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

關鍵詞：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柜上的電力儀表進行測量的。一個開關柜通常有許多電氣設備，而電力儀表測量多個設備的總電能數(shù)據(jù)，因此測量和分析單個設備的用電數(shù)據(jù)已成為一個難題。本文提供了低成本改造車間用電設備的思路和方法。只需在設備端增加電流互感器和多功能電力儀表，與中控室上位機組態(tài)軟件形成電能管理系統(tǒng)，記錄分析車間用電設備的用電檢測和耗電數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)耗電量大的設備和異常狀態(tài)的設備，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備電能管理系統(tǒng)的方法。方法一：通過在設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，實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的采集，通過上位機軟件實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的顯示和存儲。方法二：對于由PLC或其他可編程控制器控制的設備，利用控制器自帶的通信接口與多功能電力儀表網(wǎng)絡通信，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)送到上位機進行顯示和存儲。方法二的特點：一是方便控制器中電力數(shù)據(jù)的直接轉換計算；第二，如果本地和遠程都有上位機，則可以實現(xiàn)本地和遠程數(shù)據(jù)的顯示和存儲。

一：方法一

 圖1所示為方法一對應的系統(tǒng)框圖。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收集設備電流電壓，通過RS485總線連接多功能電力儀表，連接串口服務器（串口轉向以太網(wǎng)服務器），串口服務器通過以太網(wǎng)連接到多網(wǎng)口交換機，然后連接工業(yè)控制器。圖2為單臺多功能電力儀表的電氣原理圖，負載為變頻器驅動的電機。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。電結點從三相母線上取出，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的常開或常閉觸點實現(xiàn)過電壓、過電流等實時報警功能。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，通過MODBUSRTU協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程通信功能。

圖1方法一系統(tǒng)框圖

 硬件布局完成后，需要設置軟件。軟件設置包括串口服務器、虛擬串口號、IP地址、通信方式等。；在組態(tài)軟件中建立與電力儀表相對應的多個通信設備，設置通信方式、驗證方式、地址、波特率等。，然后建立相應的寄存器變量，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

 對于PLC控制設備，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，PLC分別與現(xiàn)場觸摸屏和中控室的工業(yè)控制機建立通信，可以顯示和存儲本地觸摸屏和遠程工業(yè)控制機上的電流電壓等數(shù)據(jù)。圖3是方法二對應的系統(tǒng)框圖。利用PLCRS485接口與多個電力儀表組網(wǎng)通信，PLC的另一個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)控制機通信。利用PLC的兩個RS485通信，應注意主從關系：PLC相對于多功能電力儀表，PLC為主站，電力儀表為從站；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使用兩臺電力儀表作為從站。圖4為程序段1。第一個掃描周期首先復位每個狀態(tài)位，然后調用MBUS_CTRL指令完成初始化，設置通信模式、波特率、驗證方法和終端□號碼、超時等。

圖4程序段一

 圖5程序段2首先調用MBUS_MSG指令啟動從站請求并處理響應。設置從站的地址、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內存儲數(shù)據(jù)的V寄存器地址指針。每0.5s讀取兩個電力儀表一次。

圖5程序段二

 圖6程序段3讀取第一個電力儀表的數(shù)據(jù)后，讀取第二個電力儀表的數(shù)據(jù)。同樣調用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多功能電力儀表進行通信。不同品牌的PLC實現(xiàn)不同于電力儀表通信的指令，但原理相似，可以參考本例實現(xiàn)其他品牌PLC對電力儀表的數(shù)據(jù)讀取。

四：功率和電度的計算

 電力儀表內部計算功率和功率，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)通信到上位機進行查看。對于一些感性負載，電力儀表內部算法所依據(jù)的功率因數(shù)往往與負載不匹配，計算的功率和功率與實際誤差較大。針對這一缺點，實時功率(有功功率)和累計功率(有功功率)可以根據(jù)電壓電流等數(shù)據(jù)在上位機上計算，并與電力儀表的內部數(shù)據(jù)進行比較。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，計算功率和功率。

 例如，通過力控組態(tài)軟件計算三相電爐的功率和功率，根據(jù)負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)策略設置為：每循環(huán)2s，進行實時功率計算；每循環(huán)3s，將計算出的實時功率除以3600并累加得到電度。由于大部分負載不是恒功率運行，如果需要提高計算精度，可以減少循環(huán)時間，即提高采樣次數(shù)。

五：上位機軟件

 在上位機中，數(shù)據(jù)可以通過表格、曲線、棒圖、餅圖等形式進行記錄和顯示。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時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時數(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)的實時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

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

 Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況的細分和統(tǒng)計，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，便于找出高能耗點或不合理的能耗習慣，有效節(jié)約用電，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支持。

2應用場所

(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)結構

4系統(tǒng)功能

(1)實時監(jiān)測

(2)電能統(tǒng)計報表

(3)詳細電參查詢

(4)運行報表

(5)變壓器運行監(jiān)控

(6)實時報警

(7)遙控操作

(8)APP支持

5系統(tǒng)硬件配置

七結語

 本文結合工程實際情況，提供了建立電能管理系統(tǒng)的思路和方法。可在車間電氣設備控制箱內安裝電流互感器和多功能電力儀表，通過現(xiàn)場敷設通信電纜將車間電氣設備組網(wǎng)，結合上位機組態(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]

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

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

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊

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)中心相關產品的研發(fā)及應用。