2024年2月27日

高速通信实现无限数据采集和优化能源管理

基于 EtherCAT 的控制技术助力实现高效楼宇自动化

现代非住宅类建筑对楼宇自动化提出了许多高要求，包括高能效、可持续的建筑运营、全面的能源管理、电动汽车的充电基础设施，以及满足能耗数据记录的最新法律法规要求。所有这些要求都可以通过倍福基于 EtherCAT 的控制技术实现，该技术可以实现超高速数据通信，为楼宇自动化提供高效的中央自动化架构。此外，倍福也可根据客户的具体需求实施各种网络拓扑，并高度灵活地将所有成熟的子总线系统集成到拓扑结构中。

2023 年是 EtherCAT 技术推出的第 20 个年头，它的成功充分证明了它作为高性能实时以太网系统和开放式 IEC 标准在各个应用领域的价值：包括各种功能在工业建筑和功能性建筑中的应用，如空调、照明和遮阳、供输系统的技术控制中心、活动技术以及能源分配系统中使用的测量模块。

EtherCAT 通信技术具有传输速度快、灵活性强的优势，并对所有成熟的楼宇总线系统开放，适用于各种应用场景。

快速、一致且可靠的数据采集变得越来越重要。现在，法规要求记录非住宅类建筑的能耗数据，而这只有通过高性能的通信技术才能经济高效地实现。VDI 3814 标准（楼宇自动化和控制系统 (BACS) - 基础）第 1 部分也强调了高数据传输速率的重要性。它指出，楼宇自动化系统的响应时间对其可用性有着重要影响。当一个房间自动化系统具有无限的灵活性时，各个部分、房间和区域之间需要高速通信。

中央自动化理念

通过基于 EtherCAT 的中央自动化理念，可以以中央控制技术为基础，优化实施各种规范，即可根据需要将控制任务分配给一台或多台工业 PC。此项技术通过分布式 I/O 和高速 EtherCAT 通信获取所需的数据。因此，可以使用尽可能少的控制器来构建成本优化的结构，操作所需数量的 I/O 组件，并以此作为替代方案，取代复杂的传统方法，从而不再需要使用大量控制器，且每个控制器只能操作几个 I/O。

基于 EtherCAT 的系统解决方案的开放性为这一中央控制方案提供了支持：EtherCAT 为集成所有楼宇自动化现场总线系统提供了技术基础，从而避免了传统数据传输中经常出现的子系统瓶颈问题。例如，通过相关的 EtherCAT 端子模块和总线端子模块可以无缝集成 BACnet/IP、BACnet-MS/TP、DALI、DMX、EnOcean、KNX/EIB、Modbus、M-Bus、MP-Bus 和 SMI。这种方法可实现高效的解决方案，其中控制处理器可在几微秒时间内接收所有数据点和子系统的整个过程映像。这样就能够消除常见的延迟问题；甚至可以随时将任意数量的子系统集成到系统中。

EtherCAT 技术优势

EL6761 EtherCAT 端子模块与 TwinCAT 3 IoT OCPP 结合，构成一个完整的适用于充电基础设施应用的通信系统。

“On the fly”报文处理是实现高性能 EtherCAT 通信的基础。除了传输速度快以外，EtherCAT 还为用户提供了全面的在线诊断和配置功能选项，并支持自动识别网络用户，省去了分配用户地址的繁琐工作。拓扑结构（总线型、环型或树型结构）的灵活选择以及几乎无限的网络规模或电缆长度显著简化了自动化结构的实施。此外，各种防护等级为 IP20 或 IP65 的 EtherCAT 组件也为实施提供了支持，例如，在维护过程中，可通过热插拔功能轻松更换端子模块。

以下数据充分说明了 EtherCAT 的卓越性能：

10 kbyte/ms 的数据吞吐量，涵盖 1500 台设备
50 μs 内 200 个模拟量 I/O（16 位），20 kHz 采样率
100 个伺服轴的刷新时间：100 μs
12.5 μs 内 256 个数字量 I/O
30 μs 内 1000 个数字量 I/O

诸如断点检测、用于精确定位传输故障的连续线路质量测量等丰富的诊断功能以及用于创建逻辑诊断网段的功能选项方便了楼宇系统的操作和维护。

自动化整体解决方案

非住宅类建筑通常比较复杂，为确保其高效和可持续运行，重点应放在尽可能全面的自动化结构上。只有整体结构才能确保所有技术系统和应用领域的数据采集保持一致，这是挖掘所有优化潜力的必要前提。整体自动化结构几乎没有任何限制，因此可以实现楼宇和生产技术的协调运行，还可以集成能源基础设施，例如电动汽车基础设施。

通过分布式电力测量解决方案，单个电压测量值可以以数字方式与任意数量的电流测量值相连接，以最小的成本测定每个测量点的精确电力值。

例如，EL6761 EtherCAT 端子模块与 TwinCAT 3 IoT OCPP 软件相结合，构成一个完整的适用于充电基础设施应用的通信系统。它可以无缝集成到楼宇自动化系统中。OCPP 规范了电动汽车充电桩与相应的中央管理系统之间的通信。EL6761 EtherCAT 端子模块是符合 IEC 61851 和 ISO 15118 标准的通信接口模块。

建筑的运营管理越来越需要高效的能源管理系统，以确保建筑内能源的优化供应。只有通过 EtherCAT 的高速度和高精度的同步性才能实现的精确电力测量是实现这一目标的基础。分布式电力测量方案是其功能特点之一，即使在非常复杂的系统中也能够高效、经济地获取精确的电力测量数据。其核心元件是用于测量高达 1 A 的交流/直流电流的 6 通道 EL3446 输入端子模块。用户可以使用它来测定精确的电力值，即使是物理上分离的电压和电流测量。EL3446 是一个纯电流测量端子模块，能够测定供电网络的所有相关电气数据，包括所有电力测量值。计算电力数据所需的电压值由 EL3443 三相电力测量端子模块（每个网络只能安装一次）传输，并通过 EtherCAT 分布式时钟功能精确同步。然后计算 EL3446 中最多 6 个可连接的相位中每个相位的有功功率和电能消耗。电压和电流有效值以及有功功率、视在功率和无功功率、频率、相位角和谐波均可用于广泛的电网分析和电能管理。通过分布式电力测量方案，系统仅需一个 EL3443 和若干个 EL3446，减少硬件配置以及安装工作，降低成本。