韓靈山 ，姜 帥 ，江 豪 ，梁家興 ，王永華 ，，3

（1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，鄭州 450002；2.鄭州天啟自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，鄭州 450002；3.紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 451191）

建立科學(xué)規(guī)范的能耗統(tǒng)計(jì)工作體系，是促進(jìn)企業(yè)盡快適應(yīng)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)的需要，也是落實(shí)國(guó)家節(jié)能減排措施的重要體現(xiàn)[1]。加強(qiáng)能耗統(tǒng)計(jì)，準(zhǔn)確、及時(shí)地把握企業(yè)能耗消費(fèi)情況，對(duì)降低企業(yè)用電成本有十分重要的作用。信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為傳統(tǒng)企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、信息化提供了極大幫助，總線(xiàn)技術(shù)是信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互融合而產(chǎn)生的一種新技術(shù)?；诳偩€(xiàn)技術(shù)的能耗信息化系統(tǒng)不僅改變了能耗測(cè)量方式，并且提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性。

基于總線(xiàn)技術(shù)的能耗信息化系統(tǒng)在底層進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)采集時(shí)有2種方案。一種是用RS-485總線(xiàn)橋與智能電表組成RS-485網(wǎng)絡(luò)對(duì)電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，但是RS-485網(wǎng)絡(luò)通過(guò)總線(xiàn)橋向上層傳輸數(shù)據(jù)時(shí)最大數(shù)據(jù)傳送量有限，并且RS-485總線(xiàn)橋不具備編程功能，只能與單個(gè)智能電表組成RS-485網(wǎng)絡(luò)。這樣會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的安裝調(diào)試工作量和系統(tǒng)成本。另一種是用可編程控制器和智能電表組成Modbus網(wǎng)絡(luò)對(duì)電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，該方法可以使用一個(gè)可編程控制器與多個(gè)智能電表進(jìn)行連接，有效地降低了系統(tǒng)的安裝和調(diào)試難度，節(jié)約了系統(tǒng)成本[2]。本文對(duì)基于Modbus的能耗信息化系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)其工程應(yīng)用進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)由3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成：基于Modbus-RTU的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，基于Profibus的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及基于以太網(wǎng)的客戶(hù)端網(wǎng)絡(luò)[3]。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 System network structure

1.2 Modbus網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用可編程序控制器與智能電表進(jìn)行連接組成Modbus網(wǎng)絡(luò)[4]。通過(guò)編程可以將數(shù)據(jù)分批進(jìn)行傳輸，使得每個(gè)可編程序控制器（Modbus主站）可與多個(gè)智能電表（Modbus從站）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。原理上每個(gè)可編程控制器能與32個(gè)智能電表進(jìn)行連接。

在網(wǎng)絡(luò)硬件搭建好之后，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。本網(wǎng)絡(luò)需要設(shè)計(jì)的程序包括通信參數(shù)的設(shè)定和通信數(shù)據(jù)的傳輸。在對(duì)該系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)傳輸程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于Modbus網(wǎng)絡(luò)通過(guò)Profibus總線(xiàn)向上層傳輸數(shù)據(jù)時(shí)最大數(shù)據(jù)傳輸量不能超過(guò)100 B，因此需要把所有的數(shù)據(jù)分成若干批次傳輸。通信程序流程如圖2所示。

圖2 通信程序流程Fig.2 Program flow chart of communication

智能電表的通信參數(shù)可以通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置，因此在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)只需要對(duì)可編程控制器的通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)使得可編程控制器的通信參數(shù)與智能電表的通信參數(shù)相同。最后分批對(duì)不同智能電表的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，將有效的電能數(shù)據(jù)存放到可編程序控制器的相應(yīng)的存儲(chǔ)器中。

1.3 Profibus網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在Profibus網(wǎng)絡(luò)中，從站和主站之間用Profibus總線(xiàn)連接，將多個(gè)小型可編程序控制器和S7-300 PLC進(jìn)行連接時(shí)，可以用中繼器將網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)網(wǎng)段。

Profibus網(wǎng)絡(luò)通過(guò)總線(xiàn)連接好后，需要通過(guò)組態(tài)軟件對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。將組態(tài)好的程序下載到S7-300 PLC中。主站和從站的寄存器中會(huì)形成一一對(duì)應(yīng)的地址，而且該地址的大小不能超過(guò)100 B，即可編程序控制器每次傳入S7-300 PLC中的數(shù)據(jù)不能超過(guò)100 B。Profibus數(shù)據(jù)交換如圖3所示。

圖3 Profibus數(shù)據(jù)交換示意Fig.3 Profibus data exchange

1.4 客戶(hù)端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)

在客戶(hù)端網(wǎng)絡(luò)中使用C/S（客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)。即用一臺(tái)服務(wù)器與多個(gè)S7-300 PLC主站連接獲取車(chē)間設(shè)備電能數(shù)據(jù)，每個(gè)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與多個(gè)客戶(hù)機(jī)進(jìn)行連接為客戶(hù)機(jī)提供數(shù)據(jù)。在安裝WINCC組態(tài)軟件的服務(wù)器上基于SIMATIC Protocol Suite將S7-300 PLC中的能耗數(shù)據(jù)采集到WINCC的數(shù)據(jù)庫(kù)中[5]。在進(jìn)行圖形和報(bào)表處理時(shí)，通過(guò)圖形控件或表格對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行組態(tài)，使數(shù)據(jù)以圖形或表格的形式直觀(guān)地顯示出來(lái)。在對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，通過(guò)WINCC的變量管理功能使變量以CSV文件的方式存放到服務(wù)器的硬盤(pán)中。最后通過(guò)WEB服務(wù)器，將數(shù)據(jù)和報(bào)表以及歷史數(shù)據(jù)發(fā)布到局域網(wǎng)中完成WINCC的程序設(shè)計(jì)。在客戶(hù)使用時(shí)，每個(gè)客戶(hù)可以通過(guò)客戶(hù)機(jī)的瀏覽器輸入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址對(duì)相應(yīng)的信息進(jìn)行查看。

本系統(tǒng)采集到的電能數(shù)據(jù)包括每臺(tái)設(shè)備的各相電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功電能、無(wú)功電能、視在電能和功率因數(shù)。為了滿(mǎn)足企業(yè)管理的需要，本系統(tǒng)還對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中每班的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功電能、無(wú)功電能、視在電能及功率因數(shù)進(jìn)行了匯總，匯總數(shù)據(jù)通過(guò)表格的形式進(jìn)行展示。

2 工程應(yīng)用

本系統(tǒng)在石油、化工、煙草、食品和紡織等企業(yè)都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2.1 具體實(shí)例

本系統(tǒng)已在某大型紡織廠(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用。該紡織廠(chǎng)由清花、梳棉、并條、粗紗、細(xì)紗、絡(luò)筒工序組成，其中的每個(gè)工序都有20～30臺(tái)設(shè)備。本系統(tǒng)對(duì)每臺(tái)設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)都進(jìn)行了采集，同時(shí)對(duì)每個(gè)工序和全廠(chǎng)設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總和分析。

2.2 應(yīng)用結(jié)果

（1）提高企業(yè)節(jié)能減排水平

系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地獲得企業(yè)底層的能耗數(shù)據(jù)，通過(guò)功率因數(shù)，可以合理地增加無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，降低企業(yè)能耗。另外通過(guò)對(duì)能耗數(shù)據(jù)的綜合分析，幫助企業(yè)制定合理的能耗管理決策，提高企業(yè)節(jié)能減排能力。

（2）為設(shè)備維護(hù)提供參考

每個(gè)用電設(shè)備在生產(chǎn)的時(shí)候都有額定電量，將此額定電量作為設(shè)備維護(hù)的參考標(biāo)準(zhǔn)。把運(yùn)行設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)與參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，大致確定該設(shè)備是否需要檢修。在設(shè)備運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行可靠性之間建立相應(yīng)的關(guān)系，以確定該設(shè)備是否需要維護(hù)或者更換[6]。

（3）對(duì)每臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行精確監(jiān)控

通過(guò)對(duì)車(chē)間每臺(tái)設(shè)備的用電數(shù)據(jù)分析，確定該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。比如啟動(dòng)、停止、空載或者超負(fù)荷。然后通過(guò)對(duì)該車(chē)間所有設(shè)備的狀態(tài)分析而對(duì)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行綜合管理，提高管理效能和生產(chǎn)效率。

（4）為企業(yè)新項(xiàng)目或者新產(chǎn)品的成本評(píng)估提供能耗成本數(shù)據(jù)

在企業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品或者進(jìn)行新項(xiàng)目的時(shí)候需要對(duì)包括能耗在內(nèi)的綜合成本進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)。例如：在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，除了需要對(duì)物料成本、研發(fā)成本進(jìn)行綜合分析計(jì)算之外，還需對(duì)能耗成本進(jìn)行核算。本系統(tǒng)可以為能耗成本核算提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

（5）提高企業(yè)生產(chǎn)效益

通過(guò)該系統(tǒng)可為企業(yè)ERP管理系統(tǒng)提供能耗的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[7]。將這些能耗數(shù)據(jù)計(jì)算成能耗成本與其它的（交通、人員、物料）成本通過(guò)ERP系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，從而對(duì)這些資源進(jìn)行管理、調(diào)度，提高企業(yè)的生產(chǎn)效。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠地獲取企業(yè)底層的能耗數(shù)據(jù)，通過(guò)本系統(tǒng)可以為企業(yè)建立一個(gè)全面的能耗統(tǒng)計(jì)體系，從而為企業(yè)提供可靠的能耗數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)能耗數(shù)據(jù)的分析，有助于企業(yè)合理地制定和實(shí)施節(jié)能減排措施。在Modbus網(wǎng)絡(luò)中，本系統(tǒng)使用可編程控制器與智能電表對(duì)底層電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而使每個(gè)Modbus主站能與多個(gè)智能電表進(jìn)連接，降低系統(tǒng)安裝和調(diào)試工作量，節(jié)約成本。同時(shí)對(duì)上位機(jī)程序進(jìn)行編寫(xiě)，使客戶(hù)能夠清晰地獲得底層車(chē)間的能耗數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果表明，可以節(jié)約企業(yè)的能耗成本，提高企業(yè)的生產(chǎn)效益和能耗管理水平。

[1]唐正偉.基于PLC/WINCC的樓宇供電控制系統(tǒng)[D].山西：太原科技大學(xué)，2013.

[2]王永華，邱世堅(jiān)，江豪，等.紡織設(shè)備能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及處理系統(tǒng)的研制[J].棉紡織技術(shù)，2012，40（10）：9-12.

[3]王永華，常潔，江豪.基于Profibus的紡織工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)劃[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，28（2）：31-35.

[4]呂國(guó)華.Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在嵌入式PLC中的應(yīng)用研究[D].山東：山東輕工業(yè)學(xué)院，2011.

[5]李軍.WINCC組態(tài)技巧與技術(shù)問(wèn)答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[6]王子墨.面向車(chē)間能耗的維護(hù)調(diào)度系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[7]王永華，何勝科，江豪，等.紡織生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)集成與處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].棉紡織技術(shù)，2010，38（11）：22-24.