōu)化、設備運行與能源管理等方面發(fā)揮重要作用。

近年來(lái)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)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數據等信息技術(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)融合的新型基礎設施在智慧工廠(chǎng)建設或企業(yè)智能制造升級改造中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正逐步應用于設備管理、生產(chǎn)過(guò)程控制、供應鏈管理安環(huán)管理!3-61等環(huán)節。本文將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設計理念應用于設備電能監控系統，研究了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工廠(chǎng)設備電能監控系統的架構體系，設計與開(kāi)發(fā)了該系統，并在實(shí)際工廠(chǎng)中開(kāi)展應用，實(shí)現了工廠(chǎng)設備電能的實(shí)時(shí)采集監控及處理與分析，有效地支撐了設備電能優(yōu)化應用，優(yōu)化生產(chǎn)計劃，提高生產(chǎn)效率、機器效能，降低用電成本。

1 架構設計

1.1 網(wǎng)絡(luò )架構

該系統的網(wǎng)絡(luò )構架如圖1所示，由設備監控網(wǎng)、車(chē)間局域網(wǎng)、企業(yè)級網(wǎng)絡(luò )組成。設備監控網(wǎng)主要負責設備層級聯(lián)網(wǎng)，是指現場(chǎng)總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)、Loral/WiFi/5G等設備層級局域網(wǎng);車(chē)間局域網(wǎng)一般是以太網(wǎng)、光纖通信網(wǎng)或5G專(zhuān)網(wǎng)構建的車(chē)間級的監控網(wǎng)絡(luò )；企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)是為企業(yè)生產(chǎn)與辦公設計的以太網(wǎng)或光纖通信網(wǎng)。

在*點(diǎn)高耗能設備上安裝智能電表，在車(chē)間或產(chǎn)線(xiàn)側部署數據采集終端，采集電表中的電能參數并發(fā)送至云端，云平臺接收設備電能數據后，進(jìn)行處理、存儲與展示分析。

1.2 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的系統平臺架構

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構設計理念17-201設計的電能監控系統平臺架構如圖2所示，分別由邊緣層、基礎設施層(IaaS)、工業(yè)平臺層(PaaS)、工業(yè)應用層 (SaaS) 及工業(yè)安全防護模塊組成。

邊緣層面向工廠(chǎng)設備、傳感器接入與數據采集而設計，在能源監控管理系統中，主要負責接入各類(lèi)能源消耗相關(guān)傳感器和儀表并采集數據。

IaaS層是虛擬化的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )基礎設施資源可以通過(guò) 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、工業(yè)建模和數據分析、應用開(kāi)發(fā)、工業(yè)微服務(wù)庫等模塊。其中中間件提供電表接入、數據接收、預處理及存儲服務(wù)通用PaaS平臺模塊提供基礎資源的管理與運維能力;工業(yè)建模和數據分析模塊提供電能模型、設備建模、工廠(chǎng)建模等的建模與分析能力;應用開(kāi)發(fā)與工業(yè)微服務(wù)庫模塊提供平臺工具支撐系統的開(kāi)發(fā)、運行與管理。

SaaS層為微服務(wù)化部署的設備電能監測、產(chǎn)線(xiàn)電能監控、能耗預警、電能統計分析、電能對比分析、能耗優(yōu)化分析等應用，支撐工廠(chǎng)電能全要素、多維度的監控實(shí)現數據驅動(dòng)的分析改善，助力電能管理優(yōu)化。

2 電能監測

2.1 電能監測點(diǎn)

工廠(chǎng)中用電消耗關(guān)注點(diǎn)主要為高能耗的設備、產(chǎn)線(xiàn)車(chē)間，通用輔助設備、設施及工廠(chǎng)等。首先需對工廠(chǎng)全域進(jìn)行電能監測點(diǎn)的統計。某工廠(chǎng)電能監測點(diǎn)統計示例如表1所示。

2.2 智能電表選擇

工廠(chǎng)設備常用380 V三相電，考慮設備電能監測需要高精度、高質(zhì)量、安全可靠和經(jīng)濟實(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)行設備的電能監測它是針對電力系統、工礦企業(yè)、公共設施等的電能監控需求而設計的，符合 Class 0.5S/Class 1精度標準，具有三相交流有功功率、無(wú)功功率和視在功率測量與顯示具有 RS485 通信接口(Modbus RTU協(xié)議)，可用于供電質(zhì)量的綜合監控診斷以及電能管理。

2.3 電能數據采集

首先，通過(guò)串口服務(wù)器USR-N580-H7 連接智能電表，實(shí)現RS485-以太網(wǎng)接口轉換，將電表接入設備監控網(wǎng)中。然后，采用工業(yè)網(wǎng)關(guān)、SCADA或數據采集軟件實(shí)現電表參數的采集。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(kāi)發(fā)數據采集平臺，進(jìn)行設備的電能采集。

3 系統設計

3.1 系統功能設計

電能監控系統的功能框圖如圖3所示。系統主要實(shí)現數據采集與處理、系統建模、數據展示與分析、能耗預警、權限控制等功能.

(1) 數據采集與處理。在各用電計量節點(diǎn)及重要耗電設備的配電柜荃癌傲憊斑艾挨卑啊奔耙豹愛(ài)豹拆斃滁胺班苞襖奔榜苞堡報內安裝智能電表，進(jìn)行電能參數的監測，利用邊緣側的數據采集平臺把電能參數發(fā)送到云端，云端中間件接收電能參數數據，進(jìn)行數據的解析、處理與存儲。

(2)系統建模。系統建模包括工廠(chǎng)建模和設備建模工廠(chǎng)建模是指根據實(shí)施規劃，進(jìn)行工廠(chǎng)的實(shí)體建模，配置好工序、車(chē)間、工廠(chǎng)、基地、集團等關(guān)系，并按照管理要求構建用電成本中心;設備建模是指創(chuàng )建設備類(lèi)型設備屬性、設備配置，并實(shí)例化現場(chǎng)設備，包括:智能儀表、車(chē)間配電柜、網(wǎng)絡(luò )設備等。

(3) 數據展示與分析。能源圖表以所建模型為原型將相關(guān)點(diǎn)設備數據及實(shí)時(shí)電能參數在模型上打點(diǎn)，顯示實(shí)時(shí)采集數據值和電能流向，并以顏色差異提供初步狀態(tài)提示，能按產(chǎn)線(xiàn)、按區域、按設備類(lèi)型、按時(shí)段展示與分析，查詢(xún)設備的實(shí)時(shí)電能參數與狀態(tài)、歷史數據數據曲線(xiàn)，生成分析報表等。

(4)能耗預警。設置系統中的報警類(lèi)型以及報警之后對應的應對措施。當設備發(fā)生能耗異常報警，以短信微信、郵件、頁(yè)面消息等方式通知到對應的責任人。

(5) 權限控制。主要是部門(mén)、角色、用戶(hù)、菜單的系統賬號及賬號的權限管理。

3.2 系統界面設計

(1)設備電能監控界面

系統通過(guò)監控界面進(jìn)行數據展示與分析，設備電能監控界面如圖4所示，主要實(shí)現設備、產(chǎn)線(xiàn)、車(chē)間的電能參數的實(shí)時(shí)監控與展示。

(2)設備電能統計及趨勢分析界面

以一臺 (套)機器的能耗作為分析對象，依據機器的性能及技術(shù)參數，結合生產(chǎn)運行數據，對機器的電能數據建模計算分析，以可視化的圖表，展示機器的性能及生產(chǎn)運行是否經(jīng)濟、高效，生成計劃、維護、維修建議，讓機器保持高效運行。設備電能統計及趨勢分析界面如圖5所示。

(3)廠(chǎng)區/車(chē)間/產(chǎn)線(xiàn)能耗對比分析界面

系統能實(shí)現以時(shí)間為維度，查詢(xún)與展示生產(chǎn)和非生產(chǎn)時(shí)段的設備、產(chǎn)線(xiàn)、車(chē)間的耗能情況以及趨勢，能夠進(jìn)行電能數據分析、統計，可以展開(kāi)廠(chǎng)區、車(chē)間、產(chǎn)線(xiàn)能耗同比、環(huán)比、量化對比分析。廠(chǎng)區、車(chē)間、產(chǎn)線(xiàn)能耗對比分析界面如圖6所示。

通過(guò)統計分析，整體把握工廠(chǎng)能耗情況，并與上一周、月或年的數據做橫向對比，可結合產(chǎn)量，將能耗預分配到一個(gè)單位的產(chǎn)品耗能上。在此基礎上細分，可下分到產(chǎn)線(xiàn)、班組、工位等。以此可分析出企業(yè)整體耗能情況，*點(diǎn)耗能區域，做總體量化自身趨勢分析。根據不同的方式和算法進(jìn)行分析處理，挖掘出其中的某種規律并給出節能優(yōu)化建議，提供給管理人員作為參考決策實(shí)現工廠(chǎng)電能的優(yōu)化管理。

4系統實(shí)施

4.1智能電表安裝部署

在某工廠(chǎng)現場(chǎng)實(shí)際設備的控制柜中安裝電流互感器與智能電表。通過(guò)安裝電流互感器感應回路中電流的大小，智能電表與電流互感器連接，進(jìn)行回路電流、電壓、功率、電耗等電能參數的監測，來(lái)獲取車(chē)間、產(chǎn)線(xiàn)、機器的電能參數。

4.2系統配置

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

4.3系統具體應用

某工廠(chǎng)中實(shí)際場(chǎng)景下部署的設備電能數據采集平臺如圖7所示。系統實(shí)現了 75臺智能電表的電能參數監測與采集，并以MOTT協(xié)議把采集到的電能參數上傳云端。

電能監控系統實(shí)際應用中的 WEB 界面(部分截圖) 如圖8所示。實(shí)現設備電能參數的實(shí)時(shí)采集、監控與統計分析，實(shí)現該工廠(chǎng)的設備、產(chǎn)線(xiàn)、車(chē)間用電的*確計量。

在該工廠(chǎng)的實(shí)際應用中，通過(guò)設備電能監控系統實(shí)現了設備電能數據統計分析效率提高 300%，有效地支撐了工廠(chǎng)電能管理、用電優(yōu)化。結合設備生產(chǎn)運行數據系統以可視化的圖表展示機器的性能及生產(chǎn)運行是否經(jīng)濟、高效，為生產(chǎn)計劃、設備維護、維修提供建議，提高機器生產(chǎn)效率。

5 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

5.1概述

  用戶(hù)端消耗著(zhù)整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶(hù)端智能化用電管理對用戶(hù)可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務(wù)體系，推廣用戶(hù)端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實(shí)現電網(wǎng)與用戶(hù)的雙向良性互動(dòng)。用戶(hù)端急需解決的研究?jì)热葜饕ǎ合冗M(jìn)的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶(hù)用電管理系統、需求側管理等課題。

   安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過(guò)對用戶(hù)端用電情況進(jìn)行細分和統計，以直觀(guān)的數據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習慣，有效節約電能，為用戶(hù)進(jìn)一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

5.2應用場(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)、金融機構建筑等）；

   （3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè )場(chǎng)所等）；

   （4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑等）；

   （5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

   （6）交通運輸建筑（機場(chǎng)、車(chē)站、碼頭建筑等）。

5.3系統結構

5.4系統功能

1）實(shí)時(shí)監測

系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示配電線(xiàn)路的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

2）電能統計報表

系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時(shí)抄表匯總統計功能，用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況，即該節點(diǎn)進(jìn)線(xiàn)用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。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，維護計量體系的正確性。

3）詳細電參量查詢(xún)

在配電一次圖中，當鼠標移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標指針變?yōu)槭中?，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無(wú)功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢曲線(xiàn)及24小時(shí)電壓趨勢曲線(xiàn)。

4）運行報表

系統具有實(shí)時(shí)電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢(xún)界面中能夠自定義需要查詢(xún)的參數、時(shí)間或選擇查詢(xún)更新的記錄數據等，并通過(guò)報表方式顯示出來(lái)。用戶(hù)可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶(hù)要求導出PDF格式文件。

5）變壓器運行監視

系統對配電系統總進(jìn)線(xiàn)、主變壓器、重要負荷出線(xiàn)的運行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監視，用曲線(xiàn)顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時(shí)掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

6）實(shí)時(shí)報警

系統具有實(shí)時(shí)報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統報警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報警窗口，并發(fā)出聲音或語(yǔ)音提醒。

7）歷史事件查詢(xún)

系統能夠對遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

8）電能質(zhì)量監測

系統可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量進(jìn)行持續性的監測，運行維護人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報表掌握進(jìn)線(xiàn)、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時(shí)采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監測功能的電力儀表，不需要可刪除。

9）遙控操作

系統支持對斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動(dòng)生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時(shí)間、操作類(lèi)型等。實(shí)現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

10）用戶(hù)權限管理

系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如配電回路名稱(chēng)修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態(tài)圖

系統支持實(shí)時(shí)監視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構；可在線(xiàn)診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò )異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實(shí)時(shí)掌握現場(chǎng)各設備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

12）視頻監控

視頻監控展示了當前實(shí)時(shí)畫(huà)面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

13）用戶(hù)報告

用戶(hù)報告頁(yè)面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進(jìn)行統計分析。

14）APP支持

電力運維手機支持“監控系統"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線(xiàn)、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢(xún)，設備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)等。

6 結束語(yǔ)

本文研究了一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構體系的設備電能監控系統，進(jìn)行了系統功能、架構、電能監測以及用戶(hù)交互界面的設計與開(kāi)發(fā)，并在實(shí)際工廠(chǎng)中落地應用，實(shí)現了工廠(chǎng)設備電能的實(shí)時(shí)采集、電能監控、設備用電統計分析，以及廠(chǎng)區、車(chē)間、產(chǎn)線(xiàn)的多維度能耗對比分析，有效地支撐了設備電能優(yōu)化應用，優(yōu)化生產(chǎn)計劃，提高生產(chǎn)效率、機器效能，降低用電成本。該系統具有建設成本低、容易實(shí)現、運行可靠、利于復制推廠(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，可以積累數據，進(jìn)一步挖掘分析，構建能耗優(yōu)化模型，實(shí)現工廠(chǎng)電能的智能管理。未來(lái)系統進(jìn)一步擴展，可建成工廠(chǎng)的水、電、汽、熱等全要素能源智慧管理系統。

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