能源监控系统应用

崔慧东，刘 赞

（北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

能源监控管理系统是比较成熟的集成式技术，拥有比较广泛的应用。具体从应用角度来讲，能源监控系统是软件与硬件相结合，进而实现相关设备单独或连续控制（例如断路器、接触器的开闭，变频器的调频），以及相关变量数据实时采集、检测与分析的集成系统，是电力及工业自动化，智能楼宇等行业的重要组成部分。监控系统主要包含了底层设备、通讯单元、控制单元三大部分。底层设备主要包含断路器、变频器、采集仪表、空调、水泵、视频报警、门禁等装置设备。通讯单元根据不同设备以及距离环境等因素使用不同通讯协议，常使用MODBUS支持下的RS-485、RS-232或工业以太网，配合相应通讯模块与交换机传输数据。控制单元一般是上位机界面结合PLC或单片机的系统，部分应用项目上控制单元是以PLC或单片机为主的自动化运行装置产品，例如目前低压电力行业常用的备用电源自动投切装置等。

本文通过对能源监控系统在工程项目实施过程中的技术应用、常见问题以及未来发展等展开论述。

1 应用场景分析

能源监控系统在进入21世纪以来，越来越多的应用于工业、制造业、建筑业、服务业，乃至于在近乎所有可见领域都有能源监控的身影，近年能源监控也逐渐成为各行业的标准配置。

机场属于典型超大应用场景。近些年机场新建或改造类项目更多的引入能源监控系统以实现智能集中管理，包括航站楼、附属基地楼宇、配套酒店等在内，大量照明、空调机组、给排水系统、变配电站等对能源监控管理需求很大。另一方面，因机场运行安全等级高，对系统从施工、调试到运行安全要求十分高，能源监控系统的稳定安全运行有一定的挑战，所以机场监控也成为了门槛较高的项目。

城市管廊是近年各大城市积极投入的重点市政工程，例如北京通州北环、东关隧道，奥体南路、丰台丽泽、朝阳中央商务区地下综合工程等都大量引入能源监控，城市管廊由于处于地下，长期湿度较大，又因投资方往往顾虑成本压力，设备零部件的接触不良、寿命缩短等问题对系统运行影响显著，这也成为监控系统面对的主要难题。

智能工厂是制造业未来发展趋势，部分工业制造业企业也在逐步尝试智能工厂建设，能源监控系统是智能工厂的重要组成部分之一，其主要目的是希望能够为企业提供实时电气水等能源资源用量监测。理想中更进一步是进行节能智控，但目前节能手段主要还是限于设备自身的节能改造，对于用电设备的控制，尚需服从于企业工厂的日常生产安全。未来智能工厂的能源监控需要针对高耗能和成本敏感型企业，定制设计出符合工厂日常运行安全的节能控制方案。

楼宇能源监控应用已经非常广泛，拓展出包括门禁控制系统、视频监控系统，停车场控制系统等。因少有需要避让或配合复杂的安全生产作业，监控创新在楼宇能源监控系统中普及较快，业主也乐于尝试新技术。

轨道交通是能源监控应用增长较快的领域。随着国家高铁“八纵八横”推进实施，以及地方城市为服务疏导城市客流，兴起地铁建设热潮，轨道交通能源管理近年快速发展。能源监控系统可以为轨道交通实现能源集中管理监测，并能为信号指挥系统、能源供应系统提供运行支持。此外，轨道交通系统中，在传统的空调机组、给排水系统智能监控方面，能源监控可以深度介入管理。

2 系统运行原理

能源监控系统是由软硬件组合搭建而成的系统，可分为设备单元、通讯单元和控制单元。底层设备一般为仪表、开关、以及其他用电设备。底层设备需符合可采集读取的基本功能，部分设备如开关需要提供状态、位置、故障等信息接点，可控设备需要提供控制接点以及电源信息等。底层设备将信息通过通讯单元传输至控制单元，控制单元读取信息，根据相应逻辑或上位机指令将动作指令回传给需要控制的底层设备，进而完成相应逻辑动作。

2.1 通讯

能源监控系统中，通讯单元是连接沟通前端设备单元与控制单元，实现各类信息传输的通道。根据不同设备和应用，通讯方式多有不同。工业自动控制领域常用的通讯协议一般有MODBUS，PFOFIBUS，RS-232，RS-485，TCP/IP等，其中以MODBUS协议使用最为广泛，因其对不同电气设备透明开放，且支持传统的RS-232、RS-485、RS-422和以太网设备，为工程实施提供公用便利。相对应PROFIBUS是自动化领域用量广泛的总线标准，是前端设备、I/O模块组网通讯方式，实现分布式协同控制。

MODBUS协议是主从式异步半双工通讯协议，采用主从式通讯结构，可以通过一个主站对应多个从站进行广播式或问答式通讯。主站发送信息，从站接收正确信息则反馈主站响应，如果从站接收信息格式错误，则会向主站反馈错误信号，主站设备同时记录错误信号。当从站断开或故障时，主站也可以诊断并记录故障，故障解除时，从站自动恢复与主站的正常通讯。主站与从站之间的区分需要设备地址来实现，主站通过不同地址向不同从站发送数据信息，而从站数据反馈也需要有明确区分的主站地址才能进行。

MODBUS协议包含了ASCII、RTU、TCP等多种通讯方式，但并没有规定物理层，协议定义了控制器能够认识和使用的信息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。对于MODBUS支持下的串口通讯协议，如RS-232、RS-485，需对数据格式进行校验，确定波特率、数据位、停止位、功能码、以及奇偶校验才可实现通讯以及读写功能。

RS-232与RS-485都对通讯距离有明确要求，RS-232有效通讯距离在15米以内，而RS-485有效通讯距离理论上可达3000米，但实际工程应用中普遍不超过1000米。RS-232传输速率较低，异步传输时，波特率小于20KBPS，对于RS-485传输速率则可达10MBPS。但两者的抗干扰能力抗噪声能力比较弱，对线路环境要求较为严格，相比而言RS-485抗噪能力更强。RS-485是基于RS-422发展而来，用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线，应用RS-485可以联网构成分布式系统，但最多允许并联32个驱动器和32个接收器。因此工程应用中RS-485使用更广，尤其配合保护屏蔽网后，通信质量能够得到保证，而RS-485在较长距离高速传输时，还需采用阻抗匹配的专用电缆。另外，RS-232接口一般分为9支引脚型和25支引脚型，早先电脑匹配232通讯会有9针和25针端口（现已很少见），但工程中一般使用三线制，即仅使用RXD、TXD、GND三支引脚，RS-232有发送数据和接收数据即可实现通讯。RS-485接线与RS-232类似，发送和接收是RX+与TX+，收发可共用两线半双工，也可分成四线RX+、TX+、RX-、TX-全双工模式（RS-422）。

图1 四线全双工RS422方式接线图

超过一千米的长距离通讯一般要引入光纤传输，前端设备引出接线需通过网线、交换机进行中转。设备通讯接口大多分为网口和RS-485接口，对于使用RS-485接口通讯并长距离传输的设备，还需要增加串口服务器进行转换。对于MODBUS通讯协议下TCP使用，需明确TCP端口号以及前端设备IP，若前端设备无IP或初设默认IP一致，则需要对各前端设备设置不同IP以便控制单元分辨地址。

PROFIBUS是一种现场总线标准，是广泛应用于现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。PROFIBUS传输速率最高可达12Mbaud。PROFIBUS常用目前可分为两种，PROFIBUS DP与PROFIBUS PA。最早还有一种FMS协议，但由于其架构复杂，现今应用很少。PROFIBUS DP在工厂自动化的应用中，由中央控制器控制传感器及执行器，也可以利用标准或选用的诊断机能得知各模块的状态。PROFIBUS PA应用在过程自动化系统中，其安全等级较高，可用于防爆区域，且其通讯电缆允许提供电源给现场设备，在设备故障时，可以限制电流量，避免爆炸危险，但这也限制了PA网络所能链接设备的数量。PA及DP使用的通讯协议相同，两者在部分工业自动控制及流程控制结合的应用场景中，也会共同搭配使用。但现场实用来说PROFIBUS DP使用更多，用途更为广泛。

2.2 控制

控制单元是能源监控系统的大脑与核心，在实现了通畅的通讯通道和稳定可靠的前端底层设备后，控制单元用来实现一系列的逻辑控制以及远程操作，是自动化与智能化的关键一步。就能源监控系统来说，控制可分为本地控制与上位机控制，本地控制一般通过可编程逻辑控制器直接实现。上位机远程操控则通过软件平台与可编程逻辑控制器通讯反馈实现。

可编程逻辑控制器从上世纪80年代开始，逐步在发达工业国家进入实用。本世纪以来，可编在世界范围内开始大规模应用。可编程逻辑控制器实质上是专业工业控制计算机，其组成包括电源、中央处理单元，存储单元，输入输出单元。中央处理单元也就是CPU，它是可编的核心部件，CPU一般由控制器、运算器、寄存器三部分组成，并固化于电路板芯片中，再通过总线系统与I/O接口相连，以实现用户程序运行处理、对输入信息进行逻辑运算、将输出信息发送给输出控制组件等功能。存储单元一般用来存放系统和用户程序，也可以存放逻辑变量。输入输出单元中，输入部分分为数字量输入和模拟量输入，也分为直流输入、交流输入或交直流输入。输出部分分为继电器型输出、晶体管型输出和晶闸管型输出。输入输出单元是可编程逻辑控制器与被控设备之间信息传输的通道。

可编程逻辑控制器的工作原理比较简单，可分为三个部分：数据输入、程序运算执行、执行结果输出。可编一次性完成这三部分叫做一个扫描周期，扫描时间一般取决于程序执行速度以及用户程序的长度，而可编程逻辑控制器的工作任务就是以一定的速度循环扫描。1）数据输入阶段，可编程逻辑控制器将扫描读取各输入点信息，并保存于之前做好映射的输入单元存储区内，而在整个扫描周期内，输入点信息如果发生变化，对应映射的输入单元信息是不发生变化的，只有进入下一个扫描周期时，输入信息变化才会更新，同时，输入如果是脉冲信号，还需要保证脉冲宽度至少大于一个扫描周期时长，否则输入信息将无法录入。2）程序运算执行阶段，用户程序将会在扫描周期内按照从上到下、从左到右的顺序进行扫描，再根据逻辑运算结果对存储区、映射区的逻辑输出结果进行更新，或根据程序要求执行特定调用指令。当程序中的逻辑输出有套用时，对应后一条程序或梯形图中的逻辑输出刷新，在下一个扫描周期中才会对上一条程序或梯形图中的套用状态起作用。3）数据信息输出阶段，可编程逻辑控制器将逻辑输出对应到映射输出单元，再通过外部输出回路，控制前端底层设备相应动作。可编程逻辑控制器输出有三种类型：继电器型输出，特点是响应时间相对较长可达到10毫秒，但不适宜高频动作，负载电流相对较大，可达2A/点；晶体管型输出，特点是响应时间短，只有0.2毫秒，适于高频动作，但负载电流较小，只有0.5A/点；晶闸管型输出，特点是响应时间短，为0.5毫秒，适于高频动作，同样负载电流较小，为0.2A/点。

可编程逻辑控制器在工程应用中优势明显。当前可编程逻辑控制器大多使用微计算机，且有较强的电路模块保护以及在线检测诊断故障，可随时发现问题，可靠性较好。另一方面PLC无论CPU部件、I/O模块还是自带电源，在不断的更新换代下，都有了良好的安装便利性，很多品牌可编程逻辑控制器都可以实现输入输出模块的热插拔，同时配合总线模式，也十分利于前期配线。而可编程逻辑控制器自身的搭配自由度也很高，包括各种冗余模式，可灵活变更控制系统功能和规模。最重要的是，可编程逻辑控制器编程容易，尤其梯形图模式下编程，结构逻辑清晰直观，上手快。其学习门槛低的特点，也为广大工程应用人员实操提供了便利。最后，可编程逻辑控制器响应和运行都十分快速，对于替代过去继电器搭建的结构不单可靠性更高，占用面积小而集约，使用简单，同时反应更快。

图2 梯形图

对于可编程逻辑控制器的选型，主要根据实际项目需求，对控制、通信、运算等功能进行选择，同时对输入输出点位统计并做20%左右余量拓展，考虑输入输出信号的不同类型来选择I/O模块。

控制单元除了可编程逻辑控制器之外，在能源监控系统、工控领域中还有一块重点是上位机开发编程。一般上位机是PC机、工控机、触摸屏等，下位机是可编程逻辑控制器、单片机等。上位机功能有两部分，一是展示检测结果，二是下达控制指令。检测结果的展示是通过下位机采集数据信息，然后上传到上位机。控制指令是上位机直接下发给下位机，下位机再通过时序指令控制前端相关设备。上位机与下位机间通讯，一般取决于下位机，但鉴于一般工程应用中实际通讯距离较长，所以大部分采用光纤传输，在通过服务器集中。很多下位机不直接支持网络协议，一般通过串口服务器转换485通讯后再连接路由器或上位机。上位机开发目前主要通过工控组态软件编辑实现，组态软件特点一是通讯开放性强，可以对不同设备兼容，软件内嵌多种通讯协议，完全可以根据设备情况选择性安装协议；二是功能模块丰富实用，组态软件上位界面可以通过调用模块实现负荷曲线、报警提醒、画面控件，报表等需求功能，因不需要编程基础，直观化的模块调用对上位界面制作提供了极大便利。三是多样化数据库功能，能源监控系统对数据信息分析有巨大需求，实时数据库可以把前端设备上传的信息数据实时记录。四是附加增强功能灵活，包括仿真、软件内编程以实现增强界面等功能。通过组态软件制作上位界面优点是便捷、模块化调用快速。但缺点也逐渐显现，随着工控领域应用扩展需求灵活多样变化，组态软件相对固定的模块以及通讯更新模式，对不同项目需求响应很多情况下并不及时，而自主开发上位往往更能贴近实际项目需求，近年来通过C、JAVA、LABVIEW等语言编程工具开发上位逐渐兴起热潮。

图3 上位界面

3 结语

能源监控系统是工业自动化、工控的重要分支，应用广泛。能源监控系统优点比较突出，一是实现分布式系统集中监控，控制实现远程操作，报警实时集中，这对巡视、记录、操作提供了巨大的便利。二是对能源资源使用实现实时数据采集分析，为下一步节能实施提供理论支持，同时对具体定制化节能改造项目实现能源的节约利用，为企业以及各类业主节省成本。

另一方面，能源监控系统也存在一些明显的问题，一是监控系统虽然实现集中，但前端各类设备因环境性因素损坏或使用寿命减短问题突出，这直接影响系统实用效果，而大部分项目的成本硬约束，以及能源监控系统在整体项目实施中关键性认可度不够，也促使投资不足设备问题频发。二是监控系统对能源管理的实际作用目前尚未有效体现，节能项目相当部分有监无控，能源管理的节能目的不能全面有效达到，当然原因主要体现在动态控制节能与生产安全匹配度不够甚至冲突，而未来的能源管理还需要定制型服务。