物聯(lián)網(wǎng)設備在水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)改造中的應用

林 希

（合肥水泥研究設計院有限公司， 安徽 合肥 230051）

0 引言

隨著云計算技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的水泥企業(yè)選擇將能源管理系統(tǒng)部署到云計算平臺，這樣做可以給水泥企業(yè)帶來很多好處。第一，可以給數(shù)據(jù)訪問帶來更大的靈活性和移動性。水泥企業(yè)可以將數(shù)據(jù)訪問擴展到多種智能終端設備，例如通過手機終端等就可以在任何地方隨時進行數(shù)據(jù)訪問，不受空間限制[1]。第二，可以靈活擴展企業(yè)IT 需求。將系統(tǒng)部署到云平臺后，水泥企業(yè)可以有更加靈活的選擇，可以在任何時間停止不需要的服務或者增加需要的服務。第三，數(shù)據(jù)安全性得到保障。云計算平臺相比本地服務器具有更高的安全性，對于部署在本地服務器的能源管理系統(tǒng)如果遭遇意外而導致本地服務器崩潰，則將造成系統(tǒng)無法使用，甚至可能造成數(shù)據(jù)丟失無法恢復，而采用云計算平臺則無需擔心這些問題，也不用考慮服務器維護和服務器更新的問題[2]。

基于云計算平臺的眾多優(yōu)勢，已經(jīng)有一些企業(yè)開始將原有的能源管理系統(tǒng)進行升級改造，將傳統(tǒng)電表替換成帶物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的智能電表，或者增加帶物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的智能網(wǎng)關(guān)，將原有電表傳過來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。MQTT 協(xié)議是物聯(lián)網(wǎng)最主要的協(xié)議，也是目前應用最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，幾乎所有的云平臺都支持MQTT 協(xié)議，本文以筆者實際參與升級改造的項目為例，介紹了基于MQTT 協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)智能電表和智能網(wǎng)關(guān)在水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)改造中的應用，經(jīng)過升級改造后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，達到了預期的改造效果。

1 MQTT 協(xié)議

1.1 MQTT 簡介

MQTT 是一種基于publish 模式和subscribe 模式的即時通信協(xié)議。由于工業(yè)數(shù)據(jù)越來越多，數(shù)據(jù)量越來越大，較早之前的Request/Response 模式已經(jīng)不再適合現(xiàn)代工業(yè)場景，而publish/subscribe 模式則很好地解決了這一問題。MQTT 以TCP/IP 提供網(wǎng)絡連接，是一種輕量級的協(xié)議，它解決了不同的機器之間大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅撏ㄐ艆f(xié)議可以占用非常少的帶寬，配以非常少的代碼，即可為遠程設備連接提供高效可靠的消息服務，非常適合在需要低功耗和網(wǎng)絡帶寬有限的場景，所以MQTT 在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方面有著非常廣泛的應用。

圖1 MQTT 技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸模式

1.2 MQTT 的實現(xiàn)方式

MQTT 的實現(xiàn)是需要客戶端和服務器端通訊來完成的，對于水泥企業(yè)的數(shù)據(jù)采集情況來說，水表，電表等設備終端就是一個個的MQTT 客戶端，設備終端將電能參數(shù)通過4G 或5G 傳輸?shù)皆品掌鳎渴鹪谠贫说腗QTT 服務器即作為消息代理，負責接收來自客戶端發(fā)來的應用消息，同時也可以向客戶端轉(zhuǎn)發(fā)消息。當MQTT 服務器轉(zhuǎn)發(fā)消息時，客戶端則是消息訂閱者。所以發(fā)布者和訂閱者就是水泥企業(yè)的各種電表水表等帶MQTT 協(xié)議的各種智能設備終端，而消息代理就是部署在云平臺的云服務器。

1.3 MQTT 的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

MQTT 中傳遞的信息可以分為兩部分，如下圖所示

圖2 MQTT 傳輸?shù)南?gòu)成

現(xiàn)場的智能終端只要訂閱了某種消息類型，那么該智能終端就可以接收與之對應的消息內(nèi)容，但是對于沒有訂閱的消息類型，則是拒絕接收的。

MQTT 數(shù)據(jù)包中一定會包含固定頭，固定頭主要表示兩塊內(nèi)容：一是數(shù)據(jù)包類型，二是數(shù)據(jù)包分組類標識。不是所有的MQTT 數(shù)據(jù)包中都會有可變頭，是不是包含可變頭主要由數(shù)據(jù)包類型來確定。也不是所有的MQTT 數(shù)據(jù)包中都包含消息體，消息體表示Client 收到的具體消息所包含的意義。

1.4 帶MQTT 功能的設備終端在能源管理系統(tǒng)中的應用方式

帶MQTT 功能的設備可以是獨立的設備，如單個的智能電表或智能水表，也可以是具有數(shù)據(jù)采集存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能的智能網(wǎng)關(guān)。對于采集終端較為集中的區(qū)域來說，適合采用多采集終端數(shù)據(jù)集中發(fā)送的模式，如水泥企業(yè)的配電室，在配電室中智能電表的布置較為集中，可以采用多只智能電表連接到數(shù)據(jù)總線，再通過MQTT 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進行發(fā)布。而對于設備分布比較分散的數(shù)據(jù)采集終端，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)發(fā)，則可以選用獨立的MQTT 終端，如帶MQTT 功能的智能電表或智能水表。

2 帶MQTT 協(xié)議的智能網(wǎng)關(guān)和智能電表

2.1 帶MQTT 協(xié)議的智能電表

新增智能電表采用的是ADW300-4G 電表。ADW300-4G 電表具備4G 無線通訊功能，主要用于低壓用電設備的電能計量，包含電流，電壓，功率因數(shù)，正向有功總電能，反向有功總電能等電氣參數(shù)，并且?guī)в卸喾N不同的安裝方式，可以非常方便靈活地安裝在配電室內(nèi)的低壓配電柜內(nèi)，可應用在電力維保、安環(huán)監(jiān)測等在線監(jiān)測類平臺中，實現(xiàn)對不同范圍和不同負荷的分項電能計量，統(tǒng)計和分析。

對于水泥生產(chǎn)線來說，ADW300-4G 智能電表的接線方式可以分為兩種，一種是三相四線制，另一種是三相三線制。三相四線制接線方式主要應用于TN-S 的接地型式或者TN-C-S 的接地型式的低壓配電回路中。三相三線制接線方式主要應用于電源中性點不接地的低壓配電回路中，但電源中性點不接地的電源型式在水泥企業(yè)應用非常少，大多采用的還是電源中性點接地的電源型式。所以在能源管理系統(tǒng)的建設中，現(xiàn)場智能電表的接線大多采用三相四線制接線方式。

2.2 帶MQTT 協(xié)議的智能網(wǎng)關(guān)

2.2.1 智能網(wǎng)關(guān)的作用

本系統(tǒng)智能網(wǎng)關(guān)采用的是ANet-1E1S1-4G。智能網(wǎng)關(guān)主要用于將一個集中區(qū)域內(nèi)的計量儀表的全部數(shù)據(jù)進行打包，然后通過4G 網(wǎng)絡上傳至云平臺，完成通過該網(wǎng)關(guān)接入的所有智能儀表的數(shù)據(jù)采集工作。對于從云平臺下發(fā)給各個智能電表的數(shù)據(jù)也是由智能網(wǎng)關(guān)接收后負責轉(zhuǎn)發(fā)至各智能電表，完成對廠站內(nèi)各智能電表的參數(shù)設定，實現(xiàn)遠程維護和調(diào)試功能。

對于水泥生產(chǎn)線中已經(jīng)安裝好的不帶MQTT 協(xié)議傳輸功能的計量儀表或者獨立系統(tǒng)，可以采用MQTT 智能網(wǎng)關(guān)將Modbus、OPC 等傳統(tǒng)的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換成MQTT 協(xié)議，帶傳統(tǒng)通訊協(xié)議的電表（如MODBUS 通訊電表），通過RS485 接口接入到ANet-1E1S1-4G 無線MQTT 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將采集上來的電能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MQTT 協(xié)議格式，再通過4G 網(wǎng)絡上傳到云平臺。

2.2.2 智能網(wǎng)關(guān)的主要技術(shù)特點

ANet-1E1S1-4G 網(wǎng)關(guān)支持多種工控協(xié)議，不僅支持4G/GPRS/WIFI、串口通信等信號方式，也支持TCP/IP、MQTT 等協(xié)議，還支持遠程設置和改變設備及變量的數(shù)據(jù)采集規(guī)則。

MQTT 網(wǎng)關(guān)可以在水泥企業(yè)現(xiàn)場中實現(xiàn)復雜協(xié)議類型的標準化接入，不僅能夠作為數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)存儲，還可以做到遠程設置和遠程訪問，遠程發(fā)布，部署方便，對于快速構(gòu)建工業(yè)4.0 服務系統(tǒng)具有重要意義。

2.2.3 智能網(wǎng)關(guān)的配置

首先做好現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)的安裝工作，連接好與設備的各種接線，然后在本地或云平臺配置網(wǎng)關(guān)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。進行網(wǎng)關(guān)配置之前，需要連接好設備接線，將一根交叉網(wǎng)線連接電腦和和網(wǎng)管的網(wǎng)口，也可以將電腦和網(wǎng)關(guān)都通過級聯(lián)網(wǎng)線連接在一個交換機內(nèi)，隨網(wǎng)關(guān)附帶有相應的管理軟件，可以進行網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)設置和高級設置，需要進行設置的參數(shù)不多，設置軟件主要采用的是網(wǎng)關(guān)提供的兩項服務，SSH 服務和Telnet 服務。連接成功后界面顯示“l(fā)ogin:”，然后輸入用戶名和密碼進行登錄操作。

3 結(jié)束語

在該水泥企業(yè)的能源管理系統(tǒng)的云平臺部署改造項目中，將一部分傳統(tǒng)電表替換成了帶MQTT 協(xié)議的智能電表，對于一部分相對集中的傳統(tǒng)電表則通過帶MQTT 協(xié)議的智能網(wǎng)關(guān)將傳統(tǒng)電表傳輸過來的電能數(shù)據(jù)進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。該水泥企業(yè)經(jīng)過改造后，成功實現(xiàn)了電表數(shù)據(jù)的無線上傳，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，達到了預期的改造效果。