單機(jī)功率設(shè)備能耗“上云”技術(shù)研究

萬海峰，彭來湖，史偉民，胡旭東，呂明來，李建強(qiáng)，張少民

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018; 2.海寧紡織機(jī)械有限公司，浙江 嘉興 314400)

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，對能源的需求呈指數(shù)增長，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是目前社會(huì)面臨的一個(gè)重要問題.當(dāng)前企業(yè)用電仍以傳統(tǒng)的產(chǎn)區(qū)單表統(tǒng)一能效管理為主，監(jiān)管方式粗放，普遍存在著測量不準(zhǔn)確、監(jiān)管誤差大、無法實(shí)現(xiàn)單設(shè)備精細(xì)化能耗監(jiān)控等問題.此外，傳統(tǒng)的設(shè)備能耗監(jiān)測系統(tǒng)需要企業(yè)自行組織人力物力來搭建完整的系統(tǒng)，包括系統(tǒng)運(yùn)行必需的采集終端電表、服務(wù)器硬件系統(tǒng)以及相關(guān)的軟件系統(tǒng)，企業(yè)的前期成本投入很高，且后期對設(shè)備和軟件進(jìn)行維護(hù)的工作量也很大.

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，采用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立一套針對大功率設(shè)備的能耗監(jiān)測管理分析系統(tǒng)，為生產(chǎn)工藝優(yōu)化、電能合理利用和設(shè)備節(jié)能操作提供評價(jià)依據(jù)，是推廣能源高效利用、緩解能源危機(jī)對經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展制約的有效途徑[1].開發(fā)基于云服務(wù)器的設(shè)備能耗監(jiān)測系統(tǒng)具有重大意義和工程推廣價(jià)值[2-9].為此，本課題設(shè)計(jì)一種基于云平臺的單設(shè)備能耗監(jiān)測系統(tǒng)，采用新型的云計(jì)算方式，為企業(yè)用戶提供一種便捷的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，節(jié)省企業(yè)的前期采購成本和后期維護(hù)成本，保證數(shù)據(jù)的安全性和共享性，提升企業(yè)的能源管理、監(jiān)控及優(yōu)化水平.

1 “上云”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分.電參數(shù)采集單元即采集終端，通過GPRS(General Packet Radio Service)模塊實(shí)現(xiàn)“物”與“網(wǎng)”之間的信息交換.電參數(shù)采集單元通過GPRS模塊，以TCP/IP連接方式實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶端的通訊[3].

“上云”系統(tǒng)將終端采集到的電參數(shù)直觀地顯示在客戶端界面上.服務(wù)器客戶端對采集的電參數(shù)進(jìn)行解析，判斷設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)以及設(shè)備的能耗等，以便企業(yè)及時(shí)了解自身的設(shè)備能耗情況，對車間設(shè)備進(jìn)行科學(xué)管理.

“上云”能耗監(jiān)測系統(tǒng)具有多方面的優(yōu)勢：①高效的管理性，能夠時(shí)刻監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況，降低設(shè)備的故障率；②多用戶高效性，在云平臺中很多軟件可通過SaaS方式被發(fā)布出去，提供給更多的客戶共享，既可節(jié)約成本，又能實(shí)現(xiàn)多用戶使用；③開放共享性，云平臺以標(biāo)準(zhǔn)接口與外系統(tǒng)進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)跨用戶、跨區(qū)域的數(shù)據(jù)共享.

“上云”系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 “上云”系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 電參數(shù)采集單元的硬件結(jié)構(gòu)

電參數(shù)采集單元的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 電參數(shù)采集單元的硬件總體結(jié)構(gòu)

電參數(shù)采集單元的硬件結(jié)構(gòu)由六部分構(gòu)成：CPU單元模塊、GPRS模塊、采集模塊、存儲(chǔ)模塊、電源模塊、時(shí)鐘摸塊.CPU單元模塊主要是Freescale MKE06Z64芯片；采集模塊則是ATT7022E芯片；GPRS模塊采用SIM900A芯片，用來向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)模塊的芯片為FM25L16B，用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和掉電保護(hù)；時(shí)鐘模塊通過DS3231芯片來讀取當(dāng)前時(shí)間.

(1)CPU單元模塊.該模塊與采集模塊通過IO(Input/Output)口模擬SPI(Serial Peripheral Interface)通訊，讀取電參數(shù)；它通過TTL(Transistor-Transistor Logic)串口與GPRS進(jìn)行通訊，向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)；它與FM25L16B通過SPI通訊來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；它與DS3231通過I2C(INTER IC BUS)通訊，讀取當(dāng)前時(shí)間.

(2)GPRS模塊.其模組為SIM900A，配置為透傳模式.它與服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將CPU讀取的電參數(shù)發(fā)送給服務(wù)器.

(3)采集模塊.采集模塊的接線方式有三相三線與三相四線兩種方式.它通過電阻分壓方式獲得采樣電壓；通過變比為2 000∶1的電流互感器獲得采樣電流.采樣信號經(jīng)過采樣通道以差模電壓的形式送給電能計(jì)量芯片ATT7022E.ATT7022E對采樣信號處理后得到電壓、電流、功率、電量等電參數(shù)[4-5].

(4)存儲(chǔ)模塊.鐵電FM25L16B用來存儲(chǔ)服務(wù)器端的IP地址、端口號、采集終端的設(shè)備地址、CT(Current Transformer)變比等參數(shù).當(dāng)設(shè)備斷電后，啟動(dòng)掉電保護(hù)，將斷電前的數(shù)據(jù)保存起來.

(5)電源模塊.電源模塊可兼容380 V和220 V交流電輸入，輸出5 V直流電壓.它一方面給GPRS模塊供電，另一方面經(jīng)過AMS1117芯片將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓，給CPU單元模塊和采集模塊供電.

(6)時(shí)鐘模塊.時(shí)鐘模塊用來讀取當(dāng)前的時(shí)間.它主要有兩個(gè)作用：一是用作判斷零點(diǎn)，清除當(dāng)天設(shè)備的總電量和運(yùn)行時(shí)間；二是存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)服務(wù)器尚未接收到的電參數(shù).

3 電參數(shù)采集單元的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 GPRS模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

本課題的電參數(shù)采集單元與服務(wù)器之間通訊采用GPRS的無線通訊方式.GPRS通用無線分組業(yè)務(wù)由英國BT Cellent 公司提出，是一種基于GSM(Global System for Mobile Communication)的無線分組交換技術(shù).常見的GPRS產(chǎn)品有SIM300、SIM800、SIM900等系列產(chǎn)品，不僅價(jià)格便宜，操作也很簡單，只需使用AT(Attention)指令調(diào)用功能即可.

GPRS通訊的優(yōu)勢在于：①透明的數(shù)據(jù)傳輸模式；②永遠(yuǎn)在線，實(shí)時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)；③按流量收費(fèi)，收費(fèi)合理，并且可根據(jù)不同的用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)[6-7]；④支持標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，能夠與IP網(wǎng)互聯(lián)，支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)和短信業(yè)務(wù)；⑤高速傳輸數(shù)據(jù)，GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸速度最快可達(dá)160 kb/s,通信連接速度快，一般2～3 s即可建立連接.它提供的數(shù)據(jù)流量和短信業(yè)務(wù)等功能，在工業(yè)和民用領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[7].

GPRS模塊的SIM900A芯片電路如圖3所示.

圖3 SIM900A芯片電路圖

3.2 采樣電路的硬件設(shè)計(jì)

電壓采樣電路主要有兩種采樣方式：互感器采樣和電阻分壓采樣.本課題采用的是電阻分壓采樣.圖4所示為電阻串聯(lián)式分壓采樣電路.其輸入分壓比為120 kΩ∶470 Ω.470 Ω電阻和1 pF電容組成了抗混疊濾波電路[8].電流采樣電路如圖5所示.

采樣電流繞過互感器DL-CT10CL-50A/25mA的線圈，接入電流采樣電路的采樣端.1 pF電容和0.1 pF電容組成抗混疊濾波電路.

電能計(jì)量芯片ATT7022E通過采樣電路采集到電壓、電流信號.對采集到的信號進(jìn)行處理、分析，可得到設(shè)備運(yùn)行的電能質(zhì)量參數(shù).

圖4 電壓采樣電路

圖5 電流采樣電路

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的硬件設(shè)計(jì)

為了對電參數(shù)采集單元的服務(wù)器端IP地址、端口號、采集終端的設(shè)備地址、CT變比等參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量要大，安全性要高，時(shí)效性要強(qiáng).本課題采用FM25LXXB作為存儲(chǔ)芯片.該系列芯片采用SOP(Standard Operating Procedure)封裝，程序兼容，存儲(chǔ)量有1 kb、2 kb、4 kb、8 kb、16 kb、32 kb、64 kb、128 kb、1 024 kb可供選擇，綜合考慮后最終選擇了FM25L16B作為存儲(chǔ)芯片.其存儲(chǔ)電路如圖6所示.

圖6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

4 電參數(shù)采集單元的程序設(shè)計(jì)

4.1 控制GPRS模塊的AT指令集程序

AT指令集是從終端設(shè)備向終端適配器發(fā)送的.通過AT指令可進(jìn)行短信、傳真、呼叫、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等控制.CPU向GPRS模塊發(fā)送AT指令集，從而配置GPRS模塊工作方式.GPRS模塊收到CPU發(fā)送的AT指令集后能夠回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀.

部分AT指令集如下：

AT+CGDCONT=1,IP,CMNET;

AT+CGATT=1;

AT+CIPMODE=1;

AT+CIPCSGP=1,CMNET;

AT+CIPSTART=TCP,12345,8086;

CPU控制GPRS模塊的通訊流程如圖7所示.

圖7 CPU控制GPRS模塊的通訊流程

4.2 控制ATT7022E芯片的采集電參數(shù)程序

本課題配置的電能計(jì)量芯片ATT7022E為三相四線制接法，用于采集設(shè)備運(yùn)行的電參數(shù).

ATT7022E工作模式的部分程序如下:

Write7022(CS_Pin,0x01,0xB9FE);

Write7022(CS_Pin,0x03,0xFC4C);

Write7022(CS_Pin,0x31,0x3436);

Write7022(CS_Pin,0x02,0x0100);

CPU控制ATT7022E芯片的通訊流程如圖8所示.

圖8 CPU控制ATT7022E芯片的通訊流程

4.3 控制鐵電的存儲(chǔ)程序

通過SPI通訊，CPU與鐵電存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M25L16B之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸.

CPU控制鐵電的通訊流程如圖9所示.

圖9 CPU控制鐵電的通訊流程

5 云平臺軟件開發(fā)

5.1 云平臺數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)

要保證電參數(shù)采集單元對遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)通訊.采集單元與云平臺之間的通訊采用Modbus/TCP協(xié)議.Modbus/TCP協(xié)議是Modbus協(xié)議的派生產(chǎn)品，用于管理和控制自動(dòng)化設(shè)備.Modbus/TCP協(xié)議是否連接網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層，非常容易識別.其單一連接可以支持多個(gè)獨(dú)立的實(shí)物.此外，它允許很大數(shù)量的獨(dú)立事務(wù)同時(shí)連接并發(fā)送數(shù)據(jù).

本課題采用的Modbus/TCP協(xié)議主要由四部分組成，即地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和差錯(cuò)校驗(yàn).地址碼用一個(gè)字節(jié)表示，代表采集單元的地址；功能碼分為03(電參數(shù)采集單元向云平臺發(fā)送電參數(shù))和06(云平臺向電參數(shù)采集單元發(fā)送參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù))兩種；數(shù)據(jù)區(qū)隨功能碼的變化而變化.

電參數(shù)采集單元與云平臺端的通訊流程如圖10所示.

圖10 電參數(shù)采集單元與云平臺端的通訊流程

根據(jù)通訊協(xié)議，云平臺對電參數(shù)采集單元發(fā)來的電參數(shù)解析、分析后存入數(shù)據(jù)庫.

5.2 云平臺客戶端軟件開發(fā)

本課題遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使用的開發(fā)環(huán)境為PHP(Hypertext Preprocessor)，且以電參數(shù)采集單元作為設(shè)備終端.由于現(xiàn)場的設(shè)備終端數(shù)量較多，因此要預(yù)先給每個(gè)設(shè)備終端設(shè)置一個(gè)相應(yīng)地址，云平臺也會(huì)相應(yīng)增加采集通道.云平臺可根據(jù)采集終端地址的不同，將接收到的數(shù)據(jù)分配到不同的通道中.

用戶通過PC機(jī)或手機(jī)可訪問云平臺客戶端的IP地址，觀察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并可以下發(fā)指令修改設(shè)備的參數(shù).

云平臺與采集終端的通訊流程如圖11所示.

圖11 云平臺與采集終端的通訊流程

云平臺客戶端的作用是對各采集終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和處理[10].數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用的是MySQL數(shù)據(jù)庫.采集終端連上云平臺客戶端后，每間隔30 s發(fā)送一次采集的電參數(shù)數(shù)據(jù)幀.云平臺客戶端對讀取的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析，對解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示，存入數(shù)據(jù)庫并繪制出相應(yīng)的趨勢圖.云平臺客戶端的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)界面如圖12所示.云平臺客戶端的設(shè)備電參數(shù)界面如圖13所示.

圖12 云平臺客戶端的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)界面

圖13 云平臺客戶端的設(shè)備電參數(shù)界面

6 電參數(shù)采集測量

本課題采用三相精密穩(wěn)壓電源對電參數(shù)采集單元的測量精度進(jìn)行驗(yàn)證.測試輸入的電壓范圍為210.0～260.0 V，輸入電流范圍為1.0～10.0 A.電壓、電流的有效值測量結(jié)果分別見表1、表2.測量結(jié)果表明，電參數(shù)采集單元的測量精度較高，電壓有效值的誤差<±0.5%，電流有效值的誤差<±0.2%，達(dá)到了系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)精度要求.

表1 電壓測量值及相對誤差

表2 電流測量值及相對誤差

7 結(jié)束語

單機(jī)功率設(shè)備能耗“上云”系統(tǒng)的軟件控制簡潔，各模塊程序易于修改，電參數(shù)采集單元的工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸效率高.通過系統(tǒng)應(yīng)用，企業(yè)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和采集高耗能設(shè)備的電參數(shù)，掌握準(zhǔn)確的能耗數(shù)據(jù)，有利于節(jié)能降耗.同時(shí)，功率設(shè)備的能耗監(jiān)測中心可以為政府提供企業(yè)的用電數(shù)據(jù)，為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和淘汰落后產(chǎn)能提供技術(shù)支持.

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