基于MODBUS協(xié)議的電耗分時(shí)計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

韓衛(wèi)華　陳彬

摘要：電能消耗是多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)主要的成本構(gòu)成之一，而現(xiàn)階段的大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的電能管理仍使用全人工或半自動(dòng)管理方式，從節(jié)能提產(chǎn)和綠色環(huán)保等方面來說，已經(jīng)無法滿足企業(yè)發(fā)展的需要。為了能夠更好的幫助企業(yè)采集、整理分析電能消耗信息，發(fā)現(xiàn)電能消耗成本過程中存在的問題和風(fēng)險(xiǎn)，并給出專業(yè)化改善建議，該文在研究MODBUS-RTU通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上，研發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于MODBUS-RTU通訊協(xié)議的電耗分時(shí)計(jì)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在水泥生產(chǎn)企業(yè)的測(cè)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泥生產(chǎn)企業(yè)電能消耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)管，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行策略提供科學(xué)合理的支持，從而達(dá)到了提高生產(chǎn)效率，規(guī)避企業(yè)運(yùn)營(yíng)的成本風(fēng)險(xiǎn)的目的。

關(guān)鍵詞：MODBUS協(xié)議；電耗分時(shí)計(jì)量系統(tǒng)；電能消耗

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）31-7470-03

近年來，水泥業(yè)發(fā)展迅速，我國(guó)水泥業(yè)的總產(chǎn)量和總產(chǎn)值超過了全世界的一半，持續(xù)20多年位居世界第一。水泥業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到了5000多億人民幣，超過我國(guó)建材業(yè)總產(chǎn)值的三分之一。水泥行業(yè)也呈現(xiàn)了良好的發(fā)展勢(shì)頭，但是，在水泥行業(yè)快速擴(kuò)張的同時(shí)，一些問題也凸顯出來，主要體現(xiàn)如下：

1） 產(chǎn)能過剩：在產(chǎn)能迅速增長(zhǎng)的宏觀布局上，很多水泥企業(yè)出現(xiàn)了產(chǎn)能過剩的問題。

2） 生產(chǎn)成本增加：由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，基礎(chǔ)能源需求量不斷增大，直接導(dǎo)致了煤炭供應(yīng)緊張，價(jià)格上漲。由于煤炭?jī)r(jià)格上漲，也直接影響到發(fā)電企業(yè)，生產(chǎn)成本增加，發(fā)電企業(yè)全面虧損，電價(jià)上漲，有些區(qū)域甚至出現(xiàn)電荒。

3） 過程損耗不受控：水泥制造業(yè)屬于流程型行業(yè)，生產(chǎn)過程粗獷。采購、生產(chǎn)、庫存、運(yùn)輸?shù)冗^程中，能源（煤、電）、材料消耗巨大，由于各個(gè)環(huán)節(jié)信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重，數(shù)據(jù)不能及時(shí)準(zhǔn)確傳遞和互通，導(dǎo)致非正常損耗無法綜合評(píng)估和計(jì)量，從而無法進(jìn)行有效損耗分析和控制。

如何及時(shí)準(zhǔn)確掌握企業(yè)成本構(gòu)成，控制非正常損耗，如何對(duì)企業(yè)資金進(jìn)行合理利用，這些問題實(shí)實(shí)在在擺在決策者面前。該文根據(jù)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)，真實(shí)、可靠的企業(yè)電能消耗數(shù)據(jù)，結(jié)合專業(yè)化知識(shí)，利用計(jì)算機(jī)及其相關(guān)監(jiān)控技術(shù)、利用網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)集成等技術(shù)，研發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)電耗分時(shí)計(jì)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能消耗數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)獲取、電能消耗集中化管控、電能成本分析多樣化、電能消耗分級(jí)管控等功能。利用該系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泥生產(chǎn)企業(yè)電能消耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)管，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行策略提供科學(xué)合理的支持，從而達(dá)到了提高生產(chǎn)效率，規(guī)避企業(yè)運(yùn)營(yíng)的成本風(fēng)險(xiǎn)的目的。

1 基于Modbus通訊協(xié)議的系統(tǒng)架構(gòu)

Modbus協(xié)議是一種語言，主要應(yīng)用于電子控制器。利用此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以建立通信。目前，該協(xié)議已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此協(xié)議定義了一個(gè)與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的、控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，描述了一控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。

1） 協(xié)議及規(guī)約

通訊過程中的信息格式由8位數(shù)據(jù)位、起始停止及校驗(yàn)位各一位組成。

通訊規(guī)約：設(shè)備收到正確的請(qǐng)求信息后，該設(shè)備進(jìn)行除地址碼操作，讀取其信息，驗(yàn)證無誤，則執(zhí)行對(duì)應(yīng)的任務(wù)；設(shè)備將執(zhí)行結(jié)果響應(yīng)給發(fā)送者。如果存在錯(cuò)誤，則不返回信息。

2） 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

各儀表廠家相繼研發(fā)智能電力儀表網(wǎng)關(guān)，以適應(yīng)企業(yè)電力數(shù)據(jù)采集、傳輸、共享，實(shí)現(xiàn)232/485到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。其下行通訊口采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU通信規(guī)約，上行通訊網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)（MODBUS NET/IP）。通過智能網(wǎng)關(guān)可以將各儀表電能數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、可靠傳輸?shù)絋CP/IP網(wǎng)絡(luò)中。數(shù)據(jù)采集可以直接利用TCP/IP通訊協(xié)議無縫接入。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集拓?fù)鋱D如圖1。

3） 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用服務(wù)層3層構(gòu)成，見圖2。

（1） 數(shù)據(jù)采集層

通過Modubs協(xié)議，系統(tǒng)自動(dòng)采集電表數(shù)據(jù)。并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，將正確的數(shù)據(jù)插入到表數(shù)據(jù)庫表中。

（2） 數(shù)據(jù)處理層

該層的主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)采集層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。包括按照時(shí)間段內(nèi)電量的拆分、計(jì)算，增加電表超時(shí)警報(bào)，利用給定算法計(jì)算單電表任一時(shí)間段的累積電量和單耗電量、對(duì)各時(shí)段個(gè)電表進(jìn)行工序電耗分析等功能。

（3） 應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用層主要由兩部分組成，分別是基礎(chǔ)信息配置模塊和應(yīng)用服務(wù)模塊。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊主要是各個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的設(shè)置，其中包括對(duì)設(shè)備、工序、電度報(bào)表等組態(tài)操作，以及設(shè)置水泥廠的統(tǒng)計(jì)日，還有電表超時(shí)報(bào)警、電表更換過程數(shù)據(jù)一致性設(shè)置等功能；

應(yīng)用服務(wù)模塊主要包括：電表數(shù)據(jù)的查詢、工序電耗的查詢以及分析功能；電表電耗分析功能，可以分析單個(gè)單表的電耗，實(shí)現(xiàn)按日、按月、按年的對(duì)比，可以生成柱狀圖/趨勢(shì)圖；工序電耗分析功能，實(shí)現(xiàn)單個(gè)工序在不同時(shí)間段的對(duì)比（按日、按月、按年），生成柱狀圖/趨勢(shì)圖；綜合電量報(bào)表功能等。

原料車間每月節(jié)省電費(fèi)成本13.4579萬元，每年可節(jié)省電費(fèi)成本161.4943萬元。

另外系統(tǒng)投入運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)與工藝環(huán)節(jié)優(yōu)化相結(jié)合將極大的降低成本、提高生產(chǎn)效率。

某企業(yè)現(xiàn)有2條5000噸生產(chǎn)線，分別于2009年12月和2012年5月投產(chǎn)， 8月初電能管理平臺(tái)上線。在對(duì)各車間的對(duì)標(biāo)管理中，1#原料電氣室與2#原料電氣室電能消耗差別較大。后利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)逐個(gè)設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，在生產(chǎn)效率基本相同的情況下，發(fā)現(xiàn)1#原料磨主電機(jī)平均相電流為170A，2# 原料磨主電機(jī)平均電流為205A，單位時(shí)間耗能相差20.5%。

結(jié)論：某企業(yè)對(duì)上述情況進(jìn)行評(píng)估，如進(jìn)行技改，2個(gè)月可收回技改成本，之后每個(gè)月可成本差即為技改收益。同時(shí)，在技改初期運(yùn)行階段，還可通過數(shù)據(jù)比對(duì)對(duì)技改情況進(jìn)行判斷。

通過上述應(yīng)用案例分析，工廠可通過電能管理平臺(tái)應(yīng)用，在如下方面減低成本，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益：

1） 峰谷平電成本管理：通過峰谷平電實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)對(duì)生產(chǎn)調(diào)度進(jìn)行調(diào)整，在保證產(chǎn)能的情況下，盡可能的利用谷電。例如對(duì)原料車間，以5000噸線為例，在60%產(chǎn)能情況下，每天將主要設(shè)備峰時(shí)用電調(diào)整至谷時(shí)1小時(shí)，每月節(jié)省電費(fèi)為8-15萬。

2） 技術(shù)改進(jìn)：通過電流，功率等數(shù)據(jù)的分析比對(duì)，找出電能非正常損耗的工藝環(huán)節(jié)，進(jìn)而落實(shí)到具體設(shè)備。從技術(shù)角度及經(jīng)濟(jì)角度對(duì)問題設(shè)備的技改進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)，還可對(duì)技改后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷技改的實(shí)際效果。

3） 設(shè)備狀態(tài)分析：在設(shè)備的運(yùn)行過程中，設(shè)備的狀態(tài)會(huì)隨著其運(yùn)行周期的變化而發(fā)生變化。對(duì)電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，為工控系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)定提供參考，避免設(shè)備損壞及故障。水泥生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生故障（非定期大修），維修費(fèi)用少則幾萬到幾十萬不等，平均也在10萬以上。通過系統(tǒng)應(yīng)用，每年如能為企業(yè)避免3-5起類似事故，則維修成本可降低50萬元以上。

綜上所述，通過電耗計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用，既是企業(yè)成本精細(xì)化管理的必要手段，又能為設(shè)備管理，生產(chǎn)管理等提供可靠的依據(jù)和方法，為企業(yè)帶來實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本文面向電能成本消耗較多的工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，研發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于MODBUS-RTU通訊協(xié)議的電耗分時(shí)計(jì)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泥生產(chǎn)企業(yè)電能消耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)管，能夠有效的對(duì)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行策略提供科學(xué)合理的支持，從而達(dá)到了提高生產(chǎn)效率，規(guī)避企業(yè)運(yùn)營(yíng)的成本風(fēng)險(xiǎn)的目的。經(jīng)過在多家企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用表明，該文所研發(fā)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，能夠使企業(yè)準(zhǔn)確掌握其成本構(gòu)成，控制非正常損耗，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)資金進(jìn)行合理分配及利用。

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