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(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(tái)、工業(yè)建模和數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、工業(yè)微服務(wù)庫(kù)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(kāi)發(fā)與工業(yè)微服務(wù)庫(kù)模塊提供平臺(tái)工具支撐系統(tǒng)的開(kāi)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(wú)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(guò)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(kāi)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(ài)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(yè)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(guò)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(kāi)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(guò)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龋山Y(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(guò)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(lái)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。

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