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基于MODBUS协议的电耗分时计量系统设计发展策略3600字
基于MODBUS协议的电耗分时计量系统设计发展策略3600字 摘要：电能消耗是多数工业生产企业主要的成本构成之一，而现阶段的大 多数工业生产企业的电能管理仍使用全人工或半自动管理方式，从节能提产和绿 色环保等方面来说，已经无法满足企业发展的需要。为了能够更好的帮助企业采 集、整理分析电能消耗信息，发现电能消耗成本过程中存在的问题和风险，并给 出专业化改善建议，该文在研究MODBUS-RTU通讯协议的基础上，研发设计了一个 基于MODBUS-RTU通讯协议的电耗分时计量系统，该系统通过在水泥生产企业的测 试运行，实现了对水泥生产企业电能消耗数据的实时、动态监管，对企业生产运 行策略提供科学合理的支持，从而达到了提高生产效率，规避企业运营的成本风 险的目的。中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）31-7470-03 近年来，水泥业发展迅速，我国水泥业的总产量和总产值超过了全世界的一 半，持续20多年位居世界第一。水泥业总产值达到了5000多亿人民币，超过我国 建材业总产值的三分之一。水泥行业也呈现了良好的发展势头，但是，在水泥行 业快速扩张的同时，一些问题也凸显出来，主要体现如下：
1） 产能过剩：在产能迅速增长的宏观布局上，很多水泥企业出现了产能过 剩的问题。
2） 生产成本增加：由于国民经济的持续增长，基础能源需求量不断增大， 直接导致了煤炭供应紧张，价格上涨。由于煤炭价格上涨，也直接影响到发电企 业，生产成本增加，发电企业全面亏损，电价上涨，有些区域甚至出现电荒。
3） 过程损耗不受控：水泥制造业属于流程型行业，生产过程粗犷。采购、 生产、库存、运输等过程中，能源（煤、电）、材料消耗巨大，由于各个环节信 息孤岛现象严重，数据不能及时准确传递和互通，导致非正常损耗无法综合评估 和计量，从而无法进行有效损耗分析和控制。
如何及时准确掌握企业成本构成，控制非正常损耗，如何对企业资金进行合 理利用，这些问题实实在在摆在决策者面前。该文根据实时、动态，真实、可靠的企业电能消耗数据，结合专业化知识，利用及其相关监控技术、利用网络和系 统集成等技术，研发设计了一个电耗分时计量系统。该系统实现电能消耗数据动 态实时获取、电能消耗集中化管控、电能成本分析多样化、电能消耗分级管控等 功能。利用该系统，有效地实现了对水泥生产企业电能消耗数据的实时、动态监 管，对企业生产运行策略提供科学合理的支持，从而达到了提高生产效率，规避 企业运营的成本风险的目的。
1 基于Modbus通讯协议的系统架构 Modbus协议是一种语言，主要应用于电子控制器。利用此协议，控制器相互 之间、控制器经由网络和其它设备之间可以建立通信。目前，该协议已经成为一 通用工业标准。此协议定义了一个与网络无关的、控制器能认识使用的消息结构， 描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及 怎样侦测错误并记录。
1） 协议及规约 通讯过程中的信息格式由8位数据位、起始停止及校验位各一位组成。
通讯规约：设备收到正确的请求信息后，该设备进行除地址码操作，读取其 信息，验证无误，则执行对应的任务；
设备将执行结果响应给发送者。如果存在 错误，则不返回信息。
2） 数据采集系统 各仪表厂家相继研发智能仪表网关，以适应企业电力数据采集、传输、共享， 实现232/485到以太网的数据转换功能。其下行通讯口采用标准的MODBUS RTU通 信规约，上行通讯网络采用以太网（MODBUS NET/IP）。通过智能网关可以将各 仪表电能数据实时、可靠传输到TCP/IP网络中。数据采集可以直接利用TCP/IP 通讯协议无缝接入。本系统的数据采集拓扑图如图1。
3） 系统总体结构 整个系统由数据采集层、数据处理层和应用服务层3层构成，见图2。
（1） 数据采集层 通过Modubs协议，系统自动采集电表数据。并对采集到的数据进行验证，将正确的数据插入到表数据库表中。
（2） 数据处理层 该层的主要功能是对数据采集层采集到的数据进行分析和处理。包括按照时 间段内电量的拆分、计算，增加电表超时警报，利用给定算法计算单电表任一时 间段的累积电量和单耗电量、对各时段个电表进行工序电耗分析等功能。
（3） 应用服务层 应用层主要由两部分组成，分别是基础信息配置模块和应用服务模块。
基础数据模块主要是各个基础数据的设置，其中包括对设备、工序、电度报 表等组态操作，以及设置水泥厂的统计日，还有电表超时报警、电表更换过程数 据一致性设置等功能；
应用服务模块主要包括：电表数据的查询、工序电耗的查询以及分析功能；
电表电耗分析功能，可以分析单个单表的电耗，实现按日、按月、按年的对比， 可以生成柱状图/趋势图；
工序电耗分析功能，实现单个工序在不同时间段的对 比（按日、按月、按年），生成柱状图/趋势图；
综合电量报表功能等。
原料车间每月节省电费成本13.4579万元，每年可节省电费成本161.4943万 元。
另外系统投入运行后发现，系统与工艺环节优化相结合将极大的降低成本、 提高生产效率。
某企业现有2条5000吨生产线，分别于2009年12月和2012年5月投产， 8月初 电能管理平台上线。在对各车间的对标管理中，1#原料电气室与2#原料电气室电 能消耗差别较大。后利用系统数据逐个设备进行对比，在生产效率基本相同的情 况下，发现1#原料磨主电机平均相电流为170A，2# 原料磨主电机平均电流为205A， 单位时间耗能相差20.5%。
结论：某企业对上述情况进行评估，如进行技改，2个月可收回技改成本， 之后每个月可成本差即为技改收益。同时，在技改初期运行阶段，还可通过数据 比对对技改情况进行判断。
通过上述应用案例分析，工厂可通过电能管理平台应用，在如下方面减低成本，产生经济效益：
1） 峰谷平电：通过峰谷平电实时监控，及时对生产调度进行调整，在保证 产能的情况下，尽可能的利用谷电。例如对原料车间，以5000吨线为例，在60% 产能情况下，每天将主要设备峰时用电调整至谷时1小时，每月节省电费为8-15 万。
2） 技术改进：通过电流，功率等数据的分析比对，找出电能非正常损耗的 工艺环节，进而落实到 具体设备。从技术角度及经济角度对问题设备的技改进行评估。同时，还可 对技改后数据进行分析，以判断技改的实际效果。
3） 设备状态分析：在设备的运行过程中，设备的状态会随着其运行周期的 变化而发生变化。对电流等数据进行判断，为工控系统数据设定提供参考，避免 设备损坏及故障。水泥生产设备发生故障（非定期大修），维修费用少则几万到 几十万不等，平均也在10万以上。通过系统应用，每年如能为企业避免3-5起类 似事故，则维修成本可降低50万元以上。
综上所述，通过电耗计量系统的应用，既是企业成本精细化管理的必要手段， 又能为设备管理，生产管理等提供可靠的依据和方法，为企业带来实实在在的经 济效益。
4 结论 本文面向电能成本消耗较多的工业生产企业，研发设计了一个基于 MODBUS-RTU通讯协议的电耗分时计量系统。该系统实现了对水泥生产企业电能消 耗数据的实时、动态监管，能够有效的对企业生产运行策略提供科学合理的支持， 从而达到了提高生产效率，规避企业运营的成本风险的目的。经过在多家企业的 实际应用表明，该文所研发系统能够稳定运行，能够使企业准确掌握其成本构成， 控制非正常损耗，从而实现对企业资金进行合理分配及利用。
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