基于多功能电力仪表的车间设备电能管理系统设计

侯冉 徐春风

机械工业第六设计研究院有限公司

0 引言

目前，大多数车间的用电数据都是通过车间配电室成套开关柜上的电力仪表进行计量，往往一台开关柜所带的用电设备很多，而电力仪表所计量的是多台设备的总电能数据，精确计量并分析单台设备的用电数据成为难题。本文提供了一种思路和方法，用于对车间的用电设备进行低成本改造，仅需在设备端增加电流互感器和多功能电力仪表，与中控室的上位机组态软件组成电能管理系统，用于对车间用电设备的用电检测及耗电数据的记录与分析，以便及时发现耗电多的设备和异常状态的设备，为全厂的节电和管理者的决策管理提供数据支撑。

本文介绍两种方法组建车间设备电能管理系统。方法一：通过在设备端增加电力仪表及互感器，通过多功能电力仪表自带的通讯口，一般为RS232 或RS485 接口，进行组网通讯，实现电力数据的采集，通过上位机软件实现电力数据的显示和存储。方法二：针对由PLC或其他可编程控制器控制的设备，利用控制器自带的通讯接口与多功能电力仪表组网通讯，将电力仪表的数据读入控制器，由控制器将电力数据发送至上位机，在上位机上进行显示和存储。方法二的特点：一是便于直接在控制器内进行电力数据的换算计算；二是如果本地和远程都有上位机，则可以实现本地与远程数据的显示和存储。

1 方法一

图1所示为方法一对应的系统框图。对每台设备增加电流互感器和多功能电力仪表，通过多功能电力仪表采集设备的电流电压，多台多功能电力仪表通过RS485 总线连接，接至串口服务器（串口转以太网服务器），将串口服务器通过以太网接至多网口交换机，再连接工控机。图2 为单台多功能电力仪表电气原理图[1]，负载为一台变频器驱动的电机。三相电经空开接至变频器输入端，T1、T2、T3为电流互感器，接至该电力仪表的电流检测输入端。通过从三相母线上取电结点，再经熔断器接至该电力仪表电压检测输入端。电力仪表的报警输出端口接中间继电器KA1 线圈，利用中间继电器KA1 的常开或常闭触点实现过电压过电流等实时报警功能。该电力仪表的RS458 接口通过通讯线缆与其他多功能电力仪表的RS485接口连通，共同组成RS485 总线网络，通过MODBUS RTU 协议实现数据的远程通讯功能。

完成硬件布置后，需对软件进行设置。软件设置包括对串口服务器进行设置，设置好串口服务器的虚拟串口号、IP 地址、通讯方式等；在组态软件中建立与电力仪表对应的多台通讯设备，并设置通讯方式、校验方式、地址、波特率等，再建立相应寄存器变量，从而获取电力仪表中的数据。在组态软件界面中可对获取到的数据进行显示并绘制成曲线、棒状图或饼状图等。电力仪表电气原理图见图2。

图2 电力仪表电气原理图

2 方法二

对于PLC 控制的设备，利用PLC 的通讯端口，与多台多功能电力仪表建立通讯，通过PLC读取电力仪表的电压电流等数据，同时PLC分别与现场触摸屏和中控室的工控机建立通讯，可将电流电压等数据进行本地触摸屏的显示和存储以及远程工控机上的显示和存储。图3 为方法二对应的系统框图。利用PLC 的RS485 接口与多台电力仪表组网通讯，PLC的另一个RS485通讯口与现场触摸屏连通，通过PLC的以太网口和中控室工控机通讯。利用PLC 的两个RS485 口通讯，须注意其主从关系：PLC 相对于多功能电力仪表，PLC 为主站，电力仪表为从站；PLC相对于触摸屏，PLC为从站，触摸屏为主站。

3 通过Smart 200 PLC读取电力仪表数据

采用SMART 200 PLC编写梯形图子程序[2]，对两台多功能电力仪表通过MODBUS RTU通讯协议实现电力数据的读取，PLC 作为MODBUS RTU 的主站，两台电力仪表作为从站。图4 为程序段一，第一个扫描周期先对各状态位复位，然后调用MBUS_CTRL指令完成初始化，设置好通讯模式、波特率、校验方式、端口号、超时时间等。

图4 程序段一

图5 程序段二首先对第一台电力仪表调用MBUS_MSG 指令启动对从站的请求并处理响应。设置好从站的地址、读写模式、需要读取的寄存器起始地址、需要读取的寄存器数量以及PLC内部存储数据的V 寄存器地址指针。每隔0.5 s 对两台电力仪表进行一次数据读取。

图5 程序段二

图6程序段三在对第一台电力仪表数据完成读取后，再对第二台电力仪表进行数据读取。同样调用MBUS_MSG指令完成读取。当子程序编写完成后，在PLC的主程序中调用该子程序即可。

图6 程序段三

以上选用了较为常用的SMART 200 PLC作为主控制器，通过梯形图编程实现与两台多功能电力仪表的通讯。不同品牌的PLC 实现与电力仪表通讯所调用的指令不同，但原理相似，可参考本例实现其他品牌PLC对电力仪表的数据读取。

4 功率和电度的计算

电力仪表内部会对功率和电度数进行计算，可直接在电力仪表上查看功率和电量，或将该数据通讯至上位机查看。对于有些感性负载，电力仪表内部算法依照的功率因数往往与负载不匹配，其计算出的功率和电量也与实际有较大误差。针对此缺点，可以在上位机上根据电压电流等数据通过软件编程，计算出实时功率（有功功率）和累计电度数（有功电量），与电力仪表的内部数据进行对比。触摸屏和组态软件一般都有循环执行策略（脚本），可根据公式（1）和公式（2），利用上位机定时循环执行脚本程序，对功率和电量进行计算。

例如通过力控组态软件对三相电炉的功率和电量进行计算，根据负载的类型、接线方法，选择合适的功率因数，编写如下程序：

循环策略设置为：每循环2 s，进行一次实时功率计算；每循环3 s，将计算出的实时功率除以3 600并进行累加得到电度数。因大多负载不是恒功率运行，如果需提高计算精度，可减小循环时间，即提高采样次数。

5 上位机软件

在上位机可通过表格、曲线、棒状图、饼状图等形式对数据进行记录和显示。图7为利用力控组态软件绘制的电力仪表盘界面，直观地显示了电力实时数据，并通过表格控件实现实时数据查看和历史数据查询的功能。图8为电力数据实时曲线和历史曲线查询界面。图9为用电量饼图和棒状图分析界面。

图7 电力仪表盘界面

图8 历史曲线界面

图9 饼图和棒图界面

6 施工注意事项

在施工中，多功能电力仪表的通讯线缆须使用屏蔽双绞线，且屏蔽层必须单端可靠接地。尽量避免通讯线缆与动力线缆在同一线槽或桥架敷设，可将通讯线缆穿KGB 线管单独敷设且将线管单端可靠接地。对于某一区域的多台用电设备，将其分别对应的多台电力仪表通过RS485 总线进行菊花链拓扑结构连接，即手拉手连接方式，接至串口转以太网服务器，然后由串口服务器通过以太网连接至中控室交换机。建议屏蔽双绞线总长不易过长，如果总长超过30 m 最好加一个串口服务器，通过增加以太网总线的长度，减少RS485总线长度来保证数据传输的速度和稳定性。注意互感器和电力仪表连线时勿在负载带电运行的同时将电流互感器进行开路接线。多台电力仪表通过RS485 总线组网时注意网路终端的电力仪表是否需要加终端电阻。

7 结语

本文结合工程实际提供了一种建立电能管理系统的思路和方法，可在车间用电设备的控制箱内加装电流互感器和多功能电力仪表，通过现场敷设通讯线缆将车间的用电设备进行组网，结合上位机组态软件建立电能管理系统。如果在电能管理系统的基础上再添加用水、用气等能耗数据则可组成车间能源管理系统，将获得的电力数据上传云端或与MES 系统、ERP 系统对接。总之，电能管理系统是组建数字化工厂、智慧工厂不可或缺的一部分。