工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在低壓電器設(shè)備中的應(yīng)用與研究

湯東，吳小東，張人杰，邢晨

(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海，200063)

關(guān)鍵字：低壓電器；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；狀態(tài)監(jiān)測；壽命預(yù)測；遠(yuǎn)程控制

0 引言

根據(jù)中國的低壓電器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在交流電壓小于1.2kV或直流電壓小于1.5kV的電氣回路中，起顯示、控制、保護(hù)、通斷等作用的元件或裝置[1]。低壓電器在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)和配電系統(tǒng)中使用極為廣泛，也是相當(dāng)重要的原件部分。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過百分之八十的電能都是依靠低壓電器進(jìn)行合理分配后再投入使用的，當(dāng)增加10000KW的發(fā)電設(shè)備時(shí)，就需要大約60000件電器元件與它配套。因此電器元件的穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)直接關(guān)系到低壓供電系統(tǒng)的可靠性。

為了保證低壓供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，提高設(shè)備維修的經(jīng)濟(jì)性，需要對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)相結(jié)合，可在云端對(duì)電器設(shè)備電壓電流、運(yùn)行狀態(tài)、壽命預(yù)測等[2]。這樣不但能保證電力用戶電能供應(yīng)的不間斷，而且能降低企業(yè)的維護(hù)與檢修成本，保障企業(yè)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，提高企業(yè)的競爭力。

1 互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是面向中小企業(yè)的低壓電器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。建立是基于各類采集設(shè)備和大量數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和分析的服務(wù)體系。其中包含邊緣層、基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層以及應(yīng)用層四大核心層級(jí)的高效配置的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)[3]。如圖1所示。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)

1.1 邊緣層

在平臺(tái)的邊緣層，采用自主研發(fā)的云網(wǎng)關(guān)，支持Modbus、Ethernet/IP等連接和管理各類海量設(shè)備，并通過不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換達(dá)到大量工業(yè)數(shù)據(jù)的相互聯(lián)通和相互控制；并且還可以通過運(yùn)用邊緣計(jì)算（如機(jī)理模型在網(wǎng)關(guān)層計(jì)算和過濾），實(shí)現(xiàn)無用數(shù)據(jù)的剔除、數(shù)據(jù)計(jì)算與緩存等預(yù)處理。也可以通過邊緣計(jì)算實(shí)時(shí)分析，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)載和云平臺(tái)的計(jì)算壓力。

1.2 IaaS

Infrastructure-as-a-Service（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）主要提供基本的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等物理資源，提供基礎(chǔ)的資源服務(wù)能力，作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的運(yùn)行基礎(chǔ)。本平臺(tái)的IaaS層采用比格云服務(wù)器，數(shù)據(jù)采用分布式存儲(chǔ)。包括計(jì)算管理、存儲(chǔ)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、虛擬化管理等功能。

1.3 PaaS

Platform-as-a-Service（平臺(tái)即服務(wù)）是網(wǎng)上提供各種開發(fā)和分發(fā)應(yīng)用的解決方案，比如虛擬服務(wù)器和操作系統(tǒng)[4]。這樣的好處是節(jié)省購買硬件的費(fèi)用，同時(shí)也讓不同區(qū)域的工作室之間合作變得更加容易。網(wǎng)頁應(yīng)用的設(shè)計(jì)與管理、以及虛擬主機(jī)的存儲(chǔ)與安全均需要在PaaS層完成。

本平臺(tái)是在通用PaaS架構(gòu)上進(jìn)行基于Kubernetes技術(shù)[5]二次開發(fā)，用于構(gòu)建該平臺(tái)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境及相關(guān)的自動(dòng)化部署，通過使用微服務(wù)組件和機(jī)理模型，幫助客戶更快搭建場景框架和定制云組態(tài)場景。平臺(tái)層是核心。

1.4 SaaS

Software-as-a-Service(軟件即服務(wù))層包含支撐中小企業(yè)對(duì)于其上云設(shè)備以及數(shù)據(jù)的相關(guān)管理功能。通過平臺(tái)的工業(yè)機(jī)理模型、微服務(wù)組件等，形成針對(duì)低壓電器設(shè)備及相關(guān)參數(shù)采集器的數(shù)字化解決方案。利用云組態(tài)提供云化的組態(tài)場景，圍繞實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行管理、能源管理、安全管理、經(jīng)營管理等建立組態(tài)場景，構(gòu)建面向電器設(shè)備的云平臺(tái)。應(yīng)用層是關(guān)鍵。

2 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的電器設(shè)備數(shù)據(jù)采集平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)設(shè)備層的實(shí)現(xiàn)

隨著國內(nèi)工業(yè)4.0的迅速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)憑借著其穩(wěn)定可靠、通信速率高、配置簡便、費(fèi)用低廉、軟硬件產(chǎn)品豐富、兼容性強(qiáng)以及成熟的技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，早已經(jīng)是各類通信網(wǎng)絡(luò)中最受歡迎之一。目前國際上最流行的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有如下4 種 ：Ethernet/IP、ProfNet、 Modbus TCP/IP、HSE[6]。本文后面會(huì)以Modbus TCP為例搭建現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，對(duì)與低壓電器設(shè)備可以通過智能電表以及智能采集器得到電器設(shè)備電壓電流等參數(shù)。實(shí)施監(jiān)視電器設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)是否健康。對(duì)于電氣回路中的智能電器設(shè)備例如萬能式斷路器、變頻器等支持通訊的電器設(shè)備，可以直接接入網(wǎng)路中并將參數(shù)上傳至云端?，F(xiàn)場通過安裝各類傳感器如溫度傳感器、濕度傳感器、振動(dòng)傳感器等。用于監(jiān)視電器設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境及抖動(dòng)的狀態(tài)。如果有需要平臺(tái)也可以接入現(xiàn)場控制器如PLC、智能控制器等重要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至云端。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)現(xiàn)

在平臺(tái)層通過建立網(wǎng)關(guān)、設(shè)備、采集器和云組態(tài)搭建一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)。云網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入云平臺(tái)的注冊(cè)機(jī)制采用自定義SN號(hào)+32位UUID作為連接字符串完成服務(wù)端權(quán)限認(rèn)證[7]。以網(wǎng)關(guān)為基礎(chǔ)建立下屬設(shè)備和采集器。對(duì)網(wǎng)關(guān)、電器柜和相關(guān)設(shè)備（如傳感器、變頻器、斷路器等）賦予唯一的SN，以SN為識(shí)別符建其關(guān)聯(lián)起來。

圖3 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)

然后需要對(duì)同類型的信息采集裝置建立參數(shù)模板，同樣以Modbus為例建立參數(shù)模板。首先需要遵循Modbus的通用報(bào)文規(guī)則（如圖2-3）配置報(bào)文。并設(shè)置好從站地址、波特率、串行數(shù)據(jù)格式、采集頻率和超時(shí)時(shí)間等常規(guī)參數(shù)。通過設(shè)置報(bào)文采集的數(shù)據(jù)地址和長度來讀取所需的電器設(shè)備相關(guān)參數(shù)。由于電器設(shè)備存在一定的相似性和通用性。故對(duì)于同類型的電器設(shè)備可以配置一套參數(shù)模板，在使用中只需要多次調(diào)用該參數(shù)模板，而后改變常規(guī)參數(shù)即可。這樣避免了重復(fù)配置相同報(bào)文的繁瑣工作。如圖2-2所示的情況，就只需要配置一套傳感器么、變頻器和斷路器的參數(shù)模板即可。

對(duì)于我們采集到平臺(tái)的數(shù)據(jù)可以采用云組態(tài)來展示[8]，本項(xiàng)目開發(fā)的云組態(tài)工具包含了常規(guī)組態(tài)中的各個(gè)模塊：組件模塊、頁面模塊、組件配置模塊、數(shù)據(jù)綁定模塊以及發(fā)布場景。區(qū)別于本地組態(tài)場景，如需更改組態(tài)畫面，不需要安裝組態(tài)軟件，更不需要去現(xiàn)場進(jìn)行更改。只需要通過瀏覽器登錄平臺(tái)即可在線監(jiān)視和更改。此組態(tài)工具還專門開發(fā)了FFT振動(dòng)數(shù)據(jù)顯示組件，用來檢測電器設(shè)備工作中振動(dòng)的情況，加入機(jī)理模型運(yùn)算，用來判斷電器設(shè)備的是否發(fā)生故障。也可以將同類型的電器設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)上傳至大數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測電器設(shè)備發(fā)生故障的概率，為電器設(shè)備的良好運(yùn)行提供保障。

圖4 Modbus RTU 報(bào)文幀

圖5 云組態(tài)畫面

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)低壓電器設(shè)備的意義

3.1 狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測可以通過溫度傳感器監(jiān)測電器設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境溫濕度，溫升和相對(duì)濕度是影響配電柜等電器設(shè)備正常使用壽命的關(guān)鍵因素之一。通過檢測電器設(shè)備以及環(huán)境的溫濕度并設(shè)置報(bào)警閾值及時(shí)提醒相關(guān)人員注意維護(hù)電器設(shè)備和環(huán)境可以一定程度上延長電器設(shè)備的使用壽命。

另外可以采集電器設(shè)備的振動(dòng)值，利用前面提到的FFT組件來顯示電器設(shè)備的振動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)噪音及振動(dòng)結(jié)合機(jī)理模型來評(píng)估該電器設(shè)備是否處于健康狀態(tài)[9]。也可以利用電壓、電流互感器采集電器設(shè)備進(jìn)出電壓、電流值。運(yùn)用配電網(wǎng)低壓預(yù)警方法[10]對(duì)電器柜電壓進(jìn)行預(yù)警。甚至接入一些PLC、變頻器和智能控制器的相關(guān)參數(shù)和報(bào)警信息。通過云平臺(tái)就可以監(jiān)測電器設(shè)備是否工作正常。也可以及時(shí)推送報(bào)警，報(bào)警信息推送至平臺(tái)的同時(shí)也可以將信息推送給工作人員或電器設(shè)備供應(yīng)商，以便及時(shí)更換和維修故障的電器設(shè)備。

對(duì)于電器設(shè)備處于比較艱苦的環(huán)境中，例如鍋爐廠、化學(xué)制藥廠等。為了保證生產(chǎn)設(shè)備的正常工作，工作人員需要定時(shí)記錄相關(guān)設(shè)備參數(shù)。如果將本地組態(tài)的部分信息同時(shí)上傳至云組態(tài)。這樣一方面更方便快捷的獲取設(shè)備參數(shù)，另一方面也可以將重要參數(shù)記錄至云存儲(chǔ)中保證數(shù)據(jù)的可追溯性。對(duì)于諸如消防電器的重要設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電氣控制柜的供電狀態(tài)等保證關(guān)鍵設(shè)備的正常運(yùn)行。

3.2 壽命預(yù)測

我們知道開關(guān)型電器設(shè)備受機(jī)械壽命和電氣壽命的影響。機(jī)械壽命：不帶電循環(huán)分合操作，至斷路器操作機(jī)構(gòu)損壞的操作次數(shù)為機(jī)械壽命；電氣壽命是在額定電壓和額定電流狀態(tài)下分合操作，分?jǐn)嗄芰_(dá)不到要求的操作次數(shù)為電氣壽命。那么平臺(tái)可以記錄接觸器、繼電器等開關(guān)型設(shè)備的通斷次數(shù)，同時(shí)采集電器設(shè)備的工作電壓、電流，通過機(jī)理模型運(yùn)算以及大數(shù)據(jù)分析，提前告訴工作人員哪些電器設(shè)備需要更換。避免突然發(fā)現(xiàn)故障影響電氣回路的正常運(yùn)行。

同時(shí)可以在機(jī)理模型中利用威布爾分布模型估算法預(yù)測電器設(shè)備的剩余壽命[11]。該模型是瑞典科學(xué)家Waloddi Weibull研究出的，并以他的名字命名。威布爾（Weibull）分布模型于1951年被提出。威布爾分布模型是一個(gè)包括了位置參數(shù)γ、尺度參數(shù)η和形狀參數(shù)β的壽命預(yù)測模型。從該模型提出以來，通過多年的研究與實(shí)踐后，由于威布爾分布模型是可靠性逐漸的提高，現(xiàn)在該模型已經(jīng)成為工程領(lǐng)域中極為重要的分布模型之一，特別是在電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備電以及子器件的可靠性評(píng)估中應(yīng)用極為廣泛，并且取得了顯著的成就。

根據(jù)該模型能夠估算出工作時(shí)間為t的設(shè)備，在可靠度R的條件下的剩余壽命值x；反之也能估算出工作時(shí)間為t的低壓電器開關(guān)設(shè)備，在達(dá)到剩余壽命為x的時(shí)候的可靠度R。在實(shí)際應(yīng)用中，可以在依據(jù)預(yù)測剩余壽命或者可靠度的同時(shí)，再結(jié)合低壓成套開關(guān)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況制定設(shè)備維護(hù)、檢修周期和標(biāo)準(zhǔn)，再將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用早電器設(shè)備的檢修計(jì)劃當(dāng)中。這樣就可以保證設(shè)備的正常運(yùn)行的同時(shí)，還降低運(yùn)維成本，提高設(shè)備維修的經(jīng)濟(jì)性。

3.3 遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程控制最大的問題在于控制過程中無法及時(shí)得知現(xiàn)在設(shè)備的現(xiàn)狀，控制的同時(shí)不能保證人員以及設(shè)備的安全。但隨著5G時(shí)代的慢慢到來。其高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、高系統(tǒng)容量的性能。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的視頻組件以及視覺識(shí)別技術(shù)以及各類傳感器設(shè)備的配合，就可以在保證設(shè)備安全的情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。無論手機(jī)還是電腦都可以輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，對(duì)于工作周期性明顯的電器設(shè)備，可以利用平臺(tái)的“時(shí)間表管理”功能設(shè)定設(shè)備的啟停時(shí)間段，便可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全自動(dòng)化工作。節(jié)約能耗的同時(shí)也節(jié)約了人工成本。

4 結(jié)語

綜上可以看出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在遠(yuǎn)程感測、實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程控制等功能下，能夠有效地降低運(yùn)維成本，保障電器設(shè)備的正常運(yùn)行。在物理層實(shí)現(xiàn)物理網(wǎng)關(guān)的和傳感器及電器設(shè)備的部署;在網(wǎng)絡(luò)層建立參數(shù)模板和引入機(jī)理模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和電器設(shè)備的壽命預(yù)測。體現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)低壓電器安全穩(wěn)定運(yùn)行的作用。未來基于該平臺(tái)的開放性和5G時(shí)代的到來，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法在監(jiān)測電器設(shè)備的應(yīng)用，并用于遠(yuǎn)程診斷電器設(shè)備狀態(tài)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將為低壓電器走向網(wǎng)絡(luò)化、可控化、互動(dòng)化的方向發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。