田豐

摘 要： 為了企業(yè)節(jié)能減排和生產管理的需要，設計與實現(xiàn)了一種基于全集成自動化理念的能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對現(xiàn)場能耗設備進行實時控制和數據收集，并通過數據同步分析，進而協(xié)調和優(yōu)化企業(yè)的生產過程，使自動化與制造管理、企業(yè)管理、供應鏈管理建立起無縫連接。在此從系統(tǒng)架構、硬件和軟件設計、關鍵技術等方面進行了闡述。結果表明，該設計達到了預期目標。

關鍵詞： 全集成自動化； 能耗監(jiān)控； 實時控制； 數據收集

中圖分類號： TN711?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0097?04

Design of energy consumption monitoring and management

system based on totally integrated automation

TIAN Feng

（Lab of Observation and Control Technology， China Aircraft Strength Research Institute， Xian 710065， China）

Abstract： In order to meet the demands of energy conservation and production management， an energy consumption monitoring and management system based on totally integrated automation （TIA） conception was designed and implemented. The system can execute real?time control and data collection of on?site energy consumption equipments， and coordinate and optimize the production process as well through the data synchronization analysis， so as to establish the seamless connection of the automation with manufacturing management， business management and supply chain management. In this paper， the system architecture， hardware design， software design and key technologies are discusses.

Keywords： totally integrated automation； energy consumption monitoring； real?time control； data collection

0 引 言

現(xiàn)在，節(jié)約能源、降低能耗已經成為企業(yè)發(fā)展和增效的重要環(huán)節(jié)之一。以某企業(yè)為例，能耗設備主要為進行產品熱處理的電加溫爐、氣加溫爐。加溫爐上配有用于溫度控制的溫控儀表和用于能耗檢測的電能表、氣量表，這些儀表不具備通信功能。每臺加溫爐采用傳統(tǒng)的單臺儀表控制，對工藝要求的升溫曲線難以監(jiān)測和優(yōu)化，從而導致無法采取針對性的節(jié)能措施；設備的能耗檢測數據通過人工方式收集，工作效率低易出錯，不利于核算批量產品的生產成本。

針對這種情況，提出開發(fā)一套能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)作為企業(yè)信息化的重要組成部分，不僅能夠實時監(jiān)控設備能耗，還能對采集的數據進行統(tǒng)計和分析，從而優(yōu)化生產工藝，達到節(jié)能增效的目的。

1 總體設計

1.1 全集成自動化

目前企業(yè)的自動化技術已經從單機控制發(fā)展到全集成自動化，其拓撲結構如圖1所示，全集成自動化是一種開放的設計理念，為企業(yè)實現(xiàn)了IT和商務的信息集成，通過同步分析、協(xié)調和優(yōu)化企業(yè)的生產，使自動化與制造管理、企業(yè)管理、供應鏈管理建立了無縫連接，從而全面增強企業(yè)的核心競爭力。

1.2 方案設計

能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)的設計基于全集成自動化理念，根據任務的不同，將整個系統(tǒng)劃分為三級，即工廠級、車間級、設備級，如圖2所示。

圖2 能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)架構

（1） 設備級的任務為通過高精度控溫儀表進行溫度控制；通過PLC以現(xiàn)場總線方式集中下發(fā)溫度控制的PID參數，集中采集現(xiàn)場的各種溫控儀、電能表和氣量表的數據，并通過以太網傳輸給車間級上位計算機。

（2） 車間級的任務為通過組態(tài)軟件完成人機交互，即控制參數設置、實時數據及曲線的顯示；記錄數據，形成實時歸檔數據庫；記錄操作人員的工作過程等，以保證生產工藝穩(wěn)定、完整可靠的實施，并將能耗分配到單批產品。

（3） 工廠級兼有歷史歸檔數據庫和Web服務器兩項功能，將各個車間級的上傳數據匯總到歷史歸檔數據庫，根據能耗管理、設備管理、生產管理的需要建庫存儲，并進行數據處理生成各種報表、工藝優(yōu)化和成本分析報告；Web服務器采用客戶/服務器模式，提供基于IE瀏覽器的企業(yè)園區(qū)網的能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)查詢、瀏覽和打印。

對應系統(tǒng)設計的三個層次，系統(tǒng)實現(xiàn)的技術路徑有：采用精密控制儀表、計量儀表以及電氣控制元件完成現(xiàn)場測量控制功能；采用現(xiàn)場總線技術及組態(tài)管理技術完成集中控制、能耗采集；采用網絡通信技術及數據庫技術實現(xiàn)系統(tǒng)信息管理。因此，系統(tǒng)實現(xiàn)的特點是需要多種自動化技術的綜合運用，最終達到整個系統(tǒng)的融合統(tǒng)一。

2 系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)的硬件功能和組成劃分為6層，從底層往上看分別為：

（1） 儀表測控層：采用具備通信功能的溫控儀、電能表和氣量表，通常在工業(yè)現(xiàn)場儀表采用的是串行總線Modbus 485通信協(xié)議，此協(xié)議支持的通信速率較低和點數較少。

（2） 數據總線轉換層：現(xiàn)場總線采用Profibus?DP協(xié)議，最大支持128點，傳輸速率最大12 MB/s，能夠支持大量的實時數據匯總；通過總線橋完成DP協(xié)議和Modbus 485協(xié)議之間的數據轉換，總線橋在DP側作為從站，在Modbus側為主站，而通信儀表為Modbus側從站。

（3） 集中控制層：采用PLC實現(xiàn)對所有在線的通信儀表的數據采集，控制參數的下發(fā)；可通過局域網與上位機車間級服務器進行數據交互；PLC的數量根據系統(tǒng)容量需求可擴展。

（4） 本地工作站層：架設車間級服務器計算機，可運行組態(tài)管理軟件進行控制參數下發(fā)，實時數據采集、顯示；對實時數據進行歸檔，并上傳給歷史歸檔數據庫。

（5） 網絡通信層：采用交換機或路由器，實現(xiàn)工廠園區(qū)的以太網絡通信，根據實際情況與前兩層的局域網可分離也可并網。

（6） 核心管理層：架設工廠級服務器計算機，運行數據庫管理軟件和Web服務器，生成和提供所有底層設備的數據庫資源，以及IE瀏覽器服務平臺。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件設計綜述

由于能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)是多級平臺組成，所以不同的應用層必須有相應的支持軟件。應用軟件包括總線橋協(xié)議轉換軟件、PLC測控軟件、車間組態(tài)管理軟件、工廠級Web服務器及客戶端軟件。它的開發(fā)環(huán)境如下：

（1） 操作系統(tǒng)：Windows 2000 Server；

（2） PLC編程環(huán)境：Siemens Simatic Step7；

（3） 通信開發(fā)環(huán)境：Siemens Simatic Net；

（4） 組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境：Siemens Simatic WinCC；

（5） 數據庫管理系統(tǒng)：SQL Server 2000；

（6） Web客戶端開發(fā)工具：Delphi 7.0。

下面主要介紹車間組態(tài)管理軟件和工廠級Web服務器軟件的設計。

3.2 車間組態(tài)管理軟件

該軟件是對現(xiàn)場數據采集和對現(xiàn)場儀器儀表進行過程控制的專用軟件，由WinCC組態(tài)軟件開發(fā)平臺開發(fā)。組態(tài)管理軟件功能包括現(xiàn)場設備配置組態(tài)、現(xiàn)場數據采集、讀取/下發(fā)設備的控制參數、歸檔數據庫、車間報表分析等，組態(tài)管理軟件數據流如圖3所示。

WinCC數據庫歸檔和溫控儀參數設置界面如圖4所示。

3.3 工廠級Web服務器軟件

在WinCC?Web服務器上建立WinCC管理工程，設置訪問Web服務器的客戶，依據客戶類型分配不同的訪問權限，達到管理的目標。在WinCC?Web服務器上建立系統(tǒng)管理畫面。Web服務器數據流圖見圖5。

客戶端軟件結合數據庫和IE瀏覽器可以進行多種條件查詢方式，為用戶提供所需的數據分析。查詢界面如圖6所示。

4 關鍵技術說明

4.1 總線橋組態(tài)

要實現(xiàn)全集成自動化，首先必須實現(xiàn)企業(yè)的信息化：即實現(xiàn)工廠的信息集成，特別是工廠底層設備及生產信息的縱向集成。具體說就是能夠實現(xiàn)工廠管理層對車間底層生產數據的縱向透明存取?，F(xiàn)場數據采集和通信是實現(xiàn)工廠縱向信息集成的技術基礎，也是硬件設計的核心?，F(xiàn)場數據采集示意圖如圖7所示。

首先將現(xiàn)場加溫爐的溫控儀、電能表、氣量表通過總線橋與PLC等現(xiàn)場控制設備連接到Profibus?DP總線上，再由PLC和車間WinCC服務器連接，實現(xiàn)對數據的采集。PLC和WinCC服務器的連接可以采用Profibus?DP通信，也可使用以太網通信。

總線橋的組態(tài)方法如下：選擇圖8中的Profibus（1）總線，添加DP從站，即PB?B?MM/34網關，添加DP從站過程中可對從站地址進行設置。單擊硬件組態(tài)窗口中的按鈕（或選擇菜單“Station->Save and Compile）保存并編譯組態(tài)信息。

4.2 WinCC數據庫與Web通用數據庫轉換

Web程序開發(fā)的主要任務是對WinCC歸檔的數據進行統(tǒng)計分析（報表），同時通過客戶端完成部分能源資料的建立及客戶端報表生成。在工廠級Web服務器軟件開發(fā)時，由于WinCC的歷史歸檔數據庫為壓縮結構數據，只能通過WinCC的組件打開，不便于通用瀏覽器B/S方式的軟件開發(fā)。因此，在Web服務器建立第三方開發(fā)的數據庫，然后將WinCC的數據動態(tài)導入第三方開發(fā)數據庫。

5 結 語

本文介紹的基于全集成自動化理念的能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)設計具有以下特點：

（1） 對數據信息流的加工處理貫穿系統(tǒng)全局，三層結構功能劃分合理可行；系統(tǒng)采用分布式結構，按功能區(qū)域劃分，模塊化設計，系統(tǒng)可擴展性強。

（2） 系統(tǒng)實現(xiàn)涉及到多種工業(yè)自動化技術的綜合運用，主要有現(xiàn)場總線技術、Modbus協(xié)議和Profibus?DP協(xié)議轉換技術、PLC技術、組態(tài)軟件開發(fā)、數據庫管理、網絡通信、B/S技術等。

（3） 此系統(tǒng)的應用顯著提高了企業(yè)成本控制和管理效率，具有廣泛的應用前景。

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