崔慧東,劉 贊
(北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司,北京 100120)
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(yīng)用。具體從應(yīng)用角度來講,能源監(jiān)控系統(tǒng)是軟件與硬件相結(jié)合,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備單獨(dú)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(shí)時(shí)采集、檢測(cè)與分析的集成系統(tǒng),是電力及工業(yè)自動(dòng)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(shè)備、通訊單元、控制單元三大部分。底層設(shè)備主要包含斷路器、變頻器、采集儀表、空調(diào)、水泵、視頻報(bào)警、門禁等裝置設(shè)備。通訊單元根據(jù)不同設(shè)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(yīng)通訊模塊與交換機(jī)傳輸數(shù)據(jù)??刂茊卧话闶巧衔粰C(jī)界面結(jié)合PLC或單片機(jī)的系統(tǒng),部分應(yīng)用項(xiàng)目上控制單元是以PLC或單片機(jī)為主的自動(dòng)化運(yùn)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(dòng)投切裝置等。
本文通過對(duì)能源監(jiān)控系統(tǒng)在工程項(xiàng)目實(shí)施過程中的技術(shù)應(yīng)用、常見問題以及未來發(fā)展等展開論述。
能源監(jiān)控系統(tǒng)在進(jìn)入21世紀(jì)以來,越來越多的應(yīng)用于工業(yè)、制造業(yè)、建筑業(yè)、服務(wù)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(biāo)準(zhǔn)配置。
機(jī)場(chǎng)屬于典型超大應(yīng)用場(chǎng)景。近些年機(jī)場(chǎng)新建或改造類項(xiàng)目更多的引入能源監(jiān)控系統(tǒng)以實(shí)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(jī)組、給排水系統(tǒng)、變配電站等對(duì)能源監(jiān)控管理需求很大。另一方面,因機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全等級(jí)高,對(duì)系統(tǒng)從施工、調(diào)試到運(yùn)行安全要求十分高,能源監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行有一定的挑戰(zhàn),所以機(jī)場(chǎng)監(jiān)控也成為了門檻較高的項(xiàng)目。
城市管廊是近年各大城市積極投入的重點(diǎn)市政工程,例如北京通州北環(huán)、東關(guān)隧道,奧體南路、豐臺(tái)麗澤、朝陽中央商務(wù)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(shè)備零部件的接觸不良、壽命縮短等問題對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響顯著,這也成為監(jiān)控系統(tǒng)面對(duì)的主要難題。
智能工廠是制造業(yè)未來發(fā)展趨勢(shì),部分工業(yè)制造業(yè)企業(yè)也在逐步嘗試智能工廠建設(shè),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?yàn)槠髽I(yè)提供實(shí)時(shí)電氣水等能源資源用量監(jiān)測(cè)。理想中更進(jìn)一步是進(jìn)行節(jié)能智控,但目前節(jié)能手段主要還是限于設(shè)備自身的節(jié)能改造,對(duì)于用電設(shè)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(duì)高耗能和成本敏感型企業(yè),定制設(shè)計(jì)出符合工廠日常運(yùn)行安全的節(jié)能控制方案。
樓宇能源監(jiān)控應(yīng)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(chǎng)控制系統(tǒng)等。因少有需要避讓或配合復(fù)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(yīng)用增長較快的領(lǐng)域。隨著國家高鐵“八縱八橫”推進(jìn)實(shí)施,以及地方城市為服務(wù)疏導(dǎo)城市客流,興起地鐵建設(shè)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(shí)現(xiàn)能源集中管理監(jiān)測(cè),并能為信號(hào)指揮系統(tǒng)、能源供應(yīng)系統(tǒng)提供運(yùn)行支持。此外,軌道交通系統(tǒng)中,在傳統(tǒng)的空調(diào)機(jī)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。
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(shè)備單元、通訊單元和控制單元。底層設(shè)備一般為儀表、開關(guān)、以及其他用電設(shè)備。底層設(shè)備需符合可采集讀取的基本功能,部分設(shè)備如開關(guān)需要提供狀態(tài)、位置、故障等信息接點(diǎn),可控設(shè)備需要提供控制接點(diǎn)以及電源信息等。底層設(shè)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(yīng)邏輯或上位機(jī)指令將動(dòng)作指令回傳給需要控制的底層設(shè)備,進(jìn)而完成相應(yīng)邏輯動(dòng)作。
能源監(jiān)控系統(tǒng)中,通訊單元是連接溝通前端設(shè)備單元與控制單元,實(shí)現(xiàn)各類信息傳輸?shù)耐ǖ?。根?jù)不同設(shè)備和應(yīng)用,通訊方式多有不同。工業(yè)自動(dòng)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(duì)不同電氣設(shè)備透明開放,且支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-485、RS-422和以太網(wǎng)設(shè)備,為工程實(shí)施提供公用便利。相對(duì)應(yīng)PROFIBUS是自動(dòng)化領(lǐng)域用量廣泛的總線標(biāo)準(zhǔn),是前端設(shè)備、I/O模塊組網(wǎng)通訊方式,實(shí)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(gè)主站對(duì)應(yīng)多個(gè)從站進(jìn)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(yīng),如果從站接收信息格式錯(cuò)誤,則會(huì)向主站反饋錯(cuò)誤信號(hào),主站設(shè)備同時(shí)記錄錯(cuò)誤信號(hào)。當(dāng)從站斷開或故障時(shí),主站也可以診斷并記錄故障,故障解除時(shí),從站自動(dòng)恢復(fù)與主站的正常通訊。主站與從站之間的區(qū)分需要設(shè)備地址來實(shí)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(jìn)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(rèn)識(shí)和使用的信息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。對(duì)于MODBUS支持下的串口通訊協(xié)議,如RS-232、RS-485,需對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行校驗(yàn),確定波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、功能碼、以及奇偶校驗(yàn)才可實(shí)現(xiàn)通訊以及讀寫功能。
RS-232與RS-485都對(duì)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(dá)3000米,但實(shí)際工程應(yīng)用中普遍不超過1000米。RS-232傳輸速率較低,異步傳輸時(shí),波特率小于20KBPS,對(duì)于RS-485傳輸速率則可達(dá)10MBPS。但兩者的抗干擾能力抗噪聲能力比較弱,對(duì)線路環(huán)境要求較為嚴(yán)格,相比而言RS-485抗噪能力更強(qiáng)。RS-485是基于RS-422發(fā)展而來,用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便,可以省掉許多信號(hào)線,應(yīng)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(gè)驅(qū)動(dòng)器和32個(gè)接收器。因此工程應(yīng)用中RS-485使用更廣,尤其配合保護(hù)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(shí),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(huì)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(shí)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(shè)備引出接線需通過網(wǎng)線、交換機(jī)進(jìn)行中轉(zhuǎn)。設(shè)備通訊接口大多分為網(wǎng)口和RS-485接口,對(duì)于使用RS-485接口通訊并長距離傳輸?shù)脑O(shè)備,還需要增加串口服務(wù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)于MODBUS通訊協(xié)議下TCP使用,需明確TCP端口號(hào)以及前端設(shè)備IP,若前端設(shè)備無IP或初設(shè)默認(rèn)IP一致,則需要對(duì)各前端設(shè)備設(shè)置不同IP以便控制單元分辨地址。
PROFIBUS是一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),是廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。PROFIBUS傳輸速率最高可達(dá)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(fù)雜,現(xiàn)今應(yīng)用很少。PROFIBUS DP在工廠自動(dòng)化的應(yīng)用中,由中央控制器控制傳感器及執(zhí)行器,也可以利用標(biāo)準(zhǔn)或選用的診斷機(jī)能得知各模塊的狀態(tài)。PROFIBUS PA應(yīng)用在過程自動(dòng)化系統(tǒng)中,其安全等級(jí)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(chǎng)設(shè)備,在設(shè)備故障時(shí),可以限制電流量,避免爆炸危險(xiǎn),但這也限制了PA網(wǎng)絡(luò)所能鏈接設(shè)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(dòng)控制及流程控制結(jié)合的應(yīng)用場(chǎng)景中,也會(huì)共同搭配使用。但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用來說PROFIBUS DP使用更多,用途更為廣泛。
控制單元是能源監(jiān)控系統(tǒng)的大腦與核心,在實(shí)現(xiàn)了通暢的通訊通道和穩(wěn)定可靠的前端底層設(shè)備后,控制單元用來實(shí)現(xiàn)一系列的邏輯控制以及遠(yuǎn)程操作,是自動(dòng)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(jī)控制,本地控制一般通過可編程邏輯控制器直接實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)遠(yuǎn)程操控則通過軟件平臺(tái)與可編程邏輯控制器通訊反饋實(shí)現(xiàn)。
可編程邏輯控制器從上世紀(jì)80年代開始,逐步在發(fā)達(dá)工業(yè)國家進(jìn)入實(shí)用。本世紀(jì)以來,可編在世界范圍內(nèi)開始大規(guī)模應(yīng)用??删幊踢壿嬁刂破鲗?shí)質(zhì)上是專業(yè)工業(yè)控制計(jì)算機(jī),其組成包括電源、中央處理單元,存儲(chǔ)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(yùn)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(shí)現(xiàn)用戶程序運(yùn)行處理、對(duì)輸入信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算、將輸出信息發(fā)送給輸出控制組件等功能。存儲(chǔ)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(shè)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(gè)部分:數(shù)據(jù)輸入、程序運(yùn)算執(zhí)行、執(zhí)行結(jié)果輸出??删幰淮涡酝瓿蛇@三部分叫做一個(gè)掃描周期,掃描時(shí)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(wù)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(diǎn)信息,并保存于之前做好映射的輸入單元存儲(chǔ)區(qū)內(nèi),而在整個(gè)掃描周期內(nèi),輸入點(diǎn)信息如果發(fā)生變化,對(duì)應(yīng)映射的輸入單元信息是不發(fā)生變化的,只有進(jìn)入下一個(gè)掃描周期時(shí),輸入信息變化才會(huì)更新,同時(shí),輸入如果是脈沖信號(hào),還需要保證脈沖寬度至少大于一個(gè)掃描周期時(shí)長,否則輸入信息將無法錄入。2)程序運(yùn)算執(zhí)行階段,用戶程序?qū)?huì)在掃描周期內(nèi)按照從上到下、從左到右的順序進(jìn)行掃描,再根據(jù)邏輯運(yùn)算結(jié)果對(duì)存儲(chǔ)區(qū)、映射區(qū)的邏輯輸出結(jié)果進(jìn)行更新,或根據(jù)程序要求執(zhí)行特定調(diào)用指令。當(dāng)程序中的邏輯輸出有套用時(shí),對(duì)應(yīng)后一條程序或梯形圖中的邏輯輸出刷新,在下一個(gè)掃描周期中才會(huì)對(duì)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(duì)應(yīng)到映射輸出單元,再通過外部輸出回路,控制前端底層設(shè)備相應(yīng)動(dòng)作??删幊踢壿嬁刂破鬏敵鲇腥N類型:繼電器型輸出,特點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長可達(dá)到10毫秒,但不適宜高頻動(dòng)作,負(fù)載電流相對(duì)較大,可達(dá)2A/點(diǎn);晶體管型輸出,特點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間短,只有0.2毫秒,適于高頻動(dòng)作,但負(fù)載電流較小,只有0.5A/點(diǎn);晶閘管型輸出,特點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間短,為0.5毫秒,適于高頻動(dòng)作,同樣負(fù)載電流較小,為0.2A/點(diǎn)。
可編程邏輯控制器在工程應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯。當(dāng)前可編程邏輯控制器大多使用微計(jì)算機(jī),且有較強(qiáng)的電路模塊保護(hù)以及在線檢測(cè)診斷故障,可隨時(shí)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(shí)現(xiàn)輸入輸出模塊的熱插拔,同時(shí)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(xué)習(xí)門檻低的特點(diǎn),也為廣大工程應(yīng)用人員實(shí)操提供了便利。最后,可編程邏輯控制器響應(yīng)和運(yùn)行都十分快速,對(duì)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(shí)反應(yīng)更快。
圖2 梯形圖
對(duì)于可編程邏輯控制器的選型,主要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求,對(duì)控制、通信、運(yùn)算等功能進(jìn)行選擇,同時(shí)對(duì)輸入輸出點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)并做20%左右余量拓展,考慮輸入輸出信號(hào)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(diǎn)是上位機(jī)開發(fā)編程。一般上位機(jī)是PC機(jī)、工控機(jī)、觸摸屏等,下位機(jī)是可編程邏輯控制器、單片機(jī)等。上位機(jī)功能有兩部分,一是展示檢測(cè)結(jié)果,二是下達(dá)控制指令。檢測(cè)結(jié)果的展示是通過下位機(jī)采集數(shù)據(jù)信息,然后上傳到上位機(jī)。控制指令是上位機(jī)直接下發(fā)給下位機(jī),下位機(jī)再通過時(shí)序指令控制前端相關(guān)設(shè)備。上位機(jī)與下位機(jī)間通訊,一般取決于下位機(jī),但鑒于一般工程應(yīng)用中實(shí)際通訊距離較長,所以大部分采用光纖傳輸,在通過服務(wù)器集中。很多下位機(jī)不直接支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,一般通過串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換485通訊后再連接路由器或上位機(jī)。上位機(jī)開發(fā)目前主要通過工控組態(tài)軟件編輯實(shí)現(xiàn),組態(tài)軟件特點(diǎn)一是通訊開放性強(qiáng),可以對(duì)不同設(shè)備兼容,軟件內(nèi)嵌多種通訊協(xié)議,完全可以根據(jù)設(shè)備情況選擇性安裝協(xié)議;二是功能模塊豐富實(shí)用,組態(tài)軟件上位界面可以通過調(diào)用模塊實(shí)現(xiàn)負(fù)荷曲線、報(bào)警提醒、畫面控件,報(bào)表等需求功能,因不需要編程基礎(chǔ),直觀化的模塊調(diào)用對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)信息分析有巨大需求,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫可以把前端設(shè)備上傳的信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄。四是附加增強(qiáng)功能靈活,包括仿真、軟件內(nèi)編程以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)界面等功能。通過組態(tài)軟件制作上位界面優(yōu)點(diǎn)是便捷、模塊化調(diào)用快速。但缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn),隨著工控領(lǐng)域應(yīng)用擴(kuò)展需求靈活多樣變化,組態(tài)軟件相對(duì)固定的模塊以及通訊更新模式,對(duì)不同項(xiàng)目需求響應(yīng)很多情況下并不及時(shí),而自主開發(fā)上位往往更能貼近實(shí)際項(xiàng)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
能源監(jiān)控系統(tǒng)是工業(yè)自動(dòng)化、工控的重要分支,應(yīng)用廣泛。能源監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出,一是實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)集中監(jiān)控,控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作,報(bào)警實(shí)時(shí)集中,這對(duì)巡視、記錄、操作提供了巨大的便利。二是對(duì)能源資源使用實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析,為下一步節(jié)能實(shí)施提供理論支持,同時(shí)對(duì)具體定制化節(jié)能改造項(xiàng)目實(shí)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(shí)現(xiàn)集中,但前端各類設(shè)備因環(huán)境性因素?fù)p壞或使用壽命減短問題突出,這直接影響系統(tǒng)實(shí)用效果,而大部分項(xiàng)目的成本硬約束,以及能源監(jiān)控系統(tǒng)在整體項(xiàng)目實(shí)施中關(guān)鍵性認(rèn)可度不夠,也促使投資不足設(shè)備問題頻發(fā)。二是監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)能源管理的實(shí)際作用目前尚未有效體現(xiàn),節(jié)能項(xiàng)目相當(dāng)部分有監(jiān)無控,能源管理的節(jié)能目的不能全面有效達(dá)到,當(dāng)然原因主要體現(xiàn)在動(dòng)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(wù)。