摘要:綠色環(huán)保、節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)等理念已經(jīng)深入人心，成為諸多企業(yè)追求的時(shí)尚。世博之際，聚星工程師應(yīng)邀為交通銀行的“綠色交行”信息平臺(tái)設(shè)計(jì)能耗分項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于高性能高可靠的測(cè)控平臺(tái)NIcompactRIO，快速構(gòu)建了分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無縫接入現(xiàn)場(chǎng)信息展示平臺(tái)，并借助3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。能耗分項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為“綠色交行”的能耗管理和節(jié)能減排提供了有效的數(shù)據(jù)依據(jù)和模型。

關(guān)鍵詞:能耗監(jiān)測(cè);compactRIO;LabView;WSN;世博會(huì);

應(yīng)用背景

交通銀行作為2010上海世博會(huì)商業(yè)銀行全球合作伙伴，為世博會(huì)獨(dú)家提供全方位金融服務(wù)，位于世博浦西園區(qū)內(nèi)的交通銀行主網(wǎng)點(diǎn)每天將迎來大量參觀園區(qū)的游客。交通銀行邀請(qǐng)IBM協(xié)助構(gòu)建網(wǎng)點(diǎn)內(nèi)部的信息化展示系統(tǒng)，從而向人們傳達(dá)“綠色銀行”的理念?！熬G色”理念的踐行之一就是建立網(wǎng)點(diǎn)的環(huán)境和能耗分項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。上海聚星儀器應(yīng)邀為IBM設(shè)計(jì)并搭建網(wǎng)點(diǎn)能耗分項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

能耗分項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取能耗數(shù)據(jù)，并“無縫”接入現(xiàn)場(chǎng)的信息展示系統(tǒng)中。系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝必須在場(chǎng)館落成之后進(jìn)行，不能對(duì)已建成的電氣線路和建筑結(jié)構(gòu)造成任何影響。此外，系統(tǒng)的待測(cè)線路位于不同機(jī)房的兩個(gè)配電箱中，需要完成分布式采集。

應(yīng)用方案

根據(jù)展館的電氣設(shè)計(jì)圖，我們把展館劃分為六大功能區(qū):展示大廳區(qū)域、休閑區(qū)、工作人員休息區(qū)、柜臺(tái)區(qū)、ATM區(qū)和機(jī)房，每個(gè)功能區(qū)分別對(duì)空調(diào)用電、插座用電和照明用電三項(xiàng)能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察，我們把展館的電氣線路和功能分區(qū)映射起來，監(jiān)測(cè)18項(xiàng)能耗參數(shù)。

為確保在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)和部署，我們選用NICompactRIO(cRIO)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)分別安裝在兩個(gè)配電箱中，通過Zigbee無線方式集中至cRIO集中處理?；贜I Labview和聚星的cRIO開發(fā)者套件，快速建立了一套高可靠性高性能的能耗分項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件

傳感器

電能檢測(cè)參數(shù)包括電流、電壓和功率因素等，為便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，我們選取了輕巧的開啟式電流互感器對(duì)線路電流進(jìn)行測(cè)量，采用導(dǎo)軌式變壓器將相電壓有效值從220v降至6V，滿足采集模塊±10V測(cè)量范圍。

數(shù)據(jù)采集和分析

系統(tǒng)的核心部分(數(shù)據(jù)采集和分析)采用cRIo和WSN平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，cRIO包括控制器NI cRIO-9014、底板NI cRIO-9113和兩塊模擬輸入NI9205，完成64通道、采樣率1kS/s的數(shù)據(jù)采集和分析;無線傳感網(wǎng)絡(luò)由無線網(wǎng)關(guān)WSN 9071和兩個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)WSN 3202組成，無線節(jié)點(diǎn)安放在通道數(shù)較少的配電箱中，通過Zigbee方式把采集數(shù)據(jù)匯總至cRIO。

數(shù)據(jù)傳輸

作為嵌入式處理器，cRIO不僅擁有高處理性能，還支持各種傳輸方式。該系統(tǒng)中cRIo借助路由器的無線橋接功能，以wi-Fi方式“無縫”接人現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)中，把監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送至交行信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器，供展館的顯示和記錄。由于展館外網(wǎng)接口受限，我們采用3G路由器，將cRIO監(jiān)測(cè)結(jié)果直接發(fā)送至我們的Web服務(wù)器RIO-Mesh上，用戶通過Internet瀏覽器即可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看測(cè)試結(jié)果。

系統(tǒng)軟件

聚星cRIO開發(fā)者套件

聚星cRIO開發(fā)者套件定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的軟件框架，以動(dòng)態(tài)調(diào)用的方式并行實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和分析、數(shù)據(jù)上傳和命令響應(yīng)、數(shù)據(jù)流盤、調(diào)試接口等諸多功能，適用于所有的cRIO平臺(tái)。此外，該套件提供一組模塊化的Ⅵ庫，對(duì)不同類型信號(hào)的采集任務(wù)模塊化與規(guī)范化，兼顧了效率優(yōu)化和功能拓展等需求?；赾RIO開發(fā)者套件的軟件框架和Ⅵ庫，用戶只需簡(jiǎn)單的配置和修改，就可以快速建立定制化的數(shù)采記錄系統(tǒng)，縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。同時(shí)，軟件的高度標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，便于系統(tǒng)的拓展，如硬件的更新、測(cè)點(diǎn)的增加和修改等。

能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了cRIo開發(fā)者套件中的標(biāo)準(zhǔn)框架和模塊，實(shí)現(xiàn)了72通道能耗的分項(xiàng)數(shù)據(jù)采集和電能質(zhì)量的分析，不但獲取了實(shí)時(shí)耗電量信息，還實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量分析，計(jì)算出線路的功率因數(shù)和諧波系數(shù)，并通過能耗統(tǒng)計(jì)模型，為能耗管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

人機(jī)交互界面

聚星cRIO開發(fā)者套件定義了TCP數(shù)據(jù)包格式和指令格式，上位機(jī)只需按照預(yù)定義的數(shù)據(jù)格式解析和封裝即可實(shí)現(xiàn)與cRIo的數(shù)據(jù)交互。此外，cRIo開發(fā)者套件還提供了c#、Java、Delphi等開發(fā)語言的上位機(jī)TCP數(shù)據(jù)通訊例程，便于用戶根據(jù)編程語言習(xí)慣進(jìn)行非Labview的上位機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與cRIO的數(shù)據(jù)交互。

世博交行館能耗監(jiān)測(cè)的人機(jī)交互界面位于展示大廳的一臺(tái)觸摸屏電腦上，需要用Java語言完成數(shù)據(jù)顯示、數(shù)采指令傳遞等程序設(shè)計(jì)。服務(wù)器端上位機(jī)Java程序根據(jù)cRIO的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析獲取各分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)，寫入指定xml文件中，F(xiàn)lash讀取xml文件的數(shù)值進(jìn)行動(dòng)畫顯示，如圖3所示。Flash中以不同顏色示意不同功能分區(qū)，以高度值反映分區(qū)的用電總量。同時(shí)，F(xiàn)lash中餅圖顯示了空調(diào)用電、插座用電和照明用電的比重。

RIO-Mesh Web服務(wù)器

為了給客戶一個(gè)簡(jiǎn)單易用的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，用于記錄、查詢和管理傳感數(shù)據(jù)，聚星建立了Web數(shù)據(jù)服務(wù)器RIO-Mesh(www.rio-mesh.net)。用戶在該服務(wù)器上建立帳戶后可以像博客系統(tǒng)一樣實(shí)時(shí)發(fā)布、查看和集中管理分布式傳感器數(shù)據(jù)。

測(cè)試系統(tǒng)部署現(xiàn)場(chǎng)后，cRIO通過Internet將采集數(shù)據(jù)上傳至RIO Mesh相應(yīng)目錄，遠(yuǎn)端用戶不需要安裝任何軟件，通過Web瀏覽器即可查看和管理遠(yuǎn)程系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。如圖4所示，cRIO以1s/min的速率將18項(xiàng)能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果上傳至RIO-Mesh服務(wù)器，在Web瀏覽器中通過數(shù)據(jù)回放分析各項(xiàng)能耗的數(shù)值和變化趨勢(shì)。

結(jié)論

基于NI cRIO和WSN平臺(tái)，我們?cè)谝呀?jīng)完工的交行館中構(gòu)建了分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了展館的能耗分項(xiàng)監(jiān)測(cè)。WSN節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)奖镜靥幚砥鰿ompactRIO中進(jìn)行確定性控制、數(shù)據(jù)記錄和分析。

cRIO內(nèi)嵌了性能強(qiáng)大的工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)控制器，并支持多種采集模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)電流和電壓的高速同步采集，還可以進(jìn)行電能質(zhì)量的分析，計(jì)算功率因數(shù)和諧波系數(shù)，并判斷電能的品質(zhì)。借助聚星的cRIo軟件開發(fā)者套件，節(jié)約了大量的軟件開發(fā)時(shí)間，2周即完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

此外，借助于不斷發(fā)展的通信技術(shù)，NI CompactRIO可以結(jié)合最新的3G技術(shù)，將數(shù)據(jù)集中上傳RIo-Mesh網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，此外也可以將處理結(jié)果發(fā)送回手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、PDA中，供用戶實(shí)時(shí)查看。