【摘要】

　　本文對某卷煙廠能源監(jiān)測管理系統(tǒng)作了詳細(xì)介紹，主要分為系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計，和通訊網(wǎng)絡(luò)的連接三部分。該系統(tǒng)已在該卷煙廠投入使用，實際運行狀況良好。本系統(tǒng)給用戶提供了生產(chǎn)過程中詳細(xì)的能源、物料消耗情況，使用戶可以及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，以便最大限度地提高能源、物料的利用率，達(dá)到全面節(jié)能降耗的目的，與此同時經(jīng)濟(jì)效率和管理水平也得到了提高。

　　關(guān)鍵詞：DCS 現(xiàn)場總線 能源監(jiān)測 Visual Basic

　　1 引言

　　煙草行業(yè)向來是耗能大戶，隨著國外先進(jìn)技術(shù)和成套設(shè)備的大量引進(jìn)，卷煙生產(chǎn)從過去的低速手工生產(chǎn)發(fā)展到高速全自動生產(chǎn)，對能源的需求越來越大。例如：卷煙生產(chǎn)要求車間保持恒溫、恒濕，這將直接影響煙絲的質(zhì)量，決定了成品煙的質(zhì)量，所以需要大量的空調(diào)設(shè)備和除塵設(shè)備，再加上生產(chǎn)設(shè)備的耗電，這意味著煙草行業(yè)對電量的需求是相當(dāng)大的。煙草行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備多是依靠氣體的推動力生產(chǎn)，那么要生產(chǎn)設(shè)備所需要的氣體，要消耗煤、油把水加熱成蒸汽，或是通過耗電能的設(shè)備把空氣壓縮生成空壓氣?？梢姶笮偷木頍熒a(chǎn)廠每天都要消耗大量的能源，因此降低能源的損耗、合理調(diào)配能源將直接提高其生產(chǎn)效益。

　　隨著市場經(jīng)濟(jì)的逐漸深入，采用計算機(jī)輔助管理系統(tǒng)的觀念越來越深入人心。為了減輕員工的負(fù)擔(dān)提高工作的效率，完善自己的經(jīng)營管理，該卷煙廠決定建立自己的計算機(jī)輔助管理系統(tǒng)，主要完成能源的監(jiān)測管理功能。建立該監(jiān)測管理系統(tǒng)可以給企業(yè)帶來巨大的效益。具體地可以帶來如下好處：

　　(1)使用本系統(tǒng)能使用戶全面了解生產(chǎn)過程的能源、物料消耗情況，及時發(fā)現(xiàn)問題，并解決問題，以便最大限度地提高能源、物料的利用率，從而達(dá)到全面節(jié)能降耗的目的，與此同時也就提高了經(jīng)濟(jì)效率和管理水平。

　　(2)提高了數(shù)據(jù)的可靠性和正確性，提高了計算準(zhǔn)確率，減少了由于人為計算不準(zhǔn)確和誤差造成的損失。

　　(3)極大的節(jié)約了人員，也減輕了統(tǒng)計辦公室實際操作人員計算的負(fù)擔(dān)，減少了計算時間。

　　2 能源監(jiān)控管理系統(tǒng)總體設(shè)計

　　要合理使用和調(diào)配能源的前提是要清楚的了解能源的使用情況，這就需要把生產(chǎn)現(xiàn)場的實時耗能數(shù)據(jù)采集匯總。一個大型的煙草生產(chǎn)企業(yè)，要采集數(shù)據(jù)的地點分布在整個廠區(qū)，而且數(shù)量也很多，在數(shù)據(jù)采集和傳輸方面需解決分布廣，數(shù)量多的問題。為了解決這個問題，在傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)上，嘗試引進(jìn)了現(xiàn)場總線技術(shù)，提出了基于現(xiàn)場總線的DCS控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)今工業(yè)自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點，適用于現(xiàn)場儀表、控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多點、多站的通訊系統(tǒng)，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)?，F(xiàn)場總線將現(xiàn)場設(shè)備和控制器連接起來，可將控制分散在整個網(wǎng)內(nèi)，現(xiàn)場設(shè)備也可以通過現(xiàn)場總線直接供電。

　　該卷煙廠能源管理監(jiān)測系統(tǒng)主要用來實現(xiàn)該卷煙廠各部門233個點的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的匯總處理、耗能數(shù)據(jù)的實時顯示、時段數(shù)據(jù)的查詢、報表的打印和班次的考核等功能。

　　該系統(tǒng)采用德國西門子公司的現(xiàn)場控制設(shè)備SIMATIC PCS7系列產(chǎn)品搭建，其中包括1個S7－400主站和1個S7－300主站，下設(shè)9個ET200M子站，完成了蒸汽、空壓氣、水量和電量的233個點的采集任務(wù)。其中包括二期工程中的15個蒸汽流量，15個蒸汽壓力，15個蒸汽溫度，7個空壓氣流量，7個空壓氣壓力，9個水流量、131個電量和一期工程的2個蒸汽流量、2個蒸汽壓力、2個蒸汽溫度、1個用煤量、2個用油量、19個電量、3個水流量、1個空壓氣流量、1個空壓氣壓力、1個空壓氣溫度。PLC的編程使用西門子開發(fā)的STEP7編程軟件，下載到PLC的程序主要完成數(shù)據(jù)的存儲和計算。上位機(jī)組態(tài)同樣使用西門子公司的SIMATIC WINCC，通過形象的工控畫面在線監(jiān)視各部門耗能情況，實現(xiàn)時段查詢和耗能明細(xì)報表打印功能。為了更好的實現(xiàn)統(tǒng)計分析、成本核算和班次考核功能，我們使用Visual Basic6.0編制了能源監(jiān)測評估軟件，該軟件通過自編的OPC簡單程序與WINCC內(nèi)部集成的OPC程序接口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該軟件可對記錄的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行更細(xì)致分析，得到成本核算和班次考核結(jié)果，給各個部門的考核工作提供可靠依據(jù)，提高了管理水平。同時，通過該軟件繪制的各種能耗曲線圖，為分析生產(chǎn)耗能趨勢提供依據(jù)。

　　本系統(tǒng)可大體分為三部分：上位機(jī)、主站（300主站和400主站）及其子站（總共9個ET200M子站）如圖1所示。上位機(jī)由一臺服務(wù)器和三臺客戶機(jī)組成，我們把服務(wù)器并入企業(yè)網(wǎng)，因為西門子公司的上位機(jī)組態(tài)軟件WINCC內(nèi)置了OPC通訊功能，這樣，客戶機(jī)的擴(kuò)展變的異常容易和簡單：只需把計算機(jī)并入局域網(wǎng)，然后進(jìn)行簡單的設(shè)置就可以作為一臺客戶機(jī)使用。為了方便鍋爐操作工的工作，我們在鍋爐操作間和油爐操作間分別添加了一臺客戶機(jī)，實時顯示有關(guān)鍋爐操作的數(shù)據(jù)。為了企業(yè)管理層可以實時掌握生產(chǎn)耗能情況，我們在辦公樓設(shè)備管理處用同樣的方式添加了第三臺客戶機(jī)。400PLC主站及300站通過MPI協(xié)議與服務(wù)器相連。MPI可用于單元級和現(xiàn)場級，用它可以非常經(jīng)濟(jì)的連接少數(shù)站。400主站與其子站之間通過PROFIBUS-DP相連。這種組網(wǎng)方式可在保證數(shù)據(jù)采集性能要求的前提下，使硬件費用達(dá)到最低。數(shù)據(jù)采集過程大體如下：現(xiàn)場傳感器的輸出信號由各站信號模板采集、轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號然后通過通訊模塊送到400PLC主站，400PLC主站把各站送來的數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行各種運算、處理后通過MPI網(wǎng)絡(luò)傳到服務(wù)器?？蛻魴C(jī)和服務(wù)器之間通過OPC方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。PLC300站以滿足就近采集傳感器信號和高速計數(shù)器的要求。

　　PLC編程使用西門子公司編程軟件STEP7，上位機(jī)監(jiān)控使用西門子公司SIMATIC WINCC實現(xiàn)，統(tǒng)計辦公室的能源監(jiān)測評估應(yīng)用軟件使用Visual Basic6.0語言開發(fā)。STEP7編程實現(xiàn)PLC對過程數(shù)據(jù)的初步處理。上位軟件完成數(shù)據(jù)的實時顯示、能源消耗的當(dāng)日和當(dāng)月累積顯示、累積量的日、月、時段數(shù)據(jù)的查詢以及報表打印。統(tǒng)計辦公室的能源監(jiān)測評估程序完成班次的各項指標(biāo)考核任務(wù)，對廠內(nèi)的能源供應(yīng)部門的投入、產(chǎn)出及能源使用用戶單位的耗能情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，成本核算等，為提高廠內(nèi)能源管理使用水平提供了可信依據(jù)。

圖1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　3 能源監(jiān)控管理系統(tǒng)具體實現(xiàn)

　　3.1軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)PLC編程使用西門子公司編程軟件STEP7，上位機(jī)監(jiān)控使用西門子公司SIMATICWINCC實現(xiàn)，統(tǒng)計辦公室的能源監(jiān)測評估程序采用VisualBasic6.0語言編寫。

　　STEP7編程實現(xiàn)PLC對過程數(shù)據(jù)的初步處理。上位軟件完成數(shù)據(jù)的實時顯示、能源消耗的當(dāng)日和當(dāng)月累積顯示、累積量的日、月、時段數(shù)據(jù)的查詢以及報表打印。統(tǒng)計辦公室的能源監(jiān)測評估程序完成班次的各項指標(biāo)考核任務(wù)。

　　STEP7是用于SIMATICS7300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形邏輯圖、功能塊圖或語句表3種方式編寫具體程序。

　　在根據(jù)工程實際要求編程前，首先要確定系統(tǒng)中用到的主要硬件設(shè)備，比如PLC型號，信號采集模塊類型，通訊模塊等，并根據(jù)實際情況在STEP7的SIMATICManager窗口中，給工程添加相應(yīng)的硬件組態(tài)。把PLC主站與服務(wù)器通過CP5611網(wǎng)卡連接好，通過STEP7在線的將編好的PLC控制程序下載到PLC的CPU中，下面以S7-400PLC程序為例介紹。

　　該程序包括6個OB塊、20個FC塊、15個DB塊，完成對現(xiàn)場采集到的空壓氣、水蒸汽、電量和水量的數(shù)據(jù)的處理（包括蒸汽流量補(bǔ)償和蒸汽溫度計算），并記錄各個變量的累積量。

    （1）主程序（組織塊OB1）

      主程序流程圖：

　　用到的主要FC簡介：

　?、貴C1數(shù)據(jù)采集：將現(xiàn)場采集的數(shù)字量分別放入各個子站對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊中，等待處理。

　?、贔C10全局?jǐn)?shù)據(jù)分配：用于分配一些全局?jǐn)?shù)據(jù)，便于以后調(diào)用和修改，減少錯誤機(jī)率。程序中定義的M存儲區(qū)如表1所示：

　　表1 程序中定義的主要M存儲區(qū)

　?、跢C100累積量清零：用于將存放累積量的數(shù)據(jù)塊存儲單元清零。

　?、蹻C106功率線性化：調(diào)用FC107，實現(xiàn)對現(xiàn)場采集的功率信號根據(jù)量程轉(zhuǎn)換。

　?、軫C107功率線性化：功率千瓦值＝（現(xiàn)場數(shù)字量/27648）×功率表量程

　　（2）1S循環(huán)（組織塊OB32）

　　程序流程圖（如圖3）

　　用到的主要FC簡介：

　?、臚C3空壓氣流量補(bǔ)償：空壓氣的壓力范圍是3～8kg/cm2。調(diào)用FC104，Tf=MW20，Tn=273.15，Pf、Qf來自現(xiàn)場采集的已放入DB塊的數(shù)據(jù)，Pn=MD16。對空壓站空壓氣流量處理特殊，調(diào)用FC105。

　?、艶C4空壓氣累積：調(diào)用FC102，實現(xiàn)空壓氣流量的累加。

　　⑶FC5水蒸汽流量補(bǔ)償：水蒸汽的壓力范圍是3～13kg/cm2.調(diào)用FC104。

　?、菷C6水蒸汽溫度計算：調(diào)用FC101，通過水蒸汽壓力計算出水蒸汽溫度。

　　⑸FC7水蒸汽累積：調(diào)用FC102，實現(xiàn)水蒸汽流量的累加。

　?、蔉C8電量累積：調(diào)用FC103，實現(xiàn)電量的累積。 

　?、薋C9水量累積：調(diào)用FC103,對數(shù)據(jù)簡單累加。

　?、蘁C101水蒸汽溫度計算：根據(jù)水蒸汽壓力值查表得到水蒸汽溫度值。其中：水蒸汽壓力＝（現(xiàn)場數(shù)字信號/27648）×壓力表量程/0.098。通過水蒸汽標(biāo)況圖查表得到溫度值。

　?、虵C102氣體累積：累積量＝累積量＋氣體流量/MD34（MD34為3600.0，浮點數(shù)。考慮到流量單位是以小時為依據(jù)，因本系統(tǒng)累加循環(huán)是1秒鐘循環(huán)，所以將時間單位小時換算為秒）。

　?、蜦C103水電累積：累積量＝累積量＋水電流量/MD34（MD34為3600.0，浮點數(shù)?？紤]到流量單位是以小時為依據(jù)，因本系統(tǒng)累加循環(huán)是1秒鐘循環(huán)，所以將單位換算為秒）。

　?、螰C104氣體流量補(bǔ)償：

　　氣體壓力＝（現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號/27648）×壓力表量程＋1個大氣壓對應(yīng)的Mpa值

　　氣體絕對溫度＝氣體攝氏溫度＋273

　　補(bǔ)償后氣體流量＝補(bǔ)償前氣體流量現(xiàn)場數(shù)字量×（氣體壓力/所需氣體壓力）×（氣體所需溫度/氣體絕對溫度）

　?、蠪C105空壓站空壓氣流量補(bǔ)償：

　　空壓氣壓力＝（現(xiàn)場數(shù)字量/27648）×壓力表量程＋1個大氣壓對應(yīng)的Mpa值

　　空壓氣補(bǔ)償后流量＝補(bǔ)償前采自現(xiàn)場沒經(jīng)過線性化的流量信號×空壓氣壓力×[273.15/（0.10135×空壓氣絕對溫度）]

　?。?）500ms循環(huán)（OB33）

　　調(diào)用FC42完成脈沖電量信號的累積。FC42主要用來完成對計數(shù)器的控制。對每個變量使用兩個計數(shù)器，每個計數(shù)器計數(shù)最高值為999，利用兩個計數(shù)器可以提高計數(shù)總量。用電量（度）=脈沖個數(shù)/1000×變比。為提高計數(shù)精度，用四個DBW存放采集到的電量。各個電量的存放位置列于表2和表3中。

表2 空壓站電量存儲區(qū)對照表

表3 薄片車間電量存儲區(qū)對照表

　　3.2 系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)的具體結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)大體結(jié)構(gòu)是：主站通過PROFIBUS-DP和下面的各個子站相連，完成數(shù)據(jù)的傳輸。300和400主站通過MPI協(xié)議與上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡相聯(lián)，并把服務(wù)器納入企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)，這樣使得客戶機(jī)的擴(kuò)展變得異常簡單，只需將計算機(jī)納入局域網(wǎng)，再通過WINCC中自帶的OPC讀寫協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享即可。為了能實時的掌握生產(chǎn)情況，我們利用廠區(qū)局域網(wǎng)在鍋爐房、油爐房和設(shè)備管理處連接了3個操作站。為了能更好的完成考核和統(tǒng)計工作，在統(tǒng)計辦公室用同樣的方法即通過廠區(qū)現(xiàn)有的局域網(wǎng)和WINCC內(nèi)部集成的OPC連接了一個操作站，再通過WINCC.Client與這臺操作站上用VB6.0開發(fā)的能源監(jiān)測評估系統(tǒng)通訊，這兩者之間的通訊是通過在VB中開發(fā)的OPC客戶端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　4 統(tǒng)計辦公室能源監(jiān)測評估程序的設(shè)計

　　4.1與服務(wù)器的通訊連接

　　由于統(tǒng)計辦公室要對各個部門進(jìn)行月結(jié)考核，并據(jù)此進(jìn)行獎金的評估，所以其要求更為復(fù)雜。它需要記錄鍋爐房，空壓站，薄片車間，總配電室的70多個量的變化并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理來實現(xiàn)對各部門各班次工人的考核，同時需要計算生產(chǎn)成本并打印詳細(xì)月報表等。如果用上位組態(tài)軟件WINCC來滿足這么多細(xì)致的要求，工作量十分大，而且由于WINCC自身的很多性能特點，也很難實現(xiàn)和滿足廠方的要求。所以考慮到在統(tǒng)計報表及訪問數(shù)據(jù)庫方面VisualBasic6.0具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)操作功能，于是該系統(tǒng)采用VB6.0結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)。在通訊方面客戶機(jī)與服務(wù)器的通訊采用了服務(wù)器上的Wincc.Client與Wincc.Server上的WINCC內(nèi)部集成的OPC互相通訊的方式，而客戶機(jī)上的VisualBasic6.0與本機(jī)上的Wincc.Client的通訊則是通過在VB中開發(fā)OPC客戶端程序?qū)崿F(xiàn)的。

　　具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5中所示的Wincc.Client的角色非常特殊，它對于圖中所示的Wincc.Server來說是客戶端，而對于該能源管理軟件來說則成了服務(wù)器端。這樣做的目的是為了更好的利用WINCC內(nèi)部集成的OPC來進(jìn)行比較復(fù)雜的通訊，只在簡單部分使用VB的OPC客戶端應(yīng)用程序。

　　4.2能源監(jiān)測評估程序基本功能

　　系統(tǒng)要完成三大部門的監(jiān)測與管理的功能（如圖6所示）。監(jiān)測部分要完成70多個量的實時監(jiān)測與累計，并顯示出各個瞬時量的實時曲線；管理部分要完成統(tǒng)計計算，統(tǒng)計報表，成本核算，數(shù)據(jù)分析，錯誤列表，數(shù)據(jù)備份，參數(shù)設(shè)置，導(dǎo)入Excel表等幾大功能。要具備完善的數(shù)據(jù)匯總功能還要具有較完善的查詢功能及數(shù)據(jù)庫的維護(hù)功能，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫查詢的設(shè)計。

圖6 監(jiān)測和管理功能圖

　　系統(tǒng)完成如下功能：通過OPC客戶端程序與本機(jī)上的WINCC客戶端進(jìn)行通訊，每當(dāng)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)有變化時，客戶端的WINCC上的數(shù)據(jù)也隨之發(fā)生變化，相應(yīng)的管理軟件上的數(shù)據(jù)也發(fā)生變化，從而進(jìn)行實時的監(jiān)測。每四分鐘把所有的瞬時量讀入4分鐘數(shù)據(jù)庫中，用來劃出時實曲線，每半小時把所有量（包括瞬時量和累計量）讀入半小時數(shù)據(jù)庫，通過統(tǒng)計計算生成8小時數(shù)據(jù)庫和天數(shù)據(jù)庫。之所以要生成這兩個中間數(shù)據(jù)庫，是因為要對每個班次進(jìn)行考核和滿足日后的日查詢功能。該卷煙廠的生產(chǎn)車間共分為甲、乙、丙3個班次，每個班次工作8小時，所以建立了8小時數(shù)據(jù)庫；在今后的查詢功能中都是以日查詢?yōu)榛A(chǔ)的，所以又建立了24小時數(shù)據(jù)庫。通過這兩個中間數(shù)據(jù)庫，可對各個部門的數(shù)據(jù)按要求顯示報表，計算各個部門的成本或消耗，并按條件選擇進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，以供用戶對各個部門生產(chǎn)狀況進(jìn)行分析比較，并可以以棒圖和餅圖兩種方式形象的顯示。在數(shù)據(jù)采集的過程中，各個監(jiān)測量越限錯誤狀態(tài)也被實時的寫入錯誤列表，并可按選擇的條件進(jìn)行錯誤列表的查詢。當(dāng)進(jìn)入新的一年時，可執(zhí)行備份功能將不需要分析的數(shù)據(jù)備份至備份庫中。為了方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理分析，還可將各個部門的數(shù)據(jù)按要求與EXCEL表鏈接，生成EXCEL表格式的文件。

　　5 結(jié)束語

　　能源監(jiān)測管理系統(tǒng)，是一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)，包括現(xiàn)場信號的采集和傳輸、PLC子站與主站之間的通訊、主站與上位機(jī)的通訊、客戶機(jī)的擴(kuò)展和主機(jī)的通訊、數(shù)據(jù)的處理、報表打印、生產(chǎn)成本核算和班次考核等內(nèi)容。實現(xiàn)了實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、成本核算和報表打印等功能。該系統(tǒng)的投入使用給用戶提供了生產(chǎn)過程中詳細(xì)的能源、物料消耗情況，使用戶可以及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，以便最大限度地提高能源、物料的利用率，達(dá)到全面節(jié)能降耗的目的。

　　作者簡介：

　　胡曉峰 男 在讀碩士研究生 主要研究方向：機(jī)電一體化