倍福系统集成式能源测量解决方案：从能量管理到状态管理

倍福可以为各种应用提供扩展的能源测量和电网分析解决方案，这些应用包括设备、生产设施、制造工厂和生产大楼以及风力发电和水力发电装置。管理工业用机械设备和各种发电厂需要满足市电监测、过程控制和高端电力监测等要求。倍福最近推出了一系列具有高性价比的 EtherCAT 能源和电力测量端子模块，即 EL37x3 系列和四款全新的 EL34x3 系列 EtherCAT I/O。

图 1：将如总线耦合器和能源测量 I/O 端子模块等整合在一起，构成价格经济的独立电能表

新型 EtherCAT 能源和状态管理端子模块可以与成熟的超采样电力监测端子模块和相应的 TwinCAT Power Monitoring 软件库配套使用，可以很好地满足各种应用需求。

除了在持续监管压力之下实施 ISO 50.001 标准之外，安装能源管理系统（如国际能源署所述）还可以带来多项直接效益，例如：

– 节能 = 节约成本

– 供电安全 = 生产可靠性

– 工业生产率 = 提升销售业绩

– 资源管理 = 提高利润率

图 2：有多种选择可提供用于数据采集、存储和分析：独立的电能表，用于设备控制器的软件解决方案或者用作多个小型控制器或第三方设备的网关 PC 的 C6015

即使只是用作独立的电能表，倍福的模块化解决方案也要优于传统设备。I/O 系统支持灵活的设备组合，如配备 Ethernet 接口的紧凑型 EK9160 物联网总线耦合器和优化用于物联网领域的 EL3423 电力测量端子模块。与此同时，用户也能从成熟且价格合理的标准工业组件中获益。

另一方面，从更全面的角度分析，它将帮助企业打开生产效率提升的大门。倍福开放的总线端子模块和软件系统组合在一起，能够实施简单、经济高效且（最重要的是）无缝集成入现有自动化系统中的能源管理解决方案。采集所有用电设备数据（包括来自直流用电设备的数据）可以详细了解能源类型以及在工厂或大楼中的任何地方使用了多少能源。由于可以在 I/O 系统中直接调用这些测量数据，因此无需再使用额外的自动化系统。人们可以根据需要将总线端子模块和/或软件模块轻松添加到控制系统中，从而降低采集能源使用数据以及提供有关设备以及所有子过程总耗能信息的成本。

也可以使用更高级别的网关 PC 将异构系统（如随着时间的推移而不断发展的系统）再次集成到功能齐全的端到端系统中 — 即使组件来自许多不同的制造商（见图 2）。

有很多 I/O 模块可用于采集能源数据，从而奠定了通用型解决方案的基础。煤气表、水表和热量表可以通过 M-Bus 或 LON 接口轻松集成到配备有加/减计数器（如 EL1512 EtherCAT 端子模块）或 KL6781 和KL6401 总线端子模块的系统中。此外，用户还可以使用 KM37xx 系列差压测量端子模块或者 EP3744 分布式差压测量端子盒监测其压缩控制器使用情况（以及检查是否有泄漏）。IO Link 传感器可以通过KL/EL6224 端子模块集成。使用可用于维护、电力测量和电力监测等三种应用场合的各种系统集成式电力测量端子模块可以方便地采集电气变量（见图 3）。

EL3483 和 EL3423 用于维护目的

可以使用用于测量电压、频率和相位的 EL3483 三相市电监测端子模块来代替保护继电器，检测不对称误差或频率误差，以及保护不受控电机的相位和电压。另外，EL3483 不仅能够在故障发生后生成错误信息，用户还能够预设所有监测值的阈值，以便启用警报通知，从而能够采取有力的主动纠正措施，缩短设备停机时间。

由于端子模块提供电能质量因数，并且可以以相对较低的成本获取，因此它可以用于安装一套综合的电源电压监测系统。电能质量因数对电源电压质量的影响最大，它让用户能够用简单的方式评估设备的供电可靠性，只需一个数字即可，无需详细了解谐波、失真因数及其它因数。

该组别的第二台代表性设备是一个真正的能源和电力测量端子模块，因为它用电流测量通道补充了 EL3483 中的电压分析。EL3423 全功能型 I/O 设备可以用作上述三相电力测量端子模块的经济型版本，可以在 15 分钟间隔时间内计算其测量值。另一方面，刷新速度可以自由选择，最快可达 10 秒平均值。除了确定平均值之外，端子模块可采集所选时段的功率最小值和最大值。考虑到时间上的限制，可以使用价格更经济的端子模块。

图 3：有三类能源和电力测量端子模块：维护、电力测量和电力监测

如果要在机器控制情况下测量功率值和/或其它值，那么 10 秒钟的测量间隔可能会不够。在这种情况下，建议使用下一个类别的端子模块。

EL3443 和 EL3453 用于电力测量应用

EL3443 是倍福最新推出的标准电力测量端子模块，具有许多附加功能，响应时间明显快于其上一代产品。具有扩展功能的三相电力测量端子模块每个全波（50 Hz 时 20 ms）更新一次测量值，它还可以提供 400 多个有关电源和电源消耗当前状态详细信息的测量值。除此之外，端子模块能测量三相电流和电压的前 41 次谐波。

该组件类的两个更专业化特点是能够检测电压过零的发生以及在内部计算剩余电流（见图 4）。电压过零检测使得通过在零交越期间以微秒精度执行开关操作来实现创新的控制方案成为可能。这样可以保护开关元件和下游设备免受浪涌电流峰值的影响。有效计算剩余电流能够在未明确测量中性线电流的情况下对其进行分析评估。使用可以直接测量中性线电流的 EL3453 后，计算得出的剩余电流等于差动电流，它会进一步监测哪些功能可能对其它应用有益，如对 IT 服务器机架的操作。

与 EL3443 相比，EL3453 三相电力测量端子模块具有测量高达 690 V AC的扩展功能，速度更快，并且每半波（ 50 Hz 时 10 ms）更新一次其过程值。此外，它还具有四个独立且隔离的电流通道，可承受 60 A 的短时电流。EL3453 还能够计算更多的谐波（最高可达 63 次）和正弦波功率和能量，它可以产生 600 多个可用的测量值。

针对高端应用的电力监测

第三类也是最后一类，是由针对高端应用的 EL37x3 系列电力测量端子模块构成。这些端子模块完全遵循基于 PC 的控制原理，采集高分辨率电流和电压值，并将这些值以非常快的速度传输给控制器，但不进行任何处理。这种方法的最大优点是控制器可以处理所有的原始数据，并能最大限度保留运行细节，甚至连示波器应用也可以用这种方式实现。由于自动化控制器的算力更强，因此能够以更大的细节级别进行分析。倍福提供的 TwinCAT Power Monitoring 软件库 TF3650 旨在高效实施所需的分析功能。相比之下，虽然 EL3773 每秒钟只能测量10,000 次，速度并不算快，但它集成了滤波器并具有直流能力。而另一方面，EL3783 的采样率为 20 ksps，电流和电压的过载能力为 130%至 650%。这样可以保证全面的数据概览，即使在错误状态下也不会丢失任何测量值。

图 4：通过电压过零检测和在内部计算剩余电流来避免达到功率峰值

所有的这些功能，组成了一个完整的能源管理系统，可以满足客户的任何需求。用户可以选择在云端或者在本地管理数据（见图 5），而在本地管理数据是最常见的选择。如果选择了本地化的解决方案，重要的是不要忘记简单易用的界面和集中访问选项所带来的好处。与过去用户必须监测多台嵌入式设备相比，通过多点触控面板集中进行数据访问清晰度更高，也更方便。如果使用倍福基于 HTML5 的 TwinCAT3 HMI，甚至可以通过诸如智能手机和平板电脑等很多其它终端设备来显示相同的可视化界面。

使用 TwinCAT Analytics 实现拖放分析功能

有了 TwinCAT Analytics ，就可以通过拖放分析功能轻松汇总和评估在整个公司范围内采集到的所有数据，并与其它测量数据相结合（见图 6），以便轻松计算出每个工件的生产能耗。一套倍福整体解决方案甚至可以提供一般的能源管理系统无法获取的数据，因为后者无法访问设控制数据。这样就可以首先测定不同操作条件下的能耗数据，然后确定与标准值的偏差是多少。

虽然能耗过大可能预示着轴承出现了磨损，但能耗过低也可能意味着产品质量不高。通过 PLC 代码的自动生成，甚至可以将上述易于创建的拖放分析功能集成到全自动永久分析系统中。在自动创建项目后，用户可以集成 HMI 应用程序控制台，用于分析全公司的能源数据。TwinCAT 3 HMI 为这一能力的实现奠定了坚实的基础。在全公司范围内监测整个分布式位置和系统能够在停机事件发生前及时对即将出现的故障做出响应：它还能够发现先前未确认的优化潜力，例如，在操作模式改变时。通过电能质量因数，用户无需具备广博的电气工程方面的专业知识，即可解决因电源波动引起的原因不明的设备问题。有了这些使用方便的工具，即使是细节级别较高的高级状态管理系统也很容易实现。

图 5：该图显示了如何通过中央用户界面汇总和显示来源不同的测量数据

图 6：基于 TwinCAT Analytics 的能源和状态管理系统的基本架构