基于無線傳輸技術(shù)的工廠能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

葉春曉, 胡 敏, 張躍偉

[1.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063;2.上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063]

0 引 言

隨著對(duì)能源可持續(xù)性利用的日益關(guān)注,能源消耗監(jiān)測(cè)已成為能源管理的一個(gè)重要方面。在工廠應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)中,設(shè)備類型眾多,包括機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備、照明設(shè)備等。這些設(shè)備布局分散,采集能耗數(shù)據(jù)時(shí)面臨設(shè)備布線和數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)睦щy。工廠內(nèi)存在不同的建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料和環(huán)境條件,這些因素會(huì)對(duì)能耗監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性造成影響。如果按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行施工布線,項(xiàng)目周期長(zhǎng),人工成本和線纜材料成本巨大,項(xiàng)目成本比節(jié)能降耗能節(jié)省的費(fèi)用還要高,這樣就會(huì)明顯降低客戶進(jìn)行節(jié)能降耗的意愿。目前,現(xiàn)場(chǎng)的老舊設(shè)備沒有現(xiàn)成的接口或傳感器可以直接采集能耗數(shù)據(jù),而是需要進(jìn)行定制或改造后才能滿足對(duì)各類設(shè)備能耗監(jiān)測(cè)的需要。利用無線技術(shù)的優(yōu)勢(shì),可解決布線問題,加快項(xiàng)目施工進(jìn)度,且大幅降低線纜材料成本和施工時(shí)間,突破空間和結(jié)構(gòu)的限制,這對(duì)工廠企業(yè)安裝節(jié)能降耗系統(tǒng)具有重要的意義。依托無線傳輸技術(shù),可以建立穩(wěn)定的能耗數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行云計(jì)算處理和趨勢(shì)分析,生成符合要求的報(bào)表和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),以便決策層推進(jìn)能耗優(yōu)化改進(jìn)措施。

無線通信技術(shù)種類較多,選擇哪種無線通信技術(shù)要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景和需求來決定。ZigBee覆蓋范圍在幾十米以內(nèi),數(shù)據(jù)傳輸速率在幾十Kbps到幾百Kbps之間,適用于低功耗和低速率的短距離通信[1];LoRa專為長(zhǎng)距離通信而設(shè)計(jì),數(shù)據(jù)傳輸速率通常在幾百bps到幾Kbps之間,能夠覆蓋幾千米到幾十千米的范圍,適用于長(zhǎng)距離通信和低速率的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用;4G提供廣域覆蓋,可以覆蓋整個(gè)城市,甚至更大范圍,可以達(dá)到幾百M(fèi)bps的數(shù)據(jù)傳輸速率,適用于高速數(shù)據(jù)傳輸和移動(dòng)設(shè)備,不足之處是成本較高,功耗較大;藍(lán)牙覆蓋范圍通常在幾米到幾十米之間,提供中等速率的短距離通信,數(shù)據(jù)傳輸速率通常在幾Mbps,適用于短距離通信和低功耗設(shè)備。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

在工廠能耗監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景下,典型的無線能效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 典型的無線能效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

由圖1可以看出,系統(tǒng)架構(gòu)主要分3層,最底層為無線數(shù)據(jù)傳輸從站,包括各車間的傳感器、無線集中器、數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備等,主要采用ZigBee、RS-485、LoRa等協(xié)議;中間層為本地監(jiān)控系統(tǒng),包括無線數(shù)據(jù)傳輸主站、工控屏、路由器等,主要采用RS-485、TCP/IP等協(xié)議;頂層為IoT物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái),包括云服務(wù)器和大屏等,在Web端進(jìn)行能耗監(jiān)測(cè)頁面功能的展示和呈現(xiàn)。

無線能效監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與工業(yè)傳感檢測(cè)技術(shù),其硬件主要包括4部分:監(jiān)測(cè)傳感器、無線數(shù)據(jù)集中器、數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和無線網(wǎng)關(guān)[2]。圖1中的各類傳感器(如溫度傳感器、電能采集模塊)將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過ZigBee形式傳輸?shù)礁鱾€(gè)車間的無線集中器。用戶可以使用手機(jī)終端,通過專門的App程序或者使用微信小程序,調(diào)用手機(jī)的藍(lán)牙通信功能,與無線集中器進(jìn)行通信,對(duì)無線傳感器的必要參數(shù)進(jìn)行配置。無線數(shù)傳從站以LoRa形式將無線集中器的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心的工控屏,從而把工廠中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯聚到本地監(jiān)控中心。工控屏通過4G無線路由器將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ),依托物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的云計(jì)算功能,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和邊緣計(jì)算,生成各類報(bào)表和統(tǒng)計(jì)圖表,為工廠決策者提供能耗利用的監(jiān)測(cè)情況,為后續(xù)進(jìn)行能效優(yōu)化措施提供數(shù)據(jù)支撐。

在設(shè)備分布分散的場(chǎng)所,特別是進(jìn)行后續(xù)升級(jí)改造的項(xiàng)目中,原有設(shè)備安裝布局已經(jīng)成型,無法再進(jìn)行線路布線,在這種情況下,使用無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式采集和集中匯聚會(huì)更加合適。無線通信技術(shù)不會(huì)對(duì)現(xiàn)有布局產(chǎn)生影響,也減少了布線的人力物力成本,可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目快速施工落地。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程

在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到云服務(wù)器距離遠(yuǎn),用中短距離通信技術(shù)都無法滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。?G網(wǎng)絡(luò)成本較低,可實(shí)現(xiàn)50～150 Mb/s的下載和上傳速度,信號(hào)穩(wěn)定性好,可提供可靠的網(wǎng)絡(luò)連接,網(wǎng)絡(luò)延遲較低,用戶發(fā)送請(qǐng)求時(shí),網(wǎng)絡(luò)能夠快速響應(yīng),減少等待時(shí)間。因此,作為數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)的通信設(shè)備,目前無線路由器采用了4G通信方式。

工控屏作為本地顯示終端,一般放置在監(jiān)控中心,為滿足物聯(lián)平臺(tái)接入需求,也應(yīng)具備云網(wǎng)關(guān)功能,通過以太網(wǎng)與上位機(jī)通信,為接入云平臺(tái),需要支持MQTT協(xié)議,并且符合平臺(tái)的數(shù)據(jù)格式要求。項(xiàng)目實(shí)施之后,客戶往往會(huì)采用指定的云服務(wù)器,而不同客戶的云平臺(tái)數(shù)據(jù)格式并不一定是完全相同的,可能會(huì)存在一些差異,這就要求工控屏能對(duì)上傳的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行靈活編輯。在對(duì)工控屏進(jìn)行選型的過程中不僅要考慮到顯示需求,還需要考慮到客戶平臺(tái)的接入技術(shù)要求。中距離無線傳輸示意圖如圖2所示。

圖2 中距離無線傳輸示意圖

在工廠能效監(jiān)測(cè)的應(yīng)用環(huán)境中,現(xiàn)場(chǎng)工控屏安裝在本地監(jiān)控中心,與各個(gè)車間的距離往往較遠(yuǎn),少則幾十米,多則幾百米,藍(lán)牙、ZigBee等無線設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離可靠通信,而4G網(wǎng)絡(luò)的成本相對(duì)較高,因此,需要在工控屏與從站設(shè)備之間使用LoRa格式的無線數(shù)傳模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,這樣既可以實(shí)現(xiàn)中短距離的通信,也不會(huì)使項(xiàng)目的設(shè)備成本大幅增加。

工控屏通過RS-485總線與無線數(shù)傳主站模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,無線數(shù)傳主站模塊采用LoRa格式通信,傳輸距離很遠(yuǎn),支持多個(gè)從站模塊節(jié)點(diǎn)連接,滿足多個(gè)設(shè)備的通信需求,可以高效傳輸大量的數(shù)據(jù)。無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)主站和多個(gè)從站的輪詢通信,采用半雙工通信。為避免某一從站應(yīng)答時(shí)對(duì)其他從站產(chǎn)生影響,需要將無線接收信道和發(fā)送信道錯(cuò)開,比如將所有從站的發(fā)送信道設(shè)置在430 MHz,而接收信道設(shè)置在440 MHz,相應(yīng)主站的發(fā)送信道設(shè)置在440 MHz,主站的接收信道設(shè)置在430 MHz。這樣任一從站應(yīng)答的數(shù)據(jù)就只有主站能收到,而其他從站不會(huì)受到這些數(shù)據(jù)的干擾,從而提升了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

無線數(shù)傳從站模塊就近安裝在各個(gè)車間或者辦公場(chǎng)所,通過LoRa信號(hào)接收主站的指令,并進(jìn)行應(yīng)答。另一端口,無線數(shù)傳從站模塊通過RS-485接口與無線集中器連接,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)能耗數(shù)據(jù)的采集傳輸。近距離無線傳輸示意圖如圖3所示。

圖3 近距離無線傳輸示意圖

在本能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,無線集中器設(shè)備接收現(xiàn)場(chǎng)傳感器和檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù),與傳感器的距離相對(duì)較近,一般在10～100 m,數(shù)據(jù)傳輸頻次高,而傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大,產(chǎn)品尺寸較小,對(duì)無線通信PCB和天線的尺寸有限制?；谶@些特點(diǎn),需要選取的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便、節(jié)點(diǎn)具有中繼轉(zhuǎn)發(fā)擴(kuò)展功能、通信穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。選取ZigBee無線技術(shù),利用其自組網(wǎng)能力,可以自動(dòng)地構(gòu)成一個(gè)自組織、自動(dòng)協(xié)調(diào)的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都有多條可選通信路徑,網(wǎng)絡(luò)具有很好的穩(wěn)定性。而采用2.4 G頻段的ZigBee技術(shù)的芯片和天線尺寸較小,占據(jù)空間不大,可以有效避免尺寸的限制問題。綜合來看,由無線集中器和傳感器設(shè)備形成ZigBee分布式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是合適的選擇,既兼顧了傳感器設(shè)備的尺寸和安裝要求,成本不高,也可有效提升數(shù)據(jù)通信效率,網(wǎng)絡(luò)的自愈能力還能提升通信的穩(wěn)定性。

3 能耗數(shù)據(jù)處理

工廠能耗使用量較大的設(shè)備種類較多,在車床、產(chǎn)線、空調(diào)、空壓機(jī)、照明等用電較多的設(shè)備回路中需要增加電能監(jiān)測(cè)模塊,用來監(jiān)測(cè)電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)、電度量等能耗數(shù)據(jù)。對(duì)這些能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,生成能耗使用報(bào)表或者圖表,比較各時(shí)段、各區(qū)域、各類型的設(shè)備能耗使用情況,可以了解能源使用的趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)能源使用的問題和潛在的改進(jìn)空間,例如能源浪費(fèi)、高能耗設(shè)備、能源利用效率低等問題。后續(xù)可以根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題,制定改進(jìn)措施,優(yōu)化設(shè)備使用方案,提高能源利用效率,改進(jìn)能源管理等。實(shí)施改進(jìn)措施后,監(jiān)測(cè)能耗數(shù)據(jù)的變化,評(píng)估改進(jìn)效果,根據(jù)評(píng)估結(jié)果,進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。通過以上步驟,可以對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,并生成相應(yīng)的改進(jìn)措施,以減少能源浪費(fèi)、提高能源利用效率,實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展[3]。

基于本文提出的無線能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu),在某工廠搭建了能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)包括無線傳感器、無線集中器、無線數(shù)傳模塊、無線網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。在車間配電箱加裝無線電量傳感器,使用了ZigBee、LoRa、藍(lán)牙等無線通信方式,采集了空調(diào)、風(fēng)機(jī)、產(chǎn)線、點(diǎn)焊機(jī)等設(shè)備的能耗數(shù)據(jù),通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器,并在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上呈現(xiàn)。在項(xiàng)目中,卡口式電流傳感器安裝在用電回路的母線排或者電纜上,采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式,大大降低了施工復(fù)雜程度,減少了布線相關(guān)的施工成本及材料成本,縮短了施工周期。

應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物照片如圖4所示。云平臺(tái)用電量監(jiān)控頁面如圖5所示。

圖4 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物照片

圖5 云平臺(tái)用電量監(jiān)控頁面

經(jīng)用戶近1年的連續(xù)使用,系統(tǒng)可以正常采集相關(guān)電量數(shù)據(jù),并在平臺(tái)上自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的分析功能,驗(yàn)證了工廠無線數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)目煽啃约澳芎谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于無線技術(shù)的能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng),無線傳感器設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)通過ZigBee信號(hào)接入無線集中器,經(jīng)RS-485總線傳輸?shù)綗o線數(shù)傳從站模塊,通過LoRa信號(hào)傳輸?shù)綗o線數(shù)傳主站模塊,再經(jīng)工控屏或者DTU將能耗數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)從下到上的全鏈路通信,突破了空間限制,減少了傳統(tǒng)方式中對(duì)線纜布設(shè)的材料和人工成本,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的能耗進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和管理。