工业互联网平台在低压电器设备中的应用与研究

汤东，吴小东，张人杰，邢晨

(上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海，200063)

关键字：低压电器；工业互联网平台；状态监测；寿命预测；远程控制

0 引言

根据中国的低压电器行业标准，在交流电压小于1.2kV或直流电压小于1.5kV的电气回路中，起显示、控制、保护、通断等作用的元件或装置[1]。低压电器在工业自动化控制系统和配电系统中使用极为广泛，也是相当重要的原件部分。根据统计，超过百分之八十的电能都是依靠低压电器进行合理分配后再投入使用的，当增加10000KW的发电设备时，就需要大约60000件电器元件与它配套。因此电器元件的稳定运行会直接关系到低压供电系统的可靠性。

为了保证低压供配电系统安全稳定的运行，提高设备维修的经济性，需要对低压成套开关设备与工业互联网平台相结合，可在云端对电器设备电压电流、运行状态、寿命预测等[2]。这样不但能保证电力用户电能供应的不间断，而且能降低企业的维护与检修成本，保障企业设备稳定运行，提高企业的竞争力。

1 互联网平台架构

本文设计的工业互联网平台是面向中小企业的低压电器设备的数据采集平台。建立是基于各类采集设备和大量数据采集、存储和分析的服务体系。其中包含边缘层、基础设施层、平台层以及应用层四大核心层级的高效配置的工业互联网云平台[3]。如图1所示。

图1 工业互联网平台体系架构

1.1 边缘层

在平台的边缘层，采用自主研发的云网关，支持Modbus、Ethernet/IP等连接和管理各类海量设备，并通过不同的协议转换达到大量工业数据的相互联通和相互控制；并且还可以通过运用边缘计算（如机理模型在网关层计算和过滤），实现无用数据的剔除、数据计算与缓存等预处理。也可以通过边缘计算实时分析，减少网络传输的负载和云平台的计算压力。

1.2 IaaS

Infrastructure-as-a-Service（基础设施即服务）主要提供基本的计算、存储、网络等物理资源，提供基础的资源服务能力，作为工业互联网平台的运行基础。本平台的IaaS层采用比格云服务器，数据采用分布式存储。包括计算管理、存储管理、网络管理、虚拟化管理等功能。

1.3 PaaS

Platform-as-a-Service（平台即服务）是网上提供各种开发和分发应用的解决方案，比如虚拟服务器和操作系统[4]。这样的好处是节省购买硬件的费用，同时也让不同区域的工作室之间合作变得更加容易。网页应用的设计与管理、以及虚拟主机的存储与安全均需要在PaaS层完成。

本平台是在通用PaaS架构上进行基于Kubernetes技术[5]二次开发，用于构建该平台的应用开发环境及相关的自动化部署，通过使用微服务组件和机理模型，帮助客户更快搭建场景框架和定制云组态场景。平台层是核心。

1.4 SaaS

Software-as-a-Service(软件即服务)层包含支撑中小企业对于其上云设备以及数据的相关管理功能。通过平台的工业机理模型、微服务组件等，形成针对低压电器设备及相关参数采集器的数字化解决方案。利用云组态提供云化的组态场景，围绕实时监控、运行管理、能源管理、安全管理、经营管理等建立组态场景，构建面向电器设备的云平台。应用层是关键。

2 基于工业互联网的电器设备数据采集平台实现

2.1 数据采集平台设备层的实现

随着国内工业4.0的迅速发展，工业以太网技术凭借着其稳定可靠、通信速率高、配置简便、费用低廉、软硬件产品丰富、兼容性强以及成熟的技术等优点，早已经是各类通信网络中最受欢迎之一。目前国际上最流行的工业以太网协议有如下4 种 ：Ethernet/IP、ProfNet、 Modbus TCP/IP、HSE[6]。本文后面会以Modbus TCP为例搭建现场设备数据采集系统。

系统总体结构如图2所示，对与低压电器设备可以通过智能电表以及智能采集器得到电器设备电压电流等参数。实施监视电器设备的运行参数是否健康。对于电气回路中的智能电器设备例如万能式断路器、变频器等支持通讯的电器设备，可以直接接入网路中并将参数上传至云端。现场通过安装各类传感器如温度传感器、湿度传感器、振动传感器等。用于监视电器设备的运行环境及抖动的状态。如果有需要平台也可以接入现场控制器如PLC、智能控制器等重要数据实时传送至云端。

图2 系统总体结构

2.2 数据采集平台网络层的实现

在平台层通过建立网关、设备、采集器和云组态搭建一个完整的网络层数据采集结构。云网关设备接入云平台的注册机制采用自定义SN号+32位UUID作为连接字符串完成服务端权限认证[7]。以网关为基础建立下属设备和采集器。对网关、电器柜和相关设备（如传感器、变频器、断路器等）赋予唯一的SN，以SN为识别符建其关联起来。

图3 网络层结构

然后需要对同类型的信息采集装置建立参数模板，同样以Modbus为例建立参数模板。首先需要遵循Modbus的通用报文规则（如图2-3）配置报文。并设置好从站地址、波特率、串行数据格式、采集频率和超时时间等常规参数。通过设置报文采集的数据地址和长度来读取所需的电器设备相关参数。由于电器设备存在一定的相似性和通用性。故对于同类型的电器设备可以配置一套参数模板，在使用中只需要多次调用该参数模板，而后改变常规参数即可。这样避免了重复配置相同报文的繁琐工作。如图2-2所示的情况，就只需要配置一套传感器么、变频器和断路器的参数模板即可。

对于我们采集到平台的数据可以采用云组态来展示[8]，本项目开发的云组态工具包含了常规组态中的各个模块：组件模块、页面模块、组件配置模块、数据绑定模块以及发布场景。区别于本地组态场景，如需更改组态画面，不需要安装组态软件，更不需要去现场进行更改。只需要通过浏览器登录平台即可在线监视和更改。此组态工具还专门开发了FFT振动数据显示组件，用来检测电器设备工作中振动的情况，加入机理模型运算，用来判断电器设备的是否发生故障。也可以将同类型的电器设备的振动数据上传至大数据，通过机器学习来预测电器设备发生故障的概率，为电器设备的良好运行提供保障。

图4 Modbus RTU 报文帧

图5 云组态画面

3 工业互联网平台对低压电器设备的意义

3.1 状态监测

状态监测可以通过温度传感器监测电器设备运行的环境温湿度，温升和相对湿度是影响配电柜等电器设备正常使用寿命的关键因素之一。通过检测电器设备以及环境的温湿度并设置报警阈值及时提醒相关人员注意维护电器设备和环境可以一定程度上延长电器设备的使用寿命。

另外可以采集电器设备的振动值，利用前面提到的FFT组件来显示电器设备的振动状态，根据噪音及振动结合机理模型来评估该电器设备是否处于健康状态[9]。也可以利用电压、电流互感器采集电器设备进出电压、电流值。运用配电网低压预警方法[10]对电器柜电压进行预警。甚至接入一些PLC、变频器和智能控制器的相关参数和报警信息。通过云平台就可以监测电器设备是否工作正常。也可以及时推送报警，报警信息推送至平台的同时也可以将信息推送给工作人员或电器设备供应商，以便及时更换和维修故障的电器设备。

对于电器设备处于比较艰苦的环境中，例如锅炉厂、化学制药厂等。为了保证生产设备的正常工作，工作人员需要定时记录相关设备参数。如果将本地组态的部分信息同时上传至云组态。这样一方面更方便快捷的获取设备参数，另一方面也可以将重要参数记录至云存储中保证数据的可追溯性。对于诸如消防电器的重要设备，可以实时监测电气控制柜的供电状态等保证关键设备的正常运行。

3.2 寿命预测

我们知道开关型电器设备受机械寿命和电气寿命的影响。机械寿命：不带电循环分合操作，至断路器操作机构损坏的操作次数为机械寿命；电气寿命是在额定电压和额定电流状态下分合操作，分断能力达不到要求的操作次数为电气寿命。那么平台可以记录接触器、继电器等开关型设备的通断次数，同时采集电器设备的工作电压、电流，通过机理模型运算以及大数据分析，提前告诉工作人员哪些电器设备需要更换。避免突然发现故障影响电气回路的正常运行。

同时可以在机理模型中利用威布尔分布模型估算法预测电器设备的剩余寿命[11]。该模型是瑞典科学家Waloddi Weibull研究出的，并以他的名字命名。威布尔（Weibull）分布模型于1951年被提出。威布尔分布模型是一个包括了位置参数γ、尺度参数η和形状参数β的寿命预测模型。从该模型提出以来，通过多年的研究与实践后，由于威布尔分布模型是可靠性逐渐的提高，现在该模型已经成为工程领域中极为重要的分布模型之一，特别是在电气设备、机械设备电以及子器件的可靠性评估中应用极为广泛，并且取得了显著的成就。

根据该模型能够估算出工作时间为t的设备，在可靠度R的条件下的剩余寿命值x；反之也能估算出工作时间为t的低压电器开关设备，在达到剩余寿命为x的时候的可靠度R。在实际应用中，可以在依据预测剩余寿命或者可靠度的同时，再结合低压成套开关设备的实际运行状况制定设备维护、检修周期和标准，再将该标准应用早电器设备的检修计划当中。这样就可以保证设备的正常运行的同时，还降低运维成本，提高设备维修的经济性。

3.3 远程控制

远程控制最大的问题在于控制过程中无法及时得知现在设备的现状，控制的同时不能保证人员以及设备的安全。但随着5G时代的慢慢到来。其高数据速率、减少延迟、高系统容量的性能。结合互联网平台的视频组件以及视觉识别技术以及各类传感器设备的配合，就可以在保证设备安全的情况下实现远程控制。无论手机还是电脑都可以轻松实现远程控制，对于工作周期性明显的电器设备，可以利用平台的“时间表管理”功能设定设备的启停时间段，便可以实现设备的全自动化工作。节约能耗的同时也节约了人工成本。

4 结语

综上可以看出工业互联网平台在远程感测、实时监测、数据分析和远程控制等功能下，能够有效地降低运维成本，保障电器设备的正常运行。在物理层实现物理网关的和传感器及电器设备的部署;在网络层建立参数模板和引入机理模型计算，实现数据平台的实时监测和电器设备的寿命预测。体现了工业互联网平台对低压电器安全稳定运行的作用。未来基于该平台的开放性和5G时代的到来，实现机器学习算法在监测电器设备的应用，并用于远程诊断电器设备状态。工业互联网平台将为低压电器走向网络化、可控化、互动化的方向发展打下坚实的基础。