牟海闊 張紅剛 譚里民 黃弋蘅 史章潞 陳太波 馬庭堯

摘 要：介紹了涂裝車間能源管理的現(xiàn)狀，目前的管理方法無法有效的應(yīng)對(duì)精細(xì)化的節(jié)能降耗的需求。詳細(xì)描述了通過自主編程實(shí)現(xiàn)能源管理信息系統(tǒng)的過程，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)可視化過程，并且給出了每一步的配置方案。探討了在自主開發(fā)的能源管理系統(tǒng)的監(jiān)控過程中所發(fā)現(xiàn)的節(jié)能案例，并且構(gòu)建了相應(yīng)的能源管理體系，為節(jié)能降耗提供了豐富的案例支撐。

關(guān)鍵詞：汽車涂裝;能源管理;節(jié)能減排

中圖分類號(hào)：TP315 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）20-151-05

Abstract： The current situation of energy management in painting workshop is introduced. The current management method can not effectively meet the demand of refined energy saving and consumption reduction. The process of realizing energy management information system through independent programming is described in detail， including data collection， data storage， data visualization process， and the configuration scheme of each step is given. This paper discusses the energy- saving cases found in the monitoring process of self-developed energy management system， and constructs the corresponding energy management system， which provides rich case support for energy conservation and consumption reduction.

Keywords： Automobile coating; Energy management; Energy saving and emission reduction

CLC NO.： TP315 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-151-05

1 能源管理系統(tǒng)背景

2018年一汽-大眾成都分公司總能耗金額達(dá)到2.3億元，其中沖壓、焊裝、涂裝、總裝車間累計(jì)能耗達(dá)到1.5億元。在四大車間中題注總能耗費(fèi)用為0.89億元，占到了四大車間中的58.6%，是生產(chǎn)中能耗最高的過程。在2019年上半年實(shí)際生產(chǎn)中，電能6次、燃?xì)?次、工業(yè)水2次未完成月度能源單耗目標(biāo)，如圖1所示。目前的車間能源管理缺乏有效的監(jiān)控手段，無法回答具體如下的問題：“在什么時(shí)間，哪個(gè)功能組的哪一個(gè)電柜，由于何種原因?qū)е铝硕嗌倌茉吹漠惓Ｏ摹薄Ｒ虼藶榱诉_(dá)到精細(xì)管理的目的，開發(fā)一個(gè)能源管理信息系統(tǒng)就顯得尤為必要。

2 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

能源管理系統(tǒng)的技術(shù)路線是：利用Wincc完成現(xiàn)場(chǎng)58個(gè)PLC能耗數(shù)據(jù)的采集;利用MS SQL server作為數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ);利用Excel VBA進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、歸類及可視化。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集

使用Wincc配置了與現(xiàn)場(chǎng)PLC的連接，在此基礎(chǔ)上建立與每一個(gè)計(jì)量表通訊的變量，以每秒一次的頻率對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的158塊計(jì)量表進(jìn)行信息采集。并且利用VBS腳本通過ODBC（Open Database Connectivity開放數(shù)據(jù)庫互連）這個(gè)API建立與數(shù)據(jù)庫的通訊如圖3所示。通過編寫VBS腳本將現(xiàn)場(chǎng)所有儀表的實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)寫入到SQL server數(shù)據(jù)庫中，如圖4所示。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

建立了能源管理的數(shù)據(jù)庫，在該數(shù)據(jù)庫中不僅保存了每一個(gè)能源表的歷史數(shù)據(jù)，還保存了該計(jì)量表的屬性數(shù)據(jù)，例如該表所屬的功能組、區(qū)域、以及所計(jì)量的能源類型等，為下一步的數(shù)據(jù)切片、分類匯總等提供基礎(chǔ)信息。如圖5所示。

2.3 數(shù)據(jù)可視化

利用Excel VBA中的ADO（Active Data Objects）方式訪問數(shù)據(jù)庫。通過調(diào)用SQL server中預(yù)先定義的存儲(chǔ)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了以能源類型、功能組、區(qū)域，生產(chǎn)線為區(qū)分維度的數(shù)據(jù)透視功能。如圖6所示。

以上的技術(shù)架構(gòu)由于采用的是現(xiàn)場(chǎng)已有的軟件實(shí)現(xiàn)了整個(gè)通訊過程，零成本，經(jīng)濟(jì)性好。而且預(yù)留了相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，可以快速的實(shí)現(xiàn)功能拓展。

3 核心技術(shù)方案

3.1 S7連接的建立

將PLC的以太網(wǎng)口開放，并且配置功能組之間的S7連接，通過調(diào)用通訊功能塊BSEND/BRCV實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的匯總。

3.2 Wincc及VBS腳本配置

Wincc及VBS腳本配置是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的核心，其控制框架如下圖7所示：

（1）利用wincc中的“連接”功能，實(shí)現(xiàn)wincc與每一個(gè)功能組PLC的通訊配置

（2）為每一個(gè)功能組PLC的計(jì)量表建立一個(gè)變量，設(shè)置采集時(shí)間為1s。此處需要設(shè)置采集模式為“循環(huán)連續(xù)”。該模式下，無論HMI畫面是否選擇該變量，均會(huì)在后臺(tái)進(jìn)行連續(xù)更新。

（3）通過建立一個(gè)ADODB的連接對(duì)象來實(shí)現(xiàn)wincc與SQL server的通訊，關(guān)鍵代碼為：

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Set conn = CreateObject（"ADODB.Connection"）

conn. Open "Provider = MSDASQL; Initial Catalog="&" mhk" & "; DSN=Wincc2SQL"

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（4）因?yàn)槊總€(gè)PLC下所連接的計(jì)量表數(shù)量及類型不完全一樣，要想對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有的功能組變量進(jìn)行遍歷就必須建立一個(gè)字典的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，字典的鍵為每個(gè)PLC的名稱，字典的鍵值為每個(gè)功能組下的計(jì)量表名，以面漆一線工藝空調(diào)功能組為例，關(guān)鍵代碼為：

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Dim LV0241

LV0241=Array（"10S2-A1"，"10S3-A1"，"10S4-A1"，"10S5-A1"，"10S6-A1"， "10S7-A1"，"10S8-A1"，"S9WH114-F12"）

其中LV0241是PLC名稱，數(shù)組中的元素為每個(gè)計(jì)量表的名稱

Dim FGSensor ' Create a variable.

Set FGSensor = CreateObject（"Scripting.Dictionary"）

FGSensor.Add "LV0241"， LV0241

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其中FGSensor屬于字典數(shù)據(jù)類型，其中定義了相應(yīng)的鍵與鍵值

（5）通過一個(gè)While True的循環(huán)實(shí)現(xiàn)一個(gè)死循環(huán)，在循環(huán)中判斷當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間是否為59秒。如果是則記錄當(dāng)前的時(shí)間作為此次所有計(jì)量表的時(shí)間并且執(zhí)行雙重for循環(huán)語句。首先遍歷所有的PLC，然后遍歷該P(yáng)LC中所有的計(jì)量表變量，最后在最里層循環(huán)中構(gòu)造了相應(yīng)的變量名的規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Wincc runtime中變量名的索引，并且利用SmarTags功能實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)寫入。

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While True

Do While （Second（Now） Mod 59 = 0）

mydatetime = SmartTags（"date1"）

For i=0 To FGSensor.Count ' ergodic all the function group

SensorLength=arraylen（FGSensor.Item（FGKeys（i）））

For j=0 To SensorLength 'ergodic all the sensors

SensorName = FGKeys（i） + "-" + FGSensor.Item （FGKeys （i））（j）

SensorValue = FGKeys（i） + "-" + "Value-"+FGSensor. Item （FGKeys（i））（j）

SQL_Table="INSERT INTO"&"AllValue Table"&" VAL UES （'" & SmartTags（SensorName） & "' ， '" & mydatetime & "'， '" & HmiRuntime.SmartTags（SensorValue） & "'）"

Set rst = conn.Execute（SQL_Table）

Next

Next

Loop

Wend

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3.3 SQL server配置

數(shù)據(jù)庫中表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是影響后期查詢結(jié)果輸出的關(guān)鍵因素。整個(gè)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程中的表結(jié)構(gòu)及主外鍵關(guān)系如圖所示。在該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中我們只采集當(dāng)前時(shí)刻的變量名、時(shí)間、讀數(shù)等三個(gè)信息并將其寫入到AllValueTable中，后續(xù)的數(shù)據(jù)分類匯總功能則通過AllValueTable和TagInfo表的內(nèi)聯(lián)查詢實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

3.4 Excel VBA腳本配置

為了實(shí)現(xiàn)Excel VBA與SQL server的數(shù)據(jù)通訊，必須啟用ADO對(duì)象

定義VBA與數(shù)據(jù)庫的連接字符串

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Public Const Conn As String = "Provider= SQLOLEDB; Initial Catalog=" & "mhk" & "; Data Source=" &"LAPTOP- JVIRUAF2＼SQLEXPRESS" & "; Integrated Security=SSPI; Persist Security Info=True;"

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本機(jī)用其中Catalog需要填寫對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫名稱，Data Source為服務(wù)器名稱;

定義數(shù)據(jù)庫連接函數(shù)

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Public Sub Connect（） ? ? '連接數(shù)據(jù)庫

If IsConnect = True Then ?'如果連接標(biāo)記為真，則返回。否則會(huì)出錯(cuò)

Exit Sub

End If

Set cnn = New ADODB.Connection '關(guān)鍵New用于創(chuàng)建新對(duì)象cnn

cnn.ConnectionString= Conn '設(shè)置連接字符串Connection String屬性

cnn.CommandTimeout = 300 '設(shè)置連接超時(shí)時(shí)間

cnn.Open '打開到數(shù)據(jù)庫的連接

If cnn.State <> adStateOpen Then '判斷連接的狀態(tài)

MsgBox "數(shù)據(jù)庫連接失敗" '如果連接不成功，則顯示提示信息，退出程序

End

End If

IsConnect = True '設(shè)置連接標(biāo)記，表示已經(jīng)連接到數(shù)據(jù)庫

End Sub

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定義斷開連接函數(shù)

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Public Sub Disconnect（） ?'斷開與數(shù)據(jù)庫的連接

If IsConnect = False Then '如果連接標(biāo)記為假，標(biāo)明已經(jīng)斷開連接，則直接返回

Exit Sub

End If

cnn.Close ? ? ? ? '關(guān)閉連接

Set cnn = Nothing ? '釋放cnn

IsConnect = False ? '設(shè)置連接標(biāo)記，表示已經(jīng)斷開與數(shù)據(jù)庫的連接

End Sub

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定義數(shù)據(jù)庫查詢函數(shù)

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Public Function QueryExt（ByVal TmpSQLstmt As String） As ADODB.Recordset

Dim rst As New ADODB.Recordset '創(chuàng)建Recordset對(duì)象rst

Connect '連接到數(shù)據(jù)庫

Set rst.ActiveConnection = cnn '設(shè)置rst的Active Connec -tion屬性，指定與其關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫連接

rst.CursorType = adOpenKeyset ?'設(shè)置游標(biāo)類型

rst.LockType = adLockOptimistic '設(shè)置鎖定類型

rst.Open TmpSQLstmt ? ? ? ? '打開記錄集

Set QueryExt = rst ? ? ? ? ? ?'返回記錄集

End Function

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通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫查詢函數(shù)QueryExt即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問并且將結(jié)果集返回到Excel中進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，最終的呈現(xiàn)結(jié)果如下圖9所示。

4 能源管理系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的節(jié)能潛力點(diǎn)

涂裝車間的生產(chǎn)工藝中存在大量的大型高能耗工藝設(shè)備（例如前處理電泳、電泳/面漆烘干爐、面漆工藝空調(diào)、室體通風(fēng)等），占整個(gè)車間能源消耗的80%以上。

此類設(shè)備能源消耗體現(xiàn)為大功率電機(jī)、燃燒器、循環(huán)泵等。通過自主開發(fā)的能源管理信息系統(tǒng)，在生產(chǎn)工藝中找到了18個(gè)節(jié)能潛力點(diǎn)，累計(jì)節(jié)約費(fèi)用超過150萬/年，下面介紹2個(gè)典型案例。

（1）案例1：凌晨0-5點(diǎn)沒有生產(chǎn)，電泳漆烘房LV0128 S2/S3每小時(shí)消耗100度電能，如圖10所示。

電泳烘房循環(huán)風(fēng)機(jī)設(shè)定溫度低于40度時(shí)才能夠停機(jī)，按照目前的單班次生產(chǎn)安排，即使早晨八點(diǎn)依然無法滿足40的條件，造成電能的浪費(fèi)。預(yù)計(jì)該能潛力點(diǎn)每日節(jié)約電量= 130*5*2 = 1300度，如圖11所示。

（2）案例2：車間18點(diǎn)下班后噴漆室工藝空調(diào)天然氣仍然有消耗，如圖12所示。

下班后噴房進(jìn)入清潔模式，噴房噴房溫度仍然控制在23℃，需要通過天然氣加熱來進(jìn)行升溫。而此時(shí)只有部分保潔工作，僅需供新風(fēng)即可。該節(jié)能潛力測(cè)算： 每日節(jié)約天然氣 = 6*30*2 = 360m?，如圖13所示。

5 展望與總結(jié)

涂裝車間是四大工藝中能耗占比最高的環(huán)節(jié)，對(duì)涂裝過程中的關(guān)鍵能耗設(shè)備開展節(jié)能管理將會(huì)大幅的降低能源消耗。通過能源管理系統(tǒng)的開發(fā)，能夠依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)能源消耗開展精細(xì)管理。

在以往的管理過程中由于沒有相應(yīng)的歷史信息記錄，無法為每個(gè)設(shè)備分配相應(yīng)的能耗指標(biāo)。通過該系統(tǒng)能為設(shè)備負(fù)責(zé)人設(shè)定能耗目標(biāo)值，強(qiáng)化責(zé)任意識(shí)，真正將降耗目標(biāo)落實(shí)到基層執(zhí)行層面。通過每日、每月報(bào)表的輸出，分析、整改現(xiàn)場(chǎng)浪費(fèi)點(diǎn)，并且將類似經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行橫展。

以電泳強(qiáng)冷風(fēng)機(jī)為例，在2019年10月的能耗與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)只有0.5左右，通過優(yōu)化在2019年11月能耗與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)已經(jīng)達(dá)到0.9，意味著該設(shè)備達(dá)到了能耗能夠很好的跟隨產(chǎn)量的變化趨勢(shì)，減少了大量的空運(yùn)行時(shí)間。通過技術(shù)手段與管理手段相結(jié)合，目前涂裝車間已經(jīng)形成了一定的節(jié)能意識(shí)，為進(jìn)一步深入優(yōu)化節(jié)能潛力提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。