【摘要】本文介紹了一種以PLC為核心融合基于MODBUS通訊協(xié)議的RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線和工控以太網(wǎng)技術(shù)的水廠智能配電系統(tǒng),使電耗更為經(jīng)濟(jì),企業(yè)管理更為高效。
【關(guān)鍵詞】PLC，現(xiàn)場(chǎng)總線，智能配電系統(tǒng)
1.智能型配電系統(tǒng)概述
原有的水廠配電系統(tǒng)中,高低壓配電柜中往往要安裝各類儀表,實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的監(jiān)視,有專人定時(shí)到廠區(qū)內(nèi)的配電間巡視,記錄數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。即使部分有計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的配電,大多也只是只監(jiān)不控,所以計(jì)量的精度和同步性均不高,更無(wú)法滿足提高配電質(zhì)量的要求。
隨著智能型配電系統(tǒng)這一概念的出現(xiàn),以可編程邏輯控制器(PLC)為核心使用多功能智能電力儀表,綜合保護(hù)器等為監(jiān)測(cè)、繼保的高低壓配電柜得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。多功能智能電力儀表可以一表多用,同時(shí)可以通過(guò)其通訊接口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的編程、數(shù)據(jù)采集等功能綜合保護(hù)器不但可以實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)測(cè)量,更可以按需求實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、配電線路保護(hù)等功能可編程邏輯控制器是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī),已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用*為廣泛的核心裝置,它能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制,且編程簡(jiǎn)單,維護(hù)方便,并配有各類通訊接口與模塊處理,可方便各級(jí)連接。所以利用多功能智能電力儀表和綜合保護(hù)器的通訊功能,以(PLC)為核心對(duì)配電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并且建立與工控以太網(wǎng)的連接,完成(PLC)工作站與監(jiān)控服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交換,使用智能型配電系統(tǒng)能夠在很大程度上減少勞力,并且可以提高效率,使電耗更為經(jīng)濟(jì),企業(yè)管理更為高效。
原則上講,智能型配電系統(tǒng)不同于智能型高低壓開(kāi)關(guān)柜,智能型配電系統(tǒng)其配置是根據(jù)具體工程的需要,既能配置成全智能型器件及控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)柜,又能配置成全部使用傳統(tǒng)電器元件及控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)柜,同時(shí)也能混合配置。給用戶選用提供了較大的靈活性,以滿足不同的需要。
本智能型配電系統(tǒng)中,使用普通電控型斷路器作為執(zhí)行器,使用安科瑞公司的(PLC)作為運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制的控制器件。各多功能智能電力儀表、綜合保護(hù)器作為從站,分別安裝在各開(kāi)關(guān)柜中。主站通訊模塊均選用安科瑞公司。從站與從站和主站之間,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線以及RS485通信網(wǎng)絡(luò)接口聯(lián)接,進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。從站可以把各開(kāi)關(guān)柜中有關(guān)斷路器開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和電量參數(shù)送往主站,也可以接受上位機(jī)的遙控操作命令,對(duì)斷路器開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。但目前由于水廠供電的特殊性,現(xiàn)場(chǎng)總線上設(shè)備過(guò)多,通訊控制有時(shí)相應(yīng)滯后,所以實(shí)際的模式是,電動(dòng)機(jī)回路電量參數(shù)以通訊方式傳送,分合斷路器以PLC接點(diǎn)控制方式控制,就是利用PLC的輸人輸出模塊,將斷路器開(kāi)關(guān)信號(hào)、位置信號(hào),故障信號(hào)等以干接點(diǎn)形式送到,將分合閘控制命令以繼電器輸出形式接到電氣二次回路實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)斷路器的分合閘控制。電源饋線回路電量參數(shù)以通訊方式傳送PLC,人工現(xiàn)場(chǎng)分合斷路器,PLC接點(diǎn)控制方式控制作為備用方式。工作站通過(guò)交換機(jī)和中央控制室監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)報(bào)表生成等功能。
2.系統(tǒng)構(gòu)成
2.1系統(tǒng)硬件
2.1.1高低壓配電柜
(1)采用二路進(jìn)線,單母線分段運(yùn)行供電,進(jìn)線和母聯(lián)三開(kāi)關(guān)兩合閘連鎖,各饋線柜原理同傳統(tǒng)一樣,如綜合保護(hù)器選用AM3SE-I,通訊協(xié)議MODBUS-RTU協(xié)議。
(2)采用二路進(jìn)線,雙母線供電,進(jìn)線和母聯(lián)三開(kāi)關(guān)兩合閘連鎖,分段電容補(bǔ)償,各饋線柜原理同傳統(tǒng)一樣,如多功能智能電力儀表選用安科瑞APM810,通訊協(xié)議MODBUS-RTU協(xié)議。
2.1.2PLC工作站
(1)選用安科瑞公司處理器,通訊模塊選用安科瑞AWT100、一,通過(guò)背板完成與處理器的數(shù)據(jù)通訊
(2)通過(guò)交換機(jī)建立與工控以太網(wǎng)連接
(3)監(jiān)控服務(wù)器和上位機(jī)
2.2系統(tǒng)軟件
(1)饋線控制及數(shù)據(jù)采集處理由處理器完成,采用與系統(tǒng)配套的編程環(huán)境。
(2)上位機(jī)監(jiān)控界面使用安科瑞EMS能效管理平臺(tái)監(jiān)控軟件。
(3)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)報(bào)表生成采用安科瑞數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),利用軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)及報(bào)表的生成。
2.3系統(tǒng)監(jiān)測(cè)元件和開(kāi)關(guān)元件
在智能型配電系統(tǒng)中,電流、電壓等電量參數(shù)的檢測(cè)通過(guò)電流互感器鐵心互感器、空心互感器及霍爾傳感器、電壓互感器、漏電流檢測(cè)互感器等。
普通電控型斷路器是智能型配電系統(tǒng)的主要器件,主要用于主進(jìn)回路和聯(lián)絡(luò)母聯(lián)的開(kāi)關(guān)控制,也用于大負(fù)荷饋電回路的開(kāi)關(guān)控制。低壓配電上的開(kāi)關(guān)具有過(guò)載脫扣整定,過(guò)載、短路、失壓保護(hù)等功能,有合閘、分閘和脫扣指示合閘線圈和分閘線圈分別使用脈沖控制信號(hào)。如中國(guó)安科瑞公司的ASCB系列低壓開(kāi)關(guān)產(chǎn)品,高壓配電上的斷路器應(yīng)配套綜合保護(hù)器共同使用,具有過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限、短延時(shí)反時(shí)限、定時(shí)限、速動(dòng)等功能。
3.系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和通訊
低壓配電采用多功能電力儀表,高壓配電采用多功能綜合保護(hù)器,也有在高壓柜上同時(shí)安裝綜合保護(hù)器和多功能電力儀表,但不管安裝什么品牌的產(chǎn)品,均通過(guò)其提供的RS-485接口以現(xiàn)場(chǎng)總線的方式完成同工作站的通訊。
現(xiàn)場(chǎng)總線就是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng),本系統(tǒng)里的現(xiàn)場(chǎng)總線就是RS-485總線,通信協(xié)議為MODBUS-RTU協(xié)議,主站就是PLC工作站里面1756機(jī)架上插入的AWT通訊模塊,從站就是配電柜上的各類多功能電力儀表和綜合保護(hù)器。它描述了一個(gè)控制器訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程,當(dāng)采用MODBUS協(xié)議通信時(shí),此協(xié)議規(guī)定每個(gè)控制器需要知道自己的設(shè)備地址,識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息,如何響應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求,如何偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。通信采用主一從技術(shù),即,只有主設(shè)備能發(fā)出查詢,從設(shè)備響應(yīng)消息。主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信,從設(shè)備返回一個(gè)消息。MODBUS通信有兩種模式。消息的起始位以至少3.5個(gè)字符傳輸時(shí)間的停頓開(kāi)始(一般采用4個(gè)),在傳輸完*后一個(gè)字符后,有一個(gè)至少3.5個(gè)字符傳輸時(shí)間的停頓來(lái)標(biāo)識(shí)結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開(kāi)始。在接收期間,如果等待接收下一個(gè)字符的時(shí)間超過(guò)1.5個(gè)字符傳輸時(shí)間,則認(rèn)為是下一個(gè)消息的開(kāi)始。只針對(duì)設(shè)備地址、功能代碼和數(shù)據(jù)段進(jìn)行。整個(gè)消息幀作為一連續(xù)的流傳輸,傳輸速率較高。
當(dāng)消息從主站發(fā)往從站時(shí),功能代碼域?qū)⒏嬷畯恼拘枰獔?zhí)行哪些行為。在這里主要使用到3種功能碼,03H:讀寄存器數(shù)據(jù)，05H:單個(gè)線圈輸出,06H寫寄存器數(shù)據(jù)。讀寄存器的內(nèi)容包括開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)、當(dāng)前電流值、電壓值、故障記錄值等。從站回應(yīng)時(shí),它使用功能代碼域來(lái)指示是正?；貞?yīng)無(wú)誤還是有某種錯(cuò)誤發(fā)生稱作異議回應(yīng)。對(duì)正?；貞?yīng),從站僅回應(yīng)相應(yīng)的功能代碼。對(duì)異議回應(yīng),從站返回一等同于正常代碼的代碼,并將功能代碼置為邏輯。功能碼是單個(gè)線圈輸出,它可以通過(guò)從站設(shè)備輸出,控制對(duì)應(yīng)斷路器的分合。在程序中設(shè)置一個(gè)幀計(jì)時(shí)器,當(dāng)線路上有數(shù)據(jù)時(shí)就刷新該計(jì)時(shí)器,線路空閑時(shí)則停止刷新,計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到3.5幀時(shí)計(jì)時(shí)器被軟件清除,而下一幀則為地址幀,MODBUS通信查詢發(fā)送處理程序流程見(jiàn)圖2。
作為主站的一通訊模塊是平臺(tái)開(kāi)發(fā)的通訊接口模塊,各從站采集的數(shù)據(jù)信息存放在各自的數(shù)據(jù)緩存區(qū)中,模塊讀取各從站的數(shù)據(jù)存放在自己的數(shù)據(jù)區(qū)后,PLC可以通過(guò)塊寫和塊讀操作發(fā)指令和接收信息。
4.系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控管理
（1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集后在站內(nèi)配置以太網(wǎng)交換機(jī),通過(guò)光纜連人中央控制室,完成各個(gè)PLC工作站與監(jiān)控服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交換
（2）監(jiān)控管理使用組態(tài)軟件,同時(shí)在監(jiān)控服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)連接軟件,并由其完成的服務(wù)功能,中央控制室的電腦界面上可以同步看到每個(gè)配電間內(nèi)每個(gè)開(kāi)關(guān)柜的電量參數(shù),也可以通過(guò)上位機(jī)發(fā)命令控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行。
（3）人機(jī)界面可以察看數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)自動(dòng)生成的電量參數(shù)日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表等。
5.1平臺(tái)概述
安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺(tái)的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)通過(guò)在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、監(jiān)測(cè)、分析、治理裝置，用于監(jiān)測(cè)污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細(xì)的解決方案。
5.2平臺(tái)組成
AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運(yùn)維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運(yùn)維管理人員通過(guò)一套平臺(tái)、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。
5.3平臺(tái)拓?fù)鋱D
5.4平臺(tái)子系統(tǒng)
5.4.1變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及電力監(jiān)控
對(duì)水務(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級(jí)配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對(duì)異常情況及時(shí)預(yù)警。
監(jiān)測(cè)變壓器、水泵、鼓風(fēng)機(jī)的電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數(shù)、負(fù)荷率、溫度、三相平衡、異常報(bào)警等數(shù)據(jù)。
5.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理
水務(wù)中大量的大功率電機(jī)、水泵變頻啟動(dòng)導(dǎo)致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過(guò)監(jiān)測(cè)其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。
5.4.3電動(dòng)機(jī)管理
馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)水務(wù)中電機(jī)的保護(hù)、遙測(cè)、遙信、遙控功能，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能對(duì)過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測(cè)和報(bào)警。高效、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對(duì)電機(jī)進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。
5.4.4能耗管理
為水務(wù)搭建計(jì)量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。
將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的能耗對(duì)比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個(gè)工廠的能源消耗，能源成本，標(biāo)煤排放等的情況。
能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采集水務(wù)中污水廠、自來(lái)水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)?、冷熱量消耗量，同環(huán)比對(duì)比分析，能耗總量和能耗強(qiáng)度計(jì)算，標(biāo)煤計(jì)算和CO2排放統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)。
能效分析按三級(jí)計(jì)量架構(gòu)，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對(duì)各車間/職能部門的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對(duì)標(biāo)等。通過(guò)污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢(shì)圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/先進(jìn)指標(biāo)對(duì)標(biāo)，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來(lái)調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。
5.5電氣安全
5.5.1電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)
監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水廠、自來(lái)水廠、水泵站的電氣安全預(yù)警。
5.5.2消防應(yīng)急照明和疏散指示
根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動(dòng)疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過(guò)平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。
5.5.3消防設(shè)備電源監(jiān)測(cè)
監(jiān)測(cè)消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防設(shè)備可以正常投入使用。
5.5.4防火門監(jiān)控系統(tǒng)
防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設(shè)備即防火門監(jiān)控模塊、電動(dòng)閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)疏散通道防火門的開(kāi)啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設(shè)備開(kāi)路、短路等故障信號(hào)。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來(lái)，當(dāng)終端設(shè)備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，能指示報(bào)警部位并保存報(bào)警信息，保障了電氣安全的可靠性。
5.6環(huán)境監(jiān)測(cè)
污水廠、自來(lái)水廠、水泵站等場(chǎng)所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃?xì)怏w濃度展示和預(yù)警，保障污水廠、自來(lái)水廠、水泵站等安全運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)或新風(fēng)系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。
5.7分布式光伏監(jiān)測(cè)
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，逆變器運(yùn)行監(jiān)視，對(duì)逆變器直流側(cè)每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當(dāng)前發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以曲線方式繪制上述監(jiān)測(cè)的各個(gè)參量的歷史數(shù)據(jù)。
平臺(tái)結(jié)合廠區(qū)實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂?shù)难b機(jī)容量。
6.1電力監(jiān)控、電能質(zhì)量、電動(dòng)機(jī)管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)
7.結(jié)束語(yǔ)
智能配電系統(tǒng)集自動(dòng)化程度高、可靠性好、可操作性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)于一體,隨著水廠自動(dòng)化程度要求的不斷提高,各種智能型的生產(chǎn)設(shè)備將不斷出現(xiàn),以為核心融合現(xiàn)場(chǎng)總線的智能配電系統(tǒng)是對(duì)水廠強(qiáng)電管理的一種創(chuàng)新,是一切自動(dòng)化和智能設(shè)備的基礎(chǔ),將為企業(yè)的成本核算和優(yōu)化運(yùn)行管理發(fā)揮重要作用。
參考文獻(xiàn)
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