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摘要：基于車間電氣設備的電氣管理系統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提供思路和方便的方法。
關鍵詞：電能管理系統；多功能電力儀表；PLC；組態軟件
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據，因此測量和分析單個設備的用電數據已成為一個難題。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軟件形成電能管理系統，記錄分析車間用電設備的用電檢測和耗電數據，及時發現耗電量大的設備和異常狀態的設備，為全廠節電和管理者的決策管理提供數據支持。本文介紹了兩種建立車間設備電能管理系統的方法。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：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絡通信，將電力儀表的數據讀入控制器，控制器將電力數據發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據的直接轉換計算；第二，如果本地和遠程都有上位機，則可以實現本地和遠程數據的顯示和存儲。
一：方法一
圖1所示為方法一對應的系統框圖。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（串口轉向以太網服務器），串口服務器通過以太網連接到多網口交換機，然后連接工業控制器。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總線網絡，通過MODBUSRTU協議實現數據的遠程通信功能。
圖1方法一系統框圖
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據。在組態軟件界面中，獲得的數據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據。同時，PLC分別與現場觸摸屏和中控室的工業控制機建立通信，可以顯示和存儲本地觸摸屏和遠程工業控制機上的電流電壓等數據。圖3是方法二對應的系統框圖。利用PLCRS485接口與多個電力儀表組網通信，PLC的另一個RS485通信口與現場觸摸屏連接，通過PLC以太網口與中控室工業控制機通信。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系統框圖
三：通過Smart200PLC讀取電力儀表數據
利用SMART200PLC編寫梯形圖子程序[2]，通過MODBUSRTU通信協議讀取兩臺多功能電力儀表的電力數據。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、要讀取的寄存器數量和PLC內存儲數據的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據后，讀取第二個電力儀表的數據。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，可以參考本例實現其他品牌PLC對電力儀表的數據讀取。
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，也可以將數據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的功率因數往往與負載不匹配，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)可以根據電壓電流等數據在上位機上計算，并與電力儀表的內部數據進行比較。觸摸屏和配置軟件一般都有循環執行策略(腳本)，可以根據公式(1)和公式(2)定期循環執行腳本程序，計算功率和功率。
例如，通過力控組態軟件計算三相電爐的功率和功率，根據負載類型和接線方法選擇合適的功率因數，編寫以下程序：
//有功功率計算(單位kW)
區域1單元1.PV=1單元1\Z1_UaH.PV*區域1單元1\Z1laH.PV/1000+區域1單元1\Z1UbH.PV*1單元1\Z1_lbH.PV/1000+區域1單元1\Z1UcH.PV*區域1單元1\Z1cH.PV/1000;
Powerz2.PV=1單元1\Z2_UaH.PV*區域1單元1\Z2laH.PV/1000+區域1單元1\Z2UbH.PV*1單元1\Z2_lbH.PV/1000+區域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;
循環策略設置為：每循環2s，進行實時功率計算；每循環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，可以減少循環時間，即提高采樣次數。
五：上位機軟件
在上位機中，數據可以通過表格、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據，實現實時數據查看和歷史數據查詢功能。圖8顯示了電力數據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系統
1概述
用戶端消耗整個電網80%的電能，用戶端智能用電管理對用戶可靠、節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計，以直觀的數據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，有效節約用電，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支持。
2應用場所
(1)辦公樓
(2)商業建筑
(3)旅游建筑
(4)科教文衛建筑
(5)通信建筑
(6)交通建筑
3系統結構
4系統功能
(1)實時監測
(2)電能統計報表
(3)詳細電參查詢
(4)運行報表
(5)變壓器運行監控
(6)實時報警
(7)遙控操作
(8)APP支持
5系統硬件配置
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，通過現場敷設通信電纜將車間電氣設備組網，結合上位機組態軟件建立電能管理系統。如果在電能管理系統的基礎上添加水、氣等能耗數據，可以形成車間能源管理系統，將獲得的電力數據上傳到云端或與MES系統和ERP系統連接。總之，電能管理系統是建立數字化工廠和智能化工廠重要的一部分。
[參考文獻]
[1]侯冉、徐春風。基于多功能電力儀表的車間設備電能管理系統設計
[2]多功能網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系統手冊.4,03/2019[Z].西門子(中國)有限公司.
[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊
作者簡介：涂志燕，現任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事數據中心相關產品的研發及應用。
聯系人：王梅
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