车间设备能源在线监测与控制系统

本发明涉及一种机电行业的节能技术。

背景技术：

现代工业对企业生产管理要求不断提高，不仅对生产现场状态的监视和控制，同时还要求把现场信息和管理信息结合起来，建立一套全集成、开放的、综合自动化的信息平台，形成对经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等信息的综合处理。

目前国内针对工厂耗能设备，仅是对其能耗进行数据的采集以及绘图，还没有针对这些数据的高吞吐量的分析运算。即便是指定的服务器，也只是针对某一方面的数据采集功能，需要特定的上位机编程与调试，还不能够实现广泛的应用。

授权公告号：cn101329370b的中国专利用于能量传输线的电量测量设备，与电力线的电缆或其装置件有效连接，由用于监测电压信号的设备和用于监测电流信号的设备形成。用于监测电压信号的设备具有金属圈形式的贯穿电容(tv)，其与所述电缆同轴配置，可与电容分压器连接。用于监测电流信号的设备具有至少一个具有线圈(ta)的电流传感器，由于感应效应电流穿过线圈时线圈易受影响。线圈在具有中心开口的至少一个印刷电路板上得到，其由印刷电路板的两个面上提供的放射状沉积物和配置在两个面的放射状沉积物之间的电连接形成。该专利未提供反向控制设备的功能。

授权公告号：cn101446382b的专利介绍了一种特殊气体供应和分配设备，涉及高纯度地气体输送领域。特殊气体供应和分配设备，由气体源供应设备(1)、阀门(21～24)、压力传感器(31、32)，前段过滤器(41)、后段过滤器(42)、过流量侦测器(5)、测试端口(6)、气动角阀(7)、真空产生器(8)、气瓶(9)、不死阀(10)组成。该发明采用通过rj45网络线向plc传输数字量信号，但是信号有异常时没有控制措施。

技术实现要素：

发明目的：

提供一种既能检测机器电能消耗，也能检测机器冷却水用量、天然气用量，还能反馈控制机器运行状态的车间设备能源在线监测与控制系统。

技术方案：

本发明的车间设备能源在线监测与控制系统，首先采用的硬件架构包括：车间的每台待监控机器配备自带的plc控制器采集设备的开台信号，配备emu4-hd电能模块(emu4-hd电能模块能够针对设备的总体功率值设定采集精度和频率，当前显示测量值更加精准)采集机器的实时电能数据(如kwh)；如有冷却水(或其它冷媒)使用要求，配备脉冲模块a采集机器冷却水用量(如通过流量测试)数据，如有蒸汽(或其它热媒)使用要求，配备的兼有采集蒸汽用量功能(如通过蒸汽压测试)的脉冲模块a；如有天然气(或其它气体燃料)使用要求，配备脉冲模块b采集机器天然气用量(如通过天然气体积)数据。

接着采用cc-link通信模块(该模块从通信架构上看，可以设计底层使用cc-linkfield和上层cc-linkcontrol协议相结合，能够较大化地扩展监测设备数量，保证各设备数据传输的稳定性)作为开放式现场总线设备，分别连接每台机器，作为每台机器的上述一种、两种、三种、或四种数据的通信从站。

然后将cc-link通信模块连接至服务器(如可选用三菱ecowebserveriii，该服务器具备modbus通信接口，可以针对非三菱产品但具备共用通信协议的设备，如电能仪表，流量显示仪等)，作为通信主站。这样通信从站不仅能够采集每台机器的开台信号、电能、水(或及汽)、天然气等数据，通信主站(服务器)也能实现数据处理、显示等功能。

cc-link通信模块优选采用具有扩展功能的qj61bt11n模块，不仅接收三菱本身能源计量产品通信协议，还能够兼顾其它遵循规范通信协议cc-link或modbus的计量数据，可拓展性强，适合结构复杂的串并联机器的连接通信。如与远程设备站通信功能、与本地机器通信功能、改善系统可靠性功能、方便输出功能。

服务器中内置控制软件，能够输入设置每台机器的标准数据参数，记录汇总新采集数据，对数据进行分析比较，形成生产的数据曲线图或柱状图，再使用网线将服务器联入工厂或车间的以太网络。工厂或车间管理者通过网页登录服务器获取这些数据，获知每个时段每个机台工作情况。发现有时段用电量或者其它数据有明显增加或减少，可以分析其原因，采取不同的操作进行改进控制，甚至无须人为实现自动调节控制。

在控制软件设置方面，主要研究针对ecowebserviceiii主服务器软件mes3-255c-cn的设置，根据汇总的几种数据，可选择每月、每天、每时甚至每分钟的结果图标，给出生产的数据曲线图、柱状图，对比解析出数据异常点和应当稳定的数据值预判，帮助生产管理者找到生产操作的不规范问题，及时发现能源的浪费源头，如设备工艺参数设置不优化，物料等待时间过长，温度设置过高等，省去不必要的过度加工，不同操作人员的手法导致，开台准备的时间太长，不必要的等待时间太长，都可以由图表格获得并进行改进，从而实现效率提高和水电气的节约。

本申请具体的工艺过程如下：

(1)设计一套完整的车间设备能源在线智能监测与分析控制的流程。

(2)构建硬件架构系统。每台待监测设备安装emu4-hd电能模块、脉冲模块，并扩展cc-link通信模块，作为通信从站。采用服务器模块，作为通信主站。

(3)通信主站设置通信从站的数量，对每个通信从站各台机器设置参数，如电能标准消耗数据、脉冲标准消耗数据，并在通信主站软件中设定采集频次和存储时间。

(4)设置服务器的地址和数据采集吞吐量，使用网线联入工厂以太网络，工厂或者车间主管通过主管电脑登录服务器的web界面，在服务器的可视画面里选择各类设置参数，查看设备数据，如能源图表或趋势图。

(5)反馈控制每台机器的开台状态。

主站通过服务器首先以一定频次采集数值，自动验算和预测出本设备机台该时间段流程中消耗的电能值、水能量、天然气量等数据与该时间段该机台正常工作时的标准数据进行比对。一旦在对应的时间段内或开台相同工况条件下，出现异常高能耗数值时，服务器将输出i/o信号反馈控制各个机器的开启状态，并可同时连接警报装置。

两种常见的机器连接结构反馈控制方式(其它连接结构可分解为这两种后参照执行)：

i.串联机器的反馈控制方式：

机器1与机器2串联(指的是工序串联)，通讯从站q分别收集机器1和机器2的各项消耗数据，传送给服务器s；服务器s接入以太网e，主管电脑、员工电脑、输出设备分别连接以太网e。

主管电脑通过主plc反馈给服务器s发送请求，服务器s发出指令到机器1的plc，机器1的plc控制机器1的启停；服务器s发出指令到机器2的plc，机器2的plc控制机器2的启停。

如果各台机器消耗的电能、水量或气量的总和没有大的波动，各台机器均不停车；

如果各台机器消耗的电能、水量或气量的总和有大的波动，机器2的数据有波动2，而且总和与波动2的差值没有波动，则机器2停机检修、前道工序的机器1不停机；

如果各台机器消耗的电能、水量或气量的总和有大的波动，机器1的数据有波动1，则机器1停机检修、后道工序的机器2也停机且无需检修。

ii.并联机器的反馈控制方式：

机器2与机器3并联(指的是工序并联)，通讯从站q分别收集机器21和机器3的各项消耗数据，传送给服务器s；服务器s接入以太网e，主管电脑、员工电脑、输出设备分别连接以太网e。

主管电脑通过主plc反馈给服务器s发送请求，服务器s发出指令到机器2的plc，机器2的plc控制机器2的启停；服务器s发出指令到机器3的plc，机器3的plc控制机器3的启停。

如果各台机器消耗的电能、水量或气量的总和没有大的波动，各台机器均不停车；

如果各台机器消耗的电能、水量或气量的总和有大的波动，机器2的数据有波动2，而且总和与波动2的差值没有波动，则机器2停机检修、机器3不停机；

如果各台机器消耗的电能、水量或气量的总和有大的波动，机器3的数据有波动3，而且总和与波动3的差值没有波动，则机器3停机检修、机器2不停机；

如果各台机器消耗的电能、水量或气量的总和有大的波动，机器2的数据有波动2，而且总和与波动2的差值有波动，则机器2停机检修、机器3停机检修；

如果各台机器消耗的电能、水量或气量的总和有大的波动，机器3的数据有波动3，而且总和与波动3的差值有波动，则机器3停机检修、机器2停机检修。

两种机器数据(冷却水、天然气)异常的反馈控制方式：

由于冷却水是冷却使用，水量消耗多说明冷却效果好，水消耗少证明水流不够，容易导致升温，发生危险。

所以某机器的水量消耗数据较大时无需紧急停机(待整个生产线停止后再检修，防止水资源浪费)；冷却水消耗少了必须紧急停机检修。

由于天然气是燃烧使用，消耗少表示加热量小，此时系统从温度上升角度看是安全的，消耗多表示加热量大，此时系统从温度上升角度看是不安全的。

所以某机器的天然气消耗数据较小时无需紧急停机(待整个生产线停止后再检修，防止热量不足出现次品)；如果某机器的燃气消耗较多时必须紧急停机检修。

有益效果：

本发明可以分别监控相互独立的各台机器，电能、冷却水、蒸汽、天然气等能源信号可以分别收集，反馈控制可以采用更少控制线路更准确控制的智能控制模式。

通过对原单位的管理，可以了解设备稳定运转时的生产效率，并对同一设备/生产线的不同时间段、或不同设备/生产线间的生产效率进行对比于分析。

本项目不仅能够实现网络能源抄表的功能，更重要的是它具备分析生产管理方面的漏洞，同时解决了生产车间内能源抄表工作，节约了时间和人工。工厂可预测未来消耗总值的趋势；设备部门也可以通过设备的异常耗电数据值，早期预判出设备的故障前兆，及时作出维修和维护的措施。使电力、蒸汽、天然气、水等所有能源进行螺旋式升级改善，是以后能源节约和智能化工厂4.0的重要发展方向。

附图说明

图1、本发明的一种串联机器的连接及控制线路示意图；

图2、本发明的一种并联机器的连接及控制线路示意图。

图中，1-机器1plc；2-机器1；3-机器3；4-机器3plc；5-主plc；6-主管电脑；7-输出设备；8-员工电脑；9-以太网；10-服务器；11-cc-link模块(或qj61bt11n模块)；12-机器2；13-机器2plc。

具体实施方式

实施例一：

如图1的车间设备能源在线监测与控制系统，机器1与机器2串联。

采用的硬件架构包括：车间的每台待监控机器配备自带的plc控制器采集设备的开台信号，配备emu4-hd电能模块采集机器的实时电能数据；或配备脉冲模块a采集机器冷却水用量数据，或配备脉冲模块b采集机器天然气用量数据；接着采用cc-link通信模块分别连接每台机器，作为每台机器的上述一种、两种、三种、或四种数据的通信从站；然后将cc-link通信模块连接至服务器，作为通信主站；服务器中内置控制软件，能够输入设置每台机器的标准数据参数，记录汇总新采集数据，对数据进行分析比较，形成生产的数据曲线图或柱状图；服务器联入工厂以太网络，工厂或者车间主管通过主管电脑登录服务器，设置参数、查看数据，反馈控制每台机器的开台状态。

如果各台机器消耗的电能、水量或气量的总和有大的波动，机器2的数据有波动2，而且总和与波动2的差值没有波动，则机器2停机检修、前道工序的机器1不停机；

如果各台机器消耗的电能、水量或气量的总和有大的波动，机器1的数据有波动1，则机器1停机检修、后道工序的机器2也停机且无需检修。

实施例二：

如图的2车间设备能源在线监测与控制系统，机器2与机器3并联。

采用的硬件架构包括：车间的每台待监控机器配备自带的plc控制器采集设备的开台信号，配备emu4-hd电能模块采集机器的实时电能数据；或配备脉冲模块a采集机器冷却水用量数据，或配备脉冲模块b采集机器天然气用量数据；接着采用qj61bt11n模块分别连接每台机器，作为每台机器的上述一种、两种、三种、或四种数据的通信从站；然后将qj61bt11n模块连接至服务器，作为通信主站；服务器中内置控制软件，能够输入设置每台机器的标准数据参数，记录汇总新采集数据，对数据进行分析比较，形成生产的数据曲线图或柱状图；服务器联入工厂以太网络，工厂或者车间主管通过主管电脑登录服务器，设置参数、查看数据，反馈控制每台机器的开台状态。

如果各台机器消耗的电能、水量或气量的总和有大的波动，机器2的数据有波动2，而且总和与波动2的差值没有波动，则机器2停机检修、机器3不停机；

如果各台机器消耗的电能、水量或气量的总和有大的波动，机器2的数据有波动2，而且总和与波动2的差值有波动，则机器2停机检修、机器3停机检修。