倍福系統(tǒng)集成式能源測(cè)量解決方案：從能量管理到狀態(tài)管理

分類(lèi)：行業(yè)動(dòng)態(tài) 1247人瀏覽 2019-03-26

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倍福可以為各種應(yīng)用提供擴(kuò)展的能源測(cè)量和電網(wǎng)分析解決方案，這些應(yīng)用包括設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)施、制造工廠和生產(chǎn)大樓以及風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電裝置。管理工業(yè)用機(jī)械設(shè)備和各種發(fā)電廠需要滿(mǎn)足市電監(jiān)測(cè)、過(guò)程控制和高端電力監(jiān)測(cè)等要求。倍福最近推出了一系列具有高性?xún)r(jià)比的 EtherCAT 能源和電力測(cè)量端子模塊，即 EL37x3 系列和四款全新的 EL34x3 系列 EtherCAT I/O。

圖 1：將如總線耦合器和能源測(cè)量 I/O 端子模塊等整合在一起，構(gòu)成價(jià)格經(jīng)濟(jì)的獨(dú)立電能表

新型 EtherCAT 能源和狀態(tài)管理端子模塊可以與成熟的超采樣電力監(jiān)測(cè)端子模塊和相應(yīng)的 TwinCAT Power Monitoring 軟件庫(kù)配套使用，可以很好地滿(mǎn)足各種應(yīng)用需求。

除了在持續(xù)監(jiān)管壓力之下實(shí)施 ISO 50.001 標(biāo)準(zhǔn)之外，安裝能源管理系統(tǒng)（如國(guó)際能源署所述）還可以帶來(lái)多項(xiàng)直接效益，例如：

– 節(jié)能 = 節(jié)約成本

– 供電安全 = 生產(chǎn)可靠性

– 工業(yè)生產(chǎn)率 = 提升銷(xiāo)售業(yè)績(jī)

– 資源管理 = 提高利潤(rùn)率

圖 2：有多種選擇可提供用于數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和分析：獨(dú)立的電能表，用于設(shè)備控制器的軟件解決方案或者用作多個(gè)小型控制器或第三方設(shè)備的網(wǎng)關(guān) PC 的 C6015

即使只是用作獨(dú)立的電能表，倍福的模塊化解決方案也要優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)備。I/O 系統(tǒng)支持靈活的設(shè)備組合，如配備 Ethernet 接口的緊湊型 EK9160 物聯(lián)網(wǎng)總線耦合器和優(yōu)化用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的 EL3423 電力測(cè)量端子模塊。與此同時(shí)，用戶(hù)也能從成熟且價(jià)格合理的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)組件中獲益。

另一方面，從更全面的角度分析，它將幫助企業(yè)打開(kāi)生產(chǎn)效率提升的大門(mén)。倍福開(kāi)放的總線端子模塊和軟件系統(tǒng)組合在一起，能夠?qū)嵤┖?jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效且（最重要的是）無(wú)縫集成入現(xiàn)有自動(dòng)化系統(tǒng)中的能源管理解決方案。采集所有用電設(shè)備數(shù)據(jù)（包括來(lái)自直流用電設(shè)備的數(shù)據(jù)）可以詳細(xì)了解能源類(lèi)型以及在工廠或大樓中的任何地方使用了多少能源。由于可以在 I/O 系統(tǒng)中直接調(diào)用這些測(cè)量數(shù)據(jù)，因此無(wú)需再使用額外的自動(dòng)化系統(tǒng)。人們可以根據(jù)需要將總線端子模塊和/或軟件模塊輕松添加到控制系統(tǒng)中，從而降低采集能源使用數(shù)據(jù)以及提供有關(guān)設(shè)備以及所有子過(guò)程總耗能信息的成本。

也可以使用更高級(jí)別的網(wǎng)關(guān) PC 將異構(gòu)系統(tǒng)（如隨著時(shí)間的推移而不斷發(fā)展的系統(tǒng)）再次集成到功能齊全的端到端系統(tǒng)中 — 即使組件來(lái)自許多不同的制造商（見(jiàn)圖 2）。

有很多 I/O 模塊可用于采集能源數(shù)據(jù)，從而奠定了通用型解決方案的基礎(chǔ)。煤氣表、水表和熱量表可以通過(guò) M-Bus 或 LON 接口輕松集成到配備有加/減計(jì)數(shù)器（如 EL1512 EtherCAT 端子模塊）或 KL6781 和KL6401 總線端子模塊的系統(tǒng)中。此外，用戶(hù)還可以使用 KM37xx 系列差壓測(cè)量端子模塊或者 EP3744 分布式差壓測(cè)量端子盒監(jiān)測(cè)其壓縮控制器使用情況（以及檢查是否有泄漏）。IO Link 傳感器可以通過(guò)KL/EL6224 端子模塊集成。使用可用于維護(hù)、電力測(cè)量和電力監(jiān)測(cè)等三種應(yīng)用場(chǎng)合的各種系統(tǒng)集成式電力測(cè)量端子模塊可以方便地采集電氣變量（見(jiàn)圖 3）。

EL3483 和 EL3423 用于維護(hù)目的

可以使用用于測(cè)量電壓、頻率和相位的 EL3483 三相市電監(jiān)測(cè)端子模塊來(lái)代替保護(hù)繼電器，檢測(cè)不對(duì)稱(chēng)誤差或頻率誤差，以及保護(hù)不受控電機(jī)的相位和電壓。另外，EL3483 不僅能夠在故障發(fā)生后生成錯(cuò)誤信息，用戶(hù)還能夠預(yù)設(shè)所有監(jiān)測(cè)值的閾值，以便啟用警報(bào)通知，從而能夠采取有力的主動(dòng)糾正措施，縮短設(shè)備停機(jī)時(shí)間。

由于端子模塊提供電能質(zhì)量因數(shù)，并且可以以相對(duì)較低的成本獲取，因此它可以用于安裝一套綜合的電源電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。電能質(zhì)量因數(shù)對(duì)電源電壓質(zhì)量的影響最大，它讓用戶(hù)能夠用簡(jiǎn)單的方式評(píng)估設(shè)備的供電可靠性，只需一個(gè)數(shù)字即可，無(wú)需詳細(xì)了解諧波、失真因數(shù)及其它因數(shù)。

該組別的第二臺(tái)代表性設(shè)備是一個(gè)真正的能源和電力測(cè)量端子模塊，因?yàn)樗秒娏鳒y(cè)量通道補(bǔ)充了 EL3483 中的電壓分析。EL3423 全功能型 I/O 設(shè)備可以用作上述三相電力測(cè)量端子模塊的經(jīng)濟(jì)型版本，可以在 15 分鐘間隔時(shí)間內(nèi)計(jì)算其測(cè)量值。另一方面，刷新速度可以自由選擇，最快可達(dá) 10 秒平均值。除了確定平均值之外，端子模塊可采集所選時(shí)段的功率最小值和最大值?？紤]到時(shí)間上的限制，可以使用價(jià)格更經(jīng)濟(jì)的端子模塊。

圖 3：有三類(lèi)能源和電力測(cè)量端子模塊：維護(hù)、電力測(cè)量和電力監(jiān)測(cè)

如果要在機(jī)器控制情況下測(cè)量功率值和/或其它值，那么 10 秒鐘的測(cè)量間隔可能會(huì)不夠。在這種情況下，建議使用下一個(gè)類(lèi)別的端子模塊。

EL3443 和 EL3453 用于電力測(cè)量應(yīng)用

EL3443 是倍福最新推出的標(biāo)準(zhǔn)電力測(cè)量端子模塊，具有許多附加功能，響應(yīng)時(shí)間明顯快于其上一代產(chǎn)品。具有擴(kuò)展功能的三相電力測(cè)量端子模塊每個(gè)全波（50 Hz 時(shí) 20 ms）更新一次測(cè)量值，它還可以提供 400 多個(gè)有關(guān)電源和電源消耗當(dāng)前狀態(tài)詳細(xì)信息的測(cè)量值。除此之外，端子模塊能測(cè)量三相電流和電壓的前 41 次諧波。

該組件類(lèi)的兩個(gè)更專(zhuān)業(yè)化特點(diǎn)是能夠檢測(cè)電壓過(guò)零的發(fā)生以及在內(nèi)部計(jì)算剩余電流（見(jiàn)圖 4）。電壓過(guò)零檢測(cè)使得通過(guò)在零交越期間以微秒精度執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的控制方案成為可能。這樣可以保護(hù)開(kāi)關(guān)元件和下游設(shè)備免受浪涌電流峰值的影響。有效計(jì)算剩余電流能夠在未明確測(cè)量中性線電流的情況下對(duì)其進(jìn)行分析評(píng)估。使用可以直接測(cè)量中性線電流的 EL3453 后，計(jì)算得出的剩余電流等于差動(dòng)電流，它會(huì)進(jìn)一步監(jiān)測(cè)哪些功能可能對(duì)其它應(yīng)用有益，如對(duì) IT 服務(wù)器機(jī)架的操作。

與 EL3443 相比，EL3453 三相電力測(cè)量端子模塊具有測(cè)量高達(dá) 690 V AC的擴(kuò)展功能，速度更快，并且每半波（ 50 Hz 時(shí) 10 ms）更新一次其過(guò)程值。此外，它還具有四個(gè)獨(dú)立且隔離的電流通道，可承受 60 A 的短時(shí)電流。EL3453 還能夠計(jì)算更多的諧波（最高可達(dá) 63 次）和正弦波功率和能量，它可以產(chǎn)生 600 多個(gè)可用的測(cè)量值。

針對(duì)高端應(yīng)用的電力監(jiān)測(cè)

第三類(lèi)也是最后一類(lèi)，是由針對(duì)高端應(yīng)用的 EL37x3 系列電力測(cè)量端子模塊構(gòu)成。這些端子模塊完全遵循基于 PC 的控制原理，采集高分辨率電流和電壓值，并將這些值以非?？斓乃俣葌鬏斀o控制器，但不進(jìn)行任何處理。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是控制器可以處理所有的原始數(shù)據(jù)，并能最大限度保留運(yùn)行細(xì)節(jié)，甚至連示波器應(yīng)用也可以用這種方式實(shí)現(xiàn)。由于自動(dòng)化控制器的算力更強(qiáng)，因此能夠以更大的細(xì)節(jié)級(jí)別進(jìn)行分析。倍福提供的 TwinCAT Power Monitoring 軟件庫(kù) TF3650 旨在高效實(shí)施所需的分析功能。相比之下，雖然 EL3773 每秒鐘只能測(cè)量10,000 次，速度并不算快，但它集成了濾波器并具有直流能力。而另一方面，EL3783 的采樣率為 20 ksps，電流和電壓的過(guò)載能力為 130%至 650%。這樣可以保證全面的數(shù)據(jù)概覽，即使在錯(cuò)誤狀態(tài)下也不會(huì)丟失任何測(cè)量值。

圖 4：通過(guò)電壓過(guò)零檢測(cè)和在內(nèi)部計(jì)算剩余電流來(lái)避免達(dá)到功率峰值

所有的這些功能，組成了一個(gè)完整的能源管理系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足客戶(hù)的任何需求。用戶(hù)可以選擇在云端或者在本地管理數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖 5），而在本地管理數(shù)據(jù)是最常見(jiàn)的選擇。如果選擇了本地化的解決方案，重要的是不要忘記簡(jiǎn)單易用的界面和集中訪問(wèn)選項(xiàng)所帶來(lái)的好處。與過(guò)去用戶(hù)必須監(jiān)測(cè)多臺(tái)嵌入式設(shè)備相比，通過(guò)多點(diǎn)觸控面板集中進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)清晰度更高，也更方便。如果使用倍福基于 HTML5 的 TwinCAT3 HMI，甚至可以通過(guò)諸如智能手機(jī)和平板電腦等很多其它終端設(shè)備來(lái)顯示相同的可視化界面。

使用 TwinCAT Analytics 實(shí)現(xiàn)拖放分析功能

有了 TwinCAT Analytics ，就可以通過(guò)拖放分析功能輕松匯總和評(píng)估在整個(gè)公司范圍內(nèi)采集到的所有數(shù)據(jù)，并與其它測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合（見(jiàn)圖 6），以便輕松計(jì)算出每個(gè)工件的生產(chǎn)能耗。一套倍福整體解決方案甚至可以提供一般的能源管理系統(tǒng)無(wú)法獲取的數(shù)據(jù)，因?yàn)楹笳邿o(wú)法訪問(wèn)設(shè)控制數(shù)據(jù)。這樣就可以首先測(cè)定不同操作條件下的能耗數(shù)據(jù)，然后確定與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差是多少。

雖然能耗過(guò)大可能預(yù)示著軸承出現(xiàn)了磨損，但能耗過(guò)低也可能意味著產(chǎn)品質(zhì)量不高。通過(guò) PLC 代碼的自動(dòng)生成，甚至可以將上述易于創(chuàng)建的拖放分析功能集成到全自動(dòng)永久分析系統(tǒng)中。在自動(dòng)創(chuàng)建項(xiàng)目后，用戶(hù)可以集成 HMI 應(yīng)用程序控制臺(tái)，用于分析全公司的能源數(shù)據(jù)。TwinCAT 3 HMI 為這一能力的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在全公司范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)整個(gè)分布式位置和系統(tǒng)能夠在停機(jī)事件發(fā)生前及時(shí)對(duì)即將出現(xiàn)的故障做出響應(yīng)：它還能夠發(fā)現(xiàn)先前未確認(rèn)的優(yōu)化潛力，例如，在操作模式改變時(shí)。通過(guò)電能質(zhì)量因數(shù)，用戶(hù)無(wú)需具備廣博的電氣工程方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，即可解決因電源波動(dòng)引起的原因不明的設(shè)備問(wèn)題。有了這些使用方便的工具，即使是細(xì)節(jié)級(jí)別較高的高級(jí)狀態(tài)管理系統(tǒng)也很容易實(shí)現(xiàn)。