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        單機(jī)功率設(shè)備能耗“上云”技術(shù)研究

        2017-03-08 11:11:21萬海峰彭來湖史偉民胡旭東呂明來李建強(qiáng)張少民
        關(guān)鍵詞:上云通訊客戶端

        萬海峰,彭來湖,史偉民,胡旭東,呂明來,李建強(qiáng),張少民

        (1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院,浙江 杭州 310018; 2.海寧紡織機(jī)械有限公司,浙江 嘉興 314400)

        隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展,對能源的需求呈指數(shù)增長,如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是目前社會面臨的一個重要問題.當(dāng)前企業(yè)用電仍以傳統(tǒng)的產(chǎn)區(qū)單表統(tǒng)一能效管理為主,監(jiān)管方式粗放,普遍存在著測量不準(zhǔn)確、監(jiān)管誤差大、無法實(shí)現(xiàn)單設(shè)備精細(xì)化能耗監(jiān)控等問題.此外,傳統(tǒng)的設(shè)備能耗監(jiān)測系統(tǒng)需要企業(yè)自行組織人力物力來搭建完整的系統(tǒng),包括系統(tǒng)運(yùn)行必需的采集終端電表、服務(wù)器硬件系統(tǒng)以及相關(guān)的軟件系統(tǒng),企業(yè)的前期成本投入很高,且后期對設(shè)備和軟件進(jìn)行維護(hù)的工作量也很大.

        隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,采用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù),建立一套針對大功率設(shè)備的能耗監(jiān)測管理分析系統(tǒng),為生產(chǎn)工藝優(yōu)化、電能合理利用和設(shè)備節(jié)能操作提供評價(jià)依據(jù),是推廣能源高效利用、緩解能源危機(jī)對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展制約的有效途徑[1].開發(fā)基于云服務(wù)器的設(shè)備能耗監(jiān)測系統(tǒng)具有重大意義和工程推廣價(jià)值[2-9].為此,本課題設(shè)計(jì)一種基于云平臺的單設(shè)備能耗監(jiān)測系統(tǒng),采用新型的云計(jì)算方式,為企業(yè)用戶提供一種便捷的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng),節(jié)省企業(yè)的前期采購成本和后期維護(hù)成本,保證數(shù)據(jù)的安全性和共享性,提升企業(yè)的能源管理、監(jiān)控及優(yōu)化水平.

        1 “上云”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

        物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分.電參數(shù)采集單元即采集終端,通過GPRS(General Packet Radio Service)模塊實(shí)現(xiàn)“物”與“網(wǎng)”之間的信息交換.電參數(shù)采集單元通過GPRS模塊,以TCP/IP連接方式實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶端的通訊[3].

        “上云”系統(tǒng)將終端采集到的電參數(shù)直觀地顯示在客戶端界面上.服務(wù)器客戶端對采集的電參數(shù)進(jìn)行解析,判斷設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)以及設(shè)備的能耗等,以便企業(yè)及時了解自身的設(shè)備能耗情況,對車間設(shè)備進(jìn)行科學(xué)管理.

        “上云”能耗監(jiān)測系統(tǒng)具有多方面的優(yōu)勢:①高效的管理性,能夠時刻監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況,降低設(shè)備的故障率;②多用戶高效性,在云平臺中很多軟件可通過SaaS方式被發(fā)布出去,提供給更多的客戶共享,既可節(jié)約成本,又能實(shí)現(xiàn)多用戶使用;③開放共享性,云平臺以標(biāo)準(zhǔn)接口與外系統(tǒng)進(jìn)行通信,可實(shí)現(xiàn)跨用戶、跨區(qū)域的數(shù)據(jù)共享.

        “上云”系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

        圖1 “上云”系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        2 電參數(shù)采集單元的硬件結(jié)構(gòu)

        電參數(shù)采集單元的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

        圖2 電參數(shù)采集單元的硬件總體結(jié)構(gòu)

        電參數(shù)采集單元的硬件結(jié)構(gòu)由六部分構(gòu)成:CPU單元模塊、GPRS模塊、采集模塊、存儲模塊、電源模塊、時鐘摸塊.CPU單元模塊主要是Freescale MKE06Z64芯片;采集模塊則是ATT7022E芯片;GPRS模塊采用SIM900A芯片,用來向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù);存儲模塊的芯片為FM25L16B,用來存儲數(shù)據(jù)和掉電保護(hù);時鐘模塊通過DS3231芯片來讀取當(dāng)前時間.

        (1)CPU單元模塊.該模塊與采集模塊通過IO(Input/Output)口模擬SPI(Serial Peripheral Interface)通訊,讀取電參數(shù);它通過TTL(Transistor-Transistor Logic)串口與GPRS進(jìn)行通訊,向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù);它與FM25L16B通過SPI通訊來存儲數(shù)據(jù);它與DS3231通過I2C(INTER IC BUS)通訊,讀取當(dāng)前時間.

        (2)GPRS模塊.其模組為SIM900A,配置為透傳模式.它與服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,將CPU讀取的電參數(shù)發(fā)送給服務(wù)器.

        (3)采集模塊.采集模塊的接線方式有三相三線與三相四線兩種方式.它通過電阻分壓方式獲得采樣電壓;通過變比為2 000∶1的電流互感器獲得采樣電流.采樣信號經(jīng)過采樣通道以差模電壓的形式送給電能計(jì)量芯片ATT7022E.ATT7022E對采樣信號處理后得到電壓、電流、功率、電量等電參數(shù)[4-5].

        (4)存儲模塊.鐵電FM25L16B用來存儲服務(wù)器端的IP地址、端口號、采集終端的設(shè)備地址、CT(Current Transformer)變比等參數(shù).當(dāng)設(shè)備斷電后,啟動掉電保護(hù),將斷電前的數(shù)據(jù)保存起來.

        (5)電源模塊.電源模塊可兼容380 V和220 V交流電輸入,輸出5 V直流電壓.它一方面給GPRS模塊供電,另一方面經(jīng)過AMS1117芯片將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓,給CPU單元模塊和采集模塊供電.

        (6)時鐘模塊.時鐘模塊用來讀取當(dāng)前的時間.它主要有兩個作用:一是用作判斷零點(diǎn),清除當(dāng)天設(shè)備的總電量和運(yùn)行時間;二是存儲歷史數(shù)據(jù),存儲服務(wù)器尚未接收到的電參數(shù).

        3 電參數(shù)采集單元的硬件電路設(shè)計(jì)

        3.1 GPRS模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

        本課題的電參數(shù)采集單元與服務(wù)器之間通訊采用GPRS的無線通訊方式.GPRS通用無線分組業(yè)務(wù)由英國BT Cellent 公司提出,是一種基于GSM(Global System for Mobile Communication)的無線分組交換技術(shù).常見的GPRS產(chǎn)品有SIM300、SIM800、SIM900等系列產(chǎn)品,不僅價(jià)格便宜,操作也很簡單,只需使用AT(Attention)指令調(diào)用功能即可.

        GPRS通訊的優(yōu)勢在于:①透明的數(shù)據(jù)傳輸模式;②永遠(yuǎn)在線,實(shí)時收發(fā)數(shù)據(jù);③按流量收費(fèi),收費(fèi)合理,并且可根據(jù)不同的用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)[6-7];④支持標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議,能夠與IP網(wǎng)互聯(lián),支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)和短信業(yè)務(wù);⑤高速傳輸數(shù)據(jù),GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸速度最快可達(dá)160 kb/s,通信連接速度快,一般2~3 s即可建立連接.它提供的數(shù)據(jù)流量和短信業(yè)務(wù)等功能,在工業(yè)和民用領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[7].

        GPRS模塊的SIM900A芯片電路如圖3所示.

        圖3 SIM900A芯片電路圖

        3.2 采樣電路的硬件設(shè)計(jì)

        電壓采樣電路主要有兩種采樣方式:互感器采樣和電阻分壓采樣.本課題采用的是電阻分壓采樣.圖4所示為電阻串聯(lián)式分壓采樣電路.其輸入分壓比為120 kΩ∶470 Ω.470 Ω電阻和1 pF電容組成了抗混疊濾波電路[8].電流采樣電路如圖5所示.

        采樣電流繞過互感器DL-CT10CL-50A/25mA的線圈,接入電流采樣電路的采樣端.1 pF電容和0.1 pF電容組成抗混疊濾波電路.

        電能計(jì)量芯片ATT7022E通過采樣電路采集到電壓、電流信號.對采集到的信號進(jìn)行處理、分析,可得到設(shè)備運(yùn)行的電能質(zhì)量參數(shù).

        圖4 電壓采樣電路

        圖5 電流采樣電路

        3.3 數(shù)據(jù)存儲電路的硬件設(shè)計(jì)

        為了對電參數(shù)采集單元的服務(wù)器端IP地址、端口號、采集終端的設(shè)備地址、CT變比等參數(shù)進(jìn)行存儲,數(shù)據(jù)存儲電路的數(shù)據(jù)存儲量要大,安全性要高,時效性要強(qiáng).本課題采用FM25LXXB作為存儲芯片.該系列芯片采用SOP(Standard Operating Procedure)封裝,程序兼容,存儲量有1 kb、2 kb、4 kb、8 kb、16 kb、32 kb、64 kb、128 kb、1 024 kb可供選擇,綜合考慮后最終選擇了FM25L16B作為存儲芯片.其存儲電路如圖6所示.

        圖6 數(shù)據(jù)存儲電路

        4 電參數(shù)采集單元的程序設(shè)計(jì)

        4.1 控制GPRS模塊的AT指令集程序

        AT指令集是從終端設(shè)備向終端適配器發(fā)送的.通過AT指令可進(jìn)行短信、傳真、呼叫、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等控制.CPU向GPRS模塊發(fā)送AT指令集,從而配置GPRS模塊工作方式.GPRS模塊收到CPU發(fā)送的AT指令集后能夠回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀.

        部分AT指令集如下:

        AT+CGDCONT=1,IP,CMNET;

        AT+CGATT=1;

        AT+CIPMODE=1;

        AT+CIPCSGP=1,CMNET;

        AT+CIPSTART=TCP,12345,8086;

        CPU控制GPRS模塊的通訊流程如圖7所示.

        圖7 CPU控制GPRS模塊的通訊流程

        4.2 控制ATT7022E芯片的采集電參數(shù)程序

        本課題配置的電能計(jì)量芯片ATT7022E為三相四線制接法,用于采集設(shè)備運(yùn)行的電參數(shù).

        ATT7022E工作模式的部分程序如下:

        Write7022(CS_Pin,0x01,0xB9FE);

        Write7022(CS_Pin,0x03,0xFC4C);

        Write7022(CS_Pin,0x31,0x3436);

        Write7022(CS_Pin,0x02,0x0100);

        CPU控制ATT7022E芯片的通訊流程如圖8所示.

        圖8 CPU控制ATT7022E芯片的通訊流程

        4.3 控制鐵電的存儲程序

        通過SPI通訊,CPU與鐵電存儲芯片F(xiàn)M25L16B之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸.

        CPU控制鐵電的通訊流程如圖9所示.

        圖9 CPU控制鐵電的通訊流程

        5 云平臺軟件開發(fā)

        5.1 云平臺數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)

        要保證電參數(shù)采集單元對遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性,關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)通訊.采集單元與云平臺之間的通訊采用Modbus/TCP協(xié)議.Modbus/TCP協(xié)議是Modbus協(xié)議的派生產(chǎn)品,用于管理和控制自動化設(shè)備.Modbus/TCP協(xié)議是否連接網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層,非常容易識別.其單一連接可以支持多個獨(dú)立的實(shí)物.此外,它允許很大數(shù)量的獨(dú)立事務(wù)同時連接并發(fā)送數(shù)據(jù).

        本課題采用的Modbus/TCP協(xié)議主要由四部分組成,即地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和差錯校驗(yàn).地址碼用一個字節(jié)表示,代表采集單元的地址;功能碼分為03(電參數(shù)采集單元向云平臺發(fā)送電參數(shù))和06(云平臺向電參數(shù)采集單元發(fā)送參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù))兩種;數(shù)據(jù)區(qū)隨功能碼的變化而變化.

        電參數(shù)采集單元與云平臺端的通訊流程如圖10所示.

        圖10 電參數(shù)采集單元與云平臺端的通訊流程

        根據(jù)通訊協(xié)議,云平臺對電參數(shù)采集單元發(fā)來的電參數(shù)解析、分析后存入數(shù)據(jù)庫.

        5.2 云平臺客戶端軟件開發(fā)

        本課題遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使用的開發(fā)環(huán)境為PHP(Hypertext Preprocessor),且以電參數(shù)采集單元作為設(shè)備終端.由于現(xiàn)場的設(shè)備終端數(shù)量較多,因此要預(yù)先給每個設(shè)備終端設(shè)置一個相應(yīng)地址,云平臺也會相應(yīng)增加采集通道.云平臺可根據(jù)采集終端地址的不同,將接收到的數(shù)據(jù)分配到不同的通道中.

        用戶通過PC機(jī)或手機(jī)可訪問云平臺客戶端的IP地址,觀察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),并可以下發(fā)指令修改設(shè)備的參數(shù).

        云平臺與采集終端的通訊流程如圖11所示.

        圖11 云平臺與采集終端的通訊流程

        云平臺客戶端的作用是對各采集終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和處理[10].數(shù)據(jù)存儲使用的是MySQL數(shù)據(jù)庫.采集終端連上云平臺客戶端后,每間隔30 s發(fā)送一次采集的電參數(shù)數(shù)據(jù)幀.云平臺客戶端對讀取的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析,對解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示,存入數(shù)據(jù)庫并繪制出相應(yīng)的趨勢圖.云平臺客戶端的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)界面如圖12所示.云平臺客戶端的設(shè)備電參數(shù)界面如圖13所示.

        圖12 云平臺客戶端的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)界面

        圖13 云平臺客戶端的設(shè)備電參數(shù)界面

        6 電參數(shù)采集測量

        本課題采用三相精密穩(wěn)壓電源對電參數(shù)采集單元的測量精度進(jìn)行驗(yàn)證.測試輸入的電壓范圍為210.0~260.0 V,輸入電流范圍為1.0~10.0 A.電壓、電流的有效值測量結(jié)果分別見表1、表2.測量結(jié)果表明,電參數(shù)采集單元的測量精度較高,電壓有效值的誤差<±0.5%,電流有效值的誤差<±0.2%,達(dá)到了系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)精度要求.

        表1 電壓測量值及相對誤差

        表2 電流測量值及相對誤差

        7 結(jié)束語

        單機(jī)功率設(shè)備能耗“上云”系統(tǒng)的軟件控制簡潔,各模塊程序易于修改,電參數(shù)采集單元的工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)傳輸效率高.通過系統(tǒng)應(yīng)用,企業(yè)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和采集高耗能設(shè)備的電參數(shù),掌握準(zhǔn)確的能耗數(shù)據(jù),有利于節(jié)能降耗.同時,功率設(shè)備的能耗監(jiān)測中心可以為政府提供企業(yè)的用電數(shù)據(jù),為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和淘汰落后產(chǎn)能提供技術(shù)支持.

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