【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)場總線，智能配電系統(tǒng)

一、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、繼保的高低壓配電柜得到了越來越廣泛的應(yīng)用。多功能智能電力儀表可以一表多用,同時(shí)可以通過其通訊接口來實(shí)現(xiàn)對儀表的編程、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)測量,更可以按需求實(shí)現(xiàn)電動機(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)自動檢測、自動控制的控制器件。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,通過現(xiàn)場總線以及RS485通信網(wǎng)絡(luò)接口聯(lián)接,進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。從站可以把各開關(guān)柜中有關(guān)斷路器開關(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,對斷路器開關(guān)進(jìn)行開關(guān)控制。但目前由于水廠供電的特殊性,現(xiàn)場總線上設(shè)備過多,通訊控制有時(shí)相應(yīng)滯后,所以實(shí)際的模式是,電動機(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,將斷路器開關(guān)信號、位置信號,故障信號等以干接點(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)庫存儲、數(shù)據(jù)報(bào)表生成等功能。

二、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,通過背板完成與處理器的數(shù)據(jù)通訊

(2)通過交換機(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能效管理平臺監(jiān)控軟件。

(3)數(shù)據(jù)庫存儲及數(shù)據(jù)報(bào)表生成采用安科瑞數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),利用軟件開發(fā)技術(shù)完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲及報(bào)表的生成。

2.3系統(tǒng)監(jiān)測元件和開關(guān)元件

在智能型配電系統(tǒng)中,電流、電壓等電量參數(shù)的檢測通過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)的開關(guān)控制,也用于大負(fù)荷饋電回路的開關(guān)控制。低壓配電上的開關(guān)具有過載脫扣整定,過載、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。如中國安科瑞公司的ASCB系列低壓開關(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,具有過載長延時(shí)反時(shí)限、短延時(shí)反時(shí)限、定時(shí)限、速動等功能。

三、系統(tǒng)現(xiàn)場數(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,均通過其提供的RS-485接口以現(xiàn)場總線的方式完成同工作站的通訊。

現(xiàn)場總線就是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場,在微機(jī)化測量控制設(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。它描述了一個控制器訪問其它設(shè)備的過程,當(dāng)采用MODBUS協(xié)議通信時(shí),此協(xié)議規(guī)定每個控制器需要知道自己的設(shè)備地址,識別按地址發(fā)來的消息,如何響應(yīng)來自其它設(shè)備的請求,如何偵測錯誤并記錄。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)備返回一個消息。MODBUS通信有兩種模式。消息的起始位以至少3.5個字符傳輸時(shí)間的停頓開始(一般采用4個),在傳輸完*后一個字符后,有一個至少3.5個字符傳輸時(shí)間的停頓來標(biāo)識結(jié)束。一個新的消息可在此停頓后開始。在接收期間,如果等待接收下一個字符的時(shí)間超過1.5個字符傳輸時(shí)間,則認(rèn)為是下一個消息的開始。只針對設(shè)備地址、功能代碼和數(shù)據(jù)段進(jìn)行。整個消息幀作為一連續(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:單個線圈輸出,06H寫寄存器數(shù)據(jù)。讀寄存器的內(nèi)容包括開關(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指示是正?；貞?yīng)無誤還是有某種錯誤發(fā)生稱作異議回應(yīng)。對正?；貞?yīng),從站僅回應(yīng)相應(yīng)的功能代碼。對異議回應(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。功能碼是單個線圈輸出,它可以通過從站設(shè)備輸出,控制對應(yīng)斷路器的分合。在程序中設(shè)置一個幀計(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)送處理程序流程見圖2。

作為主站的一通訊模塊是平臺開發(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可以通過塊寫和塊讀操作發(fā)指令和接收信息。

四、系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控管理

（1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后在站內(nèi)配置以太網(wǎng)交換機(jī),通過光纜連人中央控制室,完成各個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配電間內(nèi)每個開關(guān)柜的電量參數(shù),也可以通過上位機(jī)發(fā)命令控制現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行。

（3）人機(jī)界面可以察看數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自動生成的電量參數(shù)日報(bào)表、月報(bào)表等。

五、安科瑞電氣針對水廠監(jiān)測推出能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

5.1平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度，重點(diǎn)監(jiān)測主要用能設(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)維管理人員通過一套平臺、一個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平臺拓?fù)鋱D

5.4平臺子系統(tǒng)

5.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù)，實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時(shí)預(yù)警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機(jī)的電流、電壓、有功/無功功率、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)測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機(jī)、水泵變頻啟動導(dǎo)致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對應(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、遙信、遙控功能，電動機(jī)保護(hù)器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測和報(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)電動機(jī)自動或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(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)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實(shí)現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個工廠的能源消耗，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、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)狻⒗錈崃肯牧?，同環(huán)比對比分析，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。

能效分析按三級計(jì)量架構(gòu)，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標(biāo)等。通過污水處理產(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)對標(biāo)，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

5.4.5智能照明控制

系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應(yīng)控制、定時(shí)控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能、舒適、高效的目的。

5.5電氣安全

5.5.1電氣火災(zāi)監(jiān)測

監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實(shí)現(xiàn)對污水廠、自來水廠、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

監(jiān)測消防設(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、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設(shè)備開路、短路等故障信號。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，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，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

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、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)可自動啟動排風(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

實(shí)時(shí)監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關(guān)狀態(tài)，逆變器運(yùn)行監(jiān)視，對逆變器直流側(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，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結(jié)合廠區(qū)實(shí)際分布情況，通過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，各個屋頂?shù)难b機(jī)容量。

5.8工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實(shí)時(shí)監(jiān)視粗格柵、污水提升、細(xì)格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在格柵清渣機(jī)、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機(jī)、加藥泵、濃縮壓濾機(jī)、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動機(jī)保護(hù)，進(jìn)行短路、過流、過載、起動超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護(hù)、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護(hù)以及外部故障連鎖停機(jī)，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)自動或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

六、相關(guān)平臺部署硬件選型清單

6.1電力監(jiān)控、電能質(zhì)量、電動機(jī)管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

七、結(jié)束語

智能配電系統(tǒng)集自動化程度高、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)場總線的智能配電系統(tǒng)是對水廠強(qiáng)電管理的一種創(chuàng)新,是一切自動化和智能設(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)

[1]林峻.智能配電系統(tǒng)在水廠中的應(yīng)用

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2022.05