淺析基於工業互聯網技術的設備電能監控係統

hth下载地址 陳聰

摘要: 針對製造業(ye) 智能製造升級改造過程中，設備電能監控管理的需求，提出一種基於(yu) 工業(ye) 互聯網理念的設備電能監控係統的架構體(ti) 係，研究係統的網絡架構以及平台架構，進行電能監測，係統功能、係統界麵的設計與(yu) 開發。該係統采用智能電表監測設備的電能參數，通過數據采集平台把電表的 Modbus 協議轉換成MOTT協議，並上傳(chuan) 到雲(yun) 平台。在某工廠實際場景下，進行係統的安裝部署及應用，實現設備電能參數的實時采集、監控與(yu) 統計分析，實現該工廠的設備、產(chan) 線、車間用電的*確計量，提高了設備用電統計分析效率，有效地支撐了工廠電能管理、用電優(you) 化，提高機器生產(chan) 效率。該係統具有建設成本低、容易實現、運行可靠利於(yu) 複製推廣的優(you) 點，可以基於(yu) 工業(ye) 互聯網平台積累數據，進一步挖掘分析，構建能耗優(you) 化模型，實現工廠電能的智能管理。

關(guan) 鍵詞: 電能監控；工業(ye) 互聯網；電能管理；能源管理；雲(yun) 平台；工業(ye) 互聯網平台

0引言

在我國的能源消耗中，企業(ye) 是能源消耗的大戶，企業(ye) 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(ye) 生產(chan) 的主要成本，降低用電成本，是生產(chan) 過程的主要關(guan) 注點之一。建設一個(ge) 集中統一的工廠電能監控係統，已成為(wei) 近年研究的熱點。通過獲取機器詳細用電數據，電能監控係統可實現對生產(chan) 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(jue) 策層展示設備能耗情況，便於(yu) 找出高耗能點和不合理的耗能習(xi) 慣，有利於(yu) 電能消耗的*確分析與(yu) 優(you) 化，有效節約能源，從(cong) 而在企業(ye) 能源平衡、調度與(yu) 優(you) 化、設備運行與(yu) 能源管理等方麵發揮重要作用。

近年來工業(ye) 互聯網發展日趨成熟，它融合了製造技術以及互聯網、雲(yun) 計算、物聯網、大數據等信息技術，是一種新型的網絡化製造服務模式，是工業(ye) 互聯的信息*樞，是製造業(ye) 與(yu) 互聯網融合的新型基礎設施在智慧工廠建設或企業(ye) 智能製造升級改造中，工業(ye) 互聯網正逐步應用於(yu) 設備管理、生產(chan) 過程控製、供應鏈管理安環管理!3-61等環節。本文將工業(ye) 互聯網的設計理念應用於(yu) 設備電能監控係統，研究了基於(yu) 工業(ye) 互聯網的工廠設備電能監控係統的架構體(ti) 係，設計與(yu) 開發了該係統，並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(yu) 分析，有效地支撐了設備電能優(you) 化應用，優(you) 化生產(chan) 計劃，提高生產(chan) 效率、機器效能，降低用電成本。

1 架構設計

1.1 網絡架構

該係統的網絡構架如圖1所示，由設備監控網、車間局域網、企業(ye) 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(ye) 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(zhuan) 網構建的車間級的監控網絡；企業(ye) 生產(chan) 網是為(wei) 企業(ye) 生產(chan) 與(yu) 辦公設計的以太網或光纖通信網。

在*點高耗能設備上安裝智能電表，在車間或產(chan) 線側(ce) 部署數據采集終端，采集電表中的電能參數並發送至雲(yun) 端，雲(yun) 平台接收設備電能數據後，進行處理、存儲(chu) 與(yu) 展示分析。

1.2 基於(yu) 工業(ye) 互聯網的係統平台架構

基於(yu) 工業(ye) 互聯網架構設計理念17-201設計的電能監控係統平台架構如圖2所示，分別由邊緣層、基礎設施層(IaaS)、工業(ye) 平台層(PaaS)、工業(ye) 應用層 (SaaS) 及工業(ye) 安全防護模塊組成。

邊緣層麵向工廠設備、傳(chuan) 感器接入與(yu) 數據采集而設計，在能源監控管理係統中，主要負責接入各類能源消耗相關(guan) 傳(chuan) 感器和儀(yi) 表並采集數據。

IaaS層是虛擬化的計算、存儲(chu) 、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(wei) 雲(yun) 、阿裏雲(yun) 等商業(ye) 雲(yun) 搭建。

PaaS層主要包含中間件、通用PaaS平台、工業(ye) 建模和數據分析、應用開發、工業(ye) 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(chu) 服務通用PaaS平台模塊提供基礎資源的管理與(yu) 運維能力;工業(ye) 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(yu) 分析能力;應用開發與(yu) 工業(ye) 微服務庫模塊提供平台工具支撐係統的開發、運行與(yu) 管理。

SaaS層為(wei) 微服務化部署的設備電能監測、產(chan) 線電能監控、能耗預警、電能統計分析、電能對比分析、能耗優(you) 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(you) 化。

2 電能監測

2.1 電能監測點

工廠中用電消耗關(guan) 注點主要為(wei) 高能耗的設備、產(chan) 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。

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，易於(yu) 安裝的需求，本文選擇hth下载地址三相電能表ACR230ELH/ACR330ELH進行設備的電能監測它是針對電力係統、工礦企業(ye) 、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(yu) 顯示具有 RS485 通信接口(Modbus RTU協議)，可用於(yu) 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。然後，采用工業(ye) 網關(guan) 、SCADA或數據采集軟件實現電表參數的采集。由於(yu) 電表的通信協議為(wei) ModbusRTU，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台，進行設備的電能采集。

3 係統設計

3.1 係統功能設計

電能監控係統的功能框圖如圖3所示。係統主要實現數據采集與(yu) 處理、係統建模、數據展示與(yu) 分析、能耗預警、權限控製等功能.

(1) 數據采集與(yu) 處理。在各用電計量節點及重要耗電設備的配電櫃荃癌傲憊斑艾挨卑啊奔耙豹愛豹拆斃滁胺班苞襖奔榜苞堡報內(nei) 安裝智能電表，進行電能參數的監測，利用邊緣側(ce) 的數據采集平台把電能參數發送到雲(yun) 端，雲(yun) 端中間件接收電能參數數據，進行數據的解析、處理與(yu) 存儲(chu) 。

(2)係統建模。係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(ti) 建模，配置好工序、車間、工廠、基地、集團等關(guan) 係，並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，並實例化現場設備，包括:智能儀(yi) 表、車間配電櫃、網絡設備等。

(3) 數據展示與(yu) 分析。能源圖表以所建模型為(wei) 原型將相關(guan) 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，並以顏色差異提供初步狀態提示，能按產(chan) 線、按區域、按設備類型、按時段展示與(yu) 分析，查詢設備的實時電能參數與(yu) 狀態、曆史數據數據曲線，生成分析報表等。

(4)能耗預警。設置係統中的報警類型以及報警之後對應的應對措施。當設備發生能耗異常報警，以短信微信、郵件、頁麵消息等方式通知到對應的責任人。

(5) 權限控製。主要是部門、角色、用戶、菜單的係統賬號及賬號的權限管理。

3.2 係統界麵設計

(1)設備電能監控界麵

係統通過監控界麵進行數據展示與(yu) 分析，設備電能監控界麵如圖4所示，主要實現設備、產(chan) 線、車間的電能參數的實時監控與(yu) 展示。

(2)設備電能統計及趨勢分析界麵

以一台 (套)機器的能耗作為(wei) 分析對象，依據機器的性能及技術參數，結合生產(chan) 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(chan) 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麵如圖5所示。

(3)廠區/車間/產(chan) 線能耗對比分析界麵

係統能實現以時間為(wei) 維度，查詢與(yu) 展示生產(chan) 和非生產(chan) 時段的設備、產(chan) 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(chan) 線能耗同比、環比、量化對比分析。廠區、車間、產(chan) 線能耗對比分析界麵如圖6所示。

通過統計分析，整體(ti) 把握工廠能耗情況，並與(yu) 上一周、月或年的數據做橫向對比，可結合產(chan) 量，將能耗預分配到一個(ge) 單位的產(chan) 品耗能上。在此基礎上細分，可下分到產(chan) 線、班組、工位等。以此可分析出企業(ye) 整體(ti) 耗能情況，*點耗能區域，做總體(ti) 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並給出節能優(you) 化建議，提供給管理人員作為(wei) 參考決(jue) 策實現工廠電能的優(you) 化管理。

4係統實施

4.1智能電表安裝部署

在某工廠現場實際設備的控製櫃中安裝電流互感器與(yu) 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(yu) 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(chan) 線、機器的電能參數。

4.2係統配置

智能電表配置參數:協議ModbusRTU，波特率9600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(wei) 雙向透明傳(chuan) 輸，其他參數設置與(yu) 智能電表相同:參數配置完成後，需要給智能電表串口服務器重新上電，實現重啟。

4.3係統具體(ti) 應用

某工廠中實際場景下部署的設備電能數據采集平台如圖7所示。係統實現了 75台智能電表的電能參數監測與(yu) 采集，並以MOTT協議把采集到的電能參數上傳(chuan) 雲(yun) 端。

電能監控係統實際應用中的 WEB 界麵(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(yu) 統計分析，實現該工廠的設備、產(chan) 線、車間用電的*確計量。

在該工廠的實際應用中，通過設備電能監控係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(you) 化。結合設備生產(chan) 運行數據係統以可視化的圖表展示機器的性能及生產(chan) 運行是否經濟、高效，為(wei) 生產(chan) 計劃、設備維護、維修提供建議，提高機器生產(chan) 效率。

5 hth下载地址Acrel-3000WEB電能管理解決(jue) 方案

5.1概述

  用戶端消耗著整個(ge) 電網80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節約用電有十分重要的意義(yi) 。構建智能用電服務體(ti) 係，推廣用戶端智能儀(yi) 表、智能用電管理終端等設備用電管理解決(jue) 方案，實現電網與(yu) 用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決(jue) 的研究內(nei) 容主要包括：的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理係統、需求側(ce) 管理等課題。

   hth下载地址Acrel-3000WEB電能管理解決(jue) 方案通過對用戶端用電情況進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決(jue) 策層展示各分項用電的使用消耗情況，便於(yu) 找出高耗能點或不合理的耗能習(xi) 慣，有效節約電能，為(wei) 用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

5.2應用場所

   （1）辦公建築（商務辦公、大型公共建築等）；

   （2）商業(ye) 建築（商場、金融機構建築等）；

   （3）旅遊建築（賓館飯店、娛樂(le) 場所等）；

   （4）科教文衛建築（文化、教育、科研、醫療衛生、體(ti) 育建築等）；

   （5）通信建築（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

   （6）交通運輸建築（機場、車站、碼頭建築等）。

5.3係統結構

5.4係統功能

1）實時監測

係統人機界麵友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關(guan) 、地刀等合、分狀態，以及有關(guan) 故障、告警等信號。

2）電能統計報表

係統以豐(feng) 富的報表支撐計量體(ti) 係的完整性。係統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自係統正常運行以來任意時間段內(nei) 各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與(yu) 各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，並在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體(ti) 係的正確性。

3）詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個(ge) 回路附近時，鼠標指針變為(wei) 手形，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數、正向有功電能，並可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4）運行報表

係統具有實時電力參數和曆史電力參數的存儲(chu) 和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界麵中能夠自定義(yi) 需要查詢的參數、相應時間或選擇查詢更新的記錄數據等，並通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定製運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

5）變壓器運行監視

係統對配電係統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態進行在線實時監視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

6）實時報警

係統具有實時報警功能，係統能夠對配電回路斷路器、隔離開關(guan) 、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進行實時監測，並根據事件等級發出告警。係統報警時自動彈出實時報警窗口，並發出聲音或語音提醒。

7）曆史事件查詢

係統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

8）電能質量監測

係統可以對整個(ge) 配電係統範圍內(nei) 的電能質量進行持續性的監測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監測功能的電力儀(yi) 表，不需要可刪除。

9）遙控操作

係統支持對斷路器、隔離開關(guan) 、接地刀等進行分、合遙控操作。係統具有嚴(yan) 格的密碼保護和操作權限管理功能，對於(yu) 每次遙控操作，係統自動生成操作記錄，記錄內(nei) 容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

10）用戶權限管理

係統為(wei) 保障係統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態圖

係統支持實時監視接入係統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態，發生網絡異常時能自動在界麵上顯示故障設備或元件及其故障部位。從(cong) 而方便運行維護人員實時掌握現場各設備的通訊狀態，及時維護出現異常的設備，保證係統的穩定運行。

12）視頻監控

視頻監控展示了當前實時畫麵（視頻直播），選中某一個(ge) 變配電站，即可查看該變配電站內(nei) 視頻信息。

13）用戶報告

用戶報告頁麵主要用於(yu) 對選定的變配電站自動匯總一個(ge) 月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析。

14）APP支持

電力運維手機支持“監控係統”、“設備檔案”、“待辦事項”、“巡檢記錄”和“缺陷記錄”五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

5.5係統硬件配置清單

6 結束語

本文研究了一種基於(yu) 工業(ye) 互聯網平台架構體(ti) 係的設備電能監控係統，進行了係統功能、架構、電能監測以及用戶交互界麵的設計與(yu) 開發，並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(chan) 線的多維度能耗對比分析，有效地支撐了設備電能優(you) 化應用，優(you) 化生產(chan) 計劃，提高生產(chan) 效率、機器效能，降低用電成本。該係統具有建設成本低、容易實現、運行可靠、利於(yu) 複製推廠的優(you) 點。利用工業(ye) 互聯網平台，可以積累數據，進一步挖掘分析，構建能耗優(you) 化模型，實現工廠電能的智能管理。未來係統進一步擴展，可建成工廠的水、電、汽、熱等全要素能源智慧管理係統。

參考文獻：

[1]浦漢軍(jun) ，王宇華，江開放，等.基於(yu) 工業(ye) 互聯網的設備電能監控係統[J] .機電工程技術，2023,52(10): 166-169

[2]張利平,王航,張瑾,等.能源管理係統在離散型製造業(ye) 園區項目中的設計與(yu) 應用[J].工業(ye) 儀(yi) 表與(yu) 自動化裝置,2019(6):70-73

[3]祁兵,翟天一,李彬,等.基於(yu) 工業(ye) 互聯網雲(yun) 平台的智能用電互動模式研究[J].電測與(yu) 儀(yi) 表,2019,56(19):46-52

[4]hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2023.07版