没有电线的智能能源管理

在工业设施中更有效地利用能源的需求正在迅速增长。新建的工厂通常采用节能建筑和设备;然而，现有设施的效率往往较低，并面临更大的改造挑战。

这些改造项目需要创新、可持续的技术，这些技术可以以相对较低的成本轻松安装。无线能量收集技术正被证明是一种解决方案。

自动化系统监测、控制和节约能源，通常可节省20%至40%的能源。

权力的问题

能源的智能控制需要传感器从多个测量点收集相关数据，并由接收器对信息进行处理。一个更大的系统可以由成百上千个这样的感觉器官组成。所有这些都需要电力和通信能力。

目前已经有了一些成熟的技术，主要是在自动化领域，这些技术可以成为智能能源管理的驱动力。例如，在建筑自动化系统中，数千个传感器从许多不同的点测量数据，记录温度、二氧化碳、光线或房间占用率数据，使中央控制系统能够以优化的方式管理所有技术建筑区域，满足个别要求。从建筑自动化到能源管理系统并不是什么难事。因此，建筑自动化原理可以作为工业能源自动化过程的基础。

一个主要的挑战是如何将越来越多的独立无线节点或传感器联网，使它们能够与远程无线网络通信。不同的无线标准可用于此目的，例如GSM、蓝牙或IP。

这些标准支持需要快速传输大量数据的应用，例如智能计量系统。然而，高数据速率是以远程节点的高能量需求为代价的，这需要通过电缆或使用大容量的大功率电池持续供电。

电线栏

对于较小的设备，例如用于检测数据的传感器，这些技术在一定程度上适用。当来自许多不同点的测量数据必须提供给智能控制器时，这一点尤其正确。在这里，电源线或电池在复杂的应用中被证明是一个缺点。电池只能维持有限的时间，这取决于应用，因此必须定期更换和妥善处理。在这样一个高度连接的系统中，工业工厂需要能源控制，这可能是昂贵的，并导致停机。但在工业领域，停机时间是不可能的，因为企业成功的关键因素包括生产正常运行时间和工艺机械效率。

能量收集无线技术可以克服这些挑战，将大量无电池和免维护传感器连接到现有的Wi-Fi或移动网络中，以处理数据进行智能能量控制。

传感器从空气中获取能量

能量收集无线技术源于一个简单的观察:传感器数据所在的地方，有足够的环境能量为传感器和无线电通信提供动力。

可收获的能源包括运动、室内光线和温差。这些无处不在的电源提供足够的能量在无线开关、传感器、执行器和控制器之间传输和接收无线电信号，维持能量管理系统内的重要通信。微型能量转换器代替电池，为无线通信设备提供电力，将维护工作量降至最低，并实现高度灵活的安装。

为了获得最佳的室内射频效率，无线电协议使用了低于1 GHz的频段。这提供了对其他无线发射器的保护，同时提供快速的系统响应和消除数据冲突。此外，在相同的能量预算下，sub-GHZ无线电波的范围是2.4 GHz信号的两倍，并且在建筑物内具有更好的材料穿透性。作为参考点，复制能量收集无线系统

在2.4 GHz系统中，需要大约四倍多的接收节点来覆盖相同的区域。例如，与sub-GHz解决方案相比，这增加了其成本。由于无线信号的持续时间只有0.7毫秒，并且为了冗余而多次传输，因此射频可靠性得到了保证。能量收集无线传感器的范围在开阔地带约为300米，在建筑物内可达30米。

设备协作

可靠且经济高效的系统的主要要求是不同制造商产品之间的互操作性，这就是智能能源控制需要标准化技术的原因。基于能量收集技术的不同终端产品的互操作性一直是该技术在市场上建立的重要成功因素。因此，EnOcean联盟(一个致力于进一步开发和推广可持续建筑自供电无线监测和控制系统的公司联盟)基于国际无线标准ISO/IEC 14543-3-10正式制定了标准化应用配置文件(EnOcean设备配置文件，EEP 2.5)，该标准针对超低功耗和能量收集应用进行了优化。这些配置文件允许来自不同制造商的产品之间进行通信和工作。

深度连接网络

这些无线设备可以与其他通信协议集成，如EtherNet/IP、KNX、BACnet或LON，通过网关控制器将标准化的能量收集无线技术集成到能源管理程序中。例如，EnOcean联盟成员的许多网关控制器和专用网关产品可以轻松实现IPv6网络连接，并可选择通过滚动代码的行业标准AES-128加密来保护网络通信。

这使得工厂运营商能够规划一个广泛分布的自动化系统，该系统结合了易于安装、可靠性和最低维护工作量的附加价值，使用户更好地接受所需的能源控制措施。由于采用了这种集成系统方法，传感器可以测量能源消耗，并自动创建一个可视化状态和趋势的网站。

例如，用户通过门户网站指示系统将设定值数据调整为最佳水平。此外，无需电池的无线传感器可以测量数据，自动化系统可以使用这些数据与当前的产量一起计算所需的能量。

能源管理不仅涉及监测，还涉及决策。通过传感器输入的数据越多，对系统状态的洞察就越好。关于控制机器以优化有效利用能源的决策可以根据实际生产过程更快和更紧密地做出。与将一个或多个传感器连接到一个中央控制单元的标准方法不同，无线网络允许照明、HVAC和过程控制等不同系统利用相同的信息。

纸板工厂制定标准

在加拿大蒙特利尔，Norampac 42.7万平方英尺的纸板工厂拥有25个燃气加热器，最初由机械恒温器控制。挑战是将加热器集成到工厂现有的BACnet IP系统中。由于在整个管道和电线中安装数英里长的管道和电线成本高昂，还会导致停机，因此无线方案是唯一能提供短期回收期的方案。

使用基于enocean的继电器，由CAN2GO有线和无线控制器进行无线控制，本身也配备了嵌入式BACnet IP网关，授权承包商能够在加热器和BACnet管理系统之间安装链接，而无需大量的布线成本或大量的停机时间。

在工厂中，16台加热器现在由与CAN2GO控制器通信的能量收集无线传感器控制。一个控制器连接到局域网，将终端设备的数据作为BACnet对象发送到第三方BACnet IP系统。

承包商估计，与完全有线改造相比，在工作上花费的时间减少了40%。4000多英尺长的管道和电线被保存了下来。对于一个25个控制器的项目来说，包括人工和材料在内的总估计节省超过4.5万美元。

节省的能源也很可观。由于采用了新的智能系统，集成了BACnet和EnOcean两种无线行业标准，工厂在第一年可以节省37,000美元的能源成本，第二年可以节省42,500美元。

灵活的沟通水平

无线和无电池技术有利于能源监测和控制，对现有系统的干预很少。无线设备的安装非常灵活，因此各个组件可以很容易地联网，形成一个深度连接的系统，而无需复杂的电缆，特别是在改造项目中。由于这些特性，标准化的无电池技术非常适合于能源管理应用中的最后一个通信级别，为优化控制和舒适的用户体验提供来自每个测量点的所需数据。

本文作者是EnOcean Inc.的总裁吉姆•奥卡拉汉(Jim O’callaghan)，该公司是一家为建筑和工业设施提供免维护无线传感器解决方案的制造商。编辑西德尼·希尔，小，贡献内容专家，CFE媒体。欲了解更多信息，请访问:www.enocean.com．发送IEM评论到controleng@cfemedia.com

这篇文章是工业能源管理欧洲经委会媒体出版物的增刊。

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