浅析基于工业网络技术的设备电能监控系统

  摘要: 针对制造业智能制造升级改造过程中，设备电能监控管理的需求，提出一种基于工业互联网理念的设备电能监控系统的架构体系，研究系统的网络架构以及平台架构，进行电能监测，系统功能、系统界面的设计与开发。该系统采用智能电表监测设备的电能参数，通过数据采集平台把电表的 Modbus 协议转换成MOTT协议，并上传到云平台。在某工厂实际场景下，进行系统的安装部署及应用，实现设备电能参数的实时采集、监控与统计分析，实现该工厂的设备、产线、车间用电的*确计量，提高了设备用电统计分析效率，有效地支撑了工厂电能管理、用电优化，提高机器生产效率。该系统具有建设成本低、容易实现、运行可靠利于复制推广的优点，可以基于工业网络站点平台积累数据，进一步挖掘分析，构建能耗优化模型，实现工厂电能的智能管理。

  在我国的能源消耗中，企业是能源消耗的大户，企业能源消耗量占全国能源消耗总量的70%左右。电能消耗，是公司制作的主要成本，降低用电成本，是生产的全部过程的主要关注点之一。建设一个集中统一的工厂电能监控系统，已成为近年研究的热点。通过获取机器详细用电数据，电能监控系统可实现对生产设备电能的集中采集、监控、计算、分析及处理，以直观的数据和图表向管理人员或者决策层展示设备能耗情况，便于找出高耗能点和不合理的耗能习惯，有利于电能消耗的*确分析与优化，有效节约能源，从而在企业能源平衡、调度与优化、设备正常运行与能源管理等方面发挥重要作用。

  近年来工业互联网发展日趋成熟，它融合了先进制造技术和互联网、云计算、物联网、大数据等信息技术，是一种新型的网络化制造服务模式，是工业互联的信息*枢，是制造业与互联网融合的新型基础设施在智慧工厂建设或企业智能制造升级改造中，工业互联网正逐步应用于设备管理、生产的全部过程控制、供应链管理安环管理!3-61等环节。本文将工业互联网的设计理念应用于设备电能监控系统，研究了基于工业互联网的工厂设备电能监控系统的架构体系，设计与开发了该系统，并在实际工厂中开展应用，实现了工厂设备电能的实时采集监控及处理与分析，有效地支撑了设备电能优化应用，优化生产计划，提高生产效率、机器效能，降低用电成本。

  该系统的网络构架如图1所示，由设备监控网、车间局域网、企业级网络组成。设备监控网主要负责设备层级联网，是指现场总线、工业以太网、Loral/WiFi/5G等设备层级局域网;车间局域网一般是以太网、光纤通信网或5G专网构建的车间级的监控网络；公司制作网是为企业生产与办公设计的以太网或光纤通信网。

  在*点高耗能设备上安装智能电表，在车间或产线侧部署数据采集终端，采集电表中的电能参数并发送至云端，云平台接收设施电能数据后，做处理、存储与展示分析。

  基于工业互联网架构设计理念17-201设计的电能监控系统平台架构如图2所示，分别由边缘层、基础设施层(IaaS)、工业平台层(PaaS)、工业应用层 (SaaS) 及工业安全防护模块组成。

  边缘层面向工厂设备、传感器接入与数据采集而设计，在能源监控管理系统中，主要负责接入各类能源消耗相关传感器和仪表并采集数据。

  IaaS层是虚拟化的计算、存储、网络基础设施资源能够最终靠 OpenStack、VMware 等软件自行搭建，或者选用华为云、阿里云等商业云搭建。

  PaaS层主要包含中间件、通用PaaS平台、工业建模和数据分析、应用开发、工业微服务库等模块。其中中间件提供电表接入、数据接收、预处理及存储服务通用PaaS平台模块提供基础资源的管理与运维能力;工业建模和数据分析模块提供电能模型、设备建模、工厂建模等的建模与分析能力;应用开发与工业微服务库模块提供平台工具支撑系统的开发、运行与管理。

  SaaS层为微服务化部署的设备电能监测、产线电能监控、能耗预警、电能统计分析、电能对比分析、能耗优化分析等应用，支撑工厂电能全要素、多维度的监控实现数据驱动的分析改善，助力电能管理优化。

  工厂中用电消耗关注点主要为高能耗的设备、产线车间，通用辅助设备、设施及工厂等。首先需对工厂全域进行电能监测点的统计。某工厂电能监测点统计示例如表1所示。

  工厂设备常用380 V三相电，考虑设备电能监测需要高精度、高质量、安全可靠和经济实惠，且外形紧凑具备通信接口，易于安装的需求，本文选择安科瑞三相电能表ACR230ELH/ACR330ELH进行设备的电能监测它是针对电力系统、工矿企业、公共设施等的电能监控需求而设计的，符合 Class 0.5S/Class 1精度标准，具有三相交流有功功率、无功功率和视在功率测量与显示具有 RS485 通信接口(Modbus RTU协议)，可用于供电质量的综合监控诊断以及电能管理。

  首先，通过串口服务器USR-N580-H7 连接智能电表，实现RS485-以太网接口转换，将电表接入设备监控网中。然后，采用工业网关、SCADA或数据采集软件实现电表参数的采集。由于电表的通信协议为 ModbusRTU，其协议栈简单，考虑低成本、自主可控因素，本文利用自行开发数据采集平台，进行设备的电能采集。

  电能监控系统的功能框图如图3所示。系统主要实现数据采集与处理、系统建模、数据展示与分析、能耗预警、权限控制等功能.

  (1) 数据采集与处理。在各用电计量节点及重要耗电设备的配电柜荃癌傲惫斑艾挨卑啊奔耙豹爱豹拆毙滁胺班苞袄奔榜苞堡报内安装智能电表，进行电能参数的监测，利用边缘侧的数据采集平台把电能参数发送到云端，云端中间件接收电能参数数据，进行数据的解析、处理与存储。

  (2)系统建模。系统建模包括工厂建模和设备建模工厂建模是指根据实施规划，进行工厂的实体建模，配置好工序、车间、工厂、基地、集团等关系，并按照管理要求构建用电成本中心;设备建模是指创建设备类型设备属性、设备配置，并实例化现场设备，包括:智能仪表、车间配电柜、网络设备等。

  (3) 数据展示与分析。能源图表以所建模型为原型将相关点设备数据及实时电能参数在模型上打点，显示实时采集数据值和电能流向，并以颜色差异提供初步状态提示，能按产线、按区域、按设备类型、按时段展示与分析，查询设备的实时电能参数与状态、历史数据数据曲线，生成分析报表等。

  (4)能耗预警。设置系统中的报警类型以及报警之后对应的应对措施。当设备发生能耗异常报警，以短信微信、邮件、页面消息等方式通知到对应的责任人。

  (5) 权限控制。主要是部门、角色、用户、菜单的系统账号及账号的权限管理。

  系统通过监控界面进行数据展示与分析，设备电能监控界面如图4所示，主要实现设备、产线、车间的电能参数的实时监控与展示。

  以一台 (套)机器的能耗作为分析对象，依据机器的性能及技术参数，结合生产运行数据，对机器的电能数据建模计算分析，以可视化的图表，展示机器的性能及生产运行是否经济、高效，生成计划、维护、维修建议，让机器保持高效运行。设备电能统计及趋势变化分析界面如图5所示。

  系统能实现以时间为维度，查询与展示生产和非生产时段的设备、产线、车间的耗能情况及趋势，可以有效的进行电能数据分析、统计，可以展开厂区、车间、产线能耗同比、环比、量化对比分析。厂区、车间、产线所示。

  通过统计分析，整体把握工厂能耗情况，并与上一周、月或年的数据做横向对比，可结合产量，将能耗预分配到一个单位的产品耗能上。在此基础上细分，可下分到产线、班组、工位等。以此可分析出企业整体耗能情况，*点耗能区域，做总体量化自身趋势变化分析。根据不同的方式和算法做多元化的分析处理，挖掘出其中的某种规律并给出节能优化建议，提供给管理人员作为参考决策实现工厂电能的优化管理。

  在某工厂现场实际设备的控制柜中安装电流互感器与智能电表。通过安装电流互感器感应回路中电流的大小，智能电表与电流互感器连接，进行回路电流、电压、功率、电耗等电能参数的监测，来获取车间、产线、机器的电能参数。

  智能电表配置参数:协议ModbusRTU，波特率9600停止位1位，偶检验;串口服务器USR-N580-H7的配置参数是通信方式设置为双向透明传输，其他参数设置与智能电表相同:参数配置完成后，需要给智能电表串口服务器重新上电，实现重启。

  某工厂中实际场景下部署的设备电能数据采集平台如图7所示。系统实现了 75台智能电表的电能参数监测与采集，并以MOTT协议把采集到的电能参数上传云端。

  电能监控系统实际应用中的 WEB 界面(部分截图) 如图8所示。实现设备电能参数的实时采集、监控与统计分析，实现该工厂的设备、产线、车间用电的*确计量。

  在该工厂的实际应用中，通过设备电能监控系统实现了设备电能数据统计分析效率提高 300%，有效地支撑了工厂电能管理、用电优化。结合设备生产运行数据系统以可视化的图表展示机器的性能及生产运行是否经济、高效，为生产计划、设备维护、维修提供相关建议，提高机器生产效率。

  用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容最重要的包含：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

  安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况做细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节约能源改造或设备升级提供准确的数据支撑。

  系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运作时的状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

  系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户都能够自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。

  在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并能查看24小时相电流趋势曲线小时电压趋势曲线）运行报表

  系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户都能够根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还能够准确的通过用户要求导出PDF格式文件。

  本文研究了一种基于工业网络站点平台架构体系的设备电能监控系统，进行了系统功能、架构、电能监测以及用户交互界面的设计与开发，并在实际工厂中落地应用，实现了工厂设备电能的实时采集、电能监控、设备用电统计分析，以及厂区、车间、产线的多维度能耗对比分析，有效地支撑了设备电能优化应用，优化生产计划，提高生产效率、机器效能，降低用电成本。该系统具有建设成本低、容易实现、运行可靠、利于复制推厂的优点。利用工业网络站点平台，可以积累数据，进一步挖掘分析，构建能耗优化模型，实现工厂电能的智能管理。未来系统进一步扩展，可建成工厂的水、电、汽、热等全要素能源智慧管理系统。