能源監控系統應用

崔慧東，劉 贊

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

能源監控管理系統是比較成熟的集成式技術，擁有比較廣泛的應用。具體從應用角度來講，能源監控系統是軟件與硬件相結合，進而實現相關設備單獨或連續控制（例如斷路器、接觸器的開閉，變頻器的調頻），以及相關變量數據實時采集、檢測與分析的集成系統，是電力及工業自動化，智能樓宇等行業的重要組成部分。監控系統主要包含了底層設備、通訊單元、控制單元三大部分。底層設備主要包含斷路器、變頻器、采集儀表、空調、水泵、視頻報警、門禁等裝置設備。通訊單元根據不同設備以及距離環境等因素使用不同通訊協議，常使用MODBUS支持下的RS-485、RS-232或工業以太網，配合相應通訊模塊與交換機傳輸數據。控制單元一般是上位機界面結合PLC或單片機的系統，部分應用項目上控制單元是以PLC或單片機為主的自動化運行裝置產品，例如目前低壓電力行業常用的備用電源自動投切裝置等。

本文通過對能源監控系統在工程項目實施過程中的技術應用、常見問題以及未來發展等展開論述。

1 應用場景分析

能源監控系統在進入21世紀以來，越來越多的應用于工業、制造業、建筑業、服務業，乃至于在近乎所有可見領域都有能源監控的身影，近年能源監控也逐漸成為各行業的標準配置。

機場屬于典型超大應用場景。近些年機場新建或改造類項目更多的引入能源監控系統以實現智能集中管理，包括航站樓、附屬基地樓宇、配套酒店等在內，大量照明、空調機組、給排水系統、變配電站等對能源監控管理需求很大。另一方面，因機場運行安全等級高，對系統從施工、調試到運行安全要求十分高，能源監控系統的穩定安全運行有一定的挑戰，所以機場監控也成為了門檻較高的項目。

城市管廊是近年各大城市積極投入的重點市政工程，例如北京通州北環、東關隧道，奧體南路、豐臺麗澤、朝陽中央商務區地下綜合工程等都大量引入能源監控，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，設備零部件的接觸不良、壽命縮短等問題對系統運行影響顯著，這也成為監控系統面對的主要難題。

智能工廠是制造業未來發展趨勢，部分工業制造業企業也在逐步嘗試智能工廠建設，能源監控系統是智能工廠的重要組成部分之一，其主要目的是希望能夠為企業提供實時電氣水等能源資源用量監測。理想中更進一步是進行節能智控，但目前節能手段主要還是限于設備自身的節能改造，對于用電設備的控制，尚需服從于企業工廠的日常生產安全。未來智能工廠的能源監控需要針對高耗能和成本敏感型企業，定制設計出符合工廠日常運行安全的節能控制方案。

樓宇能源監控應用已經非常廣泛，拓展出包括門禁控制系統、視頻監控系統，停車場控制系統等。因少有需要避讓或配合復雜的安全生產作業，監控創新在樓宇能源監控系統中普及較快，業主也樂于嘗試新技術。

軌道交通是能源監控應用增長較快的領域。隨著國家高鐵“八縱八橫”推進實施，以及地方城市為服務疏導城市客流，興起地鐵建設熱潮，軌道交通能源管理近年快速發展。能源監控系統可以為軌道交通實現能源集中管理監測，并能為信號指揮系統、能源供應系統提供運行支持。此外，軌道交通系統中，在傳統的空調機組、給排水系統智能監控方面，能源監控可以深度介入管理。

2 系統運行原理

能源監控系統是由軟硬件組合搭建而成的系統，可分為設備單元、通訊單元和控制單元。底層設備一般為儀表、開關、以及其他用電設備。底層設備需符合可采集讀取的基本功能，部分設備如開關需要提供狀態、位置、故障等信息接點，可控設備需要提供控制接點以及電源信息等。底層設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，根據相應邏輯或上位機指令將動作指令回傳給需要控制的底層設備，進而完成相應邏輯動作。

2.1 通訊

能源監控系統中，通訊單元是連接溝通前端設備單元與控制單元，實現各類信息傳輸的通道。根據不同設備和應用，通訊方式多有不同。工業自動控制領域常用的通訊協議一般有MODBUS，PFOFIBUS，RS-232，RS-485，TCP/IP等，其中以MODBUS協議使用最為廣泛，因其對不同電氣設備透明開放，且支持傳統的RS-232、RS-485、RS-422和以太網設備，為工程實施提供公用便利。相對應PROFIBUS是自動化領域用量廣泛的總線標準，是前端設備、I/O模塊組網通訊方式，實現分布式協同控制。

MODBUS協議是主從式異步半雙工通訊協議，采用主從式通訊結構，可以通過一個主站對應多個從站進行廣播式或問答式通訊。主站發送信息，從站接收正確信息則反饋主站響應，如果從站接收信息格式錯誤，則會向主站反饋錯誤信號，主站設備同時記錄錯誤信號。當從站斷開或故障時，主站也可以診斷并記錄故障，故障解除時，從站自動恢復與主站的正常通訊。主站與從站之間的區分需要設備地址來實現，主站通過不同地址向不同從站發送數據信息，而從站數據反饋也需要有明確區分的主站地址才能進行。

MODBUS協議包含了ASCII、RTU、TCP等多種通訊方式，但并沒有規定物理層，協議定義了控制器能夠認識和使用的信息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。對于MODBUS支持下的串口通訊協議，如RS-232、RS-485，需對數據格式進行校驗，確定波特率、數據位、停止位、功能碼、以及奇偶校驗才可實現通訊以及讀寫功能。

RS-232與RS-485都對通訊距離有明確要求，RS-232有效通訊距離在15米以內，而RS-485有效通訊距離理論上可達3000米，但實際工程應用中普遍不超過1000米。RS-232傳輸速率較低，異步傳輸時，波特率小于20KBPS，對于RS-485傳輸速率則可達10MBPS。但兩者的抗干擾能力抗噪聲能力比較弱，對線路環境要求較為嚴格，相比而言RS-485抗噪能力更強。RS-485是基于RS-422發展而來，用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線，應用RS-485可以聯網構成分布式系統，但最多允許并聯32個驅動器和32個接收器。因此工程應用中RS-485使用更廣，尤其配合保護屏蔽網后，通信質量能夠得到保證，而RS-485在較長距離高速傳輸時，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通訊會有9針和25針端口（現已很少見），但工程中一般使用三線制，即僅使用RXD、TXD、GND三支引腳，RS-232有發送數據和接收數據即可實現通訊。RS-485接線與RS-232類似，發送和接收是RX+與TX+，收發可共用兩線半雙工，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，前端設備引出接線需通過網線、交換機進行中轉。設備通訊接口大多分為網口和RS-485接口，對于使用RS-485接口通訊并長距離傳輸的設備，還需要增加串口服務器進行轉換。對于MODBUS通訊協議下TCP使用，需明確TCP端口號以及前端設備IP，若前端設備無IP或初設默認IP一致，則需要對各前端設備設置不同IP以便控制單元分辨地址。

PROFIBUS是一種現場總線標準，是廣泛應用于現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。PROFIBUS傳輸速率最高可達12Mbaud。PROFIBUS常用目前可分為兩種，PROFIBUS DP與PROFIBUS PA。最早還有一種FMS協議，但由于其架構復雜，現今應用很少。PROFIBUS DP在工廠自動化的應用中，由中央控制器控制傳感器及執行器，也可以利用標準或選用的診斷機能得知各模塊的狀態。PROFIBUS PA應用在過程自動化系統中，其安全等級較高，可用于防爆區域，且其通訊電纜允許提供電源給現場設備，在設備故障時，可以限制電流量，避免爆炸危險，但這也限制了PA網絡所能鏈接設備的數量。PA及DP使用的通訊協議相同，兩者在部分工業自動控制及流程控制結合的應用場景中，也會共同搭配使用。但現場實用來說PROFIBUS DP使用更多，用途更為廣泛。

2.2 控制

控制單元是能源監控系統的大腦與核心，在實現了通暢的通訊通道和穩定可靠的前端底層設備后，控制單元用來實現一系列的邏輯控制以及遠程操作，是自動化與智能化的關鍵一步。就能源監控系統來說，控制可分為本地控制與上位機控制，本地控制一般通過可編程邏輯控制器直接實現。上位機遠程操控則通過軟件平臺與可編程邏輯控制器通訊反饋實現。

可編程邏輯控制器從上世紀80年代開始，逐步在發達工業國家進入實用。本世紀以來，可編在世界范圍內開始大規模應用。可編程邏輯控制器實質上是專業工業控制計算機，其組成包括電源、中央處理單元，存儲單元，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，再通過總線系統與I/O接口相連，以實現用戶程序運行處理、對輸入信息進行邏輯運算、將輸出信息發送給輸出控制組件等功能。存儲單元一般用來存放系統和用戶程序，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備之間信息傳輸的通道。

可編程邏輯控制器的工作原理比較簡單，可分為三個部分：數據輸入、程序運算執行、執行結果輸出。可編一次性完成這三部分叫做一個掃描周期，掃描時間一般取決于程序執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就是以一定的速度循環掃描。1）數據輸入階段，可編程邏輯控制器將掃描讀取各輸入點信息，并保存于之前做好映射的輸入單元存儲區內，而在整個掃描周期內，輸入點信息如果發生變化，對應映射的輸入單元信息是不發生變化的，只有進入下一個掃描周期時，輸入信息變化才會更新，同時，輸入如果是脈沖信號，還需要保證脈沖寬度至少大于一個掃描周期時長，否則輸入信息將無法錄入。2）程序運算執行階段，用戶程序將會在掃描周期內按照從上到下、從左到右的順序進行掃描，再根據邏輯運算結果對存儲區、映射區的邏輯輸出結果進行更新，或根據程序要求執行特定調用指令。當程序中的邏輯輸出有套用時，對應后一條程序或梯形圖中的邏輯輸出刷新，在下一個掃描周期中才會對上一條程序或梯形圖中的套用狀態起作用。3）數據信息輸出階段，可編程邏輯控制器將邏輯輸出對應到映射輸出單元，再通過外部輸出回路，控制前端底層設備相應動作。可編程邏輯控制器輸出有三種類型：繼電器型輸出，特點是響應時間相對較長可達到10毫秒，但不適宜高頻動作，負載電流相對較大，可達2A/點；晶體管型輸出，特點是響應時間短，只有0.2毫秒，適于高頻動作，但負載電流較小，只有0.5A/點；晶閘管型輸出，特點是響應時間短，為0.5毫秒，適于高頻動作，同樣負載電流較小，為0.2A/點。

可編程邏輯控制器在工程應用中優勢明顯。當前可編程邏輯控制器大多使用微計算機，且有較強的電路模塊保護以及在線檢測診斷故障，可隨時發現問題，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，在不斷的更新換代下，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現輸入輸出模塊的熱插拔，同時配合總線模式，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功能和規模。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，結構邏輯清晰直觀，上手快。其學習門檻低的特點，也為廣大工程應用人員實操提供了便利。最后，可編程邏輯控制器響應和運行都十分快速，對于替代過去繼電器搭建的結構不單可靠性更高，占用面積小而集約，使用簡單，同時反應更快。

圖2 梯形圖

對于可編程邏輯控制器的選型，主要根據實際項目需求，對控制、通信、運算等功能進行選擇，同時對輸入輸出點位統計并做20%左右余量拓展，考慮輸入輸出信號的不同類型來選擇I/O模塊。

控制單元除了可編程邏輯控制器之外，在能源監控系統、工控領域中還有一塊重點是上位機開發編程。一般上位機是PC機、工控機、觸摸屏等，下位機是可編程邏輯控制器、單片機等。上位機功能有兩部分，一是展示檢測結果，二是下達控制指令。檢測結果的展示是通過下位機采集數據信息，然后上傳到上位機。控制指令是上位機直接下發給下位機，下位機再通過時序指令控制前端相關設備。上位機與下位機間通訊，一般取決于下位機，但鑒于一般工程應用中實際通訊距離較長，所以大部分采用光纖傳輸，在通過服務器集中。很多下位機不直接支持網絡協議，一般通過串口服務器轉換485通訊后再連接路由器或上位機。上位機開發目前主要通過工控組態軟件編輯實現，組態軟件特點一是通訊開放性強，可以對不同設備兼容，軟件內嵌多種通訊協議，完全可以根據設備情況選擇性安裝協議；二是功能模塊豐富實用，組態軟件上位界面可以通過調用模塊實現負荷曲線、報警提醒、畫面控件，報表等需求功能，因不需要編程基礎，直觀化的模塊調用對上位界面制作提供了極大便利。三是多樣化數據庫功能，能源監控系統對數據信息分析有巨大需求，實時數據庫可以把前端設備上傳的信息數據實時記錄。四是附加增強功能靈活，包括仿真、軟件內編程以實現增強界面等功能。通過組態軟件制作上位界面優點是便捷、模塊化調用快速。但缺點也逐漸顯現，隨著工控領域應用擴展需求靈活多樣變化，組態軟件相對固定的模塊以及通訊更新模式，對不同項目需求響應很多情況下并不及時，而自主開發上位往往更能貼近實際項目需求，近年來通過C、JAVA、LABVIEW等語言編程工具開發上位逐漸興起熱潮。

圖3 上位界面

3 結語

能源監控系統是工業自動化、工控的重要分支，應用廣泛。能源監控系統優點比較突出，一是實現分布式系統集中監控，控制實現遠程操作，報警實時集中，這對巡視、記錄、操作提供了巨大的便利。二是對能源資源使用實現實時數據采集分析，為下一步節能實施提供理論支持，同時對具體定制化節能改造項目實現能源的節約利用，為企業以及各類業主節省成本。

另一方面，能源監控系統也存在一些明顯的問題，一是監控系統雖然實現集中，但前端各類設備因環境性因素損壞或使用壽命減短問題突出，這直接影響系統實用效果，而大部分項目的成本硬約束，以及能源監控系統在整體項目實施中關鍵性認可度不夠，也促使投資不足設備問題頻發。二是監控系統對能源管理的實際作用目前尚未有效體現，節能項目相當部分有監無控，能源管理的節能目的不能全面有效達到，當然原因主要體現在動態控制節能與生產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。