物联网设备在水泥企业能源管理系统改造中的应用

2021-11-06林希

四川水泥 2021年10期

林希

（合肥水泥研究设计院有限公司，安徽合肥 230051）

0 引言

随着云计算技术的快速发展，越来越多的水泥企业选择将能源管理系统部署到云计算平台，这样做可以给水泥企业带来很多好处。第一，可以给数据访问带来更大的灵活性和移动性。水泥企业可以将数据访问扩展到多种智能终端设备，例如通过手机终端等就可以在任何地方随时进行数据访问，不受空间限制[1]。第二，可以灵活扩展企业IT 需求。将系统部署到云平台后，水泥企业可以有更加灵活的选择，可以在任何时间停止不需要的服务或者增加需要的服务。第三，数据安全性得到保障。云计算平台相比本地服务器具有更高的安全性，对于部署在本地服务器的能源管理系统如果遭遇意外而导致本地服务器崩溃，则将造成系统无法使用，甚至可能造成数据丢失无法恢复，而采用云计算平台则无需担心这些问题，也不用考虑服务器维护和服务器更新的问题[2]。

基于云计算平台的众多优势，已经有一些企业开始将原有的能源管理系统进行升级改造，将传统电表替换成带物联网协议的智能电表，或者增加带物联网协议的智能网关，将原有电表传过来的数据进行数据存储和转发。MQTT 协议是物联网最主要的协议，也是目前应用最广泛的物联网协议，几乎所有的云平台都支持MQTT 协议，本文以笔者实际参与升级改造的项目为例，介绍了基于MQTT 协议的物联网智能电表和智能网关在水泥企业能源管理系统改造中的应用，经过升级改造后，系统运行稳定，数据传输正常，达到了预期的改造效果。

1 MQTT 协议

1.1 MQTT 简介

MQTT 是一种基于publish 模式和subscribe 模式的即时通信协议。由于工业数据越来越多，数据量越来越大，较早之前的Request/Response 模式已经不再适合现代工业场景，而publish/subscribe 模式则很好地解决了这一问题。MQTT 以TCP/IP 提供网络连接，是一种轻量级的协议，它解决了不同的机器之间大规模数据传输的要求，该通信协议可以占用非常少的带宽，配以非常少的代码，即可为远程设备连接提供高效可靠的消息服务，非常适合在需要低功耗和网络带宽有限的场景，所以MQTT 在工业物联网方面有着非常广泛的应用。

图1 MQTT 技术数据传输模式

1.2 MQTT 的实现方式

MQTT 的实现是需要客户端和服务器端通讯来完成的，对于水泥企业的数据采集情况来说，水表，电表等设备终端就是一个个的MQTT 客户端，设备终端将电能参数通过4G 或5G 传输到云服务器，部署在云端的MQTT 服务器即作为消息代理，负责接收来自客户端发来的应用消息，同时也可以向客户端转发消息。当MQTT 服务器转发消息时，客户端则是消息订阅者。所以发布者和订阅者就是水泥企业的各种电表水表等带MQTT 协议的各种智能设备终端，而消息代理就是部署在云平台的云服务器。

1.3 MQTT 的数据包结构

MQTT 中传递的信息可以分为两部分，如下图所示

图2 MQTT 传输的消息构成

现场的智能终端只要订阅了某种消息类型，那么该智能终端就可以接收与之对应的消息内容，但是对于没有订阅的消息类型，则是拒绝接收的。

MQTT 数据包中一定会包含固定头，固定头主要表示两块内容：一是数据包类型，二是数据包分组类标识。不是所有的MQTT 数据包中都会有可变头，是不是包含可变头主要由数据包类型来确定。也不是所有的MQTT 数据包中都包含消息体，消息体表示Client 收到的具体消息所包含的意义。

1.4 带MQTT 功能的设备终端在能源管理系统中的应用方式

带MQTT 功能的设备可以是独立的设备，如单个的智能电表或智能水表，也可以是具有数据采集存储转发功能的智能网关。对于采集终端较为集中的区域来说，适合采用多采集终端数据集中发送的模式，如水泥企业的配电室，在配电室中智能电表的布置较为集中，可以采用多只智能电表连接到数据总线，再通过MQTT 数据网关进行发布。而对于设备分布比较分散的数据采集终端，难以实现数据集中转发，则可以选用独立的MQTT 终端，如带MQTT 功能的智能电表或智能水表。

2 带MQTT 协议的智能网关和智能电表

2.1 带MQTT 协议的智能电表

新增智能电表采用的是ADW300-4G 电表。ADW300-4G 电表具备4G 无线通讯功能，主要用于低压用电设备的电能计量，包含电流，电压，功率因数，正向有功总电能，反向有功总电能等电气参数，并且带有多种不同的安装方式，可以非常方便灵活地安装在配电室内的低压配电柜内，可应用在电力维保、安环监测等在线监测类平台中，实现对不同范围和不同负荷的分项电能计量，统计和分析。

对于水泥生产线来说，ADW300-4G 智能电表的接线方式可以分为两种，一种是三相四线制，另一种是三相三线制。三相四线制接线方式主要应用于TN-S 的接地型式或者TN-C-S 的接地型式的低压配电回路中。三相三线制接线方式主要应用于电源中性点不接地的低压配电回路中，但电源中性点不接地的电源型式在水泥企业应用非常少，大多采用的还是电源中性点接地的电源型式。所以在能源管理系统的建设中，现场智能电表的接线大多采用三相四线制接线方式。

2.2 带MQTT 协议的智能网关

2.2.1 智能网关的作用

本系统智能网关采用的是ANet-1E1S1-4G。智能网关主要用于将一个集中区域内的计量仪表的全部数据进行打包，然后通过4G 网络上传至云平台，完成通过该网关接入的所有智能仪表的数据采集工作。对于从云平台下发给各个智能电表的数据也是由智能网关接收后负责转发至各智能电表，完成对厂站内各智能电表的参数设定，实现远程维护和调试功能。

对于水泥生产线中已经安装好的不带MQTT 协议传输功能的计量仪表或者独立系统，可以采用MQTT 智能网关将Modbus、OPC 等传统的通讯协议转换成MQTT 协议，带传统通讯协议的电表（如MODBUS 通讯电表），通过RS485 接口接入到ANet-1E1S1-4G 无线MQTT 网关，网关将采集上来的电能数据转换成MQTT 协议格式，再通过4G 网络上传到云平台。

2.2.2 智能网关的主要技术特点

ANet-1E1S1-4G 网关支持多种工控协议，不仅支持4G/GPRS/WIFI、串口通信等信号方式，也支持TCP/IP、MQTT 等协议，还支持远程设置和改变设备及变量的数据采集规则。

MQTT 网关可以在水泥企业现场中实现复杂协议类型的标准化接入，不仅能够作为数据中心进行数据存储，还可以做到远程设置和远程访问，远程发布，部署方便，对于快速构建工业4.0 服务系统具有重要意义。

2.2.3 智能网关的配置

首先做好现场智能网关的安装工作，连接好与设备的各种接线，然后在本地或云平台配置网关的相关技术参数。进行网关配置之前，需要连接好设备接线，将一根交叉网线连接电脑和和网管的网口，也可以将电脑和网关都通过级联网线连接在一个交换机内，随网关附带有相应的管理软件，可以进行网关的基础设置和高级设置，需要进行设置的参数不多，设置软件主要采用的是网关提供的两项服务，SSH 服务和Telnet 服务。连接成功后界面显示“login:”，然后输入用户名和密码进行登录操作。