工業互聯網平臺在低壓電器設備中的應用與研究

湯東，吳小東，張人杰，邢晨

(上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海，200063)

關鍵字：低壓電器；工業互聯網平臺；狀態監測；壽命預測；遠程控制

0 引言

根據中國的低壓電器行業標準，在交流電壓小于1.2kV或直流電壓小于1.5kV的電氣回路中，起顯示、控制、保護、通斷等作用的元件或裝置[1]。低壓電器在工業自動化控制系統和配電系統中使用極為廣泛，也是相當重要的原件部分。根據統計，超過百分之八十的電能都是依靠低壓電器進行合理分配后再投入使用的，當增加10000KW的發電設備時，就需要大約60000件電器元件與它配套。因此電器元件的穩定運行會直接關系到低壓供電系統的可靠性。

為了保證低壓供配電系統安全穩定的運行，提高設備維修的經濟性，需要對低壓成套開關設備與工業互聯網平臺相結合，可在云端對電器設備電壓電流、運行狀態、壽命預測等[2]。這樣不但能保證電力用戶電能供應的不間斷，而且能降低企業的維護與檢修成本，保障企業設備穩定運行，提高企業的競爭力。

1 互聯網平臺架構

本文設計的工業互聯網平臺是面向中小企業的低壓電器設備的數據采集平臺。建立是基于各類采集設備和大量數據采集、存儲和分析的服務體系。其中包含邊緣層、基礎設施層、平臺層以及應用層四大核心層級的高效配置的工業互聯網云平臺[3]。如圖1所示。

圖1 工業互聯網平臺體系架構

1.1 邊緣層

在平臺的邊緣層，采用自主研發的云網關，支持Modbus、Ethernet/IP等連接和管理各類海量設備，并通過不同的協議轉換達到大量工業數據的相互聯通和相互控制；并且還可以通過運用邊緣計算（如機理模型在網關層計算和過濾），實現無用數據的剔除、數據計算與緩存等預處理。也可以通過邊緣計算實時分析，減少網絡傳輸的負載和云平臺的計算壓力。

1.2 IaaS

Infrastructure-as-a-Service（基礎設施即服務）主要提供基本的計算、存儲、網絡等物理資源，提供基礎的資源服務能力，作為工業互聯網平臺的運行基礎。本平臺的IaaS層采用比格云服務器，數據采用分布式存儲。包括計算管理、存儲管理、網絡管理、虛擬化管理等功能。

1.3 PaaS

Platform-as-a-Service（平臺即服務）是網上提供各種開發和分發應用的解決方案，比如虛擬服務器和操作系統[4]。這樣的好處是節省購買硬件的費用，同時也讓不同區域的工作室之間合作變得更加容易。網頁應用的設計與管理、以及虛擬主機的存儲與安全均需要在PaaS層完成。

本平臺是在通用PaaS架構上進行基于Kubernetes技術[5]二次開發，用于構建該平臺的應用開發環境及相關的自動化部署，通過使用微服務組件和機理模型，幫助客戶更快搭建場景框架和定制云組態場景。平臺層是核心。

1.4 SaaS

Software-as-a-Service(軟件即服務)層包含支撐中小企業對于其上云設備以及數據的相關管理功能。通過平臺的工業機理模型、微服務組件等，形成針對低壓電器設備及相關參數采集器的數字化解決方案。利用云組態提供云化的組態場景，圍繞實時監控、運行管理、能源管理、安全管理、經營管理等建立組態場景，構建面向電器設備的云平臺。應用層是關鍵。

2 基于工業互聯網的電器設備數據采集平臺實現

2.1 數據采集平臺設備層的實現

隨著國內工業4.0的迅速發展，工業以太網技術憑借著其穩定可靠、通信速率高、配置簡便、費用低廉、軟硬件產品豐富、兼容性強以及成熟的技術等優點，早已經是各類通信網絡中最受歡迎之一。目前國際上最流行的工業以太網協議有如下4 種 ：Ethernet/IP、ProfNet、 Modbus TCP/IP、HSE[6]。本文后面會以Modbus TCP為例搭建現場設備數據采集系統。

系統總體結構如圖2所示，對與低壓電器設備可以通過智能電表以及智能采集器得到電器設備電壓電流等參數。實施監視電器設備的運行參數是否健康。對于電氣回路中的智能電器設備例如萬能式斷路器、變頻器等支持通訊的電器設備，可以直接接入網路中并將參數上傳至云端?，F場通過安裝各類傳感器如溫度傳感器、濕度傳感器、振動傳感器等。用于監視電器設備的運行環境及抖動的狀態。如果有需要平臺也可以接入現場控制器如PLC、智能控制器等重要數據實時傳送至云端。

圖2 系統總體結構

2.2 數據采集平臺網絡層的實現

在平臺層通過建立網關、設備、采集器和云組態搭建一個完整的網絡層數據采集結構。云網關設備接入云平臺的注冊機制采用自定義SN號+32位UUID作為連接字符串完成服務端權限認證[7]。以網關為基礎建立下屬設備和采集器。對網關、電器柜和相關設備（如傳感器、變頻器、斷路器等）賦予唯一的SN，以SN為識別符建其關聯起來。

圖3 網絡層結構

然后需要對同類型的信息采集裝置建立參數模板，同樣以Modbus為例建立參數模板。首先需要遵循Modbus的通用報文規則（如圖2-3）配置報文。并設置好從站地址、波特率、串行數據格式、采集頻率和超時時間等常規參數。通過設置報文采集的數據地址和長度來讀取所需的電器設備相關參數。由于電器設備存在一定的相似性和通用性。故對于同類型的電器設備可以配置一套參數模板，在使用中只需要多次調用該參數模板，而后改變常規參數即可。這樣避免了重復配置相同報文的繁瑣工作。如圖2-2所示的情況，就只需要配置一套傳感器么、變頻器和斷路器的參數模板即可。

對于我們采集到平臺的數據可以采用云組態來展示[8]，本項目開發的云組態工具包含了常規組態中的各個模塊：組件模塊、頁面模塊、組件配置模塊、數據綁定模塊以及發布場景。區別于本地組態場景，如需更改組態畫面，不需要安裝組態軟件，更不需要去現場進行更改。只需要通過瀏覽器登錄平臺即可在線監視和更改。此組態工具還專門開發了FFT振動數據顯示組件，用來檢測電器設備工作中振動的情況，加入機理模型運算，用來判斷電器設備的是否發生故障。也可以將同類型的電器設備的振動數據上傳至大數據，通過機器學習來預測電器設備發生故障的概率，為電器設備的良好運行提供保障。

圖4 Modbus RTU 報文幀

圖5 云組態畫面

3 工業互聯網平臺對低壓電器設備的意義

3.1 狀態監測

狀態監測可以通過溫度傳感器監測電器設備運行的環境溫濕度，溫升和相對濕度是影響配電柜等電器設備正常使用壽命的關鍵因素之一。通過檢測電器設備以及環境的溫濕度并設置報警閾值及時提醒相關人員注意維護電器設備和環境可以一定程度上延長電器設備的使用壽命。

另外可以采集電器設備的振動值，利用前面提到的FFT組件來顯示電器設備的振動狀態，根據噪音及振動結合機理模型來評估該電器設備是否處于健康狀態[9]。也可以利用電壓、電流互感器采集電器設備進出電壓、電流值。運用配電網低壓預警方法[10]對電器柜電壓進行預警。甚至接入一些PLC、變頻器和智能控制器的相關參數和報警信息。通過云平臺就可以監測電器設備是否工作正常。也可以及時推送報警，報警信息推送至平臺的同時也可以將信息推送給工作人員或電器設備供應商，以便及時更換和維修故障的電器設備。

對于電器設備處于比較艱苦的環境中，例如鍋爐廠、化學制藥廠等。為了保證生產設備的正常工作，工作人員需要定時記錄相關設備參數。如果將本地組態的部分信息同時上傳至云組態。這樣一方面更方便快捷的獲取設備參數，另一方面也可以將重要參數記錄至云存儲中保證數據的可追溯性。對于諸如消防電器的重要設備，可以實時監測電氣控制柜的供電狀態等保證關鍵設備的正常運行。

3.2 壽命預測

我們知道開關型電器設備受機械壽命和電氣壽命的影響。機械壽命：不帶電循環分合操作，至斷路器操作機構損壞的操作次數為機械壽命；電氣壽命是在額定電壓和額定電流狀態下分合操作，分斷能力達不到要求的操作次數為電氣壽命。那么平臺可以記錄接觸器、繼電器等開關型設備的通斷次數，同時采集電器設備的工作電壓、電流，通過機理模型運算以及大數據分析，提前告訴工作人員哪些電器設備需要更換。避免突然發現故障影響電氣回路的正常運行。

同時可以在機理模型中利用威布爾分布模型估算法預測電器設備的剩余壽命[11]。該模型是瑞典科學家Waloddi Weibull研究出的，并以他的名字命名。威布爾（Weibull）分布模型于1951年被提出。威布爾分布模型是一個包括了位置參數γ、尺度參數η和形狀參數β的壽命預測模型。從該模型提出以來，通過多年的研究與實踐后，由于威布爾分布模型是可靠性逐漸的提高，現在該模型已經成為工程領域中極為重要的分布模型之一，特別是在電氣設備、機械設備電以及子器件的可靠性評估中應用極為廣泛，并且取得了顯著的成就。

根據該模型能夠估算出工作時間為t的設備，在可靠度R的條件下的剩余壽命值x；反之也能估算出工作時間為t的低壓電器開關設備，在達到剩余壽命為x的時候的可靠度R。在實際應用中，可以在依據預測剩余壽命或者可靠度的同時，再結合低壓成套開關設備的實際運行狀況制定設備維護、檢修周期和標準，再將該標準應用早電器設備的檢修計劃當中。這樣就可以保證設備的正常運行的同時，還降低運維成本，提高設備維修的經濟性。

3.3 遠程控制

遠程控制最大的問題在于控制過程中無法及時得知現在設備的現狀，控制的同時不能保證人員以及設備的安全。但隨著5G時代的慢慢到來。其高數據速率、減少延遲、高系統容量的性能。結合互聯網平臺的視頻組件以及視覺識別技術以及各類傳感器設備的配合，就可以在保證設備安全的情況下實現遠程控制。無論手機還是電腦都可以輕松實現遠程控制，對于工作周期性明顯的電器設備，可以利用平臺的“時間表管理”功能設定設備的啟停時間段，便可以實現設備的全自動化工作。節約能耗的同時也節約了人工成本。

4 結語

綜上可以看出工業互聯網平臺在遠程感測、實時監測、數據分析和遠程控制等功能下，能夠有效地降低運維成本，保障電器設備的正常運行。在物理層實現物理網關的和傳感器及電器設備的部署;在網絡層建立參數模板和引入機理模型計算，實現數據平臺的實時監測和電器設備的壽命預測。體現了工業互聯網平臺對低壓電器安全穩定運行的作用。未來基于該平臺的開放性和5G時代的到來，實現機器學習算法在監測電器設備的應用，并用于遠程診斷電器設備狀態。工業互聯網平臺將為低壓電器走向網絡化、可控化、互動化的方向發展打下堅實的基礎。