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在集成式能源测量基础上成功实现能源管理
发布时间:2017/7/6  来源:国际工业自动化网  浏览次数:175

 

  Beckhoff 可以为各种应用提供从能源测量到电网分析等种类繁多的解决方案,包括机械和生产设备、工厂和楼宇以及风电和水力发电厂。产品范围包括一个独立的电表,它是一个通过标准工业组件配置的经济高效的解决方案。但在另一方面,Beckhoff 总线端子模块系统为满足广泛的需求提供了广阔的天地,无论是单机应用还是综合能源测量。
  经过持续和深入细致的努力后,工业生产效率已经提高到一定水平,但进一步改善的潜力是有限的,至少暂时是这样的。相反,能源效率仍然具有巨大的改善潜力。无需巨额资金投入,通过使能源消耗状况更加透明及通过优化生产流程的方式即可轻松节约成本:只需减少峰值负荷及与能源供应商签订相应协议,就足以取得实质性进展。
  此外,工业化国家中的大部分企业都备受着越来越大的政治压力,要求他们减少能源消耗和二氧化碳排放。例如,根据德国可再生能源法案征收到的未来款项将用于引进能源管理系统(EnMS)。这方面的一个基本前提是可靠、详细地记录能源数据,这就是为什么根据 DIN EN ISO50001 标准在 EnMS 模型中对监视、测量和分析进行定义。Beckhoff 的解决方案集成了测量功能,非常适合实现这一目标。该解决方案由一个 I/O 端子模块系统、TwinCAT 自动化软件和开放的通讯系统(如通过 EtherCAT 和 OPC UA)构成。
  独立和集成式能源测量变得容易
  以独立电能表的形式呈现的 Beckhoff 解决方案具备了传统设备所没有的独特优势:模块化配置,包括(例如)一个紧凑型 CX8090 嵌入式控制器(可以连接标准以太网)和 EL3403 电力测量端子构成,从而构成一个高度可定制的解决方案。可靠、经济高效的标准工业组件(见图 1)为用户带来的优势不言而喻。


  集成式解决方案为提升效率挖掘了更大的潜能:系统中集成的 Beckhoff 开放式总线端子模块 I/O 和软件系统能够简单、经济地实现能源测量。可以测量出工厂或楼宇任何位置处所有用电设备的用电量。这种集成的好处是:I/O 系统可直接提供电力测量功能,而不需要一个单独的自动化系统。也可根据需要将相应的总线端子模块和软件模块轻松地添加到控制系统中。一方面,这减少了实现全面能耗监控所花费的工作量,另一方面,它可以提供总能耗数据以及所有子进程数据。
  模块化、集成式能耗数据测量系统
  解决方案是以使用大量 I/O 模块来采集能源数据为基础的。例如,常用的煤气表、水表和热量表可以通过总线端子模块 KL6781 和 KL6401 以及 M-Bus 或 LON 接口轻松集成。此外,可以使用 KM37xx 差压测量端子模块和防护等级为 IP 67 的 EP3744 差压测量端子盒(可以在本地布置)直接监测压缩空气供给情况。这样,系统能够监测浪费能源的泄漏情况。电气参数可以通过 KL/EL3403 电力测量端子模块方便地进行监控。EL3413 和 EL3433 电力测量端子模块及 EL3773 电源监控端子模块具有更进一步的分析功能。
  不同的总线端子模块可以在本地用于需要精确测量的地方。这最大限度地减少了采集测得数据所需的布线工作量。一根 EtherCAT 电缆(标准以太网介质)可以连接各个站,从而可以在一台中央 PC 控制器中收集并分析所有的数据。这样可以全面监控单个组件、部分或整个工厂的能耗情况。也可为整个工厂、办公室及其它建筑提供能耗数据。
  通过软件分析和利用能耗数据记录的能耗数据可通过 EtherCAT — 或根据需要通过任何其它现场总线 — 传输给一个开放的、基于 PC 的系统。TwinCAT 自动化软件套件可直接部署在控制系统级,既可用于使用控制参数,也可用于状态监测及能耗分析。由于系统具有良好的开放性,可以通过任何成熟、开放的软件标准(如 OPC UA)连接一个上位能源管理系统。
  TwinCAT PLC 软件可将能耗数据直接提供用于校正控制算法,以提高机器、系统或生产工艺的能量平衡。自动化软件套件也可为监控和分析提供有用的工具:Beckhoff 的 TwinCAT CMS 状态监测软件库提供一个模块化的数学算法系统,用于分析测得读数,这样可以有效地实现机器和系统的能源监控。用户可以根据所需的具体应用从这种模块化系统中选择组件,以便开发出能够针对不同的平台进行扩展的解决方案。软件库的主要功能包括:分析、统计和分类。
  也可以使用 TwinCAT Scope 软件示波器(结合了快速数据记录和一个强大的图形显示工具)全面监测能源数据。记录器可以处理长期记录的数据并可处理微秒级范围内的超快周期(例如来自 EtherCAT 测量端子模块),如带超采样功能的 EL3773 端子模块。随后,结果在 Scope 的查看器中显示。查看器几乎可以显示任意数量具有高时间分辨率的曲线。这样,用户能够可靠地检测到电压是否是正弦曲线还是易受谐波干扰。由于具有较高的时间分辨率,因此能够分析非常短时的峰值,这是用传统的 EMS/SCADA 系统难以实现的。
  集成式能源测量技术的多样性全球能源成本都在上升,这意味着在所有行业领域,能源数据记录变得越来越重要。这使得监测和分析变得非常重要,并开辟了许多领域的节能潜力。Beckhoff 的 EtherCAT 电力测量端子模块具有不同的电压范围和可选功能,应用范围非常广泛。它们非常适合用于经济、高效地进行电源数据采集和分析,通过全面测量电流和电压来提高系统效率。它们采用的是模块化和分布式配置,因此能够测量系统中任何位置处的能量。RMS 值可以直接通过 EtherCAT 端子模块或通过上位控制器(在 EL3773 的情况下)记录。
  这样可以稳定生产工艺、避免生产损失、检测杂散电流耦合并测定诸如机械制造和设备安装工程、过程工业、可再生能源以及楼宇自动化领域的电力浪费情况。其它选项包括正确的成本中心分摊、供电监控、电源同步和电流质量监控。例如,如果你看一个完整的生产车间,全面、综合的 Beckhoff 解决方案所具备的优势就变得特别明显:机器和系统的能耗数据直达每个电机,且楼宇设施,如照明和暖通空调的能耗数据都可以以集成的方式记录。这些综合数据使得在整个企业内实现真正全面的能源管理成为可能。
  KL/EL3403“电表”
  KL3403 和 EL3403 三相电力测量端子模块能够测量电源中所有相关的电气数据,最大可测量的电压为 500 V AC。电源电压可以直接连接。电流测量通过简单的电流变压器实现。所有电流和电压的测量数据在端子模块中作为有效值提供。每一相位的有效功率、视在功率、无功功率、能耗、频率和相移角 cos φ 都能够计算出来。
  KL3403/EL3403 端子模块为电网分析和能源管理提供可靠的数据。因此,它们非常适合用于分布式监控和记录,例如,一个生产车间中的能耗数据。通过识别这个工艺周期中的“电老虎”,它有助于减少电力成本,并将各自的电力成本精确分配给相应的成本中心。详细的能耗测量数据也可以用于实现控制目的,以便提高生产过程的稳定性或避免出现生产停机。
  EL3413 —“独特的电表”
  EL3413 三相电力测量端子模块测试电压高达 690 V AC(3 相,5 A),带电气隔离的电流输入。由于集成了谐波震荡计算功能,模块最多能够轻松进行电网分析并测量出 21 次谐波(见图 2)。由于测试电压高达 690 V,它通常用于风力发电机组应用,例如 EL3403 适合用于监控风力发电机组的并网情况。

 


  通过 EL3413 进行谐波分析在 3 次谐波方面特别有优势。由于不断增加了诸如气体放电灯、计算机和 UPS 系统等非线性电子设备的部署,电源的稳定性可能会受到影响,从而导致电机的电气损耗也不断加剧。各相对应的 150 赫兹的电流在中性导体中累加,可能会导致出现比在相线中更高的电流。如果中性导体尺寸不够,这甚至可能会加大出现火灾的风险。
  EL3773 — “电力示波器”
  EL3773 电源监控端子模块能够以极快的采样速率采集电流和电压的实际值,因此非常适合用于进行高端电网分析并监测三相交流供电系统的状态(见图 3)。对于每个相位,都可使用 16 位分辨率采样最高 288 Veff/410 V DC 的电压和 1 Aeff/1.5 A DC 的电流作为瞬时值。该款六通道端子模块根据 EtherCAT 超采样原理以高达 100 μs 的时间分辨率同时进行采样,即时间分辨率比通讯周期时间高很多。


  这些参数被传输给相应的控制器。由于基于 PC 的控制系统具有较高的运算能力,这些参数可用于计算真 RMS 值或功率,并可用于处理复杂的用户专用算法。这使得用户能够进行详细的计算或分析,并使用 TwinCAT Scope 软件来显示实际的电流和电压值曲线。这些优势对于(例如)水力发电厂电网同步特别重要。
  测量技术的无缝集成甚至允许在智能电网应用中使用
  随着科技自动化的推出,Beckhoff 将诸如 PLC、运动控制和自动化技术等传统的控制技术与精确、快速的测量技术及工程算法无缝集成在一起。该解决方案可以在一个标准的集成式平台上实施,并且由于系统采用模块化结构,它能够根据具体的应用进行优化调整并可在后期进行扩展。它为用户提供了一个结构紧凑、经济高效的替代方案,以使得能耗情况高度透明。这也是最大限度地提高能效的先决条件,可以作为未来的智能电网应用的基础。
  站点通过 Beckhoff 灵活、可扩展的 PC 控制技术变成为智能电网数据网络中的设备。用户从而就能够使用远程控制协议对能源和状态监控系统进行扩展。写字楼、工厂、配电网子站、风场、沼气热电联厂中使用的系统可通过翻新改造变得“智能”。这样,例如,一个办公楼可以通过热泵“充电”储热的方式来产生负平衡能量。可以通过一个由电网运营商激活的待机装置产生正平衡能量。Beckhoff 的技术已经能够在配置为虚拟发电站并配有嵌入式控制器的场所实现这种平衡能量。