安科瑞电气股份有限公司

在智能制造业的转型与升级过程中，设备能耗监控成为了一个关键环节。本文提出并探讨了一个基于工业互联网的设备能耗监控系统，旨在满足制造业在设备能耗监控方面的需求。该系统通过智能电表对设备的能耗参数进行监测，并将数据通过数据采集平台转换为MOTT协议，上传至云平台。我们以一个实际工厂为例，通过系统部署和应用，实现了设备能耗参数的实时采集、监控和统计分析，提高了设备能耗统计分析的效率，有效支持了工厂的能耗管理和优化。该系统具有低成本、易于实施、运行可靠且易于推广的优点，可通过工业互联网平台积累数据，进一步进行数据挖掘和分析，构建能耗优化模型，实现工厂能耗的智能化管理。

关键词：设备能耗监控；工业互联网；能耗管理；云平台；工业互联网平台

随着中国能源消耗的不断增长，企业作为能源消耗的大户，其能源消耗量占全国能源消耗总量的70%左右。在此背景下，建立一个集中统一的工厂能耗监控系统显得尤为重要。通过获取机器的详细能耗数据，能耗监控系统可以实现对生产设备能耗的集中采集、监控、计算、分析及处理，以数据和图表的形式向管理人员或决策层展示设备能耗情况，便于发现高能耗点和不合理的能耗习惯，有助于对能耗进行准确分析和优化，从而节约能源，在企业能源平衡、调度与优化、设备运行与能耗管理等方面发挥重要作用。

近年来，工业互联网的发展日益成熟，它融合了先进的制造技术以及互联网、云计算、物联网、大数据等信息技术，成为一种新型的网络化制造服务模式，是工业互联的信息中枢，是制造业与互联网融合的新型基础设施。在智慧工厂建设或企业智能制造升级改造中，工业互联网逐渐被应用于设备管理、生产过程控制、供应链管理、安环管理等环节。本文将工业互联网的设计理念应用于设备能耗监控系统，研究了基于工业互联网的工厂设备能耗监控系统的架构体系，并设计和开发了该系统，在实际工厂中进行应用，实现了工厂设备能耗的实时采集监控及处理与分析，有效支持了设备能耗优化应用，优化生产计划，提高生产效率和机器效能，降低用电成本。

系统的网络架构由设备监控网、车间局域网和企业级网络组成。设备监控网主要负责设备层级的联网，包括现场总线、工业以太网、Loral/WiFi/5G等设备层级局域网；车间局域网一般是以太网、光纤通信网或5G专网构建的车间级监控网络；企业生产网是为企业生产与办公设计的以太网或光纤通信网。在关键的高耗能设备上安装智能电表，在车间或产线侧部署数据采集终端，采集电表中的能耗参数并发送至云端，云平台接收设备能耗数据后，进行处理、存储与展示分析。

基于工业互联网架构设计理念，电能监控系统平台架构包括边缘层、基础设施层（IaaS）、工业平台层（PaaS）、工业应用层（SaaS）及工业安全防护模块。边缘层面向工厂设备和传感器接入与数据采集而设计，IaaS层是虚拟化的计算、存储、网络基础设施资源，PaaS层主要包含中间件、通用PaaS平台、工业建模和数据分析、应用开发、工业微服务库等模块，SaaS层为微服务化部署的设备能耗监测、产线能耗监控、能耗预警、能耗统计分析、能耗对比分析、能耗优化分析等应用，支撑工厂能耗全要素、多维度的监控实现数据驱动的分析改善，助力能耗管理优化。

电能监测包括电能监测点的确定、智能电表的选择和电能数据的采集。在工厂全域进行电能监测点的统计，安装智能电表进行设备的能耗监测，通过串口服务器连接智能电表，实现RS485-以太网接口转换，将电表接入设备监控网中，采用工业网关、SCADA或数据采集软件实现电表参数的采集。

系统设计包括系统功能设计和系统界面设计。系统功能设计主要实现数据采集与处理、系统建模、数据展示与分析、能耗预警、权限控制等功能。系统界面设计包括设备能耗监控界面、设备能耗统计及趋势分析界面和厂区/车间/产线能耗对比分析界面。

3）详细电参量查询

在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

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4）运行报表

系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、**时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

5）变压器运行监视

系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

6）实时报警

系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。

7）历史事件查询

系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

8）电能质量监测

系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

9）遥控操作

系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

系统实施包括智能电表的安装部署和系统配置。在实际设备的控制柜中安装电流互感器与智能电表，通过电流互感器感应回路中电流的大小，智能电表与电流互感器连接，进行回路电流、电压、功率、电耗等电能参数的监测，来获取车间、产线、机器的电能参数。智能电表配置参数，协议ModbusRTU，波特率9600，停止位1位，偶检验；串口服务器USR-N580-H7的配置参数是通信方式设置为双向透明传输，其他参数设置与智能电表相同。参数配置完成后，需要给智能电表串口服务器重新上电，实现重启。

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