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先进的能源管理与预测性维护——用于电源监测的EtherCAT

来源:控制工程网2019.03.26阅读 5858

  先进的能源管理正在越来越普遍地用于控制工程,用来解决关键的加工制造方面的挑战CONTROL ENGINEERING China版权所有,例如探索节能的方式、降低峰值负荷、对机器的行为进行分析和分类,并且对能源大量的消耗进行定位并处置。这个广泛的应用与对主要能源使用的识别和跟踪,是通过将这些统计数据录入到预测维护软件中,并使用现代的物联网(IoT)工具来分析数据,以实现成本减少以及设备效率提升。
  在过去的两年中,工业市场领域已经扩展了紧凑型电源监控技术的可用性。很多都不是单一用途的、单机设备。相反,它们被集成到一个标准的输入/输出(I/O)平台上。实现此目的的一种方法是将电力监控电子设备集成到分布式I/O的格式中,在DIN轨道安装的终端上,或是在安装于机器上的I/O模块上。这带来了直接的好处CONTROL ENGINEERING China版权所有,包括减小设备整体的占地面积、改进的I/O部分、电缆和接线长度更短、调试过程更快等等。在基于PC的控制技术的背景下,这些电源监控解决方案可以在用于可编程逻辑控制器(PLC)、运动控制、安全、机器人等的熟悉软件环境中进行编程www.cechina.cn,从而为工程师节省大量成本。

紧凑型三相电能测量I/O终端可以被用来测量谐波、总谐波失真、频率以及功率因数。图片来源:Beckhoff 

  用于电源监测的EtherCAT
  基于EtherCAT工业以太网协议的I/O产品为电源监测和预测性维护应用带来了优势。根据应用不同,要确定需要哪些与能源有关的信息是很重要的,例如电压、电能质量和谐波。
  另一个考虑的方面是以IoT为中心的。许多工程师都在寻找更多用于实现预测性维护的信息。对于这些应用,具有基本测量特性的入门级测量终端是有益的。每台机器都可以有一个低成本的终端来测量电压、电流和功率,并且将数据从EtherCAT网络发送到本地或云端数据库。如果工厂人员发现测量值发生改变,他们会根据测量结果和EtherCAT的诊断功能准确知道哪些机器需要维护,这种诊断特性可以实现机器和设备内的高度本地化和基于时间的识别功能。
  对于那些基于降低总体生产成本的需求而进行电能测量的应用,带有内置功能的测量终端会更有用。有一些三相电力测量终端具有扩展的功能,为电源分析和能源管理提供很大范围的额外特性。特别要说的是,这些还可以用于测量谐波、总谐波失真(THD)、频率和功率因数。
  所有的可测量的电流和电压都是均方根(RMS)值,而且可以计算出每个相位的有功功率和能耗。用户可以获得电压和电流的均方根值,也会得到有功功率、视在功率、无功功率、频率功率因数以及谐波。扩展的测量终端也可以提供一个很大的测量范围,最大可以达到交流690V、5A。
  提取更多潜在能耗数据
  使用EtherCAT过采样原理www.cechina.cn,通过高达100微秒的瞬时分辨率可以同时监视多个不同的通道。对于基于I/O端子的功率监测控制工程网版权所有,也许在性能达到最高端时会出现一些变量差异,例如,在20千样本每秒(kSps)时最大误差为0.2%,在10 kSps时误差为0.5%。基于PC的标准控制系统具有足够的计算能力,可用于真正的RMS或性能计算,以及基于测量电压和电流的复杂自定义算法。
  通过过采样原理,I/O终端可以在短于控制系统周期的时间内进行测量。利用分布式时钟的功能(EtherCAT协议的固有功能),可以通过网络中的其他EtherCAT设备从多个源同步测量功率。
  旨在适应基于PC的控制系统中电源监控的软件扩展也在系统集成平台中具有更高的性能。 用于评估原始电流和电压数据的PLC库可以通过电源监控I/O端子直接提供。功能块可用于计算电流、电压和功率的RMS值。
  这些可以作为瞬时值或平均值进行输出,而且在功能块里也有最大值和最小值。可以确定频率和频谱,例如网络中的谐波以及它们的以总谐波失真为形式的负载。所有的功能块都可以用于单相位系统和三相位系统中。不久之前,这种水平的功能性和同步性还是专用于复杂的、昂贵的和笨重的“黑匣子”设备,它们需要自有的编程软件和存在于内部的很封闭的生态系统。这意味着很少有机器可以承担为实现有效数据分析而进行的高水平的能源监控技术。
  今天,对于所有领域的生产制造环境来说,从装备有正确的I/O终端的控制系统中都可以提取出具有很大价值的能源消耗数据。通过添加集成了测量技术的小型I/O终端,控制工程师们可以有更大的权力将能源监控掌握在自己的手中。(作者:Sree Potluri)

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