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★袁霏（南通職業(yè)大學，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(jié)能服務器；CC-Link

1　引言

傳統(tǒng)的能源數(shù)據(jù)采集如電能采集，僅是通過安裝相應設備的電能表，通過抄表或者在線實時查看用電量。這種方式并不能對數(shù)據(jù)進行有效分析，只能通過人為分析月報表數(shù)據(jù)簡單提取能源使用信息。基于三菱節(jié)能服務器能源采集系統(tǒng)，使用CC-LinK通信方式獲取各個設備站點的電能表數(shù)據(jù)，不僅能準確無誤采集數(shù)據(jù)，還能實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲和智能處理。應用相應的軟件算法，可將能耗數(shù)據(jù)以圖表形式演示出來，也可進行數(shù)據(jù)的不同時段、不同對象的比較，可精確至單位分鐘比較。甚至將來進行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，通過EcoAdviserAI軟件幫助管理人員找到能耗可疑點，并提供設備改進和管理提升意見，從而有效完成能源節(jié)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。后道工藝包含雙點機、粉點機、預縮機、質(zhì)檢機等，輔助設備還包括廢水處理系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)等。這些生產(chǎn)設備主要使用傳動電機、風機、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、衛(wèi)生和維修等待過程中，均在不同程度地消耗能源。

如圖1所示，常規(guī)襯布的加工工藝流程從坯布開始，需要經(jīng)過多道前處理工藝，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、雙點機使用天然氣能源。這些車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(tǒng)

3.1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

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

如圖2所示，每個設備所安裝的電能表普遍使用一致的兩線制485通信，其中節(jié)能服務器Ecowebserverlll的CH2網(wǎng)口可轉(zhuǎn)接485通信模式。為了能夠準確地采集數(shù)據(jù)，硬件設計中增加了一個觸摸屏作為485通信的中轉(zhuǎn)屏顯示，該屏具有兩線制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)絡接口輸出至節(jié)能服務器。可以設置網(wǎng)口模式為轉(zhuǎn)接485模式，這樣服務器和觸摸屏可以使用普通網(wǎng)線直接插入連接，設置好IP地址即可將儀表數(shù)據(jù)傳輸至服務器站。

圖2 能源采集的通信硬件架構(gòu)

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

3.2　節(jié)能系統(tǒng)的設置與編程

硬件框架根據(jù)現(xiàn)場設備的實際布局位置進行有效布局，同時兼顧通信的架構(gòu)進行設計。如圖3所示，為節(jié)能系統(tǒng)整體的具體通信接線圖。主車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(shù)據(jù)位8和停止位1。通過觸摸屏的2線制485接口，可將數(shù)據(jù)顯示到觸摸屏上，便于在車間直接查看數(shù)據(jù)。觸摸屏的網(wǎng)口與服務器的CH2網(wǎng)口直接使用網(wǎng)絡線連接即可，在軟件設計上進行網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)Modbus模式，不需要轉(zhuǎn)接器即可實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)上傳至服務器。

圖3 節(jié)能服務器系統(tǒng)的CC-Link具體連接架構(gòu)

制冷系統(tǒng)使用L02控制器，設置網(wǎng)口通信輸出2個觸摸屏，其中一個觸摸屏用于現(xiàn)場操作控制，另一個觸摸屏用于轉(zhuǎn)接向下的FX3U蒸汽冷凝回用控制系統(tǒng)，采用RS422通信連接。L02系統(tǒng)擴展模塊同時向右擴展兩個LJ61BT11N，均設置波特率為156kbps。一個模塊作為主站，向下層連接兩個從站的各自32個16寄存器數(shù)值，然后通過內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。另一個模塊作為從站，向上傳輸至服務器的CC-Link主站模塊。

本系統(tǒng)中設計有多個觸摸屏，主要用于現(xiàn)場的操控和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定上傳。觸摸屏通信與FX3U主要通過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類型即可。而每個FX3U向左擴展485BD板進行本單元的變頻器通信控制，主要用于控制本單元內(nèi)變頻器的設定頻率和獲取實際的輸出頻率以及每個變頻器的電能消耗數(shù)據(jù)值。如圖4所示，L02的主站設置CC-Link界面，設置總連接數(shù)為2，設定好網(wǎng)絡模式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(nèi)設置占用4站，可以最大限度傳輸32個寄存器數(shù)據(jù)，且L02主站不需要編寫相應的通信程序代碼。

圖4 L02系統(tǒng)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關(guān)分別為2或3，波特率開關(guān)為0，即選擇156kbps速度，占用站數(shù)STATION撥碼至7。對于FX3U擴展模塊從站需要編寫通信程序，如圖5所示只需寫定向主站L02收發(fā)的寄存器和輔助節(jié)點信息。

圖5 從站FX3U模塊硬件撥碼設置和通信程序編寫

節(jié)能服務器的QJ61BT11N主站CC-Link通信線上還掛載了若干三菱電能采集EMU4-HD1-MB模塊。該模塊左側(cè)擴展CC-Link通信EMU4-CM-C模塊，只需手動設定“站地址”和“波特率156kbps”的撥碼開關(guān)即可，電能采集模塊主要調(diào)節(jié)設定界面參數(shù)中測量電能的接線方式為“3P4W”三相四線制，設定互感器電流值200A類型，電流互感器也是選用三菱特有類型，設定電壓等級為400V。

當完成設備層軟件參數(shù)設置后，才能建立穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)上傳通信模式。最后是對主服務器EcoWebEcoWebServerIII進行數(shù)據(jù)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，這樣服務器只需要網(wǎng)線接入到觸摸屏，即可建立數(shù)據(jù)通信。車間內(nèi)多數(shù)電能計量的主設備通過觸摸屏485協(xié)議進行中間接力轉(zhuǎn)換，可以統(tǒng)一將不同類別的485電能儀表進行有效的數(shù)據(jù)匯總，以及進行必要的格式轉(zhuǎn)化或計算等。然后再將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)直接傳輸給服務器，保證數(shù)據(jù)的可靠性。同時服務器EcoWebServerIII建立CC-Link連接方式，用于獲得三菱產(chǎn)品的終端設備數(shù)據(jù)。系統(tǒng)默認服務器右側(cè)擴展模塊QJ61BT11N為固定的通信波特率156kbps，所以整個設備層也需要設定統(tǒng)一的從站波特率為156kbps，可以保證總體的CC-Link有足夠的布線長度，覆蓋整個車間的數(shù)據(jù)采集。

圖6 服務器通過網(wǎng)線485協(xié)議連接觸摸屏設置

4　上位機監(jiān)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(shù)據(jù)采集點并進行登錄，需要注意所有數(shù)據(jù)的格式，如電流值采集為瞬時值，電能的采集需要設定為“累計值”，系統(tǒng)將開始自動進行能源數(shù)據(jù)采集。

圖7 服務器的測量點數(shù)據(jù)量登錄

建立完善的CC-Link能源采集體系后，服務器處在穩(wěn)定運行的階段，可以通過web網(wǎng)頁功能實時查看數(shù)據(jù)內(nèi)容。隨著三菱節(jié)能技術(shù)的不斷升級，推出了自動智能算法軟件EcoAdviserAI功能。它可以全覆蓋之前的軟件功能，并且能夠進行基本數(shù)據(jù)表格和曲線展示。

如圖8所示，更新的軟件系統(tǒng)，可以更好地管理多點數(shù)據(jù)的收集和存儲。管理員可以調(diào)取任意生產(chǎn)設備的能源數(shù)據(jù)。如需要從多個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生成由高到低的柱狀數(shù)據(jù)。如需檢查設備能耗的不同日期比較，則可以選擇時間系列圖。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設備之間能耗數(shù)據(jù)是否存在相互關(guān)聯(lián)，可以將兩個設備的能耗數(shù)據(jù)選入，選擇散布圖相關(guān)性R自動生成散布點圖，并給出相關(guān)性r值，如數(shù)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題。

圖8 新的軟件進行能源數(shù)據(jù)圖表顯示

在將來的應用中，EcoAdviserAI軟件不僅能將數(shù)據(jù)圖表具象化，為管理員提供快速簡潔的能源信息，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)設備進行AI智能推算后，它將顯示時間軸上能耗的柱狀序列圖，同時自動給出能源標識線，最后根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，給出能源浪費的可疑時間點位。如果采集的設備數(shù)據(jù)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(shù)信息等，軟件就會給出更加精確的診斷結(jié)果，甚至可展示改進措施后將獲得提升的數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖9 節(jié)能服務器AI給出分析能源浪費以及改進措施

5　結(jié)語

通過基于CC-Link通信技術(shù)為主構(gòu)建印染車間的節(jié)能管理系統(tǒng)，可以將生產(chǎn)線內(nèi)主要的大功率能耗設備、輔助的制冷/制熱系統(tǒng)設備以及煙氣凈化設備的電能表聯(lián)入到服務器系統(tǒng)中，簡化了能源采集的布線復雜度。實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定上傳和存儲后，管理員可以輕松登錄web網(wǎng)頁獲取生產(chǎn)能源數(shù)據(jù)，節(jié)約時間成本。節(jié)能服務器的數(shù)據(jù)還可以通過EcoAdviserAI軟件進行有效的數(shù)據(jù)整理，以各種圖表的形式展現(xiàn)給管理員，快速查找能耗浪費的疑點。以后節(jié)能服務器甚至還可以通過智能算法對設備進行能源浪費診斷，幫助管理員找到浪費原因，并給出合理的改進措施建議。綜上，通過三菱的節(jié)能服務器系統(tǒng)管理車間的設備運行，可以顯著地提高印染設備能源的精益化管理，實現(xiàn)能源效率最大化。

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

作者簡介：

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

李繼松（1989-），男，江蘇宿遷人，中級工程師，碩士，現(xiàn)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《自動化博覽》2023年8月刊