基于Modbus的設備能耗信息化系統設計及應用

韓靈山 ，姜 帥 ，江 豪 ，梁家興 ，王永華 ，，3

（1.鄭州輕工業學院 電氣信息工程學院，鄭州 450002；2.鄭州天啟自動化系統有限公司，鄭州 450002；3.紡織服裝產業河南省協同創新中心，鄭州 451191）

建立科學規范的能耗統計工作體系，是促進企業盡快適應建設資源節約型、環境友好型企業的需要，也是落實國家節能減排措施的重要體現[1]。加強能耗統計，準確、及時地把握企業能耗消費情況，對降低企業用電成本有十分重要的作用。信息和網絡技術的發展為傳統企業的技術創新、信息化提供了極大幫助，總線技術是信息技術和網絡技術相互融合而產生的一種新技術。基于總線技術的能耗信息化系統不僅改變了能耗測量方式，并且提高了測量數據的實時性、準確性和可靠性。

基于總線技術的能耗信息化系統在底層進行能耗數據采集時有2種方案。一種是用RS-485總線橋與智能電表組成RS-485網絡對電能數據進行采集，但是RS-485網絡通過總線橋向上層傳輸數據時最大數據傳送量有限，并且RS-485總線橋不具備編程功能，只能與單個智能電表組成RS-485網絡。這樣會增加整個系統的安裝調試工作量和系統成本。另一種是用可編程控制器和智能電表組成Modbus網絡對電能數據進行采集，該方法可以使用一個可編程控制器與多個智能電表進行連接，有效地降低了系統的安裝和調試難度，節約了系統成本[2]。本文對基于Modbus的能耗信息化系統進行了設計，并對其工程應用進行了開發研究。

1 系統設計

1.1 系統架構

本系統由3層網絡結構組成：基于Modbus-RTU的現場數據采集網絡，基于Profibus的數據傳輸網絡以及基于以太網的客戶端網絡[3]。系統的網絡結構如圖1所示。

圖1 系統網絡結構Fig.1 System network structure

1.2 Modbus網絡設計

本系統使用可編程序控制器與智能電表進行連接組成Modbus網絡[4]。通過編程可以將數據分批進行傳輸，使得每個可編程序控制器（Modbus主站）可與多個智能電表（Modbus從站）進行數據通信。原理上每個可編程控制器能與32個智能電表進行連接。

在網絡硬件搭建好之后，需要對網絡的程序進行設計。本網絡需要設計的程序包括通信參數的設定和通信數據的傳輸。在對該系統通信數據傳輸程序進行設計時，由于Modbus網絡通過Profibus總線向上層傳輸數據時最大數據傳輸量不能超過100 B，因此需要把所有的數據分成若干批次傳輸。通信程序流程如圖2所示。

圖2 通信程序流程Fig.2 Program flow chart of communication

智能電表的通信參數可以通過撥碼開關進行設置，因此在進行程序設計時只需要對可編程控制器的通信參數進行設計使得可編程控制器的通信參數與智能電表的通信參數相同。最后分批對不同智能電表的數據進行傳輸，將有效的電能數據存放到可編程序控制器的相應的存儲器中。

1.3 Profibus網絡設計

在Profibus網絡中，從站和主站之間用Profibus總線連接，將多個小型可編程序控制器和S7-300 PLC進行連接時，可以用中繼器將網絡分成多個網段。

Profibus網絡通過總線連接好后，需要通過組態軟件對硬件系統進行組態。將組態好的程序下載到S7-300 PLC中。主站和從站的寄存器中會形成一一對應的地址，而且該地址的大小不能超過100 B，即可編程序控制器每次傳入S7-300 PLC中的數據不能超過100 B。Profibus數據交換如圖3所示。

圖3 Profibus數據交換示意Fig.3 Profibus data exchange

1.4 客戶端網絡設計以及系統數據

在客戶端網絡中使用C/S（客戶機/服務器）結構。即用一臺服務器與多個S7-300 PLC主站連接獲取車間設備電能數據，每個服務器通過網線與多個客戶機進行連接為客戶機提供數據。在安裝WINCC組態軟件的服務器上基于SIMATIC Protocol Suite將S7-300 PLC中的能耗數據采集到WINCC的數據庫中[5]。在進行圖形和報表處理時，通過圖形控件或表格對數據庫進行組態，使數據以圖形或表格的形式直觀地顯示出來。在對歷史數據進行處理時，通過WINCC的變量管理功能使變量以CSV文件的方式存放到服務器的硬盤中。最后通過WEB服務器，將數據和報表以及歷史數據發布到局域網中完成WINCC的程序設計。在客戶使用時，每個客戶可以通過客戶機的瀏覽器輸入相應的網絡地址對相應的信息進行查看。

本系統采集到的電能數據包括每臺設備的各相電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能、視在電能和功率因數。為了滿足企業管理的需要，本系統還對生產過程中每班的有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能、視在電能及功率因數進行了匯總，匯總數據通過表格的形式進行展示。

2 工程應用

本系統在石油、化工、煙草、食品和紡織等企業都具有重要的應用價值。

2.1 具體實例

本系統已在某大型紡織廠進行了應用。該紡織廠由清花、梳棉、并條、粗紗、細紗、絡筒工序組成，其中的每個工序都有20～30臺設備。本系統對每臺設備的能耗數據都進行了采集，同時對每個工序和全廠設備能耗數據進行了匯總和分析。

2.2 應用結果

（1）提高企業節能減排水平

系統能夠準確地獲得企業底層的能耗數據，通過功率因數，可以合理地增加無功功率補償裝置，降低企業能耗。另外通過對能耗數據的綜合分析，幫助企業制定合理的能耗管理決策，提高企業節能減排能力。

（2）為設備維護提供參考

每個用電設備在生產的時候都有額定電量，將此額定電量作為設備維護的參考標準。把運行設備的能耗數據與參考標準對比，大致確定該設備是否需要檢修。在設備運行能耗數據和設備運行可靠性之間建立相應的關系，以確定該設備是否需要維護或者更換[6]。

（3）對每臺設備的狀態進行精確監控

通過對車間每臺設備的用電數據分析，確定該設備的運行狀態。比如啟動、停止、空載或者超負荷。然后通過對該車間所有設備的狀態分析而對設備的運行進行綜合管理，提高管理效能和生產效率。

（4）為企業新項目或者新產品的成本評估提供能耗成本數據

在企業開發新產品或者進行新項目的時候需要對包括能耗在內的綜合成本進行綜合測評。例如：在新產品開發時，除了需要對物料成本、研發成本進行綜合分析計算之外，還需對能耗成本進行核算。本系統可以為能耗成本核算提供準確的數據。

（5）提高企業生產效益

通過該系統可為企業ERP管理系統提供能耗的歷史數據和實時數據[7]。將這些能耗數據計算成能耗成本與其它的（交通、人員、物料）成本通過ERP系統進行綜合分析，從而對這些資源進行管理、調度，提高企業的生產效。

3 結語

本系統可以準確、實時、可靠地獲取企業底層的能耗數據，通過本系統可以為企業建立一個全面的能耗統計體系，從而為企業提供可靠的能耗數據。通過對能耗數據的分析，有助于企業合理地制定和實施節能減排措施。在Modbus網絡中，本系統使用可編程控制器與智能電表對底層電能數據進行采集，從而使每個Modbus主站能與多個智能電表進連接，降低系統安裝和調試工作量，節約成本。同時對上位機程序進行編寫，使客戶能夠清晰地獲得底層車間的能耗數據。系統的應用結果表明，可以節約企業的能耗成本，提高企業的生產效益和能耗管理水平。

[1]唐正偉.基于PLC/WINCC的樓宇供電控制系統[D].山西：太原科技大學，2013.

[2]王永華，邱世堅，江豪，等.紡織設備能耗實時監測及處理系統的研制[J].棉紡織技術，2012，40（10）：9-12.

[3]王永華，常潔，江豪.基于Profibus的紡織工業網絡架構規劃[J].鄭州輕工業學院學報：自然科學版，2013，28（2）：31-35.

[4]呂國華.Modbus現場總線技術在嵌入式PLC中的應用研究[D].山東：山東輕工業學院，2011.

[5]李軍.WINCC組態技巧與技術問答[M].北京：機械工業出版社，2013.

[6]王子墨.面向車間能耗的維護調度系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[7]王永華，何勝科，江豪，等.紡織生產過程數據集成與處理系統的開發[J].棉紡織技術，2010，38（11）：22-24.