浦漢軍，王宇華，江開放，白暉峰，鄭利斌

（1.華潤股份有限公司，廣東深圳 518054；2.華潤水泥控股有限公司，廣東深圳 518001；3.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200）

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[1-10]。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(xí)慣，有利于電能消耗的精確分析與優(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(wù)模式[11-12]，是工業(yè)互聯(lián)的信息中樞，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(yīng)用于設(shè)備管理、生產(chǎn)過程控制、供應(yīng)鏈管理、安環(huán)管理[13-16]等環(huán)節(jié)。本文將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計理念應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(zé)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)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在重點高耗能設(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[17-20]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(yīng)用層（SaaS）及工業(yè)安全防護模塊組成。

圖2 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)平臺架構(gòu)

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(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(yīng)用開發(fā)、工業(yè)微服務(wù)庫等模塊。其中，中間件提供電表接入、數(shù)據(jù)接收、預(yù)處理及存儲服務(wù)；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(yīng)用開發(fā)與工業(yè)微服務(wù)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(wù)化部署的設(shè)備電能監(jiān)測、產(chǎn)線電能監(jiān)控、能耗預(yù)警、電能統(tǒng)計分析、電能對比分析、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。

表1 電能監(jiān)測點統(tǒng)計示例

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(wù)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Modbus RTU，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。

【本刊2018年10月綜合報道】 近期，美國唯一核電在建項目的估計造價再次上升，但該項目業(yè)主仍決定繼續(xù)推進該項目，繼續(xù)在沃格特勒建設(shè)兩臺AP1000機組。

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(yù)警、權(quán)限控制等功能。

圖3 系統(tǒng)功能框圖

（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)備的配電柜或控制柜內(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(yù)警。設(shè)置系統(tǒng)中的報警類型以及報警之后對應(yīng)的應(yīng)對措施。當(dāng)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(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。

圖4 設(shè)備電能監(jiān)控界面

（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。

圖5 設(shè)備電能統(tǒng)計及趨勢分析界面

（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龋山Y(jié)合產(chǎn)量，將能耗預(yù)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，重點耗能區(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(yīng)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9 600，停止位1 位，偶檢驗；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，實現(xiàn)重啟。

4.3 系統(tǒng)具體應(yīng)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MQTT協(xié)議把采集到的電能參數(shù)上傳云端。

圖7 電能數(shù)據(jù)實時采集

電能監(jiān)控系統(tǒng)實際應(yīng)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、車間用電的精確計量。

圖8 電能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用界面（部分截圖）

在該工廠的實際應(yīng)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 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(yīng)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(yīng)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(fù)制推廣的優(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)。