能源管理系統(tǒng)建設電能數(shù)據(jù)的采集

  能源管理系統(tǒng)在能耗數(shù)據(jù)采集時通常需要把計量設備支持的通信協(xié)議轉換為數(shù)據(jù)采集軟件支持的通信協(xié)議。電能表電能數(shù)據(jù)采集可采用網(wǎng)關和PLC方式。網(wǎng)關采集方式具有結構簡單、無需編程的特點，而采用PLC讀取電能表數(shù)據(jù)則具有攜帶電能表數(shù)量多、適用性廣、具備數(shù)據(jù)處理能力、性價比高等優(yōu)勢。

  1、能源管理系統(tǒng)的架構

  企業(yè)在能源管理系統(tǒng)建設中，最重要的一項工作是對現(xiàn)場電能數(shù)據(jù)的采集，采集的數(shù)據(jù)主要有正向有功電能累計、反向有功電能累計（即發(fā)電量）、功率、功率因數(shù)等?，F(xiàn)企業(yè)使用的電能表主要分為兩種，一種是帶有RS485通信接口的智能電能表，該種電能表通信口絕大多數(shù)支持MODBUS RTU通信協(xié)議；另一種電能表為一些傳統(tǒng)式電能表，這類電能表不帶通信接口，把計量到的電能累計數(shù)值以脈沖方式輸出進行顯示（如3200imp/kWh表示每計量1 kWh的電能，電能表累計輸出3200個脈沖），通過對輸出的脈沖數(shù)進行采集即可實現(xiàn)電耗統(tǒng)計，這類傳統(tǒng)式電能表已較少使用，但在有些投產(chǎn)年限較長的工廠仍能看到。

  華潤水泥封開有限公司能源管理系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場采集裝置、數(shù)據(jù)采集服務器、能源管理服務器。數(shù)據(jù)采集服務器安裝有SCADA軟件（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制軟件），放置于中央控制室工程師站，現(xiàn)場采集裝置放置于電力室用于連接電能表讀取數(shù)據(jù)，同時提供接口把采集到的數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)采集服務器。現(xiàn)場采集裝置的作用就是通過電能表和SCADA軟件的交互實現(xiàn)對電能表數(shù)據(jù)的采集。我公司現(xiàn)場采集裝置主要使用網(wǎng)關和PLC，SCADA軟件采用WINCC。數(shù)據(jù)采集服務器SCADA軟件對現(xiàn)場采集裝置采集到的數(shù)據(jù)進行匯總后傳輸給能源管理服務器。

  能源管理服務器負責對所有的電能數(shù)據(jù)進行分析處理，最終實現(xiàn)能源監(jiān)控、能源統(tǒng)計、能源消費分析、重點能耗設備管理等功能，服務器還需要完成信息和網(wǎng)頁發(fā)布，讓使用者通過互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控到能源管理數(shù)據(jù)。配置數(shù)據(jù)采集服務器目的主要是能源數(shù)據(jù)的采集，需要在電腦上安裝各種通信卡件和軟件，這些硬件和軟件會占用電腦大量資源，而能源管理服務器主要是對大量數(shù)據(jù)的處理，增加數(shù)據(jù)采集服務器可避免采集過程在系統(tǒng)服務器上運行造成的負荷加重，進而提高系統(tǒng)服務器運行的效率和穩(wěn)定性。能源管理系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)結構

  2、通過網(wǎng)關采集電能數(shù)據(jù)

  網(wǎng)關是一種通信協(xié)議轉換設備，用于把設備所支持的協(xié)議轉換成SCADA支持的通信協(xié)議。WINCC支持的通信協(xié)議有MODBUS TCP/IP協(xié)議、OPC協(xié)議、PROFIBUS DP，但并不支持MODBUS RTU協(xié)議，不能直接與電能表連接讀取數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)關把電能表MODBUS RTU協(xié)議轉換為MODBUS TCP/IP協(xié)議即可實現(xiàn)WINCC對電能表數(shù)據(jù)的讀取。我公司使用的網(wǎng)關有兩個通信口，通信口1為RS485接口，支持MODBUS RTU協(xié)議，該通信口用于連接電能表通信口讀取電能表數(shù)據(jù)；通信口2為RJ45接口，支持MODBUS TCP/IP協(xié)議，該通信口與數(shù)據(jù)采集服務器連接。

  通過對網(wǎng)關和數(shù)據(jù)采集服務器設置IP地址，使雙方IP地址處于同一網(wǎng)段，再設置電能表和網(wǎng)關波特率，無需編寫程序WINCC即可通過MODBUS TCP/IP協(xié)議讀取到通信口1采集的電能數(shù)據(jù)。網(wǎng)關使支持不同通信協(xié)議的設備和數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的讀取。網(wǎng)關有多種類型，不管電能表支持什么通信協(xié)議，都可以采用相應網(wǎng)關把電能表支持的通信協(xié)議轉換為SCADA軟件支持的通信協(xié)議。例如我公司余熱發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)使用的電能表支持的通信協(xié)議為DLT645協(xié)議，通過支持DLT645協(xié)議的網(wǎng)關把DLT645協(xié)議轉換為MODBUS TCP/IP協(xié)議就可實現(xiàn)WINCC對余熱發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能表數(shù)據(jù)的采集。使用網(wǎng)關采集電能表數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡結構如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關采集電能表數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡結構

  網(wǎng)關的優(yōu)點是結構簡單，在使用時只需設置IP地址、波特率即可，無需編寫程序即可實現(xiàn)對電能表數(shù)據(jù)的讀取。缺點是攜帶的電能表數(shù)量較少，如我公司使用的網(wǎng)關理論上連接電能表的數(shù)量可達到32臺，但在使用中發(fā)現(xiàn)當連接的電能表數(shù)量超過15臺時，數(shù)據(jù)讀取開始出現(xiàn)卡頓、傳輸延遲等問題；另外，網(wǎng)關只適用于具有通信功能的電能表數(shù)據(jù)讀取，無法實現(xiàn)端子連接的開關量或模擬量信號的讀取，適用面較窄；還有，網(wǎng)關無法對讀取到的電能數(shù)據(jù)進行必要的處理，例如為了最大限度的對電耗進行計量，電能表會把正向有功電能這個數(shù)據(jù)分解為正向有功電能高位字和正向有功電能低位字，并分別保存在兩個保持寄存器中，每個寄存器為16位，最大計量累計可達到FFFFFFFFH（即4 294 967 295kWh）。

  如當前電能表顯示的正向有功電能是1000000 kWh，十六進制表示為F4240H，電能表將會把高位字000FH存放在地址為11BH的寄存器A中，低位字4240H存放在地址為11CH的寄存器B中，WINCC通過網(wǎng)關使用功能碼03H 從地址11BH開始按雙字來讀取兩個寄存器數(shù)值就可以得到F4240H（即正向有功電能），但有些電能表高低字存放地址相反，即低位字存在前地址，高位字存在后地址，此時按雙字來讀取得到的數(shù)據(jù)為4240000FH，這就需要對按雙字讀取到的數(shù)據(jù)進行高低位移位才能得到真正的正向有功電能。

  又如當網(wǎng)關采集的電能數(shù)據(jù)為二次側數(shù)據(jù)時，采集的數(shù)據(jù)需要乘以電流互感器變比和電壓互感器變比才能得到實際的數(shù)值，網(wǎng)關不具備對數(shù)據(jù)高低位移位和數(shù)據(jù)加減乘除等數(shù)據(jù)處理功能，這些工作需要在WINCC上編寫腳本進行處理后才能得到最終正向有功電能，當電能表數(shù)量較多時就需要編寫大量腳本，從而影響到WINCC的運行效率，因此，我公司對網(wǎng)關主要是在礦山等位置比較偏遠、電能表比較分散的場合使用。

  3、采用PLC采集電能數(shù)據(jù)

  為克服用網(wǎng)關采集數(shù)據(jù)存在的不足，我公司通過創(chuàng)新，采用西門子S7-200 224XP PLC對電能表數(shù)據(jù)進行采集。224XP PLC自帶PORT0和PORT1兩個通信口，通信口除常用于下載和上傳程序、連接觸摸屏外，還支持MODBUS RTU通信協(xié)議，因此可采用PLC自帶通信口對電能表數(shù)據(jù)進行讀取。224XP PLC還自帶2個AI/AO模擬量點，16個DI點和10個DO點，支持6個高速計數(shù)器，最大支持脈沖輸入頻率為200 kHz，可對只能輸出脈沖信號的傳統(tǒng)電能表進行數(shù)據(jù)采集。

  通信口PORT0和PORT1最大支持連接247臺電能表，相對于網(wǎng)關攜帶的電能表數(shù)量大大提高，這是采用PLC采集電能表數(shù)據(jù)最大的優(yōu)勢。224XP PLC需要與西門子CP243-1模塊配合使用，PLC主要負責電能表數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)采集服務器通過CP243-1讀取PLC采集到的電能表數(shù)據(jù)。在成本上，一套224XP PLC和CP243-1模塊采集裝置與網(wǎng)關近似，但PLC方式性價比更高。

  WINCC不能直接通過CP243-1讀取PLC數(shù)據(jù)，需要在數(shù)據(jù)采集服務器上安裝西門子PC ACCESS或者OPC SERVER軟件，PC ACCESS或OPC SERVER為西門子開發(fā)的OPC軟件，它們可通過CP243-1讀取S7-200 PLC數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完成后無需設置即可作為OPC服務器，WINCC可通過OPC讀取PC ACCESS或OPC SERVER數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對電能表數(shù)據(jù)的讀取。PC ACCESS軟件為免費軟件，不需要授權，OPC SERVER需要授權，并且主要在西門子PCS 7控制系統(tǒng)基礎上使用，使用OPC SERVER需具備一定的PCS 7應用基礎。采用PLC采集電能數(shù)據(jù)的過程如圖3所示。

圖3 PLC采集電能表數(shù)據(jù)過程

  4、PLC采集電能數(shù)據(jù)的應用

  根據(jù)能源管理系統(tǒng)的要求，需要對功率大于55 kW的設備安裝電能表以對電能數(shù)據(jù)進行采集。我公司兩條熟料生產(chǎn)線大于55 kW的設備數(shù)量有：A、B線配料站4臺；A線生料磨23臺；A線窯尾4臺；A線窯頭煤磨47臺；B線生料磨14臺；B線窯尾4臺；B線窯頭煤磨36臺，合計132臺。兩條熟料線需要讀取的電能表數(shù)量遠小于PLC所能攜帶電能表數(shù)量，出于技術可行性和節(jié)約成本考慮，只需要一臺PLC即可實現(xiàn)A、B線所有電能表數(shù)據(jù)讀取。A線窯頭煤磨電能表數(shù)量最多，因此把PLC放置于該電力室DCS柜內。數(shù)據(jù)采集需要組建一個通信網(wǎng)絡，把PLC與各電力室電能表連接起來。

  我公司A、B熟料線配置有一套DCS控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡結構為環(huán)網(wǎng)，各電力室DCS柜安裝有一臺帶2光口和8電口的交換機，交換機間采用四芯多模光纖連接，電能采集與DCS系統(tǒng)不共用網(wǎng)絡。組建電能采集環(huán)網(wǎng)，需要在各電力室DCS柜增加一個帶2光口的RS485光電轉換器，轉換器需要支持冗余環(huán)網(wǎng)。如圖4所示，RS485光電轉換器電口A、B端與電能表A、B端連接，光口分為兩組，1、2口為一組（1口為發(fā)送端，2口為接收端），3、4口為一組（3口為發(fā)送端，4口為接收端），兩個電力室轉換器間的連接遵循發(fā)送口連接接收口原則，如A線生料磨的4口和3口要分別和A線窯尾1口和2口連接。

  環(huán)網(wǎng)組建完成后，A線窯頭煤磨電力室內的224XP PLC PORT0口和PORT1口、RS485轉換器、電能表間采用DP接頭按首尾相連方式連接，PORT0口、PORT1口、RS485轉換器、電能表相當于并聯(lián)在一起，連接PORT0口的DP接頭需要帶有編程口以便調試。CP243-1與數(shù)據(jù)采集服務器通過以太網(wǎng)連接。各電力室間電能表通過光纖連接可實現(xiàn)電氣隔離，避免電能表間互相干擾。

  為合理分配PLC兩個通信口資源，編寫程序時需要對每個通信口讀取電能表數(shù)量進行分配，PORT0口負責讀取A線窯頭煤磨、窯尾、生料磨共74臺電能表電能數(shù)據(jù)，PORT1口負責讀取B線窯頭煤磨、窯尾、生料磨及A、B線配料站共58臺電能表電能數(shù)據(jù)。PORT0口和PORT1口為MODBUS RTU主站接口，電能表均為從站。能管系統(tǒng)通過PLC采集電能表數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡結構如圖4所示。

圖4 PLC采集電能表數(shù)據(jù)網(wǎng)絡結構

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  5、網(wǎng)絡測試

  電能表安裝完成后，需要對所有電能表設置通信地址和波特率，每臺電能表通信地址是唯一的，電能表波特率應與PLC通信口波特率一致。電能表、光電轉換器、PLC間的通信電纜連接完成后，通過筆記本電腦、Modscan32軟件在PLC端集中對所有電能表通信口進行測試，以判斷電能表通信口通信功能是否正常和電能表接線是否正確，以及整個通信網(wǎng)絡是否正常。由于現(xiàn)在的筆記本電腦只配置USB口，不配置COM1口，因此需要一根USB轉RS485串口數(shù)據(jù)線用于筆記本電腦連接電能表。

  測試時，選取網(wǎng)絡上任意一臺電能表A，把電能表A與網(wǎng)絡連接斷開，用數(shù)據(jù)電纜連接電能表通信口和電腦USB口，運行Modscan32軟件，通過讀取電能表通信地址快速判斷該電能表通信口是否正常，如數(shù)據(jù)無法讀取就需要檢查電能表波特率、通信地址設置和電能表通信口A、B端接線是否正確，電能表A測試完成后將其重新接回網(wǎng)絡；回到PLC側把連接PORT0口的DP接頭拔下，用數(shù)據(jù)電纜串口端連接DP接頭可編程接口，再次運行Modscan32軟件讀取電能表A通信地址，如電能表A接回網(wǎng)絡后數(shù)據(jù)無法讀取，可對RS485光電轉換器的光纖、DP接頭接線、電能表通信口A、B端在網(wǎng)絡上的接線進行檢查。通過以上方法可快速完成整個通信網(wǎng)絡的測試。

  為避免或減少干擾，PLC、光電轉換器、電能表間的通信電纜建議采用帶雙層屏蔽的雙絞線，電力室內電能表的連接順序也需要做好規(guī)劃，根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定通信電纜在橋架、電纜溝的走向，使電纜鋪設長度最短。連接PORT0口、RS485光電轉換器的DP接頭終端電阻均要連接。在PLC讀取電能表數(shù)據(jù)時如出現(xiàn)某次數(shù)據(jù)讀取正常而下次數(shù)據(jù)卻無法讀取情況時，可通過降低PLC和電能表的通信波特率來減輕外部電場對通信的干擾。

  6、程序編寫

  MODBUS通信涉及到功能碼和數(shù)據(jù)地址，功能碼用來指定主站要讀取從站哪些類型數(shù)據(jù)，常用的功能碼有01H(讀取輸出點狀態(tài))、02H（讀取輸入點狀態(tài)）、03H(讀取保持寄存器狀態(tài))，電能相關數(shù)據(jù)均保存在保持寄存器中，因此只需要用到功能碼03H。電能表數(shù)據(jù)包含多個參數(shù)，包括有功電能、無功電能、電流、電壓、頻率、功率因數(shù)等，每個參數(shù)都有一個地址并將該數(shù)據(jù)保存到一個寄存器中，通過功能碼和數(shù)據(jù)地址就可以讀取到該參數(shù)。不同廠家的電能表數(shù)據(jù)格式不盡相同，需要向廠家索取。PLC讀取電能表程序主要包括：PORT0和PORT1通信口初始化、CP243-1的IP地址設置、輪詢方波產(chǎn)生、數(shù)據(jù)讀取。

  通過MBUS_CTRL和MBUS_CTRL_P1指令對PORT0口和PORT1口進行初始化，初始化完成，PORT0口和PORT1口啟用MODBUS RTU通信功能，這時PORT0口和PORT1口不能再用于PPI通信，V4.0 STEP 7 MicroWIN無法通過PPI電纜對PLC上傳下載程序，也無法連接觸摸屏。通過PORT0口和PORT1口上傳下載程序，要把PLC運行開關撥到STOP位置。設置CP243-1 IP地址時，需要在V4.0 STEP 7 MicroWIN運行以太網(wǎng)向導，CP243-1 IP地址必須和數(shù)據(jù)采集服務器IP地址處于同一網(wǎng)段。設置完成后，需要將PLC和CP243-1斷電后重新上電，使CP243-1 IP地址生效。

  CP243-1 IP地址只要修改過，都需要斷電后重新上電。CP243-1配置完成后，就可通過以太網(wǎng)對PLC程序進行下載、上傳和監(jiān)控。MODBUS RTU通信屬于異步串行通信方式，MODBUS主站發(fā)出數(shù)據(jù)請求后，對應從站響應主站，向主站發(fā)出相關的數(shù)據(jù)，程序里需要編寫方波產(chǎn)生指令，產(chǎn)生多個脈寬為2 s的方波對電能表進行輪詢，當方波從0到1跳變時，主站發(fā)出一個數(shù)據(jù)請求指令，同時主站需要一直使能數(shù)據(jù)接收。在2 s時間內從站要完成數(shù)據(jù)發(fā)送，主站要完成數(shù)據(jù)接收。通過調整方波的脈寬可以調整主站接收從站數(shù)據(jù)的時間。PLC通過PORT0口和PORT1口讀取電能表數(shù)據(jù)的主程序如圖5所示。

圖5 PLC通過PORT0口和PORT1口讀取電能表數(shù)據(jù)主程序

     該段程序主要實現(xiàn)通過PORT0口和PORT1口分別讀取兩個不同廠家電能表有功電能累計。MBUS_MSG為PORT0口數(shù)據(jù)讀取指令，V501.1和V501.2都是脈寬為2 s的脈沖，SM0.0為PLC內部標志位，在PLC工作時SM0.0一直保持為1。程序在線運行，當V501.1從低電平跳躍為高電平時，通過| P |指令在First 管腳產(chǎn)生一個脈沖，PORT0口發(fā)出數(shù)據(jù)請求，請求讀取電能表地址為9、寄存器地址從40025開始的兩個寄存器數(shù)據(jù)。V501.1同時連接MBUS_MSG 指令的EN管腳，一直保持2 s的高電平使能MBUS_MSG接收數(shù)據(jù)，如在2 s內未收到數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)有誤，V601.1置0，同時生成故障代碼存儲于VB619，數(shù)據(jù)接收成功則V601.1置1，VB619為0。

  地址為9的電能表正向有功電能高位字地址為VW732，保存在40025寄存器中，低位字地址為VW734，保存在40026的寄存器中。通過監(jiān)控狀態(tài)表可以看到，VW732=16#0003(十六進制表示),VW734=16#7E87，則按雙字來讀取的VD732=16#00037E87，該廠家電能表高低字不需要轉換，16#00037E87即為電能表的正向有功電能，與電能表面板顯示的數(shù)值一致。MBUS_MSG_P1為PORT1口數(shù)據(jù)讀取指令，讀取電能表地址為10、寄存器地址從40047開始的兩個寄存器數(shù)據(jù)，該品牌電能表正向有功電能高低位需要轉換，在狀態(tài)表里按雙字讀取得到的數(shù)據(jù)VD736=16#1151025A,PLC通過指令ROR_DW對數(shù)據(jù)16#1151025A循環(huán)右移16位后最終得到16#025A1151，該數(shù)值與電能表面板顯示的有功電能累計一致，ROR_DW指令的EN管腳必須要接一個觸點，因此用PLC內部標志位SM0.0進行連接，否則程序會編譯出錯。經(jīng)ROR_DW指令處理的數(shù)據(jù)由WINCC運算得到實際電能累計值。類似的數(shù)據(jù)處理，網(wǎng)關是無法實現(xiàn)的。

  7、結束語

  能源管理系統(tǒng)建設時應采用符合現(xiàn)場實際情況的方式對電能數(shù)據(jù)進行采集，通過利用DCS系統(tǒng)已有光纖網(wǎng)絡構建電能采集通信網(wǎng)絡可降低系統(tǒng)建設成本。網(wǎng)關采集電能表數(shù)據(jù)是一種比較常用的方式，無需編寫程序，簡單易懂，但攜帶電能表數(shù)量少，因此適用于計量電能表數(shù)據(jù)較少的場合； PLC具有攜帶電能表數(shù)量多、數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定、性價比高等優(yōu)點，同時PLC所具備的數(shù)據(jù)處理能力可替代能源管理服務器對采集到的電能表數(shù)據(jù)進行基礎處理，減輕服務器的負荷，因此在計量電能表數(shù)量較多時，建議采用。