基于多功能電力儀表的車間設備電能管理系統設計

侯冉 徐春風

機械工業(yè)第六設計研究院有限公司

0 引言

目前，大多數車間的用電數據都是通過車間配電室成套開關柜上的電力儀表進行計量，往往一臺開關柜所帶的用電設備很多，而電力儀表所計量的是多臺設備的總電能數據，精確計量并分析單臺設備的用電數據成為難題。本文提供了一種思路和方法，用于對車間的用電設備進行低成本改造，僅需在設備端增加電流互感器和多功能電力儀表，與中控室的上位機組態(tài)軟件組成電能管理系統，用于對車間用電設備的用電檢測及耗電數據的記錄與分析，以便及時發(fā)現耗電多的設備和異常狀態(tài)的設備，為全廠的節(jié)電和管理者的決策管理提供數據支撐。

本文介紹兩種方法組建車間設備電能管理系統。方法一：通過在設備端增加電力儀表及互感器，通過多功能電力儀表自帶的通訊口，一般為RS232 或RS485 接口，進行組網通訊，實現電力數據的采集，通過上位機軟件實現電力數據的顯示和存儲。方法二：針對由PLC或其他可編程控制器控制的設備，利用控制器自帶的通訊接口與多功能電力儀表組網通訊，將電力儀表的數據讀入控制器，由控制器將電力數據發(fā)送至上位機，在上位機上進行顯示和存儲。方法二的特點：一是便于直接在控制器內進行電力數據的換算計算；二是如果本地和遠程都有上位機，則可以實現本地與遠程數據的顯示和存儲。

1 方法一

圖1所示為方法一對應的系統框圖。對每臺設備增加電流互感器和多功能電力儀表，通過多功能電力儀表采集設備的電流電壓，多臺多功能電力儀表通過RS485 總線連接，接至串口服務器（串口轉以太網服務器），將串口服務器通過以太網接至多網口交換機，再連接工控機。圖2 為單臺多功能電力儀表電氣原理圖[1]，負載為一臺變頻器驅動的電機。三相電經空開接至變頻器輸入端，T1、T2、T3為電流互感器，接至該電力儀表的電流檢測輸入端。通過從三相母線上取電結點，再經熔斷器接至該電力儀表電壓檢測輸入端。電力儀表的報警輸出端口接中間繼電器KA1 線圈，利用中間繼電器KA1 的常開或常閉觸點實現過電壓過電流等實時報警功能。該電力儀表的RS458 接口通過通訊線纜與其他多功能電力儀表的RS485接口連通，共同組成RS485 總線網絡，通過MODBUS RTU 協議實現數據的遠程通訊功能。

完成硬件布置后，需對軟件進行設置。軟件設置包括對串口服務器進行設置，設置好串口服務器的虛擬串口號、IP 地址、通訊方式等；在組態(tài)軟件中建立與電力儀表對應的多臺通訊設備，并設置通訊方式、校驗方式、地址、波特率等，再建立相應寄存器變量，從而獲取電力儀表中的數據。在組態(tài)軟件界面中可對獲取到的數據進行顯示并繪制成曲線、棒狀圖或餅狀圖等。電力儀表電氣原理圖見圖2。

圖2 電力儀表電氣原理圖

2 方法二

對于PLC 控制的設備，利用PLC 的通訊端口，與多臺多功能電力儀表建立通訊，通過PLC讀取電力儀表的電壓電流等數據，同時PLC分別與現場觸摸屏和中控室的工控機建立通訊，可將電流電壓等數據進行本地觸摸屏的顯示和存儲以及遠程工控機上的顯示和存儲。圖3 為方法二對應的系統框圖。利用PLC 的RS485 接口與多臺電力儀表組網通訊，PLC的另一個RS485通訊口與現場觸摸屏連通，通過PLC的以太網口和中控室工控機通訊。利用PLC 的兩個RS485 口通訊，須注意其主從關系：PLC 相對于多功能電力儀表，PLC 為主站，電力儀表為從站；PLC相對于觸摸屏，PLC為從站，觸摸屏為主站。

3 通過Smart 200 PLC讀取電力儀表數據

采用SMART 200 PLC編寫梯形圖子程序[2]，對兩臺多功能電力儀表通過MODBUS RTU通訊協議實現電力數據的讀取，PLC 作為MODBUS RTU 的主站，兩臺電力儀表作為從站。圖4 為程序段一，第一個掃描周期先對各狀態(tài)位復位，然后調用MBUS_CTRL指令完成初始化，設置好通訊模式、波特率、校驗方式、端口號、超時時間等。

圖4 程序段一

圖5 程序段二首先對第一臺電力儀表調用MBUS_MSG 指令啟動對從站的請求并處理響應。設置好從站的地址、讀寫模式、需要讀取的寄存器起始地址、需要讀取的寄存器數量以及PLC內部存儲數據的V 寄存器地址指針。每隔0.5 s 對兩臺電力儀表進行一次數據讀取。

圖5 程序段二

圖6程序段三在對第一臺電力儀表數據完成讀取后，再對第二臺電力儀表進行數據讀取。同樣調用MBUS_MSG指令完成讀取。當子程序編寫完成后，在PLC的主程序中調用該子程序即可。

圖6 程序段三

以上選用了較為常用的SMART 200 PLC作為主控制器，通過梯形圖編程實現與兩臺多功能電力儀表的通訊。不同品牌的PLC 實現與電力儀表通訊所調用的指令不同，但原理相似，可參考本例實現其他品牌PLC對電力儀表的數據讀取。

4 功率和電度的計算

電力儀表內部會對功率和電度數進行計算，可直接在電力儀表上查看功率和電量，或將該數據通訊至上位機查看。對于有些感性負載，電力儀表內部算法依照的功率因數往往與負載不匹配，其計算出的功率和電量也與實際有較大誤差。針對此缺點，可以在上位機上根據電壓電流等數據通過軟件編程，計算出實時功率（有功功率）和累計電度數（有功電量），與電力儀表的內部數據進行對比。觸摸屏和組態(tài)軟件一般都有循環(huán)執(zhí)行策略（腳本），可根據公式（1）和公式（2），利用上位機定時循環(huán)執(zhí)行腳本程序，對功率和電量進行計算。

例如通過力控組態(tài)軟件對三相電爐的功率和電量進行計算，根據負載的類型、接線方法，選擇合適的功率因數，編寫如下程序：

循環(huán)策略設置為：每循環(huán)2 s，進行一次實時功率計算；每循環(huán)3 s，將計算出的實時功率除以3 600并進行累加得到電度數。因大多負載不是恒功率運行，如果需提高計算精度，可減小循環(huán)時間，即提高采樣次數。

5 上位機軟件

在上位機可通過表格、曲線、棒狀圖、餅狀圖等形式對數據進行記錄和顯示。圖7為利用力控組態(tài)軟件繪制的電力儀表盤界面，直觀地顯示了電力實時數據，并通過表格控件實現實時數據查看和歷史數據查詢的功能。圖8為電力數據實時曲線和歷史曲線查詢界面。圖9為用電量餅圖和棒狀圖分析界面。

圖7 電力儀表盤界面

圖8 歷史曲線界面

圖9 餅圖和棒圖界面

6 施工注意事項

在施工中，多功能電力儀表的通訊線纜須使用屏蔽雙絞線，且屏蔽層必須單端可靠接地。盡量避免通訊線纜與動力線纜在同一線槽或橋架敷設，可將通訊線纜穿KGB 線管單獨敷設且將線管單端可靠接地。對于某一區(qū)域的多臺用電設備，將其分別對應的多臺電力儀表通過RS485 總線進行菊花鏈拓撲結構連接，即手拉手連接方式，接至串口轉以太網服務器，然后由串口服務器通過以太網連接至中控室交換機。建議屏蔽雙絞線總長不易過長，如果總長超過30 m 最好加一個串口服務器，通過增加以太網總線的長度，減少RS485總線長度來保證數據傳輸的速度和穩(wěn)定性。注意互感器和電力儀表連線時勿在負載帶電運行的同時將電流互感器進行開路接線。多臺電力儀表通過RS485 總線組網時注意網路終端的電力儀表是否需要加終端電阻。

7 結語

本文結合工程實際提供了一種建立電能管理系統的思路和方法，可在車間用電設備的控制箱內加裝電流互感器和多功能電力儀表，通過現場敷設通訊線纜將車間的用電設備進行組網，結合上位機組態(tài)軟件建立電能管理系統。如果在電能管理系統的基礎上再添加用水、用氣等能耗數據則可組成車間能源管理系統，將獲得的電力數據上傳云端或與MES 系統、ERP 系統對接?？傊娔芄芾硐到y是組建數字化工廠、智慧工廠不可或缺的一部分。