葉春曉, 胡 敏, 張躍偉

[1.上海電器科學研究所(集團)有限公司, 上海 200063;2.上海電器科學研究院, 上海 200063]

0 引 言

隨著對能源可持續(xù)性利用的日益關注,能源消耗監(jiān)測已成為能源管理的一個重要方面。在工廠應用現(xiàn)場中,設備類型眾多,包括機械設備、電氣設備、照明設備等。這些設備布局分散,采集能耗數(shù)據(jù)時面臨設備布線和數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)睦щy。工廠內(nèi)存在不同的建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料和環(huán)境條件,這些因素會對能耗監(jiān)測的準確性和穩(wěn)定性造成影響。如果按照傳統(tǒng)方式進行施工布線,項目周期長,人工成本和線纜材料成本巨大,項目成本比節(jié)能降耗能節(jié)省的費用還要高,這樣就會明顯降低客戶進行節(jié)能降耗的意愿。目前,現(xiàn)場的老舊設備沒有現(xiàn)成的接口或傳感器可以直接采集能耗數(shù)據(jù),而是需要進行定制或改造后才能滿足對各類設備能耗監(jiān)測的需要。利用無線技術的優(yōu)勢,可解決布線問題,加快項目施工進度,且大幅降低線纜材料成本和施工時間,突破空間和結(jié)構(gòu)的限制,這對工廠企業(yè)安裝節(jié)能降耗系統(tǒng)具有重要的意義。依托無線傳輸技術,可以建立穩(wěn)定的能耗數(shù)據(jù)采集、存儲和監(jiān)測系統(tǒng),對能耗數(shù)據(jù)進行云計算處理和趨勢分析,生成符合要求的報表和統(tǒng)計數(shù)據(jù),以便決策層推進能耗優(yōu)化改進措施。

無線通信技術種類較多,選擇哪種無線通信技術要根據(jù)具體應用場景和需求來決定。ZigBee覆蓋范圍在幾十米以內(nèi),數(shù)據(jù)傳輸速率在幾十Kbps到幾百Kbps之間,適用于低功耗和低速率的短距離通信[1];LoRa專為長距離通信而設計,數(shù)據(jù)傳輸速率通常在幾百bps到幾Kbps之間,能夠覆蓋幾千米到幾十千米的范圍,適用于長距離通信和低速率的物聯(lián)網(wǎng)應用;4G提供廣域覆蓋,可以覆蓋整個城市,甚至更大范圍,可以達到幾百Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率,適用于高速數(shù)據(jù)傳輸和移動設備,不足之處是成本較高,功耗較大;藍牙覆蓋范圍通常在幾米到幾十米之間,提供中等速率的短距離通信,數(shù)據(jù)傳輸速率通常在幾Mbps,適用于短距離通信和低功耗設備。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

在工廠能耗監(jiān)測應用場景下,典型的無線能效監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 典型的無線能效監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

由圖1可以看出,系統(tǒng)架構(gòu)主要分3層,最底層為無線數(shù)據(jù)傳輸從站,包括各車間的傳感器、無線集中器、數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)設備等,主要采用ZigBee、RS-485、LoRa等協(xié)議;中間層為本地監(jiān)控系統(tǒng),包括無線數(shù)據(jù)傳輸主站、工控屏、路由器等,主要采用RS-485、TCP/IP等協(xié)議;頂層為IoT物聯(lián)網(wǎng)云平臺,包括云服務器和大屏等,在Web端進行能耗監(jiān)測頁面功能的展示和呈現(xiàn)。

無線能效監(jiān)測網(wǎng)絡結(jié)合了無線數(shù)字網(wǎng)絡通信技術與工業(yè)傳感檢測技術,其硬件主要包括4部分:監(jiān)測傳感器、無線數(shù)據(jù)集中器、數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)設備和無線網(wǎng)關[2]。圖1中的各類傳感器(如溫度傳感器、電能采集模塊)將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過ZigBee形式傳輸?shù)礁鱾€車間的無線集中器。用戶可以使用手機終端,通過專門的App程序或者使用微信小程序,調(diào)用手機的藍牙通信功能,與無線集中器進行通信,對無線傳感器的必要參數(shù)進行配置。無線數(shù)傳從站以LoRa形式將無線集中器的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心的工控屏,從而把工廠中各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)匯聚到本地監(jiān)控中心。工控屏通過4G無線路由器將數(shù)據(jù)上傳到云平臺進行存儲,依托物聯(lián)網(wǎng)平臺的云計算功能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和邊緣計算,生成各類報表和統(tǒng)計圖表,為工廠決策者提供能耗利用的監(jiān)測情況,為后續(xù)進行能效優(yōu)化措施提供數(shù)據(jù)支撐。

在設備分布分散的場所,特別是進行后續(xù)升級改造的項目中,原有設備安裝布局已經(jīng)成型,無法再進行線路布線,在這種情況下,使用無線通信技術來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式采集和集中匯聚會更加合適。無線通信技術不會對現(xiàn)有布局產(chǎn)生影響,也減少了布線的人力物力成本,可實現(xiàn)項目快速施工落地。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸過程

在本監(jiān)測系統(tǒng)中,現(xiàn)場設備到云服務器距離遠,用中短距離通信技術都無法滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。?G網(wǎng)絡成本較低,可實現(xiàn)50～150 Mb/s的下載和上傳速度,信號穩(wěn)定性好,可提供可靠的網(wǎng)絡連接,網(wǎng)絡延遲較低,用戶發(fā)送請求時,網(wǎng)絡能夠快速響應,減少等待時間。因此,作為數(shù)據(jù)上傳云平臺的通信設備,目前無線路由器采用了4G通信方式。

工控屏作為本地顯示終端,一般放置在監(jiān)控中心,為滿足物聯(lián)平臺接入需求,也應具備云網(wǎng)關功能,通過以太網(wǎng)與上位機通信,為接入云平臺,需要支持MQTT協(xié)議,并且符合平臺的數(shù)據(jù)格式要求。項目實施之后,客戶往往會采用指定的云服務器,而不同客戶的云平臺數(shù)據(jù)格式并不一定是完全相同的,可能會存在一些差異,這就要求工控屏能對上傳的數(shù)據(jù)格式進行靈活編輯。在對工控屏進行選型的過程中不僅要考慮到顯示需求,還需要考慮到客戶平臺的接入技術要求。中距離無線傳輸示意圖如圖2所示。

圖2 中距離無線傳輸示意圖

在工廠能效監(jiān)測的應用環(huán)境中,現(xiàn)場工控屏安裝在本地監(jiān)控中心,與各個車間的距離往往較遠,少則幾十米,多則幾百米,藍牙、ZigBee等無線設備無法實現(xiàn)遠距離可靠通信,而4G網(wǎng)絡的成本相對較高,因此,需要在工控屏與從站設備之間使用LoRa格式的無線數(shù)傳模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,這樣既可以實現(xiàn)中短距離的通信,也不會使項目的設備成本大幅增加。

工控屏通過RS-485總線與無線數(shù)傳主站模塊進行數(shù)據(jù)交互,無線數(shù)傳主站模塊采用LoRa格式通信,傳輸距離很遠,支持多個從站模塊節(jié)點連接,滿足多個設備的通信需求,可以高效傳輸大量的數(shù)據(jù)。無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)一個主站和多個從站的輪詢通信,采用半雙工通信。為避免某一從站應答時對其他從站產(chǎn)生影響,需要將無線接收信道和發(fā)送信道錯開,比如將所有從站的發(fā)送信道設置在430 MHz,而接收信道設置在440 MHz,相應主站的發(fā)送信道設置在440 MHz,主站的接收信道設置在430 MHz。這樣任一從站應答的數(shù)據(jù)就只有主站能收到,而其他從站不會受到這些數(shù)據(jù)的干擾,從而提升了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。

無線數(shù)傳從站模塊就近安裝在各個車間或者辦公場所,通過LoRa信號接收主站的指令,并進行應答。另一端口,無線數(shù)傳從站模塊通過RS-485接口與無線集中器連接,實現(xiàn)現(xiàn)場能耗數(shù)據(jù)的采集傳輸。近距離無線傳輸示意圖如圖3所示。

圖3 近距離無線傳輸示意圖

在本能耗監(jiān)測系統(tǒng)中,無線集中器設備接收現(xiàn)場傳感器和檢測模塊的數(shù)據(jù),與傳感器的距離相對較近,一般在10～100 m,數(shù)據(jù)傳輸頻次高,而傳感器的節(jié)點數(shù)量較大,產(chǎn)品尺寸較小,對無線通信PCB和天線的尺寸有限制?；谶@些特點,需要選取的無線網(wǎng)絡應具有節(jié)點數(shù)量多、網(wǎng)絡組網(wǎng)方便、節(jié)點具有中繼轉(zhuǎn)發(fā)擴展功能、通信穩(wěn)定可靠的特點。選取ZigBee無線技術,利用其自組網(wǎng)能力,可以自動地構(gòu)成一個自組織、自動協(xié)調(diào)的穩(wěn)定網(wǎng)絡,網(wǎng)絡中的節(jié)點都有多條可選通信路徑,網(wǎng)絡具有很好的穩(wěn)定性。而采用2.4 G頻段的ZigBee技術的芯片和天線尺寸較小,占據(jù)空間不大,可以有效避免尺寸的限制問題。綜合來看,由無線集中器和傳感器設備形成ZigBee分布式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡是合適的選擇,既兼顧了傳感器設備的尺寸和安裝要求,成本不高,也可有效提升數(shù)據(jù)通信效率,網(wǎng)絡的自愈能力還能提升通信的穩(wěn)定性。

3 能耗數(shù)據(jù)處理

工廠能耗使用量較大的設備種類較多,在車床、產(chǎn)線、空調(diào)、空壓機、照明等用電較多的設備回路中需要增加電能監(jiān)測模塊,用來監(jiān)測電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)、電度量等能耗數(shù)據(jù)。對這些能耗數(shù)據(jù)進行分析,生成能耗使用報表或者圖表,比較各時段、各區(qū)域、各類型的設備能耗使用情況,可以了解能源使用的趨勢,發(fā)現(xiàn)能源使用的問題和潛在的改進空間,例如能源浪費、高能耗設備、能源利用效率低等問題。后續(xù)可以根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題,制定改進措施,優(yōu)化設備使用方案,提高能源利用效率,改進能源管理等。實施改進措施后,監(jiān)測能耗數(shù)據(jù)的變化,評估改進效果,根據(jù)評估結(jié)果,進行調(diào)整和改進。通過以上步驟,可以對能耗數(shù)據(jù)進行處理分析,并生成相應的改進措施,以減少能源浪費、提高能源利用效率,實現(xiàn)能源的節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展[3]。

基于本文提出的無線能耗監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu),在某工廠搭建了能耗監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)包括無線傳感器、無線集中器、無線數(shù)傳模塊、無線網(wǎng)關等設備。在車間配電箱加裝無線電量傳感器,使用了ZigBee、LoRa、藍牙等無線通信方式,采集了空調(diào)、風機、產(chǎn)線、點焊機等設備的能耗數(shù)據(jù),通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品掌?并在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上呈現(xiàn)。在項目中,卡口式電流傳感器安裝在用電回路的母線排或者電纜上,采用無線網(wǎng)絡傳輸方式,大大降低了施工復雜程度,減少了布線相關的施工成本及材料成本,縮短了施工周期。

應用現(xiàn)場實物照片如圖4所示。云平臺用電量監(jiān)控頁面如圖5所示。

圖4 應用現(xiàn)場實物照片

圖5 云平臺用電量監(jiān)控頁面

經(jīng)用戶近1年的連續(xù)使用,系統(tǒng)可以正常采集相關電量數(shù)據(jù),并在平臺上自動完成數(shù)據(jù)的分析功能,驗證了工廠無線數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)目煽啃约澳芎谋O(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于無線技術的能耗監(jiān)測系統(tǒng),無線傳感器設備的能耗數(shù)據(jù)通過ZigBee信號接入無線集中器,經(jīng)RS-485總線傳輸?shù)綗o線數(shù)傳從站模塊,通過LoRa信號傳輸?shù)綗o線數(shù)傳主站模塊,再經(jīng)工控屏或者DTU將能耗數(shù)據(jù)上傳到云平臺,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)從下到上的全鏈路通信,突破了空間限制,減少了傳統(tǒng)方式中對線纜布設的材料和人工成本,可以實現(xiàn)對工廠應用現(xiàn)場的能耗進行有效的監(jiān)測和管理。