李劍,馬新春,陳星志,覃楨楨,冷春花

(新疆電子研究所有限公司 新疆 烏魯木齊 830013)

基于物聯(lián)網(wǎng)的電機(jī)節(jié)能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李劍,馬新春,陳星志,覃楨楨,冷春花

(新疆電子研究所有限公司 新疆 烏魯木齊 830013)

為了解決新疆某造紙行業(yè)老舊電機(jī)耗電量大、電機(jī)經(jīng)常燒毀的問題,設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式、C#技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障預(yù)警、調(diào)壓節(jié)電的電機(jī)節(jié)能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過C語言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層、傳輸層硬件的控制,以及對(duì)電機(jī)三相電壓的調(diào)節(jié)功能,應(yīng)用層采用VisualStudio2012進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測、故障預(yù)警、節(jié)能分析。實(shí)際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、高性能、高可靠性、節(jié)電率高（≥15﹪）的特點(diǎn),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式；VisualStudio2012；電機(jī)；節(jié)電率

盤點(diǎn)新疆工業(yè)經(jīng)濟(jì)形勢，工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)步增長,根據(jù)自治區(qū)經(jīng)貿(mào)委提供的資料表明,近年來新疆萬元GDP（國內(nèi)生產(chǎn)總值）能耗雖然同比呈下降趨勢,但下降幅度很小,新疆節(jié)能降耗總體形勢依然嚴(yán)峻。新疆近年來在節(jié)能減排上花了不少氣力,也取得了一定的成績,但是成效并不顯著。

目前,在全球許多國家和地區(qū),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)都已經(jīng)應(yīng)用的十分廣泛。但將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)集成、將工業(yè)設(shè)備節(jié)能管理與控制結(jié)合的系統(tǒng)并不多見。電機(jī)是絕大多數(shù)工業(yè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)設(shè)備,在企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中,設(shè)備正常運(yùn)行對(duì)安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益具有特別重要的意義。由于單臺(tái)設(shè)備的故障往往會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行,并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,甚至引起重大安全事故,因此,生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和異常狀態(tài)的處理和保護(hù)對(duì)企業(yè)正常的生產(chǎn)至關(guān)重要。同時(shí)電機(jī)產(chǎn)品的廣泛使用,極大地推動(dòng)了人類社會(huì)的進(jìn)步,但同時(shí)也消耗了大量的能源,嚴(yán)重地污染了環(huán)境。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì),全球每年50﹪電量都是電機(jī)消耗的,而我國由于電機(jī)節(jié)電技術(shù)落后,這個(gè)比例可以達(dá)到60～70﹪［1］。所以借鑒國外廣泛使用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和節(jié)能技術(shù),結(jié)合我國電機(jī)工況特點(diǎn),設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電機(jī)節(jié)能管理系統(tǒng)來綜合提高重點(diǎn)行業(yè)電機(jī)運(yùn)行效率,實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用最大化,有著巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 需求分析

系統(tǒng)通過采集電機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù),就可以通過分析得到目前電機(jī)是否存在潛在的故障,通過檢測電機(jī)當(dāng)前負(fù)荷來推斷電機(jī)是否具有節(jié)電空間,而電機(jī)負(fù)荷的檢測通常采用功率因數(shù)法進(jìn)行:電機(jī)負(fù)荷大,則它的功率因數(shù)大；電機(jī)負(fù)荷小,則它的功率因數(shù)?。?］。在確定當(dāng)前電機(jī)負(fù)荷小具有節(jié)電空間后,針對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)壓節(jié)電控制,根據(jù)電機(jī)的特性得出在電動(dòng)機(jī)負(fù)載較輕的情況下,適當(dāng)并合理的降低電動(dòng)機(jī)定子電壓可以有效的提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù),減小定子電流,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的；同時(shí),在電機(jī)監(jiān)測終端加裝通過微處理器控制的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備,遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過發(fā)送指令實(shí)時(shí)獲取電機(jī)電能參數(shù)數(shù)據(jù),當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),亦可將故障信息發(fā)送至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。

2 總體設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是以泛在網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以泛在感知為核心、以泛在服務(wù)為目的的綜合性一體化信息處理技術(shù)［3］。從系統(tǒng)架構(gòu)上可以分為3個(gè)層次,從下到上依次是感知層、傳輸層和應(yīng)用層。本節(jié)介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的電機(jī)節(jié)能管理系統(tǒng)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖［4］,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the overall system

2.1 感知層

感知層主要使用電能計(jì)量芯片等現(xiàn)場傳感元件。實(shí)時(shí)采集電機(jī)輸入端電能參數(shù),包括電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因素等數(shù)據(jù)。

2.2 傳輸層

傳輸層主要使用ARM微處理器及外圍模塊完成調(diào)壓節(jié)電及數(shù)據(jù)通信控制兩個(gè)主要功能。其中從晶閘管驅(qū)動(dòng)電路、電壓同步信號(hào)檢測電路、電流過零檢測電路、電參數(shù)測量電路獲取電能數(shù)據(jù)后通過節(jié)電算法計(jì)算出晶閘管觸發(fā)角實(shí)現(xiàn)調(diào)壓節(jié)電的功能；利用微處理器自帶的SPI通信接口與感知層電能計(jì)量芯片通訊,獲取各電能數(shù)據(jù),利用微處理器自帶的UART通信接口與RS232無線通信模塊子站通訊,將各電能數(shù)據(jù)處理后,通過RS232無線通信模塊子站將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,也可以通過RS232無線通信模塊子站接收到的命令做相應(yīng)處理［5］。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層包括上位機(jī)軟件與電機(jī)節(jié)能管理系統(tǒng)。

上位機(jī)軟件主要用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)監(jiān)測,是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測軟件,它可以對(duì)現(xiàn)場電機(jī)運(yùn)行各電能參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測以及各類電機(jī)電能類故障報(bào)警等功能,使用對(duì)象是現(xiàn)場監(jiān)測電機(jī)維護(hù)人員。

電機(jī)節(jié)能管理系統(tǒng)是提供給公司管理層使用的應(yīng)用系統(tǒng),系統(tǒng)除具有系統(tǒng)管理、權(quán)限管理、自定義流程管理等基礎(chǔ)功能外,還包括電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析處理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、統(tǒng)計(jì)圖表等功能,以及電機(jī)維護(hù)、耗電實(shí)時(shí)分析、節(jié)電預(yù)測等管理功能。

節(jié)電控制模塊、上位機(jī)軟件及電機(jī)節(jié)能管理系統(tǒng)與是整個(gè)管理系統(tǒng)的重要組成部分,是實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能降耗的重要因素。通過節(jié)電控制模塊,根據(jù)電機(jī)負(fù)載率動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)運(yùn)行電壓到最佳狀態(tài),實(shí)現(xiàn)電機(jī)直接節(jié)電的目的。通過上位機(jī)軟件可以了解全廠各電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行故障、及供電線路異常等問題。通過電機(jī)節(jié)能管理系統(tǒng),分析各電機(jī)用電情況,找出本身無節(jié)電空間的低效電機(jī),平衡全廠電機(jī)用電。綜上所訴,電機(jī)節(jié)能管理系統(tǒng)對(duì)企業(yè)電機(jī)用電的輸送、分配和消耗實(shí)行集中動(dòng)態(tài)監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化和數(shù)字化管理,改進(jìn)和優(yōu)化用電平衡,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的節(jié)電,另一方面從電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行工況和所拖動(dòng)負(fù)載情況觸發(fā),通過節(jié)電算法控制電機(jī)運(yùn)行電壓,實(shí)現(xiàn)直接性的節(jié)電。

3 硬件設(shè)計(jì)

ARM及節(jié)電控制模塊硬件系統(tǒng)組成由圖2可知,可控硅串接在主回路保護(hù)電路與三相異步電機(jī)之間,ARM最小系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集電壓電流信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用最大功率因數(shù)的控制方法,由ARM最小系統(tǒng)計(jì)算得出最大功率因數(shù)對(duì)應(yīng)的最佳電壓值,通過調(diào)節(jié)雙向可控硅的導(dǎo)通角,經(jīng)可控硅觸發(fā)電路,調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)端電壓至最佳電壓。此外,系統(tǒng)使用了ATT7022電能計(jì)量芯片,該芯片實(shí)際固化在節(jié)電控制模塊電路板上,通過接線柱與電機(jī)3個(gè)接線端子連接,微處理器通過SPI設(shè)備與其通訊，由于ATT7022的數(shù)據(jù)口是在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿寫入/讀取的,所以將微處理器的SPI模塊配置成CLK默認(rèn)下降沿,數(shù)據(jù)在CLK下降沿傳輸［6］,之后微處理器就可以通過調(diào)用ATT7022接口函數(shù)能夠從其測量出電機(jī)各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量,同時(shí)還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)前電參數(shù),通過無線通信模塊可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of the hardware system

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 嵌入式系統(tǒng)編程

嵌入式系統(tǒng)編碼采用C語言編寫,開發(fā)環(huán)境使用IAR For ARM 7.1,軟件部分總共需要移植一個(gè)操作系統(tǒng)以及設(shè)計(jì)3個(gè)子程序,移植的操作系統(tǒng)為μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)、設(shè)計(jì)的3個(gè)子程序分別為引導(dǎo)程序,驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序。

具體實(shí)現(xiàn)方法是在微處理器上電之后,首先運(yùn)行引導(dǎo)程序,引導(dǎo)程序通過按鍵狀態(tài)判斷是進(jìn)入操作系統(tǒng)還是更新用戶代碼,如果不需要更新用戶代碼,則引導(dǎo)程序進(jìn)入操作系統(tǒng),在操作系統(tǒng)相關(guān)設(shè)置初始化完畢之后創(chuàng)建并調(diào)用各個(gè)應(yīng)用程序。

1）引導(dǎo)程序:是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段軟件代碼,本系統(tǒng)采用AN2295作為嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)程序,在本系統(tǒng)中,根據(jù)實(shí)際的硬件設(shè)計(jì),在AN2295的基礎(chǔ)上做了相應(yīng)修改,為了執(zhí)行引導(dǎo)程序,微處理器的通訊接口選用UART3,通訊的波特率為19 200,通訊格式為8N1。

2）驅(qū)動(dòng)程序:包括對(duì)按鍵、指示燈、同步信號(hào)、電流過零、觸發(fā)脈沖、液晶顯示、ATT7022、GUI字體、通訊接口、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫,主要供各個(gè)應(yīng)用程序調(diào)用。

3）應(yīng)用程序:包括main主程序、啟動(dòng)程序、LCD刷新程序、按鍵掃描程序、ATT7022參數(shù)讀取程序、控制程序、中斷程序等子應(yīng)用程序,各應(yīng)用程序通過硬件驅(qū)動(dòng)程序來控制硬件工作并從硬件獲取各種參數(shù)。

4.2 上位機(jī)編程

上位機(jī)軟件采用C#的WinForm方式進(jìn)行開發(fā),主要功能模塊包括:系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)置、電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測、故障記錄查詢。

具體實(shí)現(xiàn)方法是在上位機(jī)軟件運(yùn)行后,首先設(shè)置串口端口號(hào)、波特率,再通過調(diào)用SerialPort函數(shù)打開串口,確認(rèn)串口成功打開后,通過串口發(fā)送指令給微處理器,微處理器對(duì)發(fā)來的指令進(jìn)行判斷,如果設(shè)備編碼匹配則發(fā)送電機(jī)各參數(shù)數(shù)據(jù)給上位機(jī),上位機(jī)按定義好的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析,將分解后的各參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在各參數(shù)對(duì)應(yīng)顯示框內(nèi),包括電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù):三相電壓、電流、有功功率、無功功率,以及電機(jī)故障參數(shù):過壓、過流、缺相等故障信息；顯示數(shù)據(jù)的同時(shí),調(diào)用SqlHelper函數(shù)將電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障信息插入到數(shù)據(jù)庫中,供電機(jī)節(jié)能管理系統(tǒng)分析使用。

4.3 電機(jī)節(jié)能管理系統(tǒng)編程

采用C#的WebForm方式開發(fā),主要功能模塊包括:系統(tǒng)管理、基礎(chǔ)資料、設(shè)備管理、物料管理、生產(chǎn)管理、節(jié)能分析、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、代辦業(yè)務(wù)等功能模塊。

該系統(tǒng)為企業(yè)節(jié)能綜合管理系統(tǒng),設(shè)計(jì)時(shí)兼顧造紙過程中的原料采購、生產(chǎn)工序、設(shè)備耗能統(tǒng)計(jì)、設(shè)備維護(hù)、潤滑、統(tǒng)計(jì)等功能,同時(shí)通過節(jié)能分析模塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)可以對(duì)上位機(jī)獲取并保存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深入的分析、處理后以報(bào)表的形式直觀的展示出來,作為企業(yè)用能節(jié)能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)供企業(yè)管理者進(jìn)行參考。各主功能模塊具體設(shè)計(jì)如下:

1）系統(tǒng)管理:包括用戶管理、權(quán)限管理、密碼修改3個(gè)子功能模塊。

2）基礎(chǔ)資料:包括部門管理、倉庫管理、生產(chǎn)工序、維修級(jí)別、能源類型、設(shè)備類型、設(shè)備標(biāo)識(shí)、能源用途、配件類型、計(jì)量級(jí)別、工種類別、人員能力、設(shè)備能力等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的設(shè)置。

3）設(shè)備管理:包括設(shè)備資料、維修維護(hù)、潤滑管理、設(shè)備檔案、設(shè)備臺(tái)帳、設(shè)備變動(dòng)、設(shè)備盤點(diǎn)、設(shè)備統(tǒng)計(jì)八個(gè)子功能模塊。

4）物料管理:包括半成品BOM、產(chǎn)品BOM、批次物料清單、物料申請(qǐng)單4個(gè)子功能模塊。

5）生產(chǎn)管理:包括生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)排產(chǎn)3個(gè)子功能模塊。

6）節(jié)能分析:包括監(jiān)測匯總、故障記錄、投入能源量、能源輸送分配量、能源加工轉(zhuǎn)換、企業(yè)總節(jié)能量、產(chǎn)量能耗量、產(chǎn)值能耗量、節(jié)能率、固定資產(chǎn)投資節(jié)能登記、企業(yè)節(jié)能技改規(guī)劃11個(gè)子功能模塊。

7）統(tǒng)計(jì)報(bào)表:包括能耗計(jì)劃、能耗臺(tái)帳、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)表、能源消費(fèi)流向表、產(chǎn)品工序耗能日?qǐng)?bào)表、能源成本分析表、能源加工轉(zhuǎn)換記錄表、能源加工轉(zhuǎn)換臺(tái)帳、能耗指標(biāo)匯總表9個(gè)報(bào)表。

8）代辦業(yè)務(wù):主要是對(duì)上述有業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)的單據(jù)進(jìn)行審核提醒,對(duì)庫存不足的原料進(jìn)行庫存預(yù)警,以及對(duì)到期需要維護(hù)的設(shè)備進(jìn)行維護(hù)預(yù)警提醒。

5 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的電機(jī)節(jié)能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與在造紙企業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用,通過電機(jī)運(yùn)行直接調(diào)壓節(jié)能與包含原料消耗記錄、生產(chǎn)工藝消耗記錄、電機(jī)耗能記錄、電機(jī)故障預(yù)警、電機(jī)維護(hù)管理、節(jié)能評(píng)估、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等模塊構(gòu)成的管理節(jié)能相結(jié)合的方式能更好、更高效、更全面的實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。據(jù)實(shí)際測算,使用該系統(tǒng)比以往單純使用管理節(jié)能或使用直接節(jié)能方式節(jié)能效果提高2倍以上,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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Design of motor energy management system based on Internet of things

LI Jian，MA Xin-chun，CHEN Xing-zhi，QIN Zhen-zhen,LENG Chun-hua
（Xinjiang Electronic Research Institute Co.,Ltd,Urumqi 830013，China）

Xinjiang，a paper industry in order to solve the old motor power consumption，motor problems often burned，designed based networking，embedded，C#technology to achieve real-time monitoring of the motor is running，fault warning，regulating energy-saving motors energy management systems.The system is implemented by the C programming language perception layer，transport layer hardware control，and motor function of the three-phase voltage regulator，application layer VisualStudio2012 programming，remote monitoring of the motor operating data，fault warning，energy analysis.The practical application shows that the system has a high degree of automation，high performance，high reliability，high saving rate（≥15﹪）characteristics meet the design requirements.

Internet of things；embedded；VisualStudio2012；motor；saving rate

TP311

：A

：1674-6236（2015）18-0027-03

2014-11-21稿件編號(hào)：201411181

新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（201312109）；烏魯木齊高新區(qū)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CX13135W)

李 劍（1981—）,男,新疆烏魯木齊人,工程師。研究方向:計(jì)算機(jī)軟件。