能源管理系統在能耗數據採集時通常需要把計量設備支持的通信協議轉換為數據採集軟件支持的通信協議。電能表電能數據採集可採用網關和PLC方式。網關採集方式具有結構簡單、無需編程的特點，而採用PLC讀取電能表數據則具有攜帶電能表數量多、適用性廣、具備數據處理能力、性價比高等優勢。
1 能源管理系統的架構
企業在能源管理系統建設中，最重要的一項工作是對現場電能數據的採集，採集的數據主要有正向有功電能累計、反向有功電能累計（即發電量）、功率、功率因數等。現企業使用的電能表主要分為兩種，一種是帶有RS485通信接口的智能電能表，該種電能表通信口絕大多數支持MODBUS RTU通信協議；另一種電能表為一些傳統式電能表，這類電能表不帶通信接口，把計量到的電能累計數值以脈衝方式輸出進行顯示（如3200 imp/kWh表示每計量1 kWh的電能，電能表累計輸出3200個脈衝），通過對輸出的脈衝數進行採集即可實現電耗統計，這類傳統式電能表已較少使用，但在有些投產年限較長的工廠仍能看到。
我公司能源管理系統主要包括現場採集裝置、數據採集服務器、能源管理服務器。數據採集服務器安裝有SCADA軟件（數據採集與監視控制軟件），放置於中央控制室工程師站，現場採集裝置放置於電力室用於連接電能表讀取數據，同時提供接口把採集到的數據提供給數據採集服務器。現場採集裝置的作用就是通過電能表和SCADA軟件的交互實現對電能表數據的採集。我公司現場採集裝置主要使用網關和PLC，SCADA軟件採用WINCC。數據採集服務器SCADA軟件對現場採集裝置採集到的數據進行彙總後傳輸給能源管理服務器。能源管理服務器負責對所有的電能數據進行分析處理，最終實現能源監控、能源統計、能源消費分析、重點能耗設備管理等功能，服務器還需要完成信息和網頁發佈，讓使用者通過互聯網監控到能源管理數據。配置數據採集服務器目的主要是能源數據的採集，需要在電腦上安裝各種通信卡件和軟件，這些硬件和軟件會佔用電腦大量資源，而能源管理服務器主要是對大量數據的處理，增加數據採集服務器可避免採集過程在系統服務器上運行造成的負荷加重，進而提高系統服務器運行的效率和穩定性。能源管理系統結構如圖1所示。
圖1 能源管理系統結構
2 通過網關採集電能數據
網關是一種通信協議轉換設備，用於把設備所支持的協議轉換成SCADA支持的通信協議。WINCC支持的通信協議有MODBUS TCP/IP協議、OPC協議、PROFIBUS DP，但並不支持MODBUS RTU協議，不能直接與電能表連接讀取數據，通過網關把電能表MODBUS RTU協議轉換為MODBUS TCP/IP協議即可實現WINCC對電能表數據的讀取。我公司使用的網關有兩個通信口，通信口1為RS485接口，支持MODBUS RTU協議，該通信口用於連接電能表通信口讀取電能表數據；通信口2為RJ45接口，支持MODBUS TCP/IP協議，該通信口與數據採集服務器連接。通過對網關和數據採集服務器設置IP地址，使雙方IP地址處於同一網段，再設置電能表和網關波特率，無需編寫程序WINCC即可通過MODBUS TCP/IP協議讀取到通信口1採集的電能數據。網關使支持不同通信協議的設備和數據採集軟件實現了數據的讀取。網關有多種類型，不管電能表支持什麼通信協議，都可以採用相應網關把電能表支持的通信協議轉換為SCADA軟件支持的通信協議。例如我公司餘熱發電併網系統使用的電能表支持的通信協議為DLT645協議，通過支持DLT645協議的網關把DLT645協議轉換為MODBUS TCP/IP協議就可實現WINCC對餘熱發電併網系統電能表數據的採集。使用網關採集電能表數據的網絡結構如圖2所示。
圖2 網關採集電能表數據的網絡結構
網關的優點是結構簡單，在使用時只需設置IP地址、波特率即可，無需編寫程序即可實現對電能表數據的讀取。缺點是攜帶的電能表數量較少，如我公司使用的網關理論上連接電能表的數量可達到32臺，但在使用中發現當連接的電能表數量超過15臺時，數據讀取開始出現卡頓、傳輸延遲等問題；另外，網關只適用於具有通信功能的電能表數據讀取，無法實現端子連接的開關量或模擬量信號的讀取，適用面較窄；還有，網關無法對讀取到的電能數據進行必要的處理，例如為了最大限度的對電耗進行計量，電能表會把正向有功電能這個數據分解為正向有功電能高位字和正向有功電能低位字，並分別保存在兩個保持寄存器中，每個寄存器為16位，最大計量累計可達到FFFFFFFFH（即4 294 967 295kWh）。如當前電能表顯示的正向有功電能是1000000 kWh，十六進制表示為F4240H，電能表將會把高位字000FH存放在地址為11BH的寄存器A中，低位字4240H存放在地址為11CH的寄存器B中，WINCC通過網關使用功能碼03H 從地址11BH開始按雙字來讀取兩個寄存器數值就可以得到F4240H（即正向有功電能），但有些電能表高低字存放地址相反，即低位字存在前地址，高位字存在後地址，此時按雙字來讀取得到的數據為4240000FH，這就需要對按雙字讀取到的數據進行高低位移位才能得到真正的正向有功電能。又如當網關採集的電能數據為二次側數據時，採集的數據需要乘以電流互感器變比和電壓互感器變比才能得到實際的數值，網關不具備對數據高低位移位和數據加減乘除等數據處理功能，這些工作需要在WINCC上編寫腳本進行處理後才能得到最終正向有功電能，當電能表數量較多時就需要編寫大量腳本，從而影響到WINCC的運行效率，因此，我公司對網關主要是在礦山等位置比較偏遠、電能表比較分散的場合使用。
3 採用PLC採集電能數據
為克服用網關採集數據存在的不足，我公司通過創新，採用西門子S7-200 224XP PLC對電能表數據進行採集。224XP PLC自帶PORT0和PORT1兩個通信口，通信口除常用於下載和上傳程序、連接觸摸屏外，還支持MODBUS RTU通信協議，因此可採用PLC自帶通信口對電能表數據進行讀取。224XP PLC還自帶2個AI/AO模擬量點，16個DI點和10個DO點，支持6個高速計數器，最大支持脈衝輸入頻率為200 kHz，可對只能輸出脈衝信號的傳統電能表進行數據採集。通信口PORT0和PORT1最大支持連接247臺電能表，相對於網關攜帶的電能表數量大大提高，這是採用PLC採集電能表數據最大的優勢。224XP PLC需要與西門子CP243-1模塊配合使用，PLC主要負責電能表數據讀取，數據採集服務器通過CP243-1讀取PLC採集到的電能表數據。在成本上，一套224XP PLC和CP243-1模塊採集裝置與網關近似，但PLC方式性價比更高。
WINCC不能直接通過CP243-1讀取PLC數據，需要在數據採集服務器上安裝西門子PC ACCESS或者OPC SERVER軟件，PC ACCESS或OPC SERVER為西門子開發的OPC軟件，它們可通過CP243-1讀取S7-200 PLC數據，數據讀取完成後無需設置即可作為OPC服務器，WINCC可通過OPC讀取PC ACCESS或OPC SERVER數據來實現對電能表數據的讀取。PC ACCESS軟件為免費軟件，不需要授權，OPC SERVER需要授權，並且主要在西門子PCS 7控制系統基礎上使用，使用OPC SERVER需具備一定的PCS 7應用基礎。採用PLC採集電能數據的過程如圖3所示。
圖3 PLC採集電能表數據過程
4 PLC採集電能數據的應用
根據能源管理系統的要求，需要對功率大於55 kW的設備安裝電能表以對電能數據進行採集。我公司兩條熟料生產線大於55 kW的設備數量有：A、B線配料站4臺；A線生料磨23臺；A線窯尾4臺；A線窯頭煤磨47臺；B線生料磨14臺；B線窯尾4臺；B線窯頭煤磨36臺，合計132臺。兩條熟料線需要讀取的電能表數量遠小於PLC所能攜帶電能表數量，出於技術可行性和節約成本考慮，只需要一臺PLC即可實現A、B線所有電能表數據讀取。A線窯頭煤磨電能表數量最多，因此把PLC放置於該電力室DCS櫃內。數據採集需要組建一個通信網絡，把PLC與各電力室電能表連接起來。
我公司A、B熟料線配置有一套DCS控制系統，網絡結構為環網，各電力室DCS櫃安裝有一臺帶2光口和8電口的交換機，交換機間採用四芯多模光纖連接，電能採集與DCS系統不共用網絡。組建電能採集環網，需要在各電力室DCS櫃增加一個帶2光口的RS485光電轉換器，轉換器需要支持冗餘環網。如圖4所示，RS485光電轉換器電口A、B端與電能表A、B端連接，光口分為兩組，1、2口為一組（1口為發送端，2口為接收端），3、4口為一組（3口為發送端，4口為接收端），兩個電力室轉換器間的連接遵循發送口連接接收口原則，如A線生料磨的4口和3口要分別和A線窯尾1口和2口連接。環網組建完成後，A線窯頭煤磨電力室內的224XP PLC PORT0口和PORT1口、RS485轉換器、電能表間採用DP接頭按首尾相連方式連接，PORT0口、PORT1口、RS485轉換器、電能表相當於並聯在一起，連接PORT0口的DP接頭需要帶有編程口以便調試。CP243-1與數據採集服務器通過以太網連接。各電力室間電能表通過光纖連接可實現電氣隔離，避免電能表間互相干擾。
為合理分配PLC兩個通信口資源，編寫程序時需要對每個通信口讀取電能表數量進行分配，PORT0口負責讀取A線窯頭煤磨、窯尾、生料磨共74臺電能表電能數據，PORT1口負責讀取B線窯頭煤磨、窯尾、生料磨及A、B線配料站共58臺電能表電能數據。PORT0口和PORT1口為MODBUS RTU主站接口，電能表均為從站。能管系統通過PLC採集電能表數據的網絡結構如圖4所示。
圖4 PLC採集電能表數據網絡結構
5 網絡測試
電能表安裝完成後，需要對所有電能表設置通信地址和波特率，每臺電能表通信地址是唯一的，電能表波特率應與PLC通信口波特率一致。電能表、光電轉換器、PLC間的通信電纜連接完成後，通過筆記本電腦、Modscan32軟件在PLC端集中對所有電能表通信口進行測試，以判斷電能表通信口通信功能是否正常和電能表接線是否正確，以及整個通信網絡是否正常。由於現在的筆記本電腦只配置USB口，不配置COM1口，因此需要一根USB轉RS485串口數據線用於筆記本電腦連接電能表。
測試時，選取網絡上任意一臺電能表A，把電能表A與網絡連接斷開，用數據電纜連接電能表通信口和電腦USB口，運行Modscan32軟件，通過讀取電能表通信地址快速判斷該電能表通信口是否正常，如數據無法讀取就需要檢查電能表波特率、通信地址設置和電能表通信口A、B端接線是否正確，電能表A測試完成後將其重新接回網絡；回到PLC側把連接PORT0口的DP接頭拔下，用數據電纜串口端連接DP接頭可編程接口，再次運行Modscan32軟件讀取電能表A通信地址，如電能表A接回網絡後數據無法讀取，可對RS485光電轉換器的光纖、DP接頭接線、電能表通信口A、B端在網絡上的接線進行檢查。通過以上方法可快速完成整個通信網絡的測試。
為避免或減少干擾，PLC、光電轉換器、電能表間的通信電纜建議採用帶雙層屏蔽的雙絞線，電力室內電能表的連接順序也需要做好規劃，根據現場實際情況確定通信電纜在橋架、電纜溝的走向，使電纜鋪設長度最短。連接PORT0口、RS485光電轉換器的DP接頭終端電阻均要連接。在PLC讀取電能表數據時如出現某次數據讀取正常而下次數據卻無法讀取情況時，可通過降低PLC和電能表的通信波特率來減輕外部電場對通信的干擾。
6 程序編寫
MODBUS通信涉及到功能碼和數據地址，功能碼用來指定主站要讀取從站哪些類型數據，常用的功能碼有01H(讀取輸出點狀態)、02H（讀取輸入點狀態）、03H(讀取保持寄存器狀態)，電能相關數據均保存在保持寄存器中，因此只需要用到功能碼03H。電能表數據包含多個參數，包括有功電能、無功電能、電流、電壓、頻率、功率因數等，每個參數都有一個地址並將該數據保存到一個寄存器中，通過功能碼和數據地址就可以讀取到該參數。不同廠家的電能表數據格式不盡相同，需要向廠家索取。PLC讀取電能表程序主要包括：PORT0和PORT1通信口初始化、CP243-1的IP地址設置、輪詢方波產生、數據讀取。通過MBUS_CTRL和MBUS_CTRL_P1指令對PORT0口和PORT1口進行初始化，初始化完成，PORT0口和PORT1口啟用MODBUS RTU通信功能，這時PORT0口和PORT1口不能再用於PPI通信，V4.0 STEP 7 MicroWIN無法通過PPI電纜對PLC上傳下載程序，也無法連接觸摸屏。通過PORT0口和PORT1口上傳下載程序，要把PLC運行開關撥到STOP位置。設置CP243-1 IP地址時，需要在V4.0 STEP 7 MicroWIN運行以太網嚮導，CP243-1 IP地址必須和數據採集服務器IP地址處於同一網段。設置完成後，需要將PLC和CP243-1斷電後重新上電，使CP243-1 IP地址生效。CP243-1 IP地址只要修改過，都需要斷電後重新上電。CP243-1配置完成後，就可通過以太網對PLC程序進行下載、上傳和監控。MODBUS RTU通信屬於異步串行通信方式，MODBUS主站發出數據請求後，對應從站響應主站，向主站發出相關的數據，程序裡需要編寫方波產生指令，產生多個脈寬為2 s的方波對電能表進行輪詢，當方波從0到1跳變時，主站發出一個數據請求指令，同時主站需要一直使能數據接收。在2 s時間內從站要完成數據發送，主站要完成數據接收。通過調整方波的脈寬可以調整主站接收從站數據的時間。PLC通過PORT0口和PORT1口讀取電能表數據的主程序如圖5所示。
圖5 PLC通過PORT0口和PORT1口讀取電能表數據主程序
該段程序主要實現通過PORT0口和PORT1口分別讀取兩個不同廠家電能表有功電能累計。MBUS_MSG為PORT0口數據讀取指令，V501.1和V501.2都是脈寬為2 s的脈衝，SM0.0為PLC內部標誌位，在PLC工作時SM0.0一直保持為1。程序在線運行，當V501.1從低電平跳躍為高電平時，通過| P |指令在First 管腳產生一個脈衝，PORT0口發出數據請求，請求讀取電能表地址為9、寄存器地址從40025開始的兩個寄存器數據。V501.1同時連接MBUS_MSG 指令的EN管腳，一直保持2 s的高電平使能MBUS_MSG接收數據，如在2 s內未收到數據或數據有誤，V601.1置0，同時生成故障代碼存儲於VB619，數據接收成功則V601.1置1，VB619為0。地址為9的電能表正向有功電能高位字地址為VW732，保存在40025寄存器中，低位字地址為VW734，保存在40026的寄存器中。通過監控狀態表可以看到，VW732=16#0003(十六進制表示),VW734=16#7E87，則按雙字來讀取的VD732=16#00037E87，該廠家電能表高低字不需要轉換，16#00037E87即為電能表的正向有功電能，與電能表面板顯示的數值一致。MBUS_MSG_P1為PORT1口數據讀取指令，讀取電能表地址為10、寄存器地址從40047開始的兩個寄存器數據，該品牌電能表正向有功電能高低位需要轉換，在狀態表裡按雙字讀取得到的數據VD736=16#1151025A,PLC通過指令ROR_DW對數據16#1151025A循環右移16位後最終得到16#025A1151，該數值與電能表面板顯示的有功電能累計一致，ROR_DW指令的EN管腳必須要接一個觸點，因此用PLC內部標誌位SM0.0進行連接，否則程序會編譯出錯。經ROR_DW指令處理的數據由WINCC運算得到實際電能累計值。類似的數據處理，網關是無法實現的。
7 結束語
能源管理系統建設時應採用符合現場實際情況的方式對電能數據進行採集，通過利用DCS系統已有光纖網絡構建電能採集通信網絡可降低系統建設成本。網關採集電能表數據是一種比較常用的方式，無需編寫程序，簡單易懂，但攜帶電能表數量少，因此適用於計量電能表數據較少的場合； PLC具有攜帶電能表數量多、數據讀取穩定、性價比高等優點，同時PLC所具備的數據處理能力可替代能源管理服務器對採集到的電能表數據進行基礎處理，減輕服務器的負荷，因此在計量電能表數量較多時，建議採用。
作者：李忠華
作者單位：華潤水泥封開有限公司
文章摘自《水泥》雜誌2017年第2期