解决方案 | 基于CC-Link通信的节能服务器系统在纺织印染的应用

★ 南通职业大学 袁霏

★ 科德宝宝翎衬布（南通）有限公司 李继松

摘要：传统的能源管控主要依靠基础的能源数据统计，随着低碳节能减排的推进，纺织印染行业也逐渐建立起新的能源管控模式。使用三菱节能服务器EcoWebServerIII作为能源采集主站，以CC-Link通信技术为主体构建车间中大型设备的能源网络，并实时传输和存储生产数据信息，该系统可达到单位分钟的数据采集率。通过上位机可以精确展示能源消耗的图表数据，并可以进行AI数据诊断，进而找到能源浪费的可疑点，提出优化设备和管理改善措施，最终实现原单位的能耗缩减。

   1　引言  

传统的能源数据采集如电能采集，仅是通过安装相应设备的电能表，通过抄表或者在线实时查看用电量。这种方式并不能对数据进行有效分析，只能通过人为分析月报表数据简单提取能源使用信息。基于三菱节能服务器能源采集系统，使用CC-LinK通信方式获取各个设备站点的电能表数据，不仅能准确无误采集数据，还能实现大容量数据存储和智能处理。应用相应的软件算法，可将能耗数据以图表形式演示出来，也可进行数据的不同时段、不同对象的比较，可精确至单位分钟比较。甚至将来进行数据相关性分析，通过EcoAdviserAI软件帮助管理人员找到能耗可疑点，并提供设备改进和管理提升意见，从而有效完成能源节约。

   2　印染工艺流程  

印染工艺设备一般包含前处理的溢流染色机、冷染机、氧漂机、水洗机以及整理机。后道工艺包含双点机、粉点机、预缩机、质检机等，辅助设备还包括废水处理系统、烟气净化系统等。这些生产设备主要使用传动电机、风机、电加热装置和水泵等大功率装置，且电机均采用变频控制。例如一台整理机的额定功率在120kW左右，一台双点机的运行功率在200kW左右，这些设备在生产流程中，从准备、生产中、换线、卫生和维修等待过程中，均在不同程度地消耗能源。

如图1所示，常规衬布的加工工艺流程从坯布开始，需要经过多道前处理工艺，设备包括染色退浆机、溢流染色机、氧漂机、水洗机、定型机以及双点机等重要的大功率设备机台，辅助设备还包含有废气净化装置和污水MBR膜处理装置。其中氧漂机、溢流染色机还使用蒸汽热能。定型机、双点机使用天然气能源。这些车间大功率设备均安装有RS-485通信功能的能源仪表。



图1 衬布设备工艺流程图

   3　控制系统  

3.1　系统硬件结构

为了获取车间大部分能源监控，需要对整体的设备电能信息采集进行有效布局。设备分散于生产车间，服务器的安装位置尽可能考虑每个通信仪表的总体分散中心点，CC-Link的连接布局至关重要。

如图2所示，每个设备所安装的电能表普遍使用一致的两线制485通信，其中节能服务器Ecowebserverlll的CH2网口可转接485通信模式。为了能够准确地采集数据，硬件设计中增加了一个触摸屏作为485通信的中转屏显示，该屏具有两线制485接口输出，作为主站连接到所有的485从站仪表。然后由触摸屏的网络接口输出至节能服务器。可以设置网口模式为转接485模式，这样服务器和触摸屏可以使用普通网线直接插入连接，设置好IP地址即可将仪表数据传输至服务器站。



图2 能源采集的通信硬件架构

对于一些特殊的电能采集，使用三菱特有的电能监控模块EMU4-HD1-MB产品，该模块向左侧搭载CC-Link通信模块可将数据上传至服务器的扩展通信QJ61BT11N模块。厂内的制冷系统采用L02型主站PLC系统，扩展模块LJ61BT11N通过CC-Link通信连接两个从站，分别是车间空气能热泵系统和废水热能回收系统，均是采用FX3U控制系统，通过扩展FX3U64CCL通信模块上传数据至L02系统，再由L02的第二个LJ61BT11N上传至服务器EcoWebServer III系统。最后，服务器的CH1网口接入车间的局域网中，办公室登录IP网页即可获取相应的图表数据。

3.2　节能系统的设置与编程

硬件框架根据现场设备的实际布局位置进行有效布局，同时兼顾通信的架构进行设计。如图3所示，为节能系统整体的具体通信接线图。主车间的大功率设备额外增加带通信功能的电能仪表，可设置485通信波特率19200，E偶校验，数据位8和停止位1。通过触摸屏的2线制485接口，可将数据显示到触摸屏上，便于在车间直接查看数据。触摸屏的网口与服务器的CH2网口直接使用网络线连接即可，在软件设计上进行网关转Modbus模式，不需要转接器即可实现能源数据上传至服务器。



图3 节能服务器系统的CC-Link具体连接架构

制冷系统使用L02控制器，设置网口通信输出2个触摸屏，其中一个触摸屏用于现场操作控制，另一个触摸屏用于转接向下的FX3U蒸汽冷凝回用控制系统，采用RS422通信连接。L02系统扩展模块同时向右扩展两个LJ61BT11N，均设置波特率为156kbps。一个模块作为主站，向下层连接两个从站的各自32个16寄存器数值，然后通过内部数据转化。另一个模块作为从站，向上传输至服务器的CC-Link主站模块。

本系统中设计有多个触摸屏，主要用于现场的操控和数据的稳定上传。触摸屏通信与FX3U主要通过RS422直接连接，只需要单独设置触摸屏的通信19200E71，并选择三菱FX3U类型即可。而每个FX3U向左扩展485BD板进行本单元的变频器通信控制，主要用于控制本单元内变频器的设定频率和获取实际的输出频率以及每个变频器的电能消耗数据值。如图4所示，L02的主站设置CC-Link界面，设置总连接数为2，设定好网络模式Ver.2以及传输波特率的速度156kbps。主站设定好输入/输出的寄存器值和辅助继电器起始位，站信息内设置占用4站，可以最大限度传输32个寄存器数据，且L02主站不需要编写相应的通信程序代码。



图4 L02系统的CC-Link主站设置和LJ61BT11N模块的工作显示

如图5所示，作为从站模块FX3U-64CCL需要设定站地址的拨码开关分别为2或3，波特率开关为0，即选择156kbps速度，占用站数STATION拨码至7。对于FX3U扩展模块从站需要编写通信程序，如图5所示只需写定向主站L02收发的寄存器和辅助节点信息。



图5 从站FX3U模块硬件拨码设置和通信程序编写

节能服务器的QJ61BT11N主站CC-Link通信线上还挂载了若干三菱电能采集EMU4-HD1-MB模块。该模块左侧扩展CC-Link通信EMU4-CM-C模块，只需手动设定“站地址”和“波特率156kbps”的拨码开关即可，电能采集模块主要调节设定界面参数中测量电能的接线方式为“3P4W”三相四线制，设定互感器电流值200A类型，电流互感器也是选用三菱特有类型，设定电压等级为400V。

当完成设备层软件参数设置后，才能建立稳定可靠的数据上传通信模式。最后是对主服务器EcoWebEcoWebServer III进行数据采集的设置。

图6为使用MES3-255C-DM-CN设定软件信息采集的设置界面，这样服务器只需要网线接入到触摸屏，即可建立数据通信。车间内多数电能计量的主设备通过触摸屏485协议进行中间接力转换，可以统一将不同类别的485电能仪表进行有效的数据汇总，以及进行必要的格式转化或计算等。然后再将转换的数据直接传输给服务器，保证数据的可靠性。同时服务器EcoWebServer III建立CC-Link连接方式，用于获得三菱产品的终端设备数据。系统默认服务器右侧扩展模块QJ61BT11N为固定的通信波特率156kbps，所以整个设备层也需要设定统一的从站波特率为156kbps，可以保证总体的CCLink有足够的布线长度，覆盖整个车间的数据采集。



图6 服务器通过网线485协议连接触摸屏设置

   4　上位机监控和智能精益管理  

如图7所示，使用MES3-255C-DM-CN设定软件在设定好所有的数据采集点并进行登录，需要注意所有数据的格式，如电流值采集为瞬时值，电能的采集需要设定为“累计值”，系统将开始自动进行能源数据采集。



图7 服务器的测量点数据量登录

建立完善的CC-Link能源采集体系后，服务器处在稳定运行的阶段，可以通过web网页功能实时查看数据内容。随着三菱节能技术的不断升级，推出了自动智能算法软件EcoAdviser AI功能。它可以全覆盖之前的软件功能，并且能够进行基本数据表格和曲线展示。

如图8所示，更新的软件系统，可以更好地管理多点数据的收集和存储。管理员可以调取任意生产设备的能源数据。如需要从多个设备能耗中找到耗能的主体，则使用帕累托图，将所有采集的电能对象放入并自动生成由高到低的柱状数据。如需检查设备能耗的不同日期比较，则可以选择时间系列图。如需获取不同设备能耗相对占比，则选择饼图成分比率。若管理员想要获取两个设备之间能耗数据是否存在相互关联，可以将两个设备的能耗数据选入，选择散布图相关性R自动生成散布点图，并给出相关性r值，如数值接近1，则代表相关性很高，这样帮助管理员查找能耗浪费问题。



图8 新的软件进行能源数据图表显示

在将来的应用中，EcoAdviser AI软件不仅能将数据图表具象化，为管理员提供快速简洁的能源信息，还具备能源浪费诊断功能。如图9所示，当选择特定的生产设备进行AI智能推算后，它将显示时间轴上能耗的柱状序列图，同时自动给出能源标识线，最后根据数据显示，给出能源浪费的可疑时间点位。如果采集的设备数据足够详细如包含生产流程产量、功耗等待和多工序参数信息等，软件就会给出更加精确的诊断结果，甚至可展示改进措施后将获得提升的数据结果。



图9 节能服务器AI给出分析能源浪费以及改进措施

   5　结语  

通过基于CC-Link通信技术为主构建印染车间的节能管理系统，可以将生产线内主要的大功率能耗设备、辅助的制冷/制热系统设备以及烟气净化设备的电能表联入到服务器系统中，简化了能源采集的布线复杂度。实现数据稳定上传和存储后，管理员可以轻松登录web网页获取生产能源数据，节约时间成本。节能服务器的数据还可以通过EcoAdviser AI软件进行有效的数据整理，以各种图表的形式展现给管理员，快速查找能耗浪费的疑点。以后节能服务器甚至还可以通过智能算法对设备进行能源浪费诊断，帮助管理员找到浪费原因，并给出合理的改进措施建议。综上，通过三菱的节能服务器系统管理车间的设备运行，可以显著地提高印染设备能源的精益化管理，实现能源效率最大化。

参考文献略。

作者简介：
袁　霏（1989-），女，江苏如皋人，讲师，硕士，现就职于南通职业大学电子信息工程学院，主要从事电气自动化方面的研究。
李继松（1989-），男，江苏宿迁人，中级工程师，硕士，现就职于科德宝宝翎衬布（南通）有限公司，主要从事集成电路方面的研究。

· end ·

来源 | 《自动化博览》2023年8月刊

责任编辑 | 乔珺



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