馬帥帥, 吳桂初, 梁步猛, 鄭佳偉, 王京京, 周星雨

(1.溫州大學, 浙江 溫州 325035;2.溫州大學樂清工業(yè)研究院, 浙江 溫州 325600;3.浙江聚創(chuàng)智能科技有限公司, 浙江 溫州 325002)

0 引 言

隨著“雙碳”目標的不斷推進[1],統(tǒng)計電能并計算相應的碳排放量,成了部分地方政府的工作重點。對于大型用電企業(yè)或事業(yè)單位,如果能夠?qū)崿F(xiàn)電能的合理監(jiān)管[2],避免浪費,將節(jié)約較大的用電成本。對于生產(chǎn)型企業(yè),電能監(jiān)管可以計算單位產(chǎn)能,提高設備稼動率[3]。在效率穩(wěn)定情況下,可以根據(jù)設備用電量預估設備的產(chǎn)量[4]。文獻[5-6]中提出一種監(jiān)測方案,方案基于ESP8266模塊,但是ESP8266所代表的WiFi具有傳輸不穩(wěn)定、容易丟包的特點,而且需要相應的路由設備。文獻[7]中提出了WiFi、GPRS、以太網(wǎng)3種通信方式并存的網(wǎng)關設計,但是3種方式比較冗余,且GPRS信號在復雜環(huán)境下不穩(wěn)定。上述文獻中采用的是2G通信技術(shù),但是當網(wǎng)關位于樓宇中間的配電房或工廠等干擾較大環(huán)境中時,網(wǎng)關傳輸數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。而且,上述文獻中采用的方法均是一個監(jiān)控器配置一個網(wǎng)關,成本比較大。

本文設計采用4G通信技術(shù),其數(shù)據(jù)傳輸可靠性高,且采用一個網(wǎng)關連接多個監(jiān)控器的結(jié)構(gòu),大大節(jié)約成本?？梢酝ㄟ^網(wǎng)頁端和微信小程序兩種方式訪問云平臺。通過電能監(jiān)控還可以進行環(huán)保設備監(jiān)管,給監(jiān)控器配備相應的傳感器,即可有更多運用,因此系統(tǒng)具有較高的實用價值與延展價值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

電能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。監(jiān)控器采集電壓、電流等信息,經(jīng)過RN7302芯片 的計算,得到電能、功率等信息,傳輸給網(wǎng)關,傳輸?shù)膮f(xié)議采用Modbus協(xié)議。同時,網(wǎng)關根據(jù)采集的電參量信息,與閾值進行比較,超過閾值觸發(fā)報警。網(wǎng)關采用4G模塊,將監(jiān)控器傳到網(wǎng)關的數(shù)據(jù),上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺,上傳數(shù)據(jù)采用的是MQTT協(xié)議。

圖1 電能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

一個網(wǎng)關可以連接1～4個監(jiān)控器。通過網(wǎng)頁端或者微信小程序,查看監(jiān)控器監(jiān)控的電氣設備電參量信息,進而推斷出設備狀態(tài)信息。也可以從數(shù)據(jù)庫下載數(shù)據(jù)進行相應的數(shù)據(jù)分析,成熟的分析算法將會被嵌入到云平臺中。

2 監(jiān)控器硬件設計

電能監(jiān)控器主要包括電參量采集模塊、RS-485串口通信模塊、鐵電存儲模塊、LCD液晶顯示模塊。監(jiān)控器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中繼電器模塊可以實現(xiàn)電氣設備遠程開合閘。 LCD顯示實時電量、電壓、電流、有功功率等參數(shù)。

圖2 監(jiān)控器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1 電能計量芯片

RN7302是一款高精度多功能的三相計量專用芯片,芯片內(nèi)置AD采集模塊,與主控芯片之間采用SPI方式進行通信,通過讀取RN7302芯片對應的寄存器,可以獲得三相電能、三相有功功率等參數(shù)。電壓采樣采用串接電阻的方式,電流采樣采用電流互感器差分輸入的方式。

2.2 RS-485串口通信電路設計

RS-485硬件原理圖如圖3所示。采用半雙工方式,通過SN65HVD3082E進行電平轉(zhuǎn)換。同時采用光耦進行隔離,保護人身安全。

圖3 RS-485硬件原理圖

3 網(wǎng)關硬件設計

網(wǎng)關內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。RS-485模塊接收來自電能監(jiān)控器的數(shù)據(jù)信息,發(fā)送給STM32F103芯片,STM32F103芯片通過EC20將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺。EC20支持LTE-FDD、 LTE-TDD、 EDGE 和GPRS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)連接。RTC實時時鐘負責記錄當前的時間,有后備電源。當電參量超過閾值時,蜂鳴器報警。

圖4 網(wǎng)關內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

4 監(jiān)控器軟件設計

4.1 RS-485串口通信軟件設計

監(jiān)控器的RS-485有兩個功能:與上位機通信,進行校表;作為Modbus的從機。兩者軟件上一樣,物理上只有一個接口。監(jiān)控器采用功率校表法進行校表。與傳統(tǒng)脈沖校表法相比,功率校表法具有簡單、快捷等優(yōu)點。理論上,校準之后數(shù)據(jù)精度可以達到0.2 s級。作為Modbus從機的功能是配合主機,實時地把數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關。

4.2 RN7302芯片編程

需要發(fā)送對應功能碼,使RN7302芯片從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入運行狀態(tài);需要配置相應的寄存器,實現(xiàn)芯片正常運行。

4.3 其 他

上位機軟件采用C#程序進行編寫。溫度采集采用STM32F103內(nèi)置的ADC。電能數(shù)據(jù)以及RN7302的配置信息需要寫入鐵電存儲器,防止意外斷電而導致數(shù)據(jù)丟失。

5 網(wǎng)關軟件設計

5.1 μC/OS Ⅱ移植

任務設計是整個μC/OS Ⅱ的基礎[8],網(wǎng)關的任務函數(shù)有RS-485收發(fā)任務、4G網(wǎng)絡連接/數(shù)據(jù)收發(fā)任務、定時器、LED指示燈、LCD顯示、按鍵任務、報警任務、RTC實時時鐘以及生產(chǎn)測試任務。

5.2 RS-485串口通信軟件設計

網(wǎng)關具有兩個物理上的RS-485端口:負責與監(jiān)控器進行通信;負責與上位機進行通信。由于需要網(wǎng)關在連接監(jiān)控器的情況下進行調(diào)試,所以需要兩個RS-485接口。

5.3 MQTT通信協(xié)議軟件設計

MQTT協(xié)議[9]是為工作在低帶寬、不可靠網(wǎng)絡的遠程傳感器和控制設備通信而設計的協(xié)議,使用發(fā)布/訂閱消息模式,提供一對多的消息發(fā)布,通過MQTT消息代理者通信來實現(xiàn)間接交互消息。

STM32F103通過AT指令與EC20進行通信,服務質(zhì)量QoS選擇“最多一次”。監(jiān)控器實時傳遞數(shù)據(jù)給網(wǎng)關,網(wǎng)關每隔4 min上傳一次數(shù)據(jù),PING心跳請求的時間間隔為1 min,當沒有報文需要發(fā)送時,必須發(fā)送心跳包[10],告知服務端客戶端“在線”。MQTT協(xié)議連接流程如圖5所示。其中,4G模組支持全網(wǎng)通,即支持LTE-FDD[11]和LTE-TDD[12]網(wǎng)絡數(shù)據(jù)連接。

圖5 MQTT協(xié)議連接流程

6 系統(tǒng)測試

6.1 硬件測試

硬件測試主要包括網(wǎng)關和監(jiān)控器的測試,具體包括:常溫下電壓、電流、能耗參數(shù)準確度的測試,高低溫情況下上述參數(shù)的測試,EMC測試。

經(jīng)測試,-10～85 ℃的情況下,設備可以正常工作。常溫下,連續(xù)測試15 d,電能能耗的計量誤差滿足0.5 s電表的要求。

6.2 軟件測試

軟件測試主要測試微信小程序和網(wǎng)頁端的數(shù)據(jù)顯示、命令下發(fā)。

微信小程序折線圖界面如圖6所示,微信小程序控制界面如圖7所示,可以查看溫度、剩余電流、電能等信息。

圖6 微信小程序折線圖界面

圖7 微信小程序控制界面

網(wǎng)頁端電能數(shù)據(jù)展示界面如圖8所示。網(wǎng)頁端電能詳細數(shù)據(jù)展示界面如圖9所示。可以看到,某數(shù)控機床一天電能消耗情況,中午時間電能下降,是工人在休息,17∶00電能為0,說明工人下班,機器已關閉。圖 9可以查看到4 min一次的數(shù)據(jù),而圖8只能查看1 h一個數(shù)據(jù)點的大致電能使用情況。且圖8是電能能耗的差值,而圖9是從設備安裝到目前為止所用的電能能耗的累計值。

圖8 網(wǎng)頁端電能數(shù)據(jù)展示界面

圖9 網(wǎng)頁端電能詳細數(shù)據(jù)展示界面

經(jīng)過長時間測試,該監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件均可靠且運行穩(wěn)定,而且實現(xiàn)小程序端和電腦端對設備進行查看和控制。網(wǎng)頁端控制展示界面如圖10所示。

圖10 網(wǎng)頁端控制展示界面

7 系統(tǒng)應用

系統(tǒng)目前主要運用于銀行總行及各營業(yè)網(wǎng)點的電能監(jiān)控與分析方面。銀行營業(yè)場所的70%的用電屬于營業(yè)性用電,如照明、電腦、空調(diào)、飲水機、LED屏等設備的用電,員工下班后需拔掉所有設備的插頭,但在實際中執(zhí)行效果不好,造成大量電能浪費。

銀行智慧用電監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖11所示。

圖11 銀行智慧用電監(jiān)測系統(tǒng)框圖

根據(jù)用電時間(8 h或24 h)及供電類型(市電或UPS),將銀行的所有用電分為8 h市電、24 h市電、8 h UPS、24 h UPS和定時工作電源。銀行網(wǎng)點用電類型監(jiān)測如圖12所示。銀行智慧用電系統(tǒng)接線圖如圖13所示。

圖12 銀行網(wǎng)點用電類型監(jiān)測

圖13 銀行智慧用電系統(tǒng)接線圖

銀行網(wǎng)點現(xiàn)場管理終端是一個觸摸屏,網(wǎng)點現(xiàn)場管理終端展示界面如圖14所示。通過網(wǎng)頁端所展示的數(shù)據(jù),依據(jù)用電量可對支行工作人員上、下班時間點進行監(jiān)測。

采用本系統(tǒng)之后,各支行工作人員上班時間點較為穩(wěn)定、準時,已養(yǎng)成下班一鍵關斷8 h用電的習慣。當需要加班時,可以在網(wǎng)頁端提交加班申請。偶爾忘關斷8 h用電,監(jiān)管人員都會及時督促網(wǎng)點相關人員進行關斷。

對各網(wǎng)點用電情況統(tǒng)計,以7∶00～18∶30作為上班時間段,對8 h設備下班時間段用電統(tǒng)計,可節(jié)約5%～10%的用電量,具體節(jié)能效果與網(wǎng)點實際用電管理情況有關。

8 結(jié) 語

基于MQTT協(xié)議的4G無線電能監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)督設備運行情況、遠程開斷設備,主要優(yōu)勢如下:

(1) 采用4G無線通信方式,數(shù)據(jù)傳輸速度快,性能穩(wěn)定,可以實現(xiàn)復雜環(huán)境下設備數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

(2) 采用一個網(wǎng)關連接多個監(jiān)控器的結(jié)構(gòu),且在監(jiān)控器上采用性能略低的HC32L130芯片,大大節(jié)約產(chǎn)品成本。

(3) 大量采集的電參量信息,為大數(shù)據(jù)分析提供便利,實現(xiàn)管理節(jié)能、電能分析、企業(yè)生產(chǎn)情況監(jiān)管等大數(shù)據(jù)分析任務,助力工業(yè)數(shù)字化和碳達峰、碳中和。