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CompactRI/O架構(gòu)
I2S使用CompactRIO模擬輸入模塊來連接伽馬級厚度傳感器，以提供精確測量所需的高速計時和分辨率。由于每個I/O模塊都是直接和FPGA相連的，工程師們于是能使用LabVIEWFPGA來輕松自定義CompactRIO的模擬I/O速率。
第四步：添加高級處理
從伽馬傳感器獲得模擬數(shù)據(jù)之后，CompactRIO使用內(nèi)置的NILabVIEW實時浮點功能塊來在實時處理器中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將之轉(zhuǎn)化成精確的厚度測量。
LabVIEW的實時功能塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行確定的高級對數(shù)處理（如下面的等式1和等式2所示），以進(jìn)行計算厚度測量值。由于LabVIEWReal-Time具有內(nèi)置計算和分析功能，PAC能夠很容易進(jìn)行這一操作。
等式1：logI=（logI0）y/μ=（y/μ）logI0
等式2:y/μ=logI0/logI=log（I0-I）
CompactRIO系統(tǒng)在FPGA和實時處理器中進(jìn)行所有的I/O和信號處理，并將高精確度厚度測量傳輸?shù)较噙B的PLC上，又不會降低現(xiàn)有PLC控制系統(tǒng)的速率。借助于CompactRIO的性能，I2S的工程師可以為伽馬級傳感器添加這一自定義測量和分析功能，而不需要犧牲軋制機器的控制速度。
第五步：整合PAC
每個軋制機器都帶有三個形成網(wǎng)絡(luò)的CompactRIO系統(tǒng)。這三個系統(tǒng)都是智能節(jié)點，能利用一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Modbus/TCP、TCP/IP或UDP協(xié)議進(jìn)行通信。其中有兩個系統(tǒng)與伽馬級傳感器連接，并進(jìn)行模擬輸入測量和高級處理，來計算精確厚度測量值。 第三個CompactRIO系統(tǒng)則從另外兩個系統(tǒng)中取得厚度值，并轉(zhuǎn)換成模擬輸出測量值，輸入到正在控制軋制機器的PLC上。所有三個系統(tǒng)都通過以太網(wǎng)連接實現(xiàn)了互連，并使用一個UDP以太網(wǎng)信息協(xié)議來傳輸厚度測量值計算。將PAC連接到現(xiàn)有PLC架構(gòu)上有三個基本方法：
1.基本模擬和數(shù)字I/O。模擬/數(shù)字信號能夠從PAC輸出到PLC中。這是將PAC整合到PLC的一個最基本的方法。I2S公
司就是運用這種方法來將處理過的數(shù)據(jù)從CompactRIOPAC傳輸?shù)竭\行軋制機器控制系統(tǒng)的PLC上的。
2.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)PAC產(chǎn)品都支持工業(yè)協(xié)議，如DeviceNet、Profibus、CANopen以及基于以太網(wǎng)的協(xié)議如TCP/IP、UDP和ModbusTCP/IP。這使得工程師在連接PAC到PLC上時有很多網(wǎng)絡(luò)選擇。I2S公司運用的是以太網(wǎng)協(xié)議來在CompactRIOPAC之間傳輸數(shù)據(jù)，并將PAC和PLC連接到形成網(wǎng)絡(luò)的HMI。
3.OPCConnectivityPAC還可以作為OPC客戶端或者服務(wù)器，并通過OPC標(biāo)簽來收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到PLC或其它PAC上。OPC標(biāo)準(zhǔn)提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的流程，讓不同廠商的自動化系統(tǒng)之間可以很容易實現(xiàn)連接。
處理過的數(shù)據(jù)會以不到20毫秒的間隔在通過以太網(wǎng)互連的CompactRIO系統(tǒng)之間傳輸。CompactRIO測量值的獲得、處理和傳輸速度都很快，因此，將精確厚度測量值鍵入到PLC控制系統(tǒng)的過程絲毫不會降低整個系統(tǒng)的速度。
I2S公司可以很容基于LAN的CompactRIO系統(tǒng)和10/100Mbps以太網(wǎng)接口將系統(tǒng)連接到形成網(wǎng)絡(luò)的AllenBradleyPLC，并利用一個標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議將之連接到人機接口（HMI）系統(tǒng)。軋制機器中的所有儀器都通過以太網(wǎng)實現(xiàn)了連接，因此不需要在一個電器噪音嘈雜的環(huán)境下長距離地傳輸模擬信號了。
在未來的幾年，PLC仍將繼續(xù)用于自動化領(lǐng)域。但是隨著機器的改進(jìn)和自動化效率提高的需求，PLC不再是萬能的。PAC技術(shù)給PLC提供了很好的補充，增加了傳統(tǒng)PLC所不能提供的高性能I/O和處理。將PAC連接到現(xiàn)有PLC架構(gòu)中的方法有很多，所以工程師們將能夠很容易地改進(jìn)其基于PLC的自動化系統(tǒng)

水泥企業(yè)作為傳統(tǒng)的高能耗高污染企業(yè)，節(jié)能減排一直是其轉(zhuǎn)型改革的重點。隨著智能制造概念的提出，加快推動新一代信息技能和制造技術(shù)融合發(fā)展，使得水泥工廠的信息化技術(shù)不斷提高。在新型水泥工廠中，電能采集使用智能化電表，傳輸信號由傳統(tǒng)的4～20mA信號更換為ModBus總線通訊，可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更多，并且有效保證了數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性。電能管理系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存儲，通過數(shù)據(jù)的計算、分析、查詢和整合，以報表和圖形的方式展示給生產(chǎn)管理者。本文以國內(nèi)某5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線為例，介紹電能管理系統(tǒng)在水泥廠中的設(shè)計實施及應(yīng)用。
 
1 項目概況
      本項目是從石灰石破碎至水泥磨的整個水泥熟料工藝生產(chǎn)線。全廠共設(shè)計150多塊智能電表，分布在石灰石破碎電氣室、原料處理電氣室、原料磨電氣室、窯尾電氣室、窯頭電氣室、煤磨電氣室和水泥磨電氣室共七個電氣室中。智能電表采用標(biāo)準(zhǔn)ModBus-RTU總線通訊，將至DCS系統(tǒng)。電能管理系統(tǒng)通過OPC協(xié)議與DCS控制系統(tǒng)通訊，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，通過數(shù)據(jù)的計算、分析、查詢和整合，以報表和圖形的形式展示給生產(chǎn)管理層，管理層通過對數(shù)值的對比分析，獲取不同工況或不同的操作方式產(chǎn)生的能耗差別，去指導(dǎo)生產(chǎn)從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
 
2 電氣設(shè)計 
2.1　電表設(shè)計
      根據(jù)工藝生產(chǎn)車間分布，全廠設(shè)七個電氣室，電表根據(jù)對應(yīng)設(shè)備或電源所屬車間，統(tǒng)一安裝在各電氣室中。電表的主要目的是為計算電耗參數(shù)提供數(shù)據(jù)，因此，電表的設(shè)計應(yīng)滿足工廠生產(chǎn)時所需的各項電耗指標(biāo)。以原料磨電氣室為例，高壓總進(jìn)線柜設(shè)計一塊電表，用來測量整個原料磨車間的總用電量。車間內(nèi)重要設(shè)備如原料磨主電機、高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機等單獨設(shè)計電表，用來計算單個設(shè)備的電耗。車間照明、檢修電源和維修用電動葫蘆等統(tǒng)一設(shè)置一塊電表，在計算生產(chǎn)電耗時，可以將這類數(shù)據(jù)減去。其它電氣室也遵循這一原則來設(shè)計。
2.2　電表選型
      根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《電力裝置的電測量儀表裝置設(shè)計規(guī)范》，電表應(yīng)按其所計量對象的重要程度和計量電能的多少分類。如表1所示，水泥廠的電表準(zhǔn)確度應(yīng)不低于三類標(biāo)準(zhǔn)。中性點有效接地系統(tǒng)的電表應(yīng)采用三相四線的接線方式，中性點非有效接地系統(tǒng)的電表宜采用三相三線的接線方式。根據(jù)電能管理系統(tǒng)以及水泥廠DCS控制系統(tǒng)的需求，多功能電表可測量各種常用電力參數(shù)、有功電能、無功電能，并具有數(shù)字通訊、越限報警、監(jiān)測開關(guān)狀態(tài)、電能脈沖輸出和模擬量輸出等功能，能夠完成工控系統(tǒng)不同PLC，工業(yè)控制計算機通信軟件的組網(wǎng)。
功能效果
       以南京凱盛工程有限公司自主開發(fā)的水泥工廠電能管理系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹其主要功能和運行效果。通常來說，水泥工廠電能績效指標(biāo)，包括廠區(qū)內(nèi)各關(guān)鍵設(shè)備電耗、工序電耗、綜合電耗、單位熟料發(fā)電量、單位煤耗發(fā)電量等[1]。根據(jù)這些關(guān)鍵指標(biāo)，結(jié)合生產(chǎn)過程中影響各指標(biāo)的重要因素，電能管理系統(tǒng)通過內(nèi)部分析計算，以報表和圖表形式，發(fā)布電能統(tǒng)計報告，并針對各工藝車間段，各主要設(shè)備，各班次提供能耗分析，從而幫助工廠管理人員及時發(fā)現(xiàn)能耗異常，解決問題，降低生產(chǎn)成本。表2為熟料燒成工藝車間的月電耗報表，圖１為原料磨車間及相關(guān)設(shè)備的電耗柱狀圖。電能分析管理主要包括以下幾方面：（1）用電量管理：系統(tǒng)自動統(tǒng)計各工藝段以及整個工廠的用電量，當(dāng)總用電量到達(dá)上，系統(tǒng)會自動發(fā)出預(yù)警，生產(chǎn)管理者可以根據(jù)預(yù)警信息，選擇相應(yīng)的措施，保證用電量控制在要求范圍內(nèi)。（2）電能異常管理：長期連續(xù)正常生產(chǎn)時的各項數(shù)據(jù)，智能分析并建立一整套電能消耗規(guī)則，當(dāng)出現(xiàn)電能使用異常情況時，系統(tǒng)會自動發(fā)出預(yù)警，并標(biāo)識出與此異常相關(guān)的設(shè)備，幫助管理者和操作人員及時調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，保證生產(chǎn)的正常和連續(xù)性。（3）重要設(shè)備負(fù)荷管理：全廠重要的大型電機設(shè)備，例如窯尾排風(fēng)機、高溫風(fēng)機等，通過采集電機的各項運行數(shù)據(jù)，建立一套以負(fù)荷率和運轉(zhuǎn)率為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)模型，以直觀的圖形展現(xiàn)給生產(chǎn)管理者，對今后的生產(chǎn)改造具有積極的指導(dǎo)意義。目前該套系統(tǒng)已在生產(chǎn)線成功投入運行，其實際運行效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、分析和量化，客觀呈現(xiàn)了各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗情況，為全廠的進(jìn)一步節(jié)能降耗措施，提供了科學(xué)、實際的指導(dǎo)作用。（2）可定制的各種數(shù)據(jù)報表和圖形界面，自動生成和推送，替代了傳統(tǒng)的人工抄寫記錄工作，節(jié)約了人工成本，也提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性。（3）智能化分析和預(yù)警，實時地標(biāo)識出能耗異常情況以及相關(guān)的設(shè)備，保證了正常連續(xù)的生產(chǎn)，避免因設(shè)備或者工藝原因造成生產(chǎn)損失。（4）提高了操作人員的工作效率，通過長期大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和分析，得出參數(shù)模型，人工與自動化相結(jié)合，使生產(chǎn)長期保持、穩(wěn)定地狀態(tài)