淺談電力儀表在工廠車間設(shè)備電能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：基于車間電氣設(shè)備的電氣管理系統(tǒng)架構(gòu)思路和實(shí)施方法，從硬件和軟件方面闡述了該方法。為車間舊設(shè)備改造和新的電力管理系統(tǒng)提供思路和方便的方法。

關(guān)鍵詞：電能管理系統(tǒng)；多功能電力儀表；PLC；組態(tài)軟件

引言

 目前，大多數(shù)車間的用電數(shù)據(jù)都是通過車間配電室成套開關(guān)柜上的電力儀表進(jìn)行測量的。一個(gè)開關(guān)柜通常有許多電氣設(shè)備，而電力儀表測量多個(gè)設(shè)備的總電能數(shù)據(jù)，因此測量和分析單個(gè)設(shè)備的用電數(shù)據(jù)已成為一個(gè)難題。本文提供了低成本改造車間用電設(shè)備的思路和方法。只需在設(shè)備端增加電流互感器和多功能電力儀表，與中控室上位機(jī)組態(tài)軟件形成電能管理系統(tǒng)，記錄分析車間用電設(shè)備的用電檢測和耗電數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)耗電量大的設(shè)備和異常狀態(tài)的設(shè)備，為全廠節(jié)電和管理者的決策管理提供數(shù)據(jù)支持。本文介紹了兩種建立車間設(shè)備電能管理系統(tǒng)的方法。方法一：通過在設(shè)備端增加電力儀表和互感器，通過多功能電力儀表的通訊端口，一般為RS232或RS485接口，實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的采集，通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。方法二：對(duì)于由PLC或其他可編程控制器控制的設(shè)備，利用控制器自帶的通信接口與多功能電力儀表網(wǎng)絡(luò)通信，將電力儀表的數(shù)據(jù)讀入控制器，控制器將電力數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。方法二的特點(diǎn)：一是方便控制器中電力數(shù)據(jù)的直接轉(zhuǎn)換計(jì)算；第二，如果本地和遠(yuǎn)程都有上位機(jī)，則可以實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。

一：方法一

 圖1所示為方法一對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)框圖。每臺(tái)設(shè)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收集設(shè)備電流電壓，通過RS485總線連接多功能電力儀表，連接串口服務(wù)器（串口轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)服務(wù)器），串口服務(wù)器通過以太網(wǎng)連接到多網(wǎng)口交換機(jī)，然后連接工業(yè)控制器。圖2為單臺(tái)多功能電力儀表的電氣原理圖，負(fù)載為變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)。三相電空開至變頻器輸入端，T1、T2、T3是電流互感器，連接到電力儀表的電流檢測輸入端。電結(jié)點(diǎn)從三相母線上取出，然后通過熔斷器連接到電力儀表的電壓檢測輸入端。電力儀表的報(bào)警輸出立即連接中間繼電器KA1線圈，利用中間繼電器KA1的常開或常閉觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)過電壓、過電流等實(shí)時(shí)報(bào)警功能。電力儀表的RS458接口通過通信電纜與其他多功能電力儀表的RS485接口連接，形成RS485總線網(wǎng)絡(luò)，通過MODBUSRTU協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信功能。

圖1方法一系統(tǒng)框圖

 硬件布局完成后，需要設(shè)置軟件。軟件設(shè)置包括串口服務(wù)器、虛擬串口號(hào)、IP地址、通信方式等。；在組態(tài)軟件中建立與電力儀表相對(duì)應(yīng)的多個(gè)通信設(shè)備，設(shè)置通信方式、驗(yàn)證方式、地址、波特率等。，然后建立相應(yīng)的寄存器變量，以獲取電力儀表中的數(shù)據(jù)。在組態(tài)軟件界面中，獲得的數(shù)據(jù)可以顯示并繪制成曲線、棒圖或餅圖。電力儀表的電氣原理圖見圖2。

圖2電力儀表電氣原理圖

二：方法二

 對(duì)于PLC控制設(shè)備，利用PLC通信端口與多功能電力儀表建立通信，通過PLC讀取電力儀表的電壓電流等數(shù)據(jù)。同時(shí)，PLC分別與現(xiàn)場觸摸屏和中控室的工業(yè)控制機(jī)建立通信，可以顯示和存儲(chǔ)本地觸摸屏和遠(yuǎn)程工業(yè)控制機(jī)上的電流電壓等數(shù)據(jù)。圖3是方法二對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)框圖。利用PLCRS485接口與多個(gè)電力儀表組網(wǎng)通信，PLC的另一個(gè)RS485通信口與現(xiàn)場觸摸屏連接，通過PLC以太網(wǎng)口與中控室工業(yè)控制機(jī)通信。利用PLC的兩個(gè)RS485通信，應(yīng)注意主從關(guān)系：PLC相對(duì)于多功能電力儀表，PLC為主站，電力儀表為從站；與觸摸屏相比，PLC為從站，觸摸屏為主站。

圖3方法2系統(tǒng)框圖

 三：通過Smart200PLC讀取電力儀表數(shù)據(jù)

 利用SMART200PLC編寫梯形圖子程序[2]，通過MODBUSRTU通信協(xié)議讀取兩臺(tái)多功能電力儀表的電力數(shù)據(jù)。作為MODBUSRTU的主站，PLC使用兩臺(tái)電力儀表作為從站。圖4為程序段1。第一個(gè)掃描周期首先復(fù)位每個(gè)狀態(tài)位，然后調(diào)用MBUS_CTRL指令完成初始化，設(shè)置通信模式、波特率、驗(yàn)證方法和終端□號(hào)碼、超時(shí)等。

圖4程序段一

 圖5程序段2首先調(diào)用MBUS_MSG指令啟動(dòng)從站請(qǐng)求并處理響應(yīng)。設(shè)置從站的地址、讀寫模式、要讀取的寄存器起始地址、要讀取的寄存器數(shù)量和PLC內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的V寄存器地址指針。每0.5s讀取兩個(gè)電力儀表一次。

圖5程序段二

 圖6程序段3讀取第一個(gè)電力儀表的數(shù)據(jù)后，讀取第二個(gè)電力儀表的數(shù)據(jù)。同樣調(diào)用MBUS_MSG指令完成讀取。編寫和完成子程序后，可以在PLC的主程序中調(diào)用子程序。

圖6程序段三

 以上選用更常用的SMART200PLC作為主控制器，通過梯形圖編程與兩臺(tái)多功能電力儀表進(jìn)行通信。不同品牌的PLC實(shí)現(xiàn)不同于電力儀表通信的指令，但原理相似，可以參考本例實(shí)現(xiàn)其他品牌PLC對(duì)電力儀表的數(shù)據(jù)讀取。

四：功率和電度的計(jì)算

 電力儀表內(nèi)部計(jì)算功率和功率，可以直接在電力儀表上查看功率和功率，也可以將數(shù)據(jù)通信到上位機(jī)進(jìn)行查看。對(duì)于一些感性負(fù)載，電力儀表內(nèi)部算法所依據(jù)的功率因數(shù)往往與負(fù)載不匹配，計(jì)算的功率和功率與實(shí)際誤差較大。針對(duì)這一缺點(diǎn)，實(shí)時(shí)功率(有功功率)和累計(jì)功率(有功功率)可以根據(jù)電壓電流等數(shù)據(jù)在上位機(jī)上計(jì)算，并與電力儀表的內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。觸摸屏和配置軟件一般都有循環(huán)執(zhí)行策略(腳本)，可以根據(jù)公式(1)和公式(2)定期循環(huán)執(zhí)行腳本程序，計(jì)算功率和功率。

 例如，通過力控組態(tài)軟件計(jì)算三相電爐的功率和功率，根據(jù)負(fù)載類型和接線方法選擇合適的功率因數(shù)，編寫以下程序：

//有功功率計(jì)算(單位kW)

區(qū)域1單元1.PV=1單元1\Z1_UaH.PV*區(qū)域1單元1\Z1laH.PV/1000+區(qū)域1單元1\Z1UbH.PV*1單元1\Z1_lbH.PV/1000+區(qū)域1單元1\Z1UcH.PV*區(qū)域1單元1\Z1cH.PV/1000;

Powerz2.PV=1單元1\Z2_UaH.PV*區(qū)域1單元1\Z2laH.PV/1000+區(qū)域1單元1\Z2UbH.PV*1單元1\Z2_lbH.PV/1000+區(qū)域1單元1\Z2UcH.PV*1單元1\Z2_lcH.PV/1000;

//有功電量(單位KWh)

1\Enerer.PV=1單位1單位1單位1單位1單位1Ener-gyZ1.PV+1單位1單位1單位1單位1單位1PowerZ1.PV/3600;

1\EnereryZ2.PV=1單位1單位1單位1單位1單位1Ener-gyZ2.PV+1單位1單位1單位1單位1單位1PowerZ2.PV/3600;

 循環(huán)策略設(shè)置為：每循環(huán)2s，進(jìn)行實(shí)時(shí)功率計(jì)算；每循環(huán)3s，將計(jì)算出的實(shí)時(shí)功率除以3600并累加得到電度。由于大部分負(fù)載不是恒功率運(yùn)行，如果需要提高計(jì)算精度，可以減少循環(huán)時(shí)間，即提高采樣次數(shù)。

五：上位機(jī)軟件

 在上位機(jī)中，數(shù)據(jù)可以通過表格、曲線、棒圖、餅圖等形式進(jìn)行記錄和顯示。圖7是利用力控組態(tài)軟件繪制的電力儀表盤界面，通過表格控制直觀顯示電力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看和歷史數(shù)據(jù)查詢功能。圖8顯示了電力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線查詢界面。圖9顯示了功率餅圖和棒圖分析界面。

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

六：安科瑞電能管理系統(tǒng)系統(tǒng)

1概述

 用戶端消耗整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能用電管理對(duì)用戶可靠、節(jié)約用電具有重要意義。

 Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對(duì)用戶端用電情況的細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各種用電消耗情況，便于找出高能耗點(diǎn)或不合理的能耗習(xí)慣，有效節(jié)約用電，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

2應(yīng)用場所

(1)辦公樓

(2)商業(yè)建筑

(3)旅游建筑

(4)科教文衛(wèi)建筑

(5)通信建筑

(6)交通建筑

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4系統(tǒng)功能

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測

(2)電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表

(3)詳細(xì)電參查詢

(4)運(yùn)行報(bào)表

(5)變壓器運(yùn)行監(jiān)控

(6)實(shí)時(shí)報(bào)警

(7)遙控操作

(8)APP支持

5系統(tǒng)硬件配置

七結(jié)語

 本文結(jié)合工程實(shí)際情況，提供了建立電能管理系統(tǒng)的思路和方法。可在車間電氣設(shè)備控制箱內(nèi)安裝電流互感器和多功能電力儀表，通過現(xiàn)場敷設(shè)通信電纜將車間電氣設(shè)備組網(wǎng)，結(jié)合上位機(jī)組態(tài)軟件建立電能管理系統(tǒng)。如果在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加水、氣等能耗數(shù)據(jù)，可以形成車間能源管理系統(tǒng)，將獲得的電力數(shù)據(jù)上傳到云端或與MES系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)連接。總之，電能管理系統(tǒng)是建立數(shù)字化工廠和智能化工廠重要的一部分。

[參考文獻(xiàn)]

[1]侯冉、徐春風(fēng)。基于多功能電力儀表的車間設(shè)備電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[2]多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表使用手冊(cè)[2].鄭州凌鑫電力科技有限公司

[3]SIMATICS7-200SMART系統(tǒng)手冊(cè).4,03/2019[Z].西門子(中國)有限公司.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)

作者簡介：涂志燕，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事數(shù)據(jù)中心相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用。