胡冠楠
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201800
【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。
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。
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(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(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。
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)送處理程序流程見圖2。
作為主站的一通訊模塊是平臺(tái)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(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.安科瑞電氣針對(duì)水廠監(jiān)測(cè)推出能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)
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。
5.4.5智能照明控制
系統(tǒng)為污水廠、自來(lái)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(dòng)控制、感應(yīng)控制、定時(shí)控制、場(chǎng)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(dòng)識(shí)別日出日落時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(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(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。
5.8工藝仿真監(jiān)控
平臺(tái)通過(guò)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(dòng)機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機(jī)保護(hù)，進(jìn)行短路、過(guò)流、過(guò)載、起動(dòng)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(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)。
6.相關(guān)平臺(tái)部署硬件選型清單
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。
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