基于工業互聯網的設備電能監控系統*

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，企業是能源消耗的大戶，企業能源消耗量占全國能源消耗總量的70%左右。電能消耗，是企業生產的主要成本，降低用電成本，是生產過程的主要關注點之一。建設一個集中統一的工廠電能監控系統，已成為近年研究的熱點[1-10]。通過獲取機器詳細用電數據，電能監控系統可實現對生產設備電能的集中采集、監控、計算、分析及處理，以直觀的數據和圖表向管理人員或者決策層展示設備能耗情況，便于找出高耗能點和不合理的耗能習慣，有利于電能消耗的精確分析與優化，有效節約能源，從而在企業能源平衡、調度與優化、設備運行與能源管理等方面發揮重要作用。

近年來工業互聯網發展日趨成熟，它融合了先進制造技術以及互聯網、云計算、物聯網、大數據等信息技術，是一種新型的網絡化制造服務模式[11-12]，是工業互聯的信息中樞，是制造業與互聯網融合的新型基礎設施。在智慧工廠建設或企業智能制造升級改造中，工業互聯網正逐步應用于設備管理、生產過程控制、供應鏈管理、安環管理[13-16]等環節。本文將工業互聯網的設計理念應用于設備電能監控系統，研究了基于工業互聯網的工廠設備電能監控系統的架構體系，設計與開發了該系統，并在實際工廠中開展應用，實現了工廠設備電能的實時采集、監控及處理與分析，有效地支撐了設備電能優化應用，優化生產計劃，提高生產效率、機器效能，降低用電成本。

1 架構設計

1.1 網絡架構

該系統的網絡構架如圖1 所示，由設備監控網、車間局域網、企業級網絡組成。設備監控網主要負責設備層級聯網，是指現場總線、工業以太網、Loral∕WiFi∕5G等設備層級局域網；車間局域網一般是以太網、光纖通信網或5G專網構建的車間級的監控網絡；企業生產網是為企業生產與辦公設計的以太網或光纖通信網。

圖1 系統網絡架構

在重點高耗能設備上安裝智能電表，在車間或產線側部署數據采集終端，采集電表中的電能參數并發送至云端，云平臺接收設備電能數據后，進行處理、存儲與展示分析。

1.2 基于工業互聯網的系統平臺架構

基于工業互聯網架構設計理念[17-20]設計的電能監控系統平臺架構如圖2 所示，分別由邊緣層、基礎設施層（IaaS）、工業平臺層（PaaS）、工業應用層（SaaS）及工業安全防護模塊組成。

圖2 基于工業互聯網的系統平臺架構

邊緣層面向工廠設備、傳感器接入與數據采集而設計，在能源監控管理系統中，主要負責接入各類能源消耗相關傳感器和儀表并采集數據。

IaaS層是虛擬化的計算、存儲、網絡基礎設施資源，可以通過OpenStack、VMware 等軟件自行搭建，或者選用華為云、阿里云等商業云搭建。

PaaS 層主要包含中間件、通用PaaS 平臺、工業建模和數據分析、應用開發、工業微服務庫等模塊。其中，中間件提供電表接入、數據接收、預處理及存儲服務；通用PaaS 平臺模塊提供基礎資源的管理與運維能力；工業建模和數據分析模塊提供電能模型、設備建模、工廠建模等的建模與分析能力；應用開發與工業微服務庫模塊提供平臺工具支撐系統的開發、運行與管理。

SaaS 層為微服務化部署的設備電能監測、產線電能監控、能耗預警、電能統計分析、電能對比分析、能耗優化分析等應用，支撐工廠電能全要素、多維度的監控，實現數據驅動的分析改善，助力電能管理優化。

2 電能監測

2.1 電能監測點

工廠中用電消耗關注點主要為高能耗的設備、產線、車間，通用輔助設備、設施及工廠等。首先需對工廠全域進行電能監測點的統計。某工廠電能監測點統計示例如表1所示。

表1 電能監測點統計示例

2.2 智能電表選擇

工廠設備常用380 V 三相電，考慮設備電能監測需要高精度、高質量、安全可靠和經濟實惠，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 進行設備的電能監測。它是針對電力系統、工礦企業、公共設施等的電能監控需求而設計的，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 協議），可用于供電質量的綜合監控診斷以及電能管理。

2.3 電能數據采集

首先，通過串口服務器USR-N580-H7 連接智能電表，實現RS485-以太網接口轉換，將電表接入設備監控網中。然后，采用工業網關、SCADA 或數據采集軟件實現電表參數的采集。由于電表的通信協議為Modbus RTU，其協議棧簡單，考慮低成本、自主可控因素，本文利用自行開發數據采集平臺，進行設備的電能采集。

【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，但該項目業主仍決定繼續推進該項目，繼續在沃格特勒建設兩臺AP1000機組。

3 系統設計

3.1 系統功能設計

電能監控系統的功能框圖如圖3 所示。系統主要實現數據采集與處理、系統建模、數據展示與分析、能耗預警、權限控制等功能。

圖3 系統功能框圖

（1）數據采集與處理。在各用電計量節點及重要耗電設備的配電柜或控制柜內安裝智能電表，進行電能參數的監測，利用邊緣側的數據采集平臺把電能參數發送到云端，云端中間件接收電能參數數據，進行數據的解析、處理與存儲。

（2）系統建模。系統建模包括工廠建模和設備建模。工廠建模是指根據實施規劃，進行工廠的實體建模，配置好工序、車間、工廠、基地、集團等關系，并按照管理要求構建用電成本中心；設備建模是指創建設備類型、設備屬性、設備配置，并實例化現場設備，包括：智能儀表、車間配電柜、網絡設備等。

（3）數據展示與分析。能源圖表以所建模型為原型，將相關點設備數據及實時電能參數在模型上打點，顯示實時采集數據值和電能流向，并以顏色差異提供初步狀態提示，能按產線、按區域、按設備類型、按時段展示與分析，查詢設備的實時電能參數與狀態、歷史數據、數據曲線，生成分析報表等。

（4）能耗預警。設置系統中的報警類型以及報警之后對應的應對措施。當設備發生能耗異常報警，以短信、微信、郵件、頁面消息等方式通知到對應的責任人。

（5）權限控制。主要是部門、角色、用戶、菜單的系統賬號及賬號的權限管理。

3.2 系統界面設計

（1）設備電能監控界面

系統通過監控界面進行數據展示與分析，設備電能監控界面如圖4 所示，主要實現設備、產線、車間的電能參數的實時監控與展示。

圖4 設備電能監控界面

（2）設備電能統計及趨勢分析界面

以一臺（套）機器的能耗作為分析對象，依據機器的性能及技術參數，結合生產運行數據，對機器的電能數據建模計算分析，以可視化的圖表，展示機器的性能及生產運行是否經濟、高效，生成計劃、維護、維修建議，讓機器保持高效運行。設備電能統計及趨勢分析界面如圖5所示。

圖5 設備電能統計及趨勢分析界面

（3）廠區∕車間∕產線能耗對比分析界面

系統能實現以時間為維度，查詢與展示生產和非生產時段的設備、產線、車間的耗能情況以及趨勢，能夠進行電能數據分析、統計，可以展開廠區、車間、產線能耗同比、環比、量化對比分析。廠區、車間、產線能耗對比分析界面如圖6所示。

通過統計分析，整體把握工廠能耗情況，并與上一周、月或年的數據做橫向對比，可結合產量，將能耗預分配到一個單位的產品耗能上。在此基礎上細分，可下分到產線、班組、工位等。以此可分析出企業整體耗能情況，重點耗能區域，做總體量化自身趨勢分析。根據不同的方式和算法進行分析處理，挖掘出其中的某種規律并給出節能優化建議，提供給管理人員作為參考決策，實現工廠電能的優化管理。

4 系統實施

4.1 智能電表安裝部署

在某工廠現場實際設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、電耗等電能參數的監測，來獲取車間、產線、機器的電能參數。

4.2 系統配置

智能電表配置參數：協議ModbusRTU，波特率9 600，停止位1 位，偶檢驗；串口服務器USR-N580-H7 的配置參數是通信方式設置為雙向透明傳輸，其他參數設置與智能電表相同；參數配置完成后，需要給智能電表、串口服務器重新上電，實現重啟。

4.3 系統具體應用

某工廠中實際場景下部署的設備電能數據采集平臺如圖7 所示。系統實現了75 臺智能電表的電能參數監測與采集，并以MQTT協議把采集到的電能參數上傳云端。

圖7 電能數據實時采集

電能監控系統實際應用中的WEB 界面（部分截圖）如圖8 所示。實現設備電能參數的實時采集、監控與統計分析，實現該工廠的設備、產線、車間用電的精確計量。

圖8 電能監控系統應用界面（部分截圖）

在該工廠的實際應用中，通過設備電能監控系統實現了設備電能數據統計分析效率提高300%，有效地支撐了工廠電能管理、用電優化。結合設備生產運行數據，系統以可視化的圖表展示機器的性能及生產運行是否經濟、高效，為生產計劃、設備維護、維修提供建議，提高機器生產效率。

5 結束語

本文研究了一種基于工業互聯網平臺架構體系的設備電能監控系統，進行了系統功能、架構、電能監測以及用戶交互界面的設計與開發，并在實際工廠中落地應用，實現了工廠設備電能的實時采集、電能監控、設備用電統計分析，以及廠區、車間、產線的多維度能耗對比分析，有效地支撐了設備電能優化應用，優化生產計劃，提高生產效率、機器效能，降低用電成本。該系統具有建設成本低、容易實現、運行可靠、利于復制推廣的優點。利用工業互聯網平臺，可以積累數據，進一步挖掘分析，構建能耗優化模型，實現工廠電能的智能管理。未來系統進一步擴展，可建成工廠的水、電、汽、熱等全要素能源智慧管理系統。