★袁霏（南通職業(yè)大學(xué)，江蘇南通226007）

★李繼松（科德寶寶翎襯布（南通）有限公司，江蘇南通226000）

關(guān)鍵詞：節能服務(wù)器；CC-Link

1　引言

傳統的能源數據采集如電能采集，僅是通過(guò)安裝相應設備的電能表，通過(guò)抄表或者在線(xiàn)實(shí)時(shí)查看用電量。這種方式并不能對數據進(jìn)行有效分析，只能通過(guò)人為分析月報表數據簡(jiǎn)單提取能源使用信息?；谌夤澞芊?wù)器能源采集系統，使用CC-LinK通信方式獲取各個(gè)設備站點(diǎn)的電能表數據，不僅能準確無(wú)誤采集數據，還能實(shí)現大容量數據存儲和智能處理。應用相應的軟件算法，可將能耗數據以圖表形式演示出來(lái)，也可進(jìn)行數據的不同時(shí)段、不同對象的比較，可精確至單位分鐘比較。甚至將來(lái)進(jìn)行數據相關(guān)性分析，通過(guò)EcoAdviserAI軟件幫助管理人員找到能耗可疑點(diǎn)，并提供設備改進(jìn)和管理提升意見(jiàn)，從而有效完成能源節約。

2　印染工藝流程

印染工藝設備一般包含前處理的溢流染色機、冷染機、氧漂機、水洗機以及整理機。后道工藝包含雙點(diǎn)機、粉點(diǎn)機、預縮機、質(zhì)檢機等，輔助設備還包括廢水處理系統、煙氣凈化系統等。這些生產(chǎn)設備主要使用傳動(dòng)電機、風(fēng)機、電加熱裝置和水泵等大功率裝置，且電機均采用變頻控制。例如一臺整理機的額定功率在120kW左右，一臺雙點(diǎn)機的運行功率在200kW左右，這些設備在生產(chǎn)流程中，從準備、生產(chǎn)中、換線(xiàn)、衛生和維修等待過(guò)程中，均在不同程度地消耗能源。

如圖1所示，常規襯布的加工工藝流程從坯布開(kāi)始，需要經(jīng)過(guò)多道前處理工藝，設備包括染色退漿機、溢流染色機、氧漂機、水洗機、定型機以及雙點(diǎn)機等重要的大功率設備機臺，輔助設備還包含有廢氣凈化裝置和污水MBR膜處理裝置。其中氧漂機、溢流染色機還使用蒸汽熱能。定型機、雙點(diǎn)機使用天然氣能源。這些車(chē)間大功率設備均安裝有RS-485通信功能的能源儀表。

圖1 襯布設備工藝流程圖

3　控制系統

3.1　系統硬件結構

為了獲取車(chē)間大部分能源監控，需要對整體的設備電能信息采集進(jìn)行有效布局。設備分散于生產(chǎn)車(chē)間，服務(wù)器的安裝位置盡可能考慮每個(gè)通信儀表的總體分散中心點(diǎn)，CC-Link的連接布局至關(guān)重要。

如圖2所示，每個(gè)設備所安裝的電能表普遍使用一致的兩線(xiàn)制485通信，其中節能服務(wù)器Ecowebserverlll的CH2網(wǎng)口可轉接485通信模式。為了能夠準確地采集數據，硬件設計中增加了一個(gè)觸摸屏作為485通信的中轉屏顯示，該屏具有兩線(xiàn)制485接口輸出，作為主站連接到所有的485從站儀表。然后由觸摸屏的網(wǎng)絡(luò )接口輸出至節能服務(wù)器?？梢栽O置網(wǎng)口模式為轉接485模式，這樣服務(wù)器和觸摸屏可以使用普通網(wǎng)線(xiàn)直接插入連接，設置好IP地址即可將儀表數據傳輸至服務(wù)器站。

圖2 能源采集的通信硬件架構

對于一些特殊的電能采集，使用三菱特有的電能監控模塊EMU4-HD1-MB產(chǎn)品，該模塊向左側搭載CC-Link通信模塊可將數據上傳至服務(wù)器的擴展通信QJ61BT11N模塊。廠(chǎng)內的制冷系統采用L02型主站PLC系統，擴展模塊LJ61BT11N通過(guò)CC-Link通信連接兩個(gè)從站，分別是車(chē)間空氣能熱泵系統和廢水熱能回收系統，均是采用FX3U控制系統，通過(guò)擴展FX3U-64CCL通信模塊上傳數據至L02系統，再由L02的第二個(gè)LJ61BT11N上傳至服務(wù)器EcoWebServerIII系統。最后，服務(wù)器的CH1網(wǎng)口接入車(chē)間的局域網(wǎng)中，辦公室登錄IP網(wǎng)頁(yè)即可獲取相應的圖表數據。

3.2　節能系統的設置與編程

硬件框架根據現場(chǎng)設備的實(shí)際布局位置進(jìn)行有效布局，同時(shí)兼顧通信的架構進(jìn)行設計。如圖3所示，為節能系統整體的具體通信接線(xiàn)圖。主車(chē)間的大功率設備額外增加帶通信功能的電能儀表，可設置485通信波特率19200，E偶校驗，數據位8和停止位1。通過(guò)觸摸屏的2線(xiàn)制485接口，可將數據顯示到觸摸屏上，便于在車(chē)間直接查看數據。觸摸屏的網(wǎng)口與服務(wù)器的CH2網(wǎng)口直接使用網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)連接即可，在軟件設計上進(jìn)行網(wǎng)關(guān)轉Modbus模式，不需要轉接器即可實(shí)現能源數據上傳至服務(wù)器。

圖3 節能服務(wù)器系統的CC-Link具體連接架構

制冷系統使用L02控制器，設置網(wǎng)口通信輸出2個(gè)觸摸屏，其中一個(gè)觸摸屏用于現場(chǎng)操作控制，另一個(gè)觸摸屏用于轉接向下的FX3U蒸汽冷凝回用控制系統，采用RS422通信連接。L02系統擴展模塊同時(shí)向右擴展兩個(gè)LJ61BT11N，均設置波特率為156kbps。一個(gè)模塊作為主站，向下層連接兩個(gè)從站的各自32個(gè)16寄存器數值，然后通過(guò)內部數據轉化。另一個(gè)模塊作為從站，向上傳輸至服務(wù)器的CC-Link主站模塊。

本系統中設計有多個(gè)觸摸屏，主要用于現場(chǎng)的操控和數據的穩定上傳。觸摸屏通信與FX3U主要通過(guò)RS422直接連接，只需要單獨設置觸摸屏的通信19200E71，并選擇三菱FX3U類(lèi)型即可。而每個(gè)FX3U向左擴展485BD板進(jìn)行本單元的變頻器通信控制，主要用于控制本單元內變頻器的設定頻率和獲取實(shí)際的輸出頻率以及每個(gè)變頻器的電能消耗數據值。如圖4所示，L02的主站設置CC-Link界面，設置總連接數為2，設定好網(wǎng)絡(luò )模式Ver.2以及傳輸波特率的速度156kbps。主站設定好輸入/輸出的寄存器值和輔助繼電器起始位，站信息內設置占用4站，可以最大限度傳輸32個(gè)寄存器數據，且L02主站不需要編寫(xiě)相應的通信程序代碼。

圖4 L02系統的CC-Link主站設置和LJ61BT11N模塊的工作顯示

如圖5所示，作為從站模塊FX3U-64CCL需要設定站地址的撥碼開(kāi)關(guān)分別為2或3，波特率開(kāi)關(guān)為0，即選擇156kbps速度，占用站數STATION撥碼至7。對于FX3U擴展模塊從站需要編寫(xiě)通信程序，如圖5所示只需寫(xiě)定向主站L02收發(fā)的寄存器和輔助節點(diǎn)信息。

圖5 從站FX3U模塊硬件撥碼設置和通信程序編寫(xiě)

節能服務(wù)器的QJ61BT11N主站CC-Link通信線(xiàn)上還掛載了若干三菱電能采集EMU4-HD1-MB模塊。該模塊左側擴展CC-Link通信EMU4-CM-C模塊，只需手動(dòng)設定“站地址”和“波特率156kbps”的撥碼開(kāi)關(guān)即可，電能采集模塊主要調節設定界面參數中測量電能的接線(xiàn)方式為“3P4W”三相四線(xiàn)制，設定互感器電流值200A類(lèi)型，電流互感器也是選用三菱特有類(lèi)型，設定電壓等級為400V。

當完成設備層軟件參數設置后，才能建立穩定可靠的數據上傳通信模式。最后是對主服務(wù)器EcoWebEcoWebServerIII進(jìn)行數據采集的設置。

圖6為使用MES3-255C-DM-CN設定軟件信息采集的設置界面，這樣服務(wù)器只需要網(wǎng)線(xiàn)接入到觸摸屏，即可建立數據通信。車(chē)間內多數電能計量的主設備通過(guò)觸摸屏485協(xié)議進(jìn)行中間接力轉換，可以統一將不同類(lèi)別的485電能儀表進(jìn)行有效的數據匯總，以及進(jìn)行必要的格式轉化或計算等。然后再將轉換的數據直接傳輸給服務(wù)器，保證數據的可靠性。同時(shí)服務(wù)器EcoWebServerIII建立CC-Link連接方式，用于獲得三菱產(chǎn)品的終端設備數據。系統默認服務(wù)器右側擴展模塊QJ61BT11N為固定的通信波特率156kbps，所以整個(gè)設備層也需要設定統一的從站波特率為156kbps，可以保證總體的CC-Link有足夠的布線(xiàn)長(cháng)度，覆蓋整個(gè)車(chē)間的數據采集。

圖6 服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)485協(xié)議連接觸摸屏設置

4　上位機監控和智能精益管理

如圖7所示，使用MES3-255C-DM-CN設定軟件在設定好所有的數據采集點(diǎn)并進(jìn)行登錄，需要注意所有數據的格式，如電流值采集為瞬時(shí)值，電能的采集需要設定為“累計值”，系統將開(kāi)始自動(dòng)進(jìn)行能源數據采集。

圖7 服務(wù)器的測量點(diǎn)數據量登錄

建立完善的CC-Link能源采集體系后，服務(wù)器處在穩定運行的階段，可以通過(guò)web網(wǎng)頁(yè)功能實(shí)時(shí)查看數據內容。隨著(zhù)三菱節能技術(shù)的不斷升級，推出了自動(dòng)智能算法軟件EcoAdviserAI功能。它可以全覆蓋之前的軟件功能，并且能夠進(jìn)行基本數據表格和曲線(xiàn)展示。

如圖8所示，更新的軟件系統，可以更好地管理多點(diǎn)數據的收集和存儲。管理員可以調取任意生產(chǎn)設備的能源數據。如需要從多個(gè)設備能耗中找到耗能的主體，則使用帕累托圖，將所有采集的電能對象放入并自動(dòng)生成由高到低的柱狀數據。如需檢查設備能耗的不同日期比較，則可以選擇時(shí)間系列圖。如需獲取不同設備能耗相對占比，則選擇餅圖成分比率。若管理員想要獲取兩個(gè)設備之間能耗數據是否存在相互關(guān)聯(lián)，可以將兩個(gè)設備的能耗數據選入，選擇散布圖相關(guān)性R自動(dòng)生成散布點(diǎn)圖，并給出相關(guān)性r值，如數值接近1，則代表相關(guān)性很高，這樣幫助管理員查找能耗浪費問(wèn)題。

圖8 新的軟件進(jìn)行能源數據圖表顯示

在將來(lái)的應用中，EcoAdviserAI軟件不僅能將數據圖表具象化，為管理員提供快速簡(jiǎn)潔的能源信息，還具備能源浪費診斷功能。如圖9所示，當選擇特定的生產(chǎn)設備進(jìn)行AI智能推算后，它將顯示時(shí)間軸上能耗的柱狀序列圖，同時(shí)自動(dòng)給出能源標識線(xiàn)，最后根據數據顯示，給出能源浪費的可疑時(shí)間點(diǎn)位。如果采集的設備數據足夠詳細如包含生產(chǎn)流程產(chǎn)量、功耗等待和多工序參數信息等，軟件就會(huì )給出更加精確的診斷結果，甚至可展示改進(jìn)措施后將獲得提升的數據結果。

圖9 節能服務(wù)器AI給出分析能源浪費以及改進(jìn)措施

5　結語(yǔ)

通過(guò)基于CC-Link通信技術(shù)為主構建印染車(chē)間的節能管理系統，可以將生產(chǎn)線(xiàn)內主要的大功率能耗設備、輔助的制冷/制熱系統設備以及煙氣凈化設備的電能表聯(lián)入到服務(wù)器系統中，簡(jiǎn)化了能源采集的布線(xiàn)復雜度。實(shí)現數據穩定上傳和存儲后，管理員可以輕松登錄web網(wǎng)頁(yè)獲取生產(chǎn)能源數據，節約時(shí)間成本。節能服務(wù)器的數據還可以通過(guò)EcoAdviserAI軟件進(jìn)行有效的數據整理，以各種圖表的形式展現給管理員，快速查找能耗浪費的疑點(diǎn)。以后節能服務(wù)器甚至還可以通過(guò)智能算法對設備進(jìn)行能源浪費診斷，幫助管理員找到浪費原因，并給出合理的改進(jìn)措施建議。綜上，通過(guò)三菱的節能服務(wù)器系統管理車(chē)間的設備運行，可以顯著(zhù)地提高印染設備能源的精益化管理，實(shí)現能源效率最大化。

★基金項目：2022年度南通市基礎科學(xué)研究和社會(huì )民生科技計劃項目（JCZ2022128）

作者簡(jiǎn)介：

袁　霏（1989-），女，江蘇如皋人，講師，碩士，現就職于南通職業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，主要從事電氣自動(dòng)化方面的研究。

李繼松（1989-），男，江蘇宿遷人，中級工程師，碩士，現就職于科德寶寶翎襯布（南通）有限公司，主要從事集成電路方面的研究。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年8月刊