基于无线传输技术的工厂能耗监测系统设计与实现*

叶春晓, 胡 敏, 张跃伟

[1.上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063;2.上海电器科学研究院, 上海 200063]

0 引 言

随着对能源可持续性利用的日益关注,能源消耗监测已成为能源管理的一个重要方面。在工厂应用现场中,设备类型众多,包括机械设备、电气设备、照明设备等。这些设备布局分散,采集能耗数据时面临设备布线和数据采集、传输的困难。工厂内存在不同的建筑结构、建筑材料和环境条件,这些因素会对能耗监测的准确性和稳定性造成影响。如果按照传统方式进行施工布线,项目周期长,人工成本和线缆材料成本巨大,项目成本比节能降耗能节省的费用还要高,这样就会明显降低客户进行节能降耗的意愿。目前,现场的老旧设备没有现成的接口或传感器可以直接采集能耗数据,而是需要进行定制或改造后才能满足对各类设备能耗监测的需要。利用无线技术的优势,可解决布线问题,加快项目施工进度,且大幅降低线缆材料成本和施工时间,突破空间和结构的限制,这对工厂企业安装节能降耗系统具有重要的意义。依托无线传输技术,可以建立稳定的能耗数据采集、存储和监测系统,对能耗数据进行云计算处理和趋势分析,生成符合要求的报表和统计数据,以便决策层推进能耗优化改进措施。

无线通信技术种类较多,选择哪种无线通信技术要根据具体应用场景和需求来决定。ZigBee覆盖范围在几十米以内,数据传输速率在几十Kbps到几百Kbps之间,适用于低功耗和低速率的短距离通信[1];LoRa专为长距离通信而设计,数据传输速率通常在几百bps到几Kbps之间,能够覆盖几千米到几十千米的范围,适用于长距离通信和低速率的物联网应用;4G提供广域覆盖,可以覆盖整个城市,甚至更大范围,可以达到几百Mbps的数据传输速率,适用于高速数据传输和移动设备,不足之处是成本较高,功耗较大;蓝牙覆盖范围通常在几米到几十米之间,提供中等速率的短距离通信,数据传输速率通常在几Mbps,适用于短距离通信和低功耗设备。

1 系统架构

在工厂能耗监测应用场景下,典型的无线能效监测系统架构图如图1所示。

图1 典型的无线能效监测系统架构图

由图1可以看出,系统架构主要分3层,最底层为无线数据传输从站,包括各车间的传感器、无线集中器、数据传输转发设备等,主要采用ZigBee、RS-485、LoRa等协议;中间层为本地监控系统,包括无线数据传输主站、工控屏、路由器等,主要采用RS-485、TCP/IP等协议;顶层为IoT物联网云平台,包括云服务器和大屏等,在Web端进行能耗监测页面功能的展示和呈现。

无线能效监测网络结合了无线数字网络通信技术与工业传感检测技术,其硬件主要包括4部分:监测传感器、无线数据集中器、数据传输转发设备和无线网关[2]。图1中的各类传感器(如温度传感器、电能采集模块)将监测到的数据通过ZigBee形式传输到各个车间的无线集中器。用户可以使用手机终端,通过专门的App程序或者使用微信小程序,调用手机的蓝牙通信功能,与无线集中器进行通信,对无线传感器的必要参数进行配置。无线数传从站以LoRa形式将无线集中器的数据上传到监控中心的工控屏,从而把工厂中各个监测点的数据汇聚到本地监控中心。工控屏通过4G无线路由器将数据上传到云平台进行存储,依托物联网平台的云计算功能,实现数据分析和边缘计算,生成各类报表和统计图表,为工厂决策者提供能耗利用的监测情况,为后续进行能效优化措施提供数据支撑。

在设备分布分散的场所,特别是进行后续升级改造的项目中,原有设备安装布局已经成型,无法再进行线路布线,在这种情况下,使用无线通信技术来实现数据的分布式采集和集中汇聚会更加合适。无线通信技术不会对现有布局产生影响,也减少了布线的人力物力成本,可实现项目快速施工落地。

2 监测数据传输过程

在本监测系统中,现场设备到云服务器距离远,用中短距离通信技术都无法满足数据传输的需求。而4G网络成本较低,可实现50～150 Mb/s的下载和上传速度,信号稳定性好,可提供可靠的网络连接,网络延迟较低,用户发送请求时,网络能够快速响应,减少等待时间。因此,作为数据上传云平台的通信设备,目前无线路由器采用了4G通信方式。

工控屏作为本地显示终端,一般放置在监控中心,为满足物联平台接入需求,也应具备云网关功能,通过以太网与上位机通信,为接入云平台,需要支持MQTT协议,并且符合平台的数据格式要求。项目实施之后,客户往往会采用指定的云服务器,而不同客户的云平台数据格式并不一定是完全相同的,可能会存在一些差异,这就要求工控屏能对上传的数据格式进行灵活编辑。在对工控屏进行选型的过程中不仅要考虑到显示需求,还需要考虑到客户平台的接入技术要求。中距离无线传输示意图如图2所示。

图2 中距离无线传输示意图

在工厂能效监测的应用环境中,现场工控屏安装在本地监控中心,与各个车间的距离往往较远,少则几十米,多则几百米,蓝牙、ZigBee等无线设备无法实现远距离可靠通信,而4G网络的成本相对较高,因此,需要在工控屏与从站设备之间使用LoRa格式的无线数传模块来实现数据通信,这样既可以实现中短距离的通信,也不会使项目的设备成本大幅增加。

工控屏通过RS-485总线与无线数传主站模块进行数据交互,无线数传主站模块采用LoRa格式通信,传输距离很远,支持多个从站模块节点连接,满足多个设备的通信需求,可以高效传输大量的数据。无线数传模块实现一个主站和多个从站的轮询通信,采用半双工通信。为避免某一从站应答时对其他从站产生影响,需要将无线接收信道和发送信道错开,比如将所有从站的发送信道设置在430 MHz,而接收信道设置在440 MHz,相应主站的发送信道设置在440 MHz,主站的接收信道设置在430 MHz。这样任一从站应答的数据就只有主站能收到,而其他从站不会受到这些数据的干扰,从而提升了网络的稳定性。

无线数传从站模块就近安装在各个车间或者办公场所,通过LoRa信号接收主站的指令,并进行应答。另一端口,无线数传从站模块通过RS-485接口与无线集中器连接,实现现场能耗数据的采集传输。近距离无线传输示意图如图3所示。

图3 近距离无线传输示意图

在本能耗监测系统中,无线集中器设备接收现场传感器和检测模块的数据,与传感器的距离相对较近,一般在10～100 m,数据传输频次高,而传感器的节点数量较大,产品尺寸较小,对无线通信PCB和天线的尺寸有限制。基于这些特点,需要选取的无线网络应具有节点数量多、网络组网方便、节点具有中继转发扩展功能、通信稳定可靠的特点。选取ZigBee无线技术,利用其自组网能力,可以自动地构成一个自组织、自动协调的稳定网络,网络中的节点都有多条可选通信路径,网络具有很好的稳定性。而采用2.4 G频段的ZigBee技术的芯片和天线尺寸较小,占据空间不大,可以有效避免尺寸的限制问题。综合来看,由无线集中器和传感器设备形成ZigBee分布式物联网网络是合适的选择,既兼顾了传感器设备的尺寸和安装要求,成本不高,也可有效提升数据通信效率,网络的自愈能力还能提升通信的稳定性。

3 能耗数据处理

工厂能耗使用量较大的设备种类较多,在车床、产线、空调、空压机、照明等用电较多的设备回路中需要增加电能监测模块,用来监测电流、电压、有功功率、功率因数、电度量等能耗数据。对这些能耗数据进行分析,生成能耗使用报表或者图表,比较各时段、各区域、各类型的设备能耗使用情况,可以了解能源使用的趋势,发现能源使用的问题和潜在的改进空间,例如能源浪费、高能耗设备、能源利用效率低等问题。后续可以根据发现的问题,制定改进措施,优化设备使用方案,提高能源利用效率,改进能源管理等。实施改进措施后,监测能耗数据的变化,评估改进效果,根据评估结果,进行调整和改进。通过以上步骤,可以对能耗数据进行处理分析,并生成相应的改进措施,以减少能源浪费、提高能源利用效率,实现能源的节约和可持续发展[3]。

基于本文提出的无线能耗监测系统架构,在某工厂搭建了能耗监测系统,系统包括无线传感器、无线集中器、无线数传模块、无线网关等设备。在车间配电箱加装无线电量传感器,使用了ZigBee、LoRa、蓝牙等无线通信方式,采集了空调、风机、产线、点焊机等设备的能耗数据,通过4G网络将数据传输到云服务器,并在工业互联网平台上呈现。在项目中,卡口式电流传感器安装在用电回路的母线排或者电缆上,采用无线网络传输方式,大大降低了施工复杂程度,减少了布线相关的施工成本及材料成本,缩短了施工周期。

应用现场实物照片如图4所示。云平台用电量监控页面如图5所示。

图4 应用现场实物照片

图5 云平台用电量监控页面

经用户近1年的连续使用,系统可以正常采集相关电量数据,并在平台上自动完成数据的分析功能,验证了工厂无线数据采集及传输的可靠性及能耗监测系统的稳定性。

4 结 语

本文提出了一种基于无线技术的能耗监测系统,无线传感器设备的能耗数据通过ZigBee信号接入无线集中器,经RS-485总线传输到无线数传从站模块,通过LoRa信号传输到无线数传主站模块,再经工控屏或者DTU将能耗数据上传到云平台,实现物联网数据从下到上的全链路通信,突破了空间限制,减少了传统方式中对线缆布设的材料和人工成本,可以实现对工厂应用现场的能耗进行有效的监测和管理。