基于物联网的电机节能管理系统设计

李剑,马新春,陈星志,覃桢桢,冷春花

(新疆电子研究所有限公司 新疆 乌鲁木齐 830013)

基于物联网的电机节能管理系统设计

李剑,马新春,陈星志,覃桢桢,冷春花

(新疆电子研究所有限公司 新疆 乌鲁木齐 830013)

为了解决新疆某造纸行业老旧电机耗电量大、电机经常烧毁的问题,设计了一种基于物联网、嵌入式、C#技术实现对电机运行情况实时监测、故障预警、调压节电的电机节能管理系统。该系统通过C语言编程实现对感知层、传输层硬件的控制,以及对电机三相电压的调节功能,应用层采用VisualStudio2012进行编程,实现电机运行数据的远程监测、故障预警、节能分析。实际应用表明,该系统具有自动化程度高、高性能、高可靠性、节电率高（≥15﹪）的特点,达到了设计要求。

物联网；嵌入式；VisualStudio2012；电机；节电率

盘点新疆工业经济形势，工业生产稳步增长,根据自治区经贸委提供的资料表明,近年来新疆万元GDP（国内生产总值）能耗虽然同比呈下降趋势,但下降幅度很小,新疆节能降耗总体形势依然严峻。新疆近年来在节能减排上花了不少气力,也取得了一定的成绩,但是成效并不显著。

目前,在全球许多国家和地区,物联网技术和节能技术都已经应用的十分广泛。但将物联网技术与工业设备节能系统集成、将工业设备节能管理与控制结合的系统并不多见。电机是绝大多数工业设备的驱动设备,在企业自动化生产过程中,设备正常运行对安全生产和经济效益具有特别重要的意义。由于单台设备的故障往往会影响整个生产过程的顺利进行,并造成巨大的经济损失,甚至引起重大安全事故,因此,生产设备的运行状态监测和异常状态的处理和保护对企业正常的生产至关重要。同时电机产品的广泛使用,极大地推动了人类社会的进步,但同时也消耗了大量的能源,严重地污染了环境。根据相关文献统计,全球每年50﹪电量都是电机消耗的,而我国由于电机节电技术落后,这个比例可以达到60～70﹪［1］。所以借鉴国外广泛使用的物联网技术和节能技术,结合我国电机工况特点,设计一种基于物联网的电机节能管理系统来综合提高重点行业电机运行效率,实现资源循环利用最大化,有着巨大经济效益和社会效益。

1 需求分析

系统通过采集电机的各种运行参数,就可以通过分析得到目前电机是否存在潜在的故障,通过检测电机当前负荷来推断电机是否具有节电空间,而电机负荷的检测通常采用功率因数法进行:电机负荷大,则它的功率因数大；电机负荷小,则它的功率因数小［2］。在确定当前电机负荷小具有节电空间后,针对电机进行调压节电控制,根据电机的特性得出在电动机负载较轻的情况下,适当并合理的降低电动机定子电压可以有效的提高电动机的功率因数,减小定子电流,从而实现节约电能的目的；同时,在电机监测终端加装通过微处理器控制的无线数据传输设备,远程计算机通过发送指令实时获取电机电能参数数据,当电机出现故障时,亦可将故障信息发送至远程计算机。

2 总体设计

物联网技术是以泛在网络为基础、以泛在感知为核心、以泛在服务为目的的综合性一体化信息处理技术［3］。从系统架构上可以分为3个层次,从下到上依次是感知层、传输层和应用层。本节介绍了基于物联网的电机节能管理系统的系统总体结构图［4］,如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the overall system

2.1 感知层

感知层主要使用电能计量芯片等现场传感元件。实时采集电机输入端电能参数,包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素等数据。

2.2 传输层

传输层主要使用ARM微处理器及外围模块完成调压节电及数据通信控制两个主要功能。其中从晶闸管驱动电路、电压同步信号检测电路、电流过零检测电路、电参数测量电路获取电能数据后通过节电算法计算出晶闸管触发角实现调压节电的功能；利用微处理器自带的SPI通信接口与感知层电能计量芯片通讯,获取各电能数据,利用微处理器自带的UART通信接口与RS232无线通信模块子站通讯,将各电能数据处理后,通过RS232无线通信模块子站将数据发送出去,也可以通过RS232无线通信模块子站接收到的命令做相应处理［5］。

2.3 应用层

应用层包括上位机软件与电机节能管理系统。

上位机软件主要用于数据采集、数据监测,是以计算机为基础的数据采集监测软件,它可以对现场电机运行各电能参数数据进行采集并对数据实时监测以及各类电机电能类故障报警等功能,使用对象是现场监测电机维护人员。

电机节能管理系统是提供给公司管理层使用的应用系统,系统除具有系统管理、权限管理、自定义流程管理等基础功能外,还包括电机运行数据分析处理、统计报表、统计图表等功能,以及电机维护、耗电实时分析、节电预测等管理功能。

节电控制模块、上位机软件及电机节能管理系统与是整个管理系统的重要组成部分,是实现电机节能降耗的重要因素。通过节电控制模块,根据电机负载率动态调整电机运行电压到最佳状态,实现电机直接节电的目的。通过上位机软件可以了解全厂各电机实时运行情况,及时发现电机运行故障、及供电线路异常等问题。通过电机节能管理系统,分析各电机用电情况,找出本身无节电空间的低效电机,平衡全厂电机用电。综上所诉,电机节能管理系统对企业电机用电的输送、分配和消耗实行集中动态监测、网络化、远程化和数字化管理,改进和优化用电平衡,实现系统性的节电,另一方面从电机实时运行工况和所拖动负载情况触发,通过节电算法控制电机运行电压,实现直接性的节电。

3 硬件设计

ARM及节电控制模块硬件系统组成由图2可知,可控硅串接在主回路保护电路与三相异步电机之间,ARM最小系统实时采集电压电流信号。本设计采用最大功率因数的控制方法,由ARM最小系统计算得出最大功率因数对应的最佳电压值,通过调节双向可控硅的导通角,经可控硅触发电路,调节电动机端电压至最佳电压。此外,系统使用了ATT7022电能计量芯片,该芯片实际固化在节电控制模块电路板上,通过接线柱与电机3个接线端子连接,微处理器通过SPI设备与其通讯，由于ATT7022的数据口是在时钟信号的下降沿写入/读取的,所以将微处理器的SPI模块配置成CLK默认下降沿,数据在CLK下降沿传输［6］,之后微处理器就可以通过调用ATT7022接口函数能够从其测量出电机各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量,同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数,实时监测当前电参数,通过无线通信模块可将数据实时上传至上位机。

图2 硬件系统框图Fig.2 Block diagram of the hardware system

4 软件设计

4.1 嵌入式系统编程

嵌入式系统编码采用C语言编写,开发环境使用IAR For ARM 7.1,软件部分总共需要移植一个操作系统以及设计3个子程序,移植的操作系统为μC/OS-II嵌入式操作系统、设计的3个子程序分别为引导程序,驱动程序以及应用程序。

具体实现方法是在微处理器上电之后,首先运行引导程序,引导程序通过按键状态判断是进入操作系统还是更新用户代码,如果不需要更新用户代码,则引导程序进入操作系统,在操作系统相关设置初始化完毕之后创建并调用各个应用程序。

1）引导程序:是系统加电后运行的第一段软件代码,本系统采用AN2295作为嵌入式系统的引导程序,在本系统中,根据实际的硬件设计,在AN2295的基础上做了相应修改,为了执行引导程序,微处理器的通讯接口选用UART3,通讯的波特率为19 200,通讯格式为8N1。

2）驱动程序:包括对按键、指示灯、同步信号、电流过零、触发脉冲、液晶显示、ATT7022、GUI字体、通讯接口、外部数据存储、内部数据存储等硬件设备驱动程序的编写,主要供各个应用程序调用。

3）应用程序:包括main主程序、启动程序、LCD刷新程序、按键扫描程序、ATT7022参数读取程序、控制程序、中断程序等子应用程序,各应用程序通过硬件驱动程序来控制硬件工作并从硬件获取各种参数。

4.2 上位机编程

上位机软件采用C#的WinForm方式进行开发,主要功能模块包括:系统管理、参数设置、电机运行监测、故障记录查询。

具体实现方法是在上位机软件运行后,首先设置串口端口号、波特率,再通过调用SerialPort函数打开串口,确认串口成功打开后,通过串口发送指令给微处理器,微处理器对发来的指令进行判断,如果设备编码匹配则发送电机各参数数据给上位机,上位机按定义好的数据格式进行数据解析,将分解后的各参数数据实时显示在各参数对应显示框内,包括电机实时运行参数:三相电压、电流、有功功率、无功功率,以及电机故障参数:过压、过流、缺相等故障信息；显示数据的同时,调用SqlHelper函数将电机运行数据、故障信息插入到数据库中,供电机节能管理系统分析使用。

4.3 电机节能管理系统编程

采用C#的WebForm方式开发,主要功能模块包括:系统管理、基础资料、设备管理、物料管理、生产管理、节能分析、统计报表、代办业务等功能模块。

该系统为企业节能综合管理系统,设计时兼顾造纸过程中的原料采购、生产工序、设备耗能统计、设备维护、润滑、统计等功能,同时通过节能分析模块调用数据库数据可以对上位机获取并保存在数据库中的数据信息进行深入的分析、处理后以报表的形式直观的展示出来,作为企业用能节能基础数据供企业管理者进行参考。各主功能模块具体设计如下:

1）系统管理:包括用户管理、权限管理、密码修改3个子功能模块。

2）基础资料:包括部门管理、仓库管理、生产工序、维修级别、能源类型、设备类型、设备标识、能源用途、配件类型、计量级别、工种类别、人员能力、设备能力等基础数据信息的设置。

3）设备管理:包括设备资料、维修维护、润滑管理、设备档案、设备台帐、设备变动、设备盘点、设备统计八个子功能模块。

4）物料管理:包括半成品BOM、产品BOM、批次物料清单、物料申请单4个子功能模块。

5）生产管理:包括生产计划、生产工艺、生产排产3个子功能模块。

6）节能分析:包括监测汇总、故障记录、投入能源量、能源输送分配量、能源加工转换、企业总节能量、产量能耗量、产值能耗量、节能率、固定资产投资节能登记、企业节能技改规划11个子功能模块。

7）统计报表:包括能耗计划、能耗台帐、能源消费结构表、能源消费流向表、产品工序耗能日报表、能源成本分析表、能源加工转换记录表、能源加工转换台帐、能耗指标汇总表9个报表。

8）代办业务:主要是对上述有业务流转的单据进行审核提醒,对库存不足的原料进行库存预警,以及对到期需要维护的设备进行维护预警提醒。

5 结论

基于物联网的电机节能管理系统的设计与在造纸企业中的实际应用,通过电机运行直接调压节能与包含原料消耗记录、生产工艺消耗记录、电机耗能记录、电机故障预警、电机维护管理、节能评估、统计报表等模块构成的管理节能相结合的方式能更好、更高效、更全面的实现节能的目的。据实际测算,使用该系统比以往单纯使用管理节能或使用直接节能方式节能效果提高2倍以上,达到了设计要求。

［1］纪勇.三相异步电动机降压节能技术研究［J］.科技创新导报，2012（5）:1.JI Yong.Research of three phase asynchronous motor stepdown energy-saving technology［J］.Science and Technology innovation Herald，2012（5）:1.

［2］牛德辉.浅析三相异步电动机的节电技术措施［J］.中国科技博览，2010（31）:610.NIU De-hui.Energy saving technical measures of threephase asynchronous motor［J］.China Science and Technology Review，2010（31）:610.

［3］梁炜，曾鹏.面向工业自动化的物联网技术与应用［J］.仪器仪表标准化与计量，2010（1）:21-24.LIANG Wei，ZENG Peng.Technology and application of the Internet of things for industrial automation［J］.Instrument Standardization and Metrology，2010（1）:21-24.

［4］唐昱佳.基于物联网的能源管理系统设计［J］.计算机应用与软件，2011（12）:162-164.TANG Yu-jia.Energy management system design based on internet of things［J］.Computer Applications and Software，2011（12）:162-164.

［5］张志阳，吴秀丽.基于C语言的RS232串口通信的设计［J］.科技广场，2014（1）:134-136.ZHANG Zhi-yang，WU Xiu-li.Design of RS232 serial communication based on C［J］.Technology Square，2014（1）: 134-136.

［6］张平川，侯丽敏.基于ARM及ATT7022的无线智能电表设计与实现［J］.信阳师范学院学报，2013，4（26）:601-604.ZHANG Ping-chuan，HOU Li-min.Design and implementation of smart meter based on ARM and ATT7022［J］.Journal of Xinyang University，2013，4（26）:601-604.

Design of motor energy management system based on Internet of things

LI Jian，MA Xin-chun，CHEN Xing-zhi，QIN Zhen-zhen,LENG Chun-hua
（Xinjiang Electronic Research Institute Co.,Ltd,Urumqi 830013，China）

Xinjiang，a paper industry in order to solve the old motor power consumption，motor problems often burned，designed based networking，embedded，C#technology to achieve real-time monitoring of the motor is running，fault warning，regulating energy-saving motors energy management systems.The system is implemented by the C programming language perception layer，transport layer hardware control，and motor function of the three-phase voltage regulator，application layer VisualStudio2012 programming，remote monitoring of the motor operating data，fault warning，energy analysis.The practical application shows that the system has a high degree of automation，high performance，high reliability，high saving rate（≥15﹪）characteristics meet the design requirements.

Internet of things；embedded；VisualStudio2012；motor；saving rate

TP311

：A

：1674-6236（2015）18-0027-03

2014-11-21稿件编号：201411181

新疆维吾尔自治区科技计划项目（201312109）；乌鲁木齐高新区创新基金项目(CX13135W)

李 剑（1981—）,男,新疆乌鲁木齐人,工程师。研究方向:计算机软件。