基于MODBUS协议的电耗分时计量系统设计发展策略

　　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。

　　关键词：MODBUS协议;电耗分时计量系统;电能消耗

　　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，利用计算机及其相关监控技术、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电力仪表网关，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) 峰谷平电成本管理：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。

　　参考文献：

　　[1] Woodruff， Customer Value：the Next Source for Competitive Advantage[J].Journal of the Academy of Marketing Science， 25(2)，1997：16-17.

　　[2] Michel Treacy and Fred Wiersema， The Discipline of Market Leaders， London[M]. Harper Collins， 1995.

　　[3] 李少远，王景成.智能控制[M] .北京：机械工业出版社，2005.

　　[4] Michael Otey， Paul Conte. SQL Server 2000开发指南[M] .陈恩义，等，译.北京：清华大学出版社，2002.

　　[5] 张晓健，海华.RS-485集线器的设计[J] .电子设计应用，2009(5).

　　[6] 李亚娟，曾舒帆，朱自科，陈万才.直流电耗分时计量及远程监控管理系统[J].中国计量，2011(6).