崔慧東，劉 贊

（北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

能源監(jiān)控管理系統(tǒng)是比較成熟的集成式技術(shù)，擁有比較廣泛的應用。具體從應用角度來講，能源監(jiān)控系統(tǒng)是軟件與硬件相結(jié)合，進而實現(xiàn)相關(guān)設備單獨或連續(xù)控制（例如斷路器、接觸器的開閉，變頻器的調(diào)頻），以及相關(guān)變量數(shù)據(jù)實時采集、檢測與分析的集成系統(tǒng)，是電力及工業(yè)自動化，智能樓宇等行業(yè)的重要組成部分。監(jiān)控系統(tǒng)主要包含了底層設備、通訊單元、控制單元三大部分。底層設備主要包含斷路器、變頻器、采集儀表、空調(diào)、水泵、視頻報警、門禁等裝置設備。通訊單元根據(jù)不同設備以及距離環(huán)境等因素使用不同通訊協(xié)議，常使用MODBUS支持下的RS-485、RS-232或工業(yè)以太網(wǎng)，配合相應通訊模塊與交換機傳輸數(shù)據(jù)。控制單元一般是上位機界面結(jié)合PLC或單片機的系統(tǒng)，部分應用項目上控制單元是以PLC或單片機為主的自動化運行裝置產(chǎn)品，例如目前低壓電力行業(yè)常用的備用電源自動投切裝置等。

本文通過對能源監(jiān)控系統(tǒng)在工程項目實施過程中的技術(shù)應用、常見問題以及未來發(fā)展等展開論述。

1 應用場景分析

能源監(jiān)控系統(tǒng)在進入21世紀以來，越來越多的應用于工業(yè)、制造業(yè)、建筑業(yè)、服務業(yè)，乃至于在近乎所有可見領(lǐng)域都有能源監(jiān)控的身影，近年能源監(jiān)控也逐漸成為各行業(yè)的標準配置。

機場屬于典型超大應用場景。近些年機場新建或改造類項目更多的引入能源監(jiān)控系統(tǒng)以實現(xiàn)智能集中管理，包括航站樓、附屬基地樓宇、配套酒店等在內(nèi)，大量照明、空調(diào)機組、給排水系統(tǒng)、變配電站等對能源監(jiān)控管理需求很大。另一方面，因機場運行安全等級高，對系統(tǒng)從施工、調(diào)試到運行安全要求十分高，能源監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行有一定的挑戰(zhàn)，所以機場監(jiān)控也成為了門檻較高的項目。

城市管廊是近年各大城市積極投入的重點市政工程，例如北京通州北環(huán)、東關(guān)隧道，奧體南路、豐臺麗澤、朝陽中央商務區(qū)地下綜合工程等都大量引入能源監(jiān)控，城市管廊由于處于地下，長期濕度較大，又因投資方往往顧慮成本壓力，設備零部件的接觸不良、壽命縮短等問題對系統(tǒng)運行影響顯著，這也成為監(jiān)控系統(tǒng)面對的主要難題。

智能工廠是制造業(yè)未來發(fā)展趨勢，部分工業(yè)制造業(yè)企業(yè)也在逐步嘗試智能工廠建設，能源監(jiān)控系統(tǒng)是智能工廠的重要組成部分之一，其主要目的是希望能夠為企業(yè)提供實時電氣水等能源資源用量監(jiān)測。理想中更進一步是進行節(jié)能智控，但目前節(jié)能手段主要還是限于設備自身的節(jié)能改造，對于用電設備的控制，尚需服從于企業(yè)工廠的日常生產(chǎn)安全。未來智能工廠的能源監(jiān)控需要針對高耗能和成本敏感型企業(yè)，定制設計出符合工廠日常運行安全的節(jié)能控制方案。

樓宇能源監(jiān)控應用已經(jīng)非常廣泛，拓展出包括門禁控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，停車場控制系統(tǒng)等。因少有需要避讓或配合復雜的安全生產(chǎn)作業(yè)，監(jiān)控創(chuàng)新在樓宇能源監(jiān)控系統(tǒng)中普及較快，業(yè)主也樂于嘗試新技術(shù)。

軌道交通是能源監(jiān)控應用增長較快的領(lǐng)域。隨著國家高鐵“八縱八橫”推進實施，以及地方城市為服務疏導城市客流，興起地鐵建設熱潮，軌道交通能源管理近年快速發(fā)展。能源監(jiān)控系統(tǒng)可以為軌道交通實現(xiàn)能源集中管理監(jiān)測，并能為信號指揮系統(tǒng)、能源供應系統(tǒng)提供運行支持。此外，軌道交通系統(tǒng)中，在傳統(tǒng)的空調(diào)機組、給排水系統(tǒng)智能監(jiān)控方面，能源監(jiān)控可以深度介入管理。

2 系統(tǒng)運行原理

能源監(jiān)控系統(tǒng)是由軟硬件組合搭建而成的系統(tǒng)，可分為設備單元、通訊單元和控制單元。底層設備一般為儀表、開關(guān)、以及其他用電設備。底層設備需符合可采集讀取的基本功能，部分設備如開關(guān)需要提供狀態(tài)、位置、故障等信息接點，可控設備需要提供控制接點以及電源信息等。底層設備將信息通過通訊單元傳輸至控制單元，控制單元讀取信息，根據(jù)相應邏輯或上位機指令將動作指令回傳給需要控制的底層設備，進而完成相應邏輯動作。

2.1 通訊

能源監(jiān)控系統(tǒng)中，通訊單元是連接溝通前端設備單元與控制單元，實現(xiàn)各類信息傳輸?shù)耐ǖ?。根?jù)不同設備和應用，通訊方式多有不同。工業(yè)自動控制領(lǐng)域常用的通訊協(xié)議一般有MODBUS，PFOFIBUS，RS-232，RS-485，TCP/IP等，其中以MODBUS協(xié)議使用最為廣泛，因其對不同電氣設備透明開放，且支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-485、RS-422和以太網(wǎng)設備，為工程實施提供公用便利。相對應PROFIBUS是自動化領(lǐng)域用量廣泛的總線標準，是前端設備、I/O模塊組網(wǎng)通訊方式，實現(xiàn)分布式協(xié)同控制。

MODBUS協(xié)議是主從式異步半雙工通訊協(xié)議，采用主從式通訊結(jié)構(gòu)，可以通過一個主站對應多個從站進行廣播式或問答式通訊。主站發(fā)送信息，從站接收正確信息則反饋主站響應，如果從站接收信息格式錯誤，則會向主站反饋錯誤信號，主站設備同時記錄錯誤信號。當從站斷開或故障時，主站也可以診斷并記錄故障，故障解除時，從站自動恢復與主站的正常通訊。主站與從站之間的區(qū)分需要設備地址來實現(xiàn)，主站通過不同地址向不同從站發(fā)送數(shù)據(jù)信息，而從站數(shù)據(jù)反饋也需要有明確區(qū)分的主站地址才能進行。

MODBUS協(xié)議包含了ASCII、RTU、TCP等多種通訊方式，但并沒有規(guī)定物理層，協(xié)議定義了控制器能夠認識和使用的信息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。對于MODBUS支持下的串口通訊協(xié)議，如RS-232、RS-485，需對數(shù)據(jù)格式進行校驗，確定波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、功能碼、以及奇偶校驗才可實現(xiàn)通訊以及讀寫功能。

RS-232與RS-485都對通訊距離有明確要求，RS-232有效通訊距離在15米以內(nèi)，而RS-485有效通訊距離理論上可達3000米，但實際工程應用中普遍不超過1000米。RS-232傳輸速率較低，異步傳輸時，波特率小于20KBPS，對于RS-485傳輸速率則可達10MBPS。但兩者的抗干擾能力抗噪聲能力比較弱，對線路環(huán)境要求較為嚴格，相比而言RS-485抗噪能力更強。RS-485是基于RS-422發(fā)展而來，用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線，應用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，但最多允許并聯(lián)32個驅(qū)動器和32個接收器。因此工程應用中RS-485使用更廣，尤其配合保護屏蔽網(wǎng)后，通信質(zhì)量能夠得到保證，而RS-485在較長距離高速傳輸時，還需采用阻抗匹配的專用電纜。另外，RS-232接口一般分為9支引腳型和25支引腳型，早先電腦匹配232通訊會有9針和25針端口（現(xiàn)已很少見），但工程中一般使用三線制，即僅使用RXD、TXD、GND三支引腳，RS-232有發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)通訊。RS-485接線與RS-232類似，發(fā)送和接收是RX+與TX+，收發(fā)可共用兩線半雙工，也可分成四線RX+、TX+、RX-、TX-全雙工模式（RS-422）。

圖1 四線全雙工RS422方式接線圖

超過一千米的長距離通訊一般要引入光纖傳輸，前端設備引出接線需通過網(wǎng)線、交換機進行中轉(zhuǎn)。設備通訊接口大多分為網(wǎng)口和RS-485接口，對于使用RS-485接口通訊并長距離傳輸?shù)脑O備，還需要增加串口服務器進行轉(zhuǎn)換。對于MODBUS通訊協(xié)議下TCP使用，需明確TCP端口號以及前端設備IP，若前端設備無IP或初設默認IP一致，則需要對各前端設備設置不同IP以便控制單元分辨地址。

PROFIBUS是一種現(xiàn)場總線標準，是廣泛應用于現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)。PROFIBUS傳輸速率最高可達12Mbaud。PROFIBUS常用目前可分為兩種，PROFIBUS DP與PROFIBUS PA。最早還有一種FMS協(xié)議，但由于其架構(gòu)復雜，現(xiàn)今應用很少。PROFIBUS DP在工廠自動化的應用中，由中央控制器控制傳感器及執(zhí)行器，也可以利用標準或選用的診斷機能得知各模塊的狀態(tài)。PROFIBUS PA應用在過程自動化系統(tǒng)中，其安全等級較高，可用于防爆區(qū)域，且其通訊電纜允許提供電源給現(xiàn)場設備，在設備故障時，可以限制電流量，避免爆炸危險，但這也限制了PA網(wǎng)絡所能鏈接設備的數(shù)量。PA及DP使用的通訊協(xié)議相同，兩者在部分工業(yè)自動控制及流程控制結(jié)合的應用場景中，也會共同搭配使用。但現(xiàn)場實用來說PROFIBUS DP使用更多，用途更為廣泛。

2.2 控制

控制單元是能源監(jiān)控系統(tǒng)的大腦與核心，在實現(xiàn)了通暢的通訊通道和穩(wěn)定可靠的前端底層設備后，控制單元用來實現(xiàn)一系列的邏輯控制以及遠程操作，是自動化與智能化的關(guān)鍵一步。就能源監(jiān)控系統(tǒng)來說，控制可分為本地控制與上位機控制，本地控制一般通過可編程邏輯控制器直接實現(xiàn)。上位機遠程操控則通過軟件平臺與可編程邏輯控制器通訊反饋實現(xiàn)。

可編程邏輯控制器從上世紀80年代開始，逐步在發(fā)達工業(yè)國家進入實用。本世紀以來，可編在世界范圍內(nèi)開始大規(guī)模應用?？删幊踢壿嬁刂破鲗嵸|(zhì)上是專業(yè)工業(yè)控制計算機，其組成包括電源、中央處理單元，存儲單元，輸入輸出單元。中央處理單元也就是CPU，它是可編的核心部件，CPU一般由控制器、運算器、寄存器三部分組成，并固化于電路板芯片中，再通過總線系統(tǒng)與I/O接口相連，以實現(xiàn)用戶程序運行處理、對輸入信息進行邏輯運算、將輸出信息發(fā)送給輸出控制組件等功能。存儲單元一般用來存放系統(tǒng)和用戶程序，也可以存放邏輯變量。輸入輸出單元中，輸入部分分為數(shù)字量輸入和模擬量輸入，也分為直流輸入、交流輸入或交直流輸入。輸出部分分為繼電器型輸出、晶體管型輸出和晶閘管型輸出。輸入輸出單元是可編程邏輯控制器與被控設備之間信息傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

可編程邏輯控制器的工作原理比較簡單，可分為三個部分：數(shù)據(jù)輸入、程序運算執(zhí)行、執(zhí)行結(jié)果輸出。可編一次性完成這三部分叫做一個掃描周期，掃描時間一般取決于程序執(zhí)行速度以及用戶程序的長度，而可編程邏輯控制器的工作任務就是以一定的速度循環(huán)掃描。1）數(shù)據(jù)輸入階段，可編程邏輯控制器將掃描讀取各輸入點信息，并保存于之前做好映射的輸入單元存儲區(qū)內(nèi)，而在整個掃描周期內(nèi)，輸入點信息如果發(fā)生變化，對應映射的輸入單元信息是不發(fā)生變化的，只有進入下一個掃描周期時，輸入信息變化才會更新，同時，輸入如果是脈沖信號，還需要保證脈沖寬度至少大于一個掃描周期時長，否則輸入信息將無法錄入。2）程序運算執(zhí)行階段，用戶程序?qū)趻呙柚芷趦?nèi)按照從上到下、從左到右的順序進行掃描，再根據(jù)邏輯運算結(jié)果對存儲區(qū)、映射區(qū)的邏輯輸出結(jié)果進行更新，或根據(jù)程序要求執(zhí)行特定調(diào)用指令。當程序中的邏輯輸出有套用時，對應后一條程序或梯形圖中的邏輯輸出刷新，在下一個掃描周期中才會對上一條程序或梯形圖中的套用狀態(tài)起作用。3）數(shù)據(jù)信息輸出階段，可編程邏輯控制器將邏輯輸出對應到映射輸出單元，再通過外部輸出回路，控制前端底層設備相應動作?？删幊踢壿嬁刂破鬏敵鲇腥N類型：繼電器型輸出，特點是響應時間相對較長可達到10毫秒，但不適宜高頻動作，負載電流相對較大，可達2A/點；晶體管型輸出，特點是響應時間短，只有0.2毫秒，適于高頻動作，但負載電流較小，只有0.5A/點；晶閘管型輸出，特點是響應時間短，為0.5毫秒，適于高頻動作，同樣負載電流較小，為0.2A/點。

可編程邏輯控制器在工程應用中優(yōu)勢明顯。當前可編程邏輯控制器大多使用微計算機，且有較強的電路模塊保護以及在線檢測診斷故障，可隨時發(fā)現(xiàn)問題，可靠性較好。另一方面PLC無論CPU部件、I/O模塊還是自帶電源，在不斷的更新?lián)Q代下，都有了良好的安裝便利性，很多品牌可編程邏輯控制器都可以實現(xiàn)輸入輸出模塊的熱插拔，同時配合總線模式，也十分利于前期配線。而可編程邏輯控制器自身的搭配自由度也很高，包括各種冗余模式，可靈活變更控制系統(tǒng)功能和規(guī)模。最重要的是，可編程邏輯控制器編程容易，尤其梯形圖模式下編程，結(jié)構(gòu)邏輯清晰直觀，上手快。其學習門檻低的特點，也為廣大工程應用人員實操提供了便利。最后，可編程邏輯控制器響應和運行都十分快速，對于替代過去繼電器搭建的結(jié)構(gòu)不單可靠性更高，占用面積小而集約，使用簡單，同時反應更快。

圖2 梯形圖

對于可編程邏輯控制器的選型，主要根據(jù)實際項目需求，對控制、通信、運算等功能進行選擇，同時對輸入輸出點位統(tǒng)計并做20%左右余量拓展，考慮輸入輸出信號的不同類型來選擇I/O模塊。

控制單元除了可編程邏輯控制器之外，在能源監(jiān)控系統(tǒng)、工控領(lǐng)域中還有一塊重點是上位機開發(fā)編程。一般上位機是PC機、工控機、觸摸屏等，下位機是可編程邏輯控制器、單片機等。上位機功能有兩部分，一是展示檢測結(jié)果，二是下達控制指令。檢測結(jié)果的展示是通過下位機采集數(shù)據(jù)信息，然后上傳到上位機?？刂浦噶钍巧衔粰C直接下發(fā)給下位機，下位機再通過時序指令控制前端相關(guān)設備。上位機與下位機間通訊，一般取決于下位機，但鑒于一般工程應用中實際通訊距離較長，所以大部分采用光纖傳輸，在通過服務器集中。很多下位機不直接支持網(wǎng)絡協(xié)議，一般通過串口服務器轉(zhuǎn)換485通訊后再連接路由器或上位機。上位機開發(fā)目前主要通過工控組態(tài)軟件編輯實現(xiàn)，組態(tài)軟件特點一是通訊開放性強，可以對不同設備兼容，軟件內(nèi)嵌多種通訊協(xié)議，完全可以根據(jù)設備情況選擇性安裝協(xié)議；二是功能模塊豐富實用，組態(tài)軟件上位界面可以通過調(diào)用模塊實現(xiàn)負荷曲線、報警提醒、畫面控件，報表等需求功能，因不需要編程基礎，直觀化的模塊調(diào)用對上位界面制作提供了極大便利。三是多樣化數(shù)據(jù)庫功能，能源監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息分析有巨大需求，實時數(shù)據(jù)庫可以把前端設備上傳的信息數(shù)據(jù)實時記錄。四是附加增強功能靈活，包括仿真、軟件內(nèi)編程以實現(xiàn)增強界面等功能。通過組態(tài)軟件制作上位界面優(yōu)點是便捷、模塊化調(diào)用快速。但缺點也逐漸顯現(xiàn)，隨著工控領(lǐng)域應用擴展需求靈活多樣變化，組態(tài)軟件相對固定的模塊以及通訊更新模式，對不同項目需求響應很多情況下并不及時，而自主開發(fā)上位往往更能貼近實際項目需求，近年來通過C、JAVA、LABVIEW等語言編程工具開發(fā)上位逐漸興起熱潮。

圖3 上位界面

3 結(jié)語

能源監(jiān)控系統(tǒng)是工業(yè)自動化、工控的重要分支，應用廣泛。能源監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，一是實現(xiàn)分布式系統(tǒng)集中監(jiān)控，控制實現(xiàn)遠程操作，報警實時集中，這對巡視、記錄、操作提供了巨大的便利。二是對能源資源使用實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集分析，為下一步節(jié)能實施提供理論支持，同時對具體定制化節(jié)能改造項目實現(xiàn)能源的節(jié)約利用，為企業(yè)以及各類業(yè)主節(jié)省成本。

另一方面，能源監(jiān)控系統(tǒng)也存在一些明顯的問題，一是監(jiān)控系統(tǒng)雖然實現(xiàn)集中，但前端各類設備因環(huán)境性因素損壞或使用壽命減短問題突出，這直接影響系統(tǒng)實用效果，而大部分項目的成本硬約束，以及能源監(jiān)控系統(tǒng)在整體項目實施中關(guān)鍵性認可度不夠，也促使投資不足設備問題頻發(fā)。二是監(jiān)控系統(tǒng)對能源管理的實際作用目前尚未有效體現(xiàn)，節(jié)能項目相當部分有監(jiān)無控，能源管理的節(jié)能目的不能全面有效達到，當然原因主要體現(xiàn)在動態(tài)控制節(jié)能與生產(chǎn)安全匹配度不夠甚至沖突，而未來的能源管理還需要定制型服務。