【摘要】

　　本文對某卷煙廠能源監測管理系統作了詳細介紹，主要分為系統的硬件設計、軟件設計，和通訊網絡的連接三部分。該系統已在該卷煙廠投入使用，實際運行狀況良好。本系統給用戶提供了生產過程中詳細的能源、物料消耗情況，使用戶可以及時發現問題，解決問題，以便最大限度地提高能源、物料的利用率，達到全面節能降耗的目的，與此同時經濟效率和管理水平也得到了提高。

　　關鍵詞：DCS 現場總線 能源監測 Visual Basic

　　1 引言

　　煙草行業向來是耗能大戶，隨著國外先進技術和成套設備的大量引進，卷煙生產從過去的低速手工生產發展到高速全自動生產，對能源的需求越來越大。例如：卷煙生產要求車間保持恒溫、恒濕，這將直接影響煙絲的質量，決定了成品煙的質量，所以需要大量的空調設備和除塵設備，再加上生產設備的耗電，這意味著煙草行業對電量的需求是相當大的。煙草行業的生產設備多是依靠氣體的推動力生產，那么要生產設備所需要的氣體，要消耗煤、油把水加熱成蒸汽，或是通過耗電能的設備把空氣壓縮生成空壓氣。可見大型的卷煙生產廠每天都要消耗大量的能源，因此降低能源的損耗、合理調配能源將直接提高其生產效益。

　　隨著市場經濟的逐漸深入，采用計算機輔助管理系統的觀念越來越深入人心。為了減輕員工的負擔提高工作的效率，完善自己的經營管理，該卷煙廠決定建立自己的計算機輔助管理系統，主要完成能源的監測管理功能。建立該監測管理系統可以給企業帶來巨大的效益。具體地可以帶來如下好處：

　　(1)使用本系統能使用戶全面了解生產過程的能源、物料消耗情況，及時發現問題，并解決問題，以便最大限度地提高能源、物料的利用率，從而達到全面節能降耗的目的，與此同時也就提高了經濟效率和管理水平。

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

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

　　2 能源監控管理系統總體設計

　　要合理使用和調配能源的前提是要清楚的了解能源的使用情況，這就需要把生產現場的實時耗能數據采集匯總。一個大型的煙草生產企業，要采集數據的地點分布在整個廠區，而且數量也很多，在數據采集和傳輸方面需解決分布廣，數量多的問題。為了解決這個問題，在傳統的DCS系統上，嘗試引進了現場總線技術，提出了基于現場總線的DCS控制系統。現場總線技術是當今工業自動化領域技術發展的熱點，適用于現場儀表、控制系統和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多點、多站的通訊系統，被譽為自動化領域的計算機局域網。現場總線將現場設備和控制器連接起來，可將控制分散在整個網內，現場設備也可以通過現場總線直接供電。

　　該卷煙廠能源管理監測系統主要用來實現該卷煙廠各部門233個點的數據采集、數據的匯總處理、耗能數據的實時顯示、時段數據的查詢、報表的打印和班次的考核等功能。

　　該系統采用德國西門子公司的現場控制設備SIMATIC PCS7系列產品搭建，其中包括1個S7－400主站和1個S7－300主站，下設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。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的STEP7編程軟件，下載到PLC的程序主要完成數據的存儲和計算。上位機組態同樣使用西門子公司的SIMATIC WINCC，通過形象的工控畫面在線監視各部門耗能情況，實現時段查詢和耗能明細報表打印功能。為了更好的實現統計分析、成本核算和班次考核功能，我們使用Visual Basic6.0編制了能源監測評估軟件，該軟件通過自編的OPC簡單程序與WINCC內部集成的OPC程序接口相連進行數據傳輸。該軟件可對記錄的現場數據進行更細致分析，得到成本核算和班次考核結果，給各個部門的考核工作提供可靠依據，提高了管理水平。同時，通過該軟件繪制的各種能耗曲線圖，為分析生產耗能趨勢提供依據。

　　本系統可大體分為三部分：上位機、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。上位機由一臺服務器和三臺客戶機組成，我們把服務器并入企業網，因為西門子公司的上位機組態軟件WINCC內置了OPC通訊功能，這樣，客戶機的擴展變的異常容易和簡單：只需把計算機并入局域網，然后進行簡單的設置就可以作為一臺客戶機使用。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，實時顯示有關鍋爐操作的數據。為了企業管理層可以實時掌握生產耗能情況，我們在辦公樓設備管理處用同樣的方式添加了第三臺客戶機。400PLC主站及300站通過MPI協議與服務器相連。MPI可用于單元級和現場級，用它可以非常經濟的連接少數站。400主站與其子站之間通過PROFIBUS-DP相連。這種組網方式可在保證數據采集性能要求的前提下，使硬件費用達到最低。數據采集過程大體如下：現場傳感器的輸出信號由各站信號模板采集、轉化為相應的數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據按要求進行各種運算、處理后通過MPI網絡傳到服務器。客戶機和服務器之間通過OPC方式進行數據的傳遞。PLC300站以滿足就近采集傳感器信號和高速計數器的要求。

　　PLC編程使用西門子公司編程軟件STEP7，上位機監控使用西門子公司SIMATIC WINCC實現，統計辦公室的能源監測評估應用軟件使用Visual Basic6.0語言開發。STEP7編程實現PLC對過程數據的初步處理。上位軟件完成數據的實時顯示、能源消耗的當日和當月累積顯示、累積量的日、月、時段數據的查詢以及報表打印。統計辦公室的能源監測評估程序完成班次的各項指標考核任務，對廠內的能源供應部門的投入、產出及能源使用用戶單位的耗能情況進行統計分析，成本核算等，為提高廠內能源管理使用水平提供了可信依據。

圖1  系統總體結構圖

　　3 能源監控管理系統具體實現

　　3.1軟件設計

　　本系統PLC編程使用西門子公司編程軟件STEP7，上位機監控使用西門子公司SIMATICWINCC實現，統計辦公室的能源監測評估程序采用VisualBasic6.0語言編寫。

　　STEP7編程實現PLC對過程數據的初步處理。上位軟件完成數據的實時顯示、能源消耗的當日和當月累積顯示、累積量的日、月、時段數據的查詢以及報表打印。統計辦公室的能源監測評估程序完成班次的各項指標考核任務。

　　STEP7是用于SIMATICS7300/400站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件，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。

　　在根據工程實際要求編程前，首先要確定系統中用到的主要硬件設備，比如PLC型號，信號采集模塊類型，通訊模塊等，并根據實際情況在STEP7的SIMATICManager窗口中，給工程添加相應的硬件組態。把PLC主站與服務器通過CP5611網卡連接好，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，完成對現場采集到的空壓氣、水蒸汽、電量和水量的數據的處理（包括蒸汽流量補償和蒸汽溫度計算），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：

　　①FC1數據采集：將現場采集的數字量分別放入各個子站對應的數據塊中，等待處理。

　　②FC10全局數據分配：用于分配一些全局數據，便于以后調用和修改，減少錯誤機率。程序中定義的M存儲區如表1所示：

　　表1 程序中定義的主要M存儲區

　　③FC100累積量清零：用于將存放累積量的數據塊存儲單元清零。

　　④FC106功率線性化：調用FC107，實現對現場采集的功率信號根據量程轉換。

　　⑤FC107功率線性化：功率千瓦值＝（現場數字量/27648）×功率表量程

　　（2）1S循環（組織塊OB32）

　　程序流程圖（如圖3）

　　用到的主要FC簡介：

　　⑴FC3空壓氣流量補償：空壓氣的壓力范圍是3～8kg/cm2。調用FC104，Tf=MW20，Tn=273.15，Pf、Qf來自現場采集的已放入DB塊的數據，Pn=MD16。對空壓站空壓氣流量處理特殊，調用FC105。

　　⑵FC4空壓氣累積：調用FC102，實現空壓氣流量的累加。

　　⑶FC5水蒸汽流量補償：水蒸汽的壓力范圍是3～13kg/cm2.調用FC104。

　　⑷FC6水蒸汽溫度計算：調用FC101，通過水蒸汽壓力計算出水蒸汽溫度。

　　⑸FC7水蒸汽累積：調用FC102，實現水蒸汽流量的累加。

　　⑹FC8電量累積：調用FC103，實現電量的累積。 

　　⑺FC9水量累積：調用FC103,對數據簡單累加。

　　⑻FC101水蒸汽溫度計算：根據水蒸汽壓力值查表得到水蒸汽溫度值。其中：水蒸汽壓力＝（現場數字信號/27648）×壓力表量程/0.098。通過水蒸汽標況圖查表得到溫度值。

　　⑼FC102氣體累積：累積量＝累積量＋氣體流量/MD34（MD34為3600.0，浮點數。考慮到流量單位是以小時為依據，因本系統累加循環是1秒鐘循環，所以將時間單位小時換算為秒）。

　　⑽FC103水電累積：累積量＝累積量＋水電流量/MD34（MD34為3600.0，浮點數。考慮到流量單位是以小時為依據，因本系統累加循環是1秒鐘循環，所以將單位換算為秒）。

　　⑾FC104氣體流量補償：

　　氣體壓力＝（現場數據信號/27648）×壓力表量程＋1個大氣壓對應的Mpa值

　　氣體絕對溫度＝氣體攝氏溫度＋273

　　補償后氣體流量＝補償前氣體流量現場數字量×（氣體壓力/所需氣體壓力）×（氣體所需溫度/氣體絕對溫度）

　　⑿FC105空壓站空壓氣流量補償：

　　空壓氣壓力＝（現場數字量/27648）×壓力表量程＋1個大氣壓對應的Mpa值

　　空壓氣補償后流量＝補償前采自現場沒經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）]

　　（3）500ms循環（OB33）

　　調用FC42完成脈沖電量信號的累積。FC42主要用來完成對計數器的控制。對每個變量使用兩個計數器，每個計數器計數最高值為999，利用兩個計數器可以提高計數總量。用電量（度）=脈沖個數/1000×變比。為提高計數精度，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 空壓站電量存儲區對照表

表3 薄片車間電量存儲區對照表

　　3.2 系統通訊網絡的具體結構

　　本系統的通訊系統大體結構是：主站通過PROFIBUS-DP和下面的各個子站相連，完成數據的傳輸。300和400主站通過MPI協議與上位機的數據采集卡相聯，并把服務器納入企業的網絡，這樣使得客戶機的擴展變得異常簡單，只需將計算機納入局域網，再通過WINCC中自帶的OPC讀寫協議實現數據的共享即可。為了能實時的掌握生產情況，我們利用廠區局域網在鍋爐房、油爐房和設備管理處連接了3個操作站。為了能更好的完成考核和統計工作，在統計辦公室用同樣的方法即通過廠區現有的局域網和WINCC內部集成的OPC連接了一個操作站，再通過WINCC.Client與這臺操作站上用VB6.0開發的能源監測評估系統通訊，這兩者之間的通訊是通過在VB中開發的OPC客戶端應用程序實現的，如圖4所示。

圖4 系統數據網絡結構圖

　　4 統計辦公室能源監測評估程序的設計

　　4.1與服務器的通訊連接

　　由于統計辦公室要對各個部門進行月結考核，并據此進行獎金的評估，所以其要求更為復雜。它需要記錄鍋爐房，空壓站，薄片車間，總配電室的70多個量的變化并進行相應的數據處理來實現對各部門各班次工人的考核，同時需要計算生產成本并打印詳細月報表等。如果用上位組態軟件WINCC來滿足這么多細致的要求，工作量十分大，而且由于WINCC自身的很多性能特點，也很難實現和滿足廠方的要求。所以考慮到在統計報表及訪問數據庫方面VisualBasic6.0具有強大的數據操作功能，于是該系統采用VB6.0結合Access數據庫進行開發。在通訊方面客戶機與服務器的通訊采用了服務器上的Wincc.Client與Wincc.Server上的WINCC內部集成的OPC互相通訊的方式，而客戶機上的VisualBasic6.0與本機上的Wincc.Client的通訊則是通過在VB中開發OPC客戶端程序實現的。

　　具體結構如圖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器端。這樣做的目的是為了更好的利用WINCC內部集成的OPC來進行比較復雜的通訊，只在簡單部分使用VB的OPC客戶端應用程序。

　　4.2能源監測評估程序基本功能

　　系統要完成三大部門的監測與管理的功能（如圖6所示）。監測部分要完成70多個量的實時監測與累計，并顯示出各個瞬時量的實時曲線；管理部分要完成統計計算，統計報表，成本核算，數據分析，錯誤列表，數據備份，參數設置，導入Excel表等幾大功能。要具備完善的數據匯總功能還要具有較完善的查詢功能及數據庫的維護功能，在此基礎上，進行大量數據分析和網絡數據庫查詢的設計。

圖6 監測和管理功能圖

　　系統完成如下功能：通過OPC客戶端程序與本機上的WINCC客戶端進行通訊，每當服務器上的數據有變化時，客戶端的WINCC上的數據也隨之發生變化，相應的管理軟件上的數據也發生變化，從而進行實時的監測。每四分鐘把所有的瞬時量讀入4分鐘數據庫中，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）讀入半小時數據庫，通過統計計算生成8小時數據庫和天數據庫。之所以要生成這兩個中間數據庫，是因為要對每個班次進行考核和滿足日后的日查詢功能。該卷煙廠的生產車間共分為甲、乙、丙3個班次，每個班次工作8小時，所以建立了8小時數據庫；在今后的查詢功能中都是以日查詢為基礎的，所以又建立了24小時數據庫。通過這兩個中間數據庫，可對各個部門的數據按要求顯示報表，計算各個部門的成本或消耗，并按條件選擇進行數據計算，以供用戶對各個部門生產狀況進行分析比較，并可以以棒圖和餅圖兩種方式形象的顯示。在數據采集的過程中，各個監測量越限錯誤狀態也被實時的寫入錯誤列表，并可按選擇的條件進行錯誤列表的查詢。當進入新的一年時，可執行備份功能將不需要分析的數據備份至備份庫中。為了方便對數據進行進一步的處理分析，還可將各個部門的數據按要求與EXCEL表鏈接，生成EXCEL表格式的文件。

　　5 結束語

　　能源監測管理系統，是一套完整的監控系統，包括現場信號的采集和傳輸、PLC子站與主站之間的通訊、主站與上位機的通訊、客戶機的擴展和主機的通訊、數據的處理、報表打印、生產成本核算和班次考核等內容。實現了實時監控、數據統計、成本核算和報表打印等功能。該系統的投入使用給用戶提供了生產過程中詳細的能源、物料消耗情況，使用戶可以及時發現問題，解決問題，以便最大限度地提高能源、物料的利用率，達到全面節能降耗的目的。

　　作者簡介：

　　胡曉峰 男 在讀碩士研究生 主要研究方向：機電一體化