淺析基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備電能監(jiān)控系統(tǒng)

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定201801

摘要: 針對制造業(yè)智能制造升級改造過程中，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)以及平臺架構(gòu)，進行電能監(jiān)測，系統(tǒng)功能、系統(tǒng)界面的設(shè)計與開發(fā)。該系統(tǒng)采用智能電表監(jiān)測設(shè)備的電能參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集平臺把電表的 Modbus 協(xié)議轉(zhuǎn)換成MOTT協(xié)議，并上傳到云平臺。在某工廠實際場景下，進行系統(tǒng)的安裝部署及應用，實現(xiàn)設(shè)備電能參數(shù)的實時采集、監(jiān)控與統(tǒng)計分析，實現(xiàn)該工廠的設(shè)備、產(chǎn)線、車間用電的*確計量，提高了設(shè)備用電統(tǒng)計分析效率，有效地支撐了工廠電能管理、用電優(yōu)化，提高機器生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)具有建設(shè)成本低、容易實現(xiàn)、運行可靠利于復制推廣的優(yōu)點，可以基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺積累數(shù)據(jù)，進一步挖掘分析，構(gòu)建能耗優(yōu)化模型，實現(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；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，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)注點之一。建設(shè)一個集中統(tǒng)一的工廠電能監(jiān)控系統(tǒng)，已成為近年研究的熱點。通過獲取機器詳細用電數(shù)據(jù)，電能監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備電能的集中采集、監(jiān)控、計算、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(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，它融合了先進制造技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)、云計算、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)智能制造升級改造中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正逐步應用于設(shè)備管理、生產(chǎn)過程控制、供應鏈管理安環(huán)管理!3-61等環(huán)節(jié)。本文將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計理念應用于設(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)計與開發(fā)了該系統(tǒng)，并在實際工廠中開展應用，實現(xiàn)了工廠設(shè)備電能的實時采集監(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(gòu)設(shè)計

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)級網(wǎng)絡(luò)組成。設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)主要負責設(shè)備層級聯(lián)網(wǎng)，是指現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、Loral/WiFi/5G等設(shè)備層級局域網(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)計的以太網(wǎng)或光纖通信網(wǎng)。

在*點高耗能設(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，云平臺接收設(shè)備電能數(shù)據(jù)后，進行處理、存儲與展示分析。

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

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計理念17-201設(shè)計的電能監(jiān)控系統(tǒng)平臺架構(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。

邊緣層面向工廠設(shè)備、傳感器接入與數(shù)據(jù)采集而設(shè)計，在能源監(jiān)控管理系統(tǒng)中，主要負責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層是虛擬化的計算、存儲、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、工業(yè)建模和數(shù)據(jù)分析、應用開發(fā)、工業(yè)微服務庫等模塊。其中中間件提供電表接入、數(shù)據(jù)接收、預處理及存儲服務通用PaaS平臺模塊提供基礎(chǔ)資源的管理與運維能力;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;應用開發(fā)與工業(yè)微服務庫模塊提供平臺工具支撐系統(tǒng)的開發(fā)、運行與管理。

SaaS層為微服務化部署的設(shè)備電能監(jiān)測、產(chǎn)線電能監(jiān)控、能耗預警、電能統(tǒng)計分析、電能對比分析、能耗優(yōu)化分析等應用，支撐工廠電能全要素、多維度的監(jiān)控實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析改善，助力電能管理優(yōu)化。

2 電能監(jiān)測

2.1 電能監(jiān)測點

工廠中用電消耗關(guān)注點主要為高能耗的設(shè)備、產(chǎn)線車間，通用輔助設(shè)備、設(shè)施及工廠等。首先需對工廠全域進行電能監(jiān)測點的統(tǒng)計。某工廠電能監(jiān)測點統(tǒng)計示例如表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)測需要高精度、高質(zhì)量、安全可靠和經(jīng)濟實惠，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進行設(shè)備的電能監(jiān)測它是針對電力系統(tǒng)、工礦企業(yè)、公共設(shè)施等的電能監(jiān)控需求而設(shè)計的，符合 Class 0.5S/Class 1精度標準，具有三相交流有功功率、無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(jiān)控診斷以及電能管理。

2.3 電能數(shù)據(jù)采集

首先，通過串口服務器USR-N580-H7 連接智能電表，實現(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，進行設(shè)備的電能采集。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

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

(1) 數(shù)據(jù)采集與處理。在各用電計量節(jié)點及重要耗電設(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內(nèi)安裝智能電表，進行電能參數(shù)的監(jiān)測，利用邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)采集平臺把電能參數(shù)發(fā)送到云端，云端中間件接收電能參數(shù)數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的解析、處理與存儲。

(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)實施規(guī)劃，進行工廠的實體建模，配置好工序、車間、工廠、基地、集團等關(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，并實例化現(xiàn)場設(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)點設(shè)備數(shù)據(jù)及實時電能參數(shù)在模型上打點，顯示實時采集數(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、按時段展示與分析，查詢設(shè)備的實時電能參數(shù)與狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)曲線，生成分析報表等。

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

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

3.2 系統(tǒng)界面設(shè)計

(1)設(shè)備電能監(jiān)控界面

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

(2)設(shè)備電能統(tǒng)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(jù)機器的性能及技術(shù)參數(shù)，結(jié)合生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，對機器的電能數(shù)據(jù)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(shè)備電能統(tǒng)計及趨勢分析界面如圖5所示。

(3)廠區(qū)/車間/產(chǎn)線能耗對比分析界面

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

通過統(tǒng)計分析，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，將能耗預分配到一個單位的產(chǎn)品耗能上。在此基礎(chǔ)上細分，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，*點耗能區(qū)域，做總體量化自身趨勢分析。根據(jù)不同的方式和算法進行分析處理，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現(xiàn)工廠電能的優(yōu)化管理。

4系統(tǒng)實施

4.1智能電表安裝部署

在某工廠現(xiàn)場實際設(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回路中電流的大小，智能電表與電流互感器連接，進行回路電流、電壓、功率、電耗等電能參數(shù)的監(jiān)測，來獲取車間、產(chǎn)線、機器的電能參數(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;串口服務器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器重新上電，實現(xiàn)重啟。

4.3系統(tǒng)具體應用

某工廠中實際場景下部署的設(shè)備電能數(shù)據(jù)采集平臺如圖7所示。系統(tǒng)實現(xiàn)了 75臺智能電表的電能參數(shù)監(jiān)測與采集，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)實際應用中的 WEB 界面(部分截圖) 如圖8所示。實現(xiàn)設(shè)備電能參數(shù)的實時采集、監(jiān)控與統(tǒng)計分析，實現(xiàn)該工廠的設(shè)備、產(chǎn)線、車間用電的*確計量。

在該工廠的實際應用中，通過設(shè)備電能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)備電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析效率提高 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)運行數(shù)據(jù)系統(tǒng)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(shè)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

  用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、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，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、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用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，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用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

5.2應用場所

   （1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

   （2）商業(yè)建筑（商場、金融機構(gòu)建筑等）；

   （3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

   （4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(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）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

1）實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(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。

2）電能統(tǒng)計報表

系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)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可分析追溯，維護計量體系的正確性。

3）詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，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、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4）運行報表

系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(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)、指定時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導出PDF格式文件。

5）變壓器運行監(jiān)視

系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、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掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

6）實時報警

系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

7）歷史事件查詢

系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

8）電能質(zhì)量監(jiān)測

系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、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(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

9）遙控操作

系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴格的密碼保護和操作權(quán)限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構(gòu)及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。

10）用戶權(quán)限管理

系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態(tài)圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

12）視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

13）用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

14）APP支持

電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)”、“設(shè)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、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

5.5系統(tǒng)硬件配置清單

6 結(jié)束語

本文研究了一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)體系的設(shè)備電能監(jiān)控系統(tǒng)，進行了系統(tǒng)功能、架構(gòu)、電能監(jiān)測以及用戶交互界面的設(shè)計與開發(fā)，并在實際工廠中落地應用，實現(xiàn)了工廠設(shè)備電能的實時采集、電能監(jiān)控、設(shè)備用電統(tǒng)計分析，以及廠區(qū)、車間、產(chǎn)線的多維度能耗對比分析，有效地支撐了設(shè)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(tǒng)具有建設(shè)成本低、容易實現(xiàn)、運行可靠、利于復制推廠的優(yōu)點。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，可以積累數(shù)據(jù)，進一步挖掘分析，構(gòu)建能耗優(yōu)化模型，實現(xiàn)工廠電能的智能管理。未來系統(tǒng)進一步擴展，可建成工廠的水、電、汽、熱等全要素能源智慧管理系統(tǒng)。

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