单机功率设备能耗“上云”技术研究

万海峰，彭来湖，史伟民，胡旭东，吕明来，李建强，张少民

(1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018; 2.海宁纺织机械有限公司，浙江 嘉兴 314400)

随着我国工业化进程的快速发展，对能源的需求呈指数增长，如何实现节能减排是目前社会面临的一个重要问题.当前企业用电仍以传统的产区单表统一能效管理为主，监管方式粗放，普遍存在着测量不准确、监管误差大、无法实现单设备精细化能耗监控等问题.此外，传统的设备能耗监测系统需要企业自行组织人力物力来搭建完整的系统，包括系统运行必需的采集终端电表、服务器硬件系统以及相关的软件系统，企业的前期成本投入很高，且后期对设备和软件进行维护的工作量也很大.

随着物联网技术在工业领域的广泛应用，采用物联网和大数据分析技术，建立一套针对大功率设备的能耗监测管理分析系统，为生产工艺优化、电能合理利用和设备节能操作提供评价依据，是推广能源高效利用、缓解能源危机对经济社会发展制约的有效途径[1].开发基于云服务器的设备能耗监测系统具有重大意义和工程推广价值[2-9].为此，本课题设计一种基于云平台的单设备能耗监测系统，采用新型的云计算方式，为企业用户提供一种便捷的能耗监测管理系统，节省企业的前期采购成本和后期维护成本，保证数据的安全性和共享性，提升企业的能源管理、监控及优化水平.

1 “上云”系统的结构

物联网是新一代信息技术的重要组成部分.电参数采集单元即采集终端，通过GPRS(General Packet Radio Service)模块实现“物”与“网”之间的信息交换.电参数采集单元通过GPRS模块，以TCP/IP连接方式实现服务器与客户端的通讯[3].

“上云”系统将终端采集到的电参数直观地显示在客户端界面上.服务器客户端对采集的电参数进行解析，判断设备当前的运行状态以及设备的能耗等，以便企业及时了解自身的设备能耗情况，对车间设备进行科学管理.

“上云”能耗监测系统具有多方面的优势：①高效的管理性，能够时刻监控设备的运行状况，降低设备的故障率；②多用户高效性，在云平台中很多软件可通过SaaS方式被发布出去，提供给更多的客户共享，既可节约成本，又能实现多用户使用；③开放共享性，云平台以标准接口与外系统进行通信，可实现跨用户、跨区域的数据共享.

“上云”系统的拓扑结构如图1所示.

图1 “上云”系统拓扑结构

2 电参数采集单元的硬件结构

电参数采集单元的硬件总体结构如图2所示.

图2 电参数采集单元的硬件总体结构

电参数采集单元的硬件结构由六部分构成：CPU单元模块、GPRS模块、采集模块、存储模块、电源模块、时钟摸块.CPU单元模块主要是Freescale MKE06Z64芯片；采集模块则是ATT7022E芯片；GPRS模块采用SIM900A芯片，用来向服务器端发送数据；存储模块的芯片为FM25L16B，用来存储数据和掉电保护；时钟模块通过DS3231芯片来读取当前时间.

(1)CPU单元模块.该模块与采集模块通过IO(Input/Output)口模拟SPI(Serial Peripheral Interface)通讯，读取电参数；它通过TTL(Transistor-Transistor Logic)串口与GPRS进行通讯，向服务器端发送数据；它与FM25L16B通过SPI通讯来存储数据；它与DS3231通过I2C(INTER IC BUS)通讯，读取当前时间.

(2)GPRS模块.其模组为SIM900A，配置为透传模式.它与服务器端进行数据传输，将CPU读取的电参数发送给服务器.

(3)采集模块.采集模块的接线方式有三相三线与三相四线两种方式.它通过电阻分压方式获得采样电压；通过变比为2 000∶1的电流互感器获得采样电流.采样信号经过采样通道以差模电压的形式送给电能计量芯片ATT7022E.ATT7022E对采样信号处理后得到电压、电流、功率、电量等电参数[4-5].

(4)存储模块.铁电FM25L16B用来存储服务器端的IP地址、端口号、采集终端的设备地址、CT(Current Transformer)变比等参数.当设备断电后，启动掉电保护，将断电前的数据保存起来.

(5)电源模块.电源模块可兼容380 V和220 V交流电输入，输出5 V直流电压.它一方面给GPRS模块供电，另一方面经过AMS1117芯片将5 V转换成3.3 V电压，给CPU单元模块和采集模块供电.

(6)时钟模块.时钟模块用来读取当前的时间.它主要有两个作用：一是用作判断零点，清除当天设备的总电量和运行时间；二是存储历史数据，存储服务器尚未接收到的电参数.

3 电参数采集单元的硬件电路设计

3.1 GPRS模块的硬件电路设计

本课题的电参数采集单元与服务器之间通讯采用GPRS的无线通讯方式.GPRS通用无线分组业务由英国BT Cellent 公司提出，是一种基于GSM(Global System for Mobile Communication)的无线分组交换技术.常见的GPRS产品有SIM300、SIM800、SIM900等系列产品，不仅价格便宜，操作也很简单，只需使用AT(Attention)指令调用功能即可.

GPRS通讯的优势在于：①透明的数据传输模式；②永远在线，实时收发数据；③按流量收费，收费合理，并且可根据不同的用户进行设计[6-7]；④支持标准的通讯协议，能够与IP网互联，支持点对点、点对多点和短信业务；⑤高速传输数据，GPRS网络传输速度最快可达160 kb/s,通信连接速度快，一般2～3 s即可建立连接.它提供的数据流量和短信业务等功能，在工业和民用领域已经得到广泛的应用[7].

GPRS模块的SIM900A芯片电路如图3所示.

图3 SIM900A芯片电路图

3.2 采样电路的硬件设计

电压采样电路主要有两种采样方式：互感器采样和电阻分压采样.本课题采用的是电阻分压采样.图4所示为电阻串联式分压采样电路.其输入分压比为120 kΩ∶470 Ω.470 Ω电阻和1 pF电容组成了抗混叠滤波电路[8].电流采样电路如图5所示.

采样电流绕过互感器DL-CT10CL-50A/25mA的线圈，接入电流采样电路的采样端.1 pF电容和0.1 pF电容组成抗混叠滤波电路.

电能计量芯片ATT7022E通过采样电路采集到电压、电流信号.对采集到的信号进行处理、分析，可得到设备运行的电能质量参数.

图4 电压采样电路

图5 电流采样电路

3.3 数据存储电路的硬件设计

为了对电参数采集单元的服务器端IP地址、端口号、采集终端的设备地址、CT变比等参数进行存储，数据存储电路的数据存储量要大，安全性要高，时效性要强.本课题采用FM25LXXB作为存储芯片.该系列芯片采用SOP(Standard Operating Procedure)封装，程序兼容，存储量有1 kb、2 kb、4 kb、8 kb、16 kb、32 kb、64 kb、128 kb、1 024 kb可供选择，综合考虑后最终选择了FM25L16B作为存储芯片.其存储电路如图6所示.

图6 数据存储电路

4 电参数采集单元的程序设计

4.1 控制GPRS模块的AT指令集程序

AT指令集是从终端设备向终端适配器发送的.通过AT指令可进行短信、传真、呼叫、数据业务等控制.CPU向GPRS模块发送AT指令集，从而配置GPRS模块工作方式.GPRS模块收到CPU发送的AT指令集后能够回复相应的数据帧.

部分AT指令集如下：

AT+CGDCONT=1,IP,CMNET;

AT+CGATT=1;

AT+CIPMODE=1;

AT+CIPCSGP=1,CMNET;

AT+CIPSTART=TCP,12345,8086;

CPU控制GPRS模块的通讯流程如图7所示.

图7 CPU控制GPRS模块的通讯流程

4.2 控制ATT7022E芯片的采集电参数程序

本课题配置的电能计量芯片ATT7022E为三相四线制接法，用于采集设备运行的电参数.

ATT7022E工作模式的部分程序如下:

Write7022(CS_Pin,0x01,0xB9FE);

Write7022(CS_Pin,0x03,0xFC4C);

Write7022(CS_Pin,0x31,0x3436);

Write7022(CS_Pin,0x02,0x0100);

CPU控制ATT7022E芯片的通讯流程如图8所示.

图8 CPU控制ATT7022E芯片的通讯流程

4.3 控制铁电的存储程序

通过SPI通讯，CPU与铁电存储芯片FM25L16B之间进行数据的传输.

CPU控制铁电的通讯流程如图9所示.

图9 CPU控制铁电的通讯流程

5 云平台软件开发

5.1 云平台数据采集软件开发

要保证电参数采集单元对远程监控数据采集的准确性，关键在于数据通讯.采集单元与云平台之间的通讯采用Modbus/TCP协议.Modbus/TCP协议是Modbus协议的派生产品，用于管理和控制自动化设备.Modbus/TCP协议是否连接网络协议层，非常容易识别.其单一连接可以支持多个独立的实物.此外，它允许很大数量的独立事务同时连接并发送数据.

本课题采用的Modbus/TCP协议主要由四部分组成，即地址码、功能码、数据区和差错校验.地址码用一个字节表示，代表采集单元的地址；功能码分为03(电参数采集单元向云平台发送电参数)和06(云平台向电参数采集单元发送参数设置数据)两种；数据区随功能码的变化而变化.

电参数采集单元与云平台端的通讯流程如图10所示.

图10 电参数采集单元与云平台端的通讯流程

根据通讯协议，云平台对电参数采集单元发来的电参数解析、分析后存入数据库.

5.2 云平台客户端软件开发

本课题远程监控系统使用的开发环境为PHP(Hypertext Preprocessor)，且以电参数采集单元作为设备终端.由于现场的设备终端数量较多，因此要预先给每个设备终端设置一个相应地址，云平台也会相应增加采集通道.云平台可根据采集终端地址的不同，将接收到的数据分配到不同的通道中.

用户通过PC机或手机可访问云平台客户端的IP地址，观察设备的运行状态，并可以下发指令修改设备的参数.

云平台与采集终端的通讯流程如图11所示.

图11 云平台与采集终端的通讯流程

云平台客户端的作用是对各采集终端的数据进行统计、分析和处理[10].数据存储使用的是MySQL数据库.采集终端连上云平台客户端后，每间隔30 s发送一次采集的电参数数据帧.云平台客户端对读取的数据根据协议进行解析，对解析后的数据进行处理、显示，存入数据库并绘制出相应的趋势图.云平台客户端的设备运行状态界面如图12所示.云平台客户端的设备电参数界面如图13所示.

图12 云平台客户端的设备运行状态界面

图13 云平台客户端的设备电参数界面

6 电参数采集测量

本课题采用三相精密稳压电源对电参数采集单元的测量精度进行验证.测试输入的电压范围为210.0～260.0 V，输入电流范围为1.0～10.0 A.电压、电流的有效值测量结果分别见表1、表2.测量结果表明，电参数采集单元的测量精度较高，电压有效值的误差<±0.5%，电流有效值的误差<±0.2%，达到了系统总体的设计精度要求.

表1 电压测量值及相对误差

表2 电流测量值及相对误差

7 结束语

单机功率设备能耗“上云”系统的软件控制简洁，各模块程序易于修改，电参数采集单元的工业现场运行稳定，数据传输效率高.通过系统应用，企业可以远程监控和采集高耗能设备的电参数，掌握准确的能耗数据，有利于节能降耗.同时，功率设备的能耗监测中心可以为政府提供企业的用电数据，为产业结构调整和淘汰落后产能提供技术支持.

[1] 栾文鹏，赵 磊，王 兵，等.智能电表数据分析元及示例[J]. 南方电网技术,2016,10(1):1-5.

[2] 孙丽娜,马海伟.基于云平台的能效管理系统研究[J]. 电器与能耗管理技术,2015(5):59-63.

[3] 赵 亮,黎 峰.GPRS无线网络在远程数据采集中的应用[J].计算机工程与设计,2005,26(9): 2552-2554.

[4] 刘 鹰.智能电表的应用前景[J]. 仪表技术,2011(12): 61-63.

[5] 李志会.智能电网中新型智能电表及集抄系统的运维策略分析[J].科技资讯,2014,12(20):4-5.

[6] 徐 政,王铁钢.电网相量同步动态监测系统[J].仪表技术与传感器,2005(10):28-29，34.

[7] 李 虎，邹建明.在线监测技术在电网中的应用[J].华中电力,2007,20(6):56-58.

[8] 袁 野.电能计量领域的多功能低功耗设计[J]. 电子技术应用,2008,34(11):8-11.

[9] 陈 康，郑纬民.云计算：系统实例与研究现状[J]. 软件学报,2009,20(5):1337-1348.

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