林 希

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司， 安徽 合肥 230051）

0 引言

隨著云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的水泥企業(yè)選擇將能源管理系統(tǒng)部署到云計(jì)算平臺(tái)，這樣做可以給水泥企業(yè)帶來很多好處。第一，可以給數(shù)據(jù)訪問帶來更大的靈活性和移動(dòng)性。水泥企業(yè)可以將數(shù)據(jù)訪問擴(kuò)展到多種智能終端設(shè)備，例如通過手機(jī)終端等就可以在任何地方隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，不受空間限制[1]。第二，可以靈活擴(kuò)展企業(yè)IT 需求。將系統(tǒng)部署到云平臺(tái)后，水泥企業(yè)可以有更加靈活的選擇，可以在任何時(shí)間停止不需要的服務(wù)或者增加需要的服務(wù)。第三，數(shù)據(jù)安全性得到保障。云計(jì)算平臺(tái)相比本地服務(wù)器具有更高的安全性，對于部署在本地服務(wù)器的能源管理系統(tǒng)如果遭遇意外而導(dǎo)致本地服務(wù)器崩潰，則將造成系統(tǒng)無法使用，甚至可能造成數(shù)據(jù)丟失無法恢復(fù)，而采用云計(jì)算平臺(tái)則無需擔(dān)心這些問題，也不用考慮服務(wù)器維護(hù)和服務(wù)器更新的問題[2]。

基于云計(jì)算平臺(tái)的眾多優(yōu)勢，已經(jīng)有一些企業(yè)開始將原有的能源管理系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，將傳統(tǒng)電表替換成帶物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的智能電表，或者增加帶物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的智能網(wǎng)關(guān)，將原有電表傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。MQTT 協(xié)議是物聯(lián)網(wǎng)最主要的協(xié)議，也是目前應(yīng)用最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，幾乎所有的云平臺(tái)都支持MQTT 協(xié)議，本文以筆者實(shí)際參與升級改造的項(xiàng)目為例，介紹了基于MQTT 協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)智能電表和智能網(wǎng)關(guān)在水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)改造中的應(yīng)用，經(jīng)過升級改造后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，達(dá)到了預(yù)期的改造效果。

1 MQTT 協(xié)議

1.1 MQTT 簡介

MQTT 是一種基于publish 模式和subscribe 模式的即時(shí)通信協(xié)議。由于工業(yè)數(shù)據(jù)越來越多，數(shù)據(jù)量越來越大，較早之前的Request/Response 模式已經(jīng)不再適合現(xiàn)代工業(yè)場景，而publish/subscribe 模式則很好地解決了這一問題。MQTT 以TCP/IP 提供網(wǎng)絡(luò)連接，是一種輕量級的協(xié)議，它解決了不同的機(jī)器之間大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，該通信協(xié)議可以占用非常少的帶寬，配以非常少的代碼，即可為遠(yuǎn)程設(shè)備連接提供高效可靠的消息服務(wù)，非常適合在需要低功耗和網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的場景，所以MQTT 在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方面有著非常廣泛的應(yīng)用。

圖1 MQTT 技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸模式

1.2 MQTT 的實(shí)現(xiàn)方式

MQTT 的實(shí)現(xiàn)是需要客戶端和服務(wù)器端通訊來完成的，對于水泥企業(yè)的數(shù)據(jù)采集情況來說，水表，電表等設(shè)備終端就是一個(gè)個(gè)的MQTT 客戶端，設(shè)備終端將電能參數(shù)通過4G 或5G 傳輸?shù)皆品?wù)器，部署在云端的MQTT 服務(wù)器即作為消息代理，負(fù)責(zé)接收來自客戶端發(fā)來的應(yīng)用消息，同時(shí)也可以向客戶端轉(zhuǎn)發(fā)消息。當(dāng)MQTT 服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)消息時(shí)，客戶端則是消息訂閱者。所以發(fā)布者和訂閱者就是水泥企業(yè)的各種電表水表等帶MQTT 協(xié)議的各種智能設(shè)備終端，而消息代理就是部署在云平臺(tái)的云服務(wù)器。

1.3 MQTT 的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

MQTT 中傳遞的信息可以分為兩部分，如下圖所示

圖2 MQTT 傳輸?shù)南?gòu)成

現(xiàn)場的智能終端只要訂閱了某種消息類型，那么該智能終端就可以接收與之對應(yīng)的消息內(nèi)容，但是對于沒有訂閱的消息類型，則是拒絕接收的。

MQTT 數(shù)據(jù)包中一定會(huì)包含固定頭，固定頭主要表示兩塊內(nèi)容：一是數(shù)據(jù)包類型，二是數(shù)據(jù)包分組類標(biāo)識(shí)。不是所有的MQTT 數(shù)據(jù)包中都會(huì)有可變頭，是不是包含可變頭主要由數(shù)據(jù)包類型來確定。也不是所有的MQTT 數(shù)據(jù)包中都包含消息體，消息體表示Client 收到的具體消息所包含的意義。

1.4 帶MQTT 功能的設(shè)備終端在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用方式

帶MQTT 功能的設(shè)備可以是獨(dú)立的設(shè)備，如單個(gè)的智能電表或智能水表，也可以是具有數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能的智能網(wǎng)關(guān)。對于采集終端較為集中的區(qū)域來說，適合采用多采集終端數(shù)據(jù)集中發(fā)送的模式，如水泥企業(yè)的配電室，在配電室中智能電表的布置較為集中，可以采用多只智能電表連接到數(shù)據(jù)總線，再通過MQTT 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行發(fā)布。而對于設(shè)備分布比較分散的數(shù)據(jù)采集終端，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)發(fā)，則可以選用獨(dú)立的MQTT 終端，如帶MQTT 功能的智能電表或智能水表。

2 帶MQTT 協(xié)議的智能網(wǎng)關(guān)和智能電表

2.1 帶MQTT 協(xié)議的智能電表

新增智能電表采用的是ADW300-4G 電表。ADW300-4G 電表具備4G 無線通訊功能，主要用于低壓用電設(shè)備的電能計(jì)量，包含電流，電壓，功率因數(shù)，正向有功總電能，反向有功總電能等電氣參數(shù)，并且?guī)в卸喾N不同的安裝方式，可以非常方便靈活地安裝在配電室內(nèi)的低壓配電柜內(nèi)，可應(yīng)用在電力維保、安環(huán)監(jiān)測等在線監(jiān)測類平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)對不同范圍和不同負(fù)荷的分項(xiàng)電能計(jì)量，統(tǒng)計(jì)和分析。

對于水泥生產(chǎn)線來說，ADW300-4G 智能電表的接線方式可以分為兩種，一種是三相四線制，另一種是三相三線制。三相四線制接線方式主要應(yīng)用于TN-S 的接地型式或者TN-C-S 的接地型式的低壓配電回路中。三相三線制接線方式主要應(yīng)用于電源中性點(diǎn)不接地的低壓配電回路中，但電源中性點(diǎn)不接地的電源型式在水泥企業(yè)應(yīng)用非常少，大多采用的還是電源中性點(diǎn)接地的電源型式。所以在能源管理系統(tǒng)的建設(shè)中，現(xiàn)場智能電表的接線大多采用三相四線制接線方式。

2.2 帶MQTT 協(xié)議的智能網(wǎng)關(guān)

2.2.1 智能網(wǎng)關(guān)的作用

本系統(tǒng)智能網(wǎng)關(guān)采用的是ANet-1E1S1-4G。智能網(wǎng)關(guān)主要用于將一個(gè)集中區(qū)域內(nèi)的計(jì)量儀表的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后通過4G 網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺(tái)，完成通過該網(wǎng)關(guān)接入的所有智能儀表的數(shù)據(jù)采集工作。對于從云平臺(tái)下發(fā)給各個(gè)智能電表的數(shù)據(jù)也是由智能網(wǎng)關(guān)接收后負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)至各智能電表，完成對廠站內(nèi)各智能電表的參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)和調(diào)試功能。

對于水泥生產(chǎn)線中已經(jīng)安裝好的不帶MQTT 協(xié)議傳輸功能的計(jì)量儀表或者獨(dú)立系統(tǒng)，可以采用MQTT 智能網(wǎng)關(guān)將Modbus、OPC 等傳統(tǒng)的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換成MQTT 協(xié)議，帶傳統(tǒng)通訊協(xié)議的電表（如MODBUS 通訊電表），通過RS485 接口接入到ANet-1E1S1-4G 無線MQTT 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將采集上來的電能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MQTT 協(xié)議格式，再通過4G 網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺(tái)。

2.2.2 智能網(wǎng)關(guān)的主要技術(shù)特點(diǎn)

ANet-1E1S1-4G 網(wǎng)關(guān)支持多種工控協(xié)議，不僅支持4G/GPRS/WIFI、串口通信等信號(hào)方式，也支持TCP/IP、MQTT 等協(xié)議，還支持遠(yuǎn)程設(shè)置和改變設(shè)備及變量的數(shù)據(jù)采集規(guī)則。

MQTT 網(wǎng)關(guān)可以在水泥企業(yè)現(xiàn)場中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜協(xié)議類型的標(biāo)準(zhǔn)化接入，不僅能夠作為數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，還可以做到遠(yuǎn)程設(shè)置和遠(yuǎn)程訪問，遠(yuǎn)程發(fā)布，部署方便，對于快速構(gòu)建工業(yè)4.0 服務(wù)系統(tǒng)具有重要意義。

2.2.3 智能網(wǎng)關(guān)的配置

首先做好現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)的安裝工作，連接好與設(shè)備的各種接線，然后在本地或云平臺(tái)配置網(wǎng)關(guān)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。進(jìn)行網(wǎng)關(guān)配置之前，需要連接好設(shè)備接線，將一根交叉網(wǎng)線連接電腦和和網(wǎng)管的網(wǎng)口，也可以將電腦和網(wǎng)關(guān)都通過級聯(lián)網(wǎng)線連接在一個(gè)交換機(jī)內(nèi)，隨網(wǎng)關(guān)附帶有相應(yīng)的管理軟件，可以進(jìn)行網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)置和高級設(shè)置，需要進(jìn)行設(shè)置的參數(shù)不多，設(shè)置軟件主要采用的是網(wǎng)關(guān)提供的兩項(xiàng)服務(wù)，SSH 服務(wù)和Telnet 服務(wù)。連接成功后界面顯示“l(fā)ogin:”，然后輸入用戶名和密碼進(jìn)行登錄操作。

3 結(jié)束語

在該水泥企業(yè)的能源管理系統(tǒng)的云平臺(tái)部署改造項(xiàng)目中，將一部分傳統(tǒng)電表替換成了帶MQTT 協(xié)議的智能電表，對于一部分相對集中的傳統(tǒng)電表則通過帶MQTT 協(xié)議的智能網(wǎng)關(guān)將傳統(tǒng)電表傳輸過來的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。該水泥企業(yè)經(jīng)過改造后，成功實(shí)現(xiàn)了電表數(shù)據(jù)的無線上傳，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的改造效果。