韓永成，田 超,高 丹,李玉萍

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299；2.河鋼集團(tuán)唐鋼公司，河北 唐山 063000）

0 引言

當(dāng)前我國(guó)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩，許多鋼鐵企業(yè)更加注重企業(yè)內(nèi)部挖潛增效，通過(guò)工序間的合理配合降低能源消耗成為其中的一個(gè)重要途徑[1-2]。鋼鐵企業(yè)的能源消耗比較大，風(fēng)、水、電、氣各種能源的消耗根據(jù)工序的不同，生產(chǎn)組織模式的不同都會(huì)有比較大的差異。為了能夠?yàn)楣緵Q策層和日常生產(chǎn)管理部門提供能源消耗的第一手資料，在各工序關(guān)鍵部位安裝數(shù)據(jù)采集儀表，建設(shè)能源管控系統(tǒng)，已經(jīng)成為越來(lái)越多鋼鐵企業(yè)的共識(shí)。

每個(gè)鋼鐵企業(yè)對(duì)能源管理的需求不同，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的型號(hào)也不同，因此能源管控需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求來(lái)制定合理的管理方案。在設(shè)計(jì)能源管控方案前需要確定系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)合理的系統(tǒng)架構(gòu)和通訊協(xié)議來(lái)保證系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性[3-4]。

本文根據(jù)某鋼鐵企業(yè)對(duì)能源管理的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了各工序能源管控系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀表采集耗電和介質(zhì)的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)二次儀表進(jìn)行計(jì)算后通過(guò)RS-485接到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并成功傳送到PLC中。整個(gè)系統(tǒng)以PLC為數(shù)據(jù)采集的核心，利用CitectSCADA軟件將PLC數(shù)據(jù)讀取上來(lái)，進(jìn)而對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和歸檔，同時(shí)為各種管理系統(tǒng)提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。

1 能源管控系統(tǒng)需求

某鋼鐵企業(yè)為了提高工序消耗能源的管理水平，需要對(duì)廠內(nèi)和廠際間的風(fēng)、水、氣等各種介質(zhì)和供配電系統(tǒng)的用電量進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量與采集，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、監(jiān)視、歸檔[5]。各種采集儀表根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際位置安裝，既能夠采集企業(yè)所需要的信息又要使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。由于現(xiàn)場(chǎng)的儀表采集信號(hào)的形式不同，需要設(shè)計(jì)配套的系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

2 能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)能源管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 介質(zhì)采集現(xiàn)場(chǎng)儀表及二次表

介質(zhì)表通過(guò)屏蔽電纜接到附近的遠(yuǎn)程I/O柜或PLC柜，通過(guò)二次表的RS-485通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)。

2.2 電能采集儀表

電能采集儀表安裝在供配電柜中，用于采集各工序的用電量。

2.3 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)

可以通過(guò)局域網(wǎng)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，它的功能是將二次表采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)通訊的形式。根據(jù)不同類型的儀表，其通訊協(xié)議有所不同，本系統(tǒng)涉及的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議包括：Modbus RTU、RS-485。

2.4 交換機(jī)

通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，通過(guò)交換機(jī)將遠(yuǎn)程I/O柜的數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC的以太網(wǎng)模塊。

2.5 PLC

由于能源管控系統(tǒng)中PLC的主要任務(wù)是準(zhǔn)確地收集數(shù)據(jù)，因此選擇性價(jià)比較高的施耐德中型PLC M340，其能夠支持CANopen，Ethernet或Modbus等多種通訊方式。

2.6 SCADA服務(wù)器

SCADA服務(wù)器也稱作I/O Server 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器，采用施耐德公司的CitectSCADA 軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，其主要功能是接收PLC收集上來(lái)的數(shù)據(jù)，并做相關(guān)處理[6-7]。

3 能源管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，下面詳細(xì)列出系統(tǒng)各部分的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

3.1 介質(zhì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

3.1.1 二次表與網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計(jì)

介質(zhì)數(shù)據(jù)主要采集溫度、壓力、流量等信號(hào)，同一個(gè)位置上述信號(hào)可以接到一塊二次表上，也可以單獨(dú)接一塊檢測(cè)儀表。二次表采用MODBUS協(xié)議中的RTU格式，通過(guò)RS-485接口將多塊二次表的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。二次表與網(wǎng)關(guān)采用主從控制方式。二次儀表提供Modbus中的03、16兩個(gè)功能，其中03功能為讀保持寄存器，16為寫(xiě)保持寄存器。通訊的格式采用10位數(shù)據(jù)格式，包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)、1位停止，校驗(yàn)位可選。

下面以從站號(hào)為1為例給出設(shè)計(jì)的溫度讀取通訊程序，假設(shè)此時(shí)的溫度值為20℃。

主機(jī)發(fā)送的16進(jìn)制命令為：01H 03H 07H 9FH 00H 02H F5H 51H。

其中：01H代表設(shè)備地址，也就是站號(hào)，范圍是1~254；03H代表功能代碼，這里為讀保持寄存器；07、9F代表數(shù)據(jù)地址，范圍為0~65535，具體范圍與設(shè)備有關(guān)；00、02代表數(shù)據(jù)寄存器數(shù)量，范圍為1~125，具體范圍與設(shè)備有關(guān)；F5、51為循環(huán)校驗(yàn)碼。

從機(jī)響應(yīng)數(shù)據(jù)為：01H 03H 04H 00H 00H A0H 41H 42H 03H。

其中：01H代表設(shè)備地址，也就是站號(hào)，范圍是1~254；03H代表功能代碼，這里為讀保持寄存器；04代表字節(jié)計(jì)數(shù)，由于主機(jī)發(fā)送端數(shù)據(jù)寄存器數(shù)量為2個(gè)，所以占用4個(gè)字節(jié)；由于溫度是浮點(diǎn)數(shù)占用4個(gè)字節(jié)，轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制為41A00000，因此00、00代表第1路寄存器數(shù)據(jù)，A0、41代表第2路寄存器數(shù)據(jù)，每路寄存器占用兩個(gè)字節(jié)；42、03為循環(huán)校驗(yàn)碼。

這里設(shè)計(jì)的二次儀表除了能夠采集溫度之外，還能采集壓力、瞬時(shí)流量，最后通過(guò)二次表的計(jì)算得到累積流量。

為了數(shù)據(jù)的顯示與計(jì)算更加簡(jiǎn)單直觀，這里采用C語(yǔ)言將16進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)據(jù)。這里以某一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說(shuō)明。

其中，pv_union.pv_float為所要計(jì)算的流量值。

3.1.2 配置網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)選擇可魯網(wǎng)關(guān)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)管理軟件DAPstudio配置和監(jiān)控網(wǎng)關(guān)。DAPstudio主畫(huà)面如圖2所示。

圖2 DAPstudio主畫(huà)面

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的主要內(nèi)容包括。

1）裝置信息。裝置信息中包含了網(wǎng)關(guān)本身的一些基本信息設(shè)置，比如與其通訊的二次儀表的型號(hào)，網(wǎng)關(guān)的IP地址等。

2）客戶端應(yīng)用?？蛻舳藨?yīng)用負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)通訊儀表進(jìn)行通訊，采集數(shù)據(jù)，可以連接若干條連接，每條連接上都連接若干現(xiàn)場(chǎng)通訊儀表?？梢钥吹矫織l鏈路上連接儀表的狀態(tài)、數(shù)量。

3)服務(wù)器端應(yīng)用。服務(wù)器端負(fù)責(zé)將客戶端的數(shù)據(jù)進(jìn)行地址映射，并轉(zhuǎn)發(fā)出去，負(fù)責(zé)PLC通訊。

4)后臺(tái)編程應(yīng)用。后臺(tái)編程應(yīng)用，用于編寫(xiě)一些用戶自定義程序，進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算功能。

3.2 電能數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

電能測(cè)量?jī)x表通過(guò)Modbus 485與透明網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。這里的透明網(wǎng)關(guān)采用施耐德公司的EGX100網(wǎng)關(guān)。當(dāng)配置好IP地址以后，可以通過(guò)局域網(wǎng)瀏覽器來(lái)對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。為了保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和平時(shí)維護(hù)的方便，電能測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)EGX100網(wǎng)關(guān)匯聚到可魯網(wǎng)關(guān)，通過(guò)在客戶端應(yīng)用添加連接達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

3.3 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

PLC主要完成數(shù)據(jù)采集，因此設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)讀取和濾波程序，主要流程如下圖3所示。

其中數(shù)據(jù)地址變換使用通訊指令A(yù)DDM完成，對(duì)于輸入的形式選擇r.m.c{hostAddr}node

r：機(jī)架號(hào)（機(jī)架），m：模塊位置，c：通道編號(hào)（通道），node：網(wǎng)關(guān)（使用 hostAddr 標(biāo)識(shí)的網(wǎng)關(guān)），例如0.0.3{192.168.1.1}1。數(shù)據(jù)讀取通過(guò)通訊功能塊READ_VAR實(shí)現(xiàn)。濾波的程序的功能主要是對(duì)于出現(xiàn)超出測(cè)量量程的數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)輸出從而過(guò)濾掉由于干擾等原因引起的短時(shí)間數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象。濾波程序如下，假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)需要濾波的數(shù)據(jù)為50個(gè)，濾波程序如下。

圖3 PLC程序流程圖

程序輸入是一個(gè)實(shí)數(shù)型的數(shù)組，共50個(gè)數(shù)據(jù)，從0-49。程序進(jìn)行循環(huán)掃描，每個(gè)數(shù)據(jù)掃描一次，掃描完50個(gè)數(shù)據(jù)后完成一個(gè)循環(huán)，進(jìn)行下一次掃描。對(duì)于某一個(gè)數(shù)據(jù)，如果其在某一時(shí)刻的數(shù)值在正常范圍內(nèi)，則立即輸出，如果數(shù)據(jù)大于最大值或小于最小值，則進(jìn)行時(shí)間延時(shí)，保持上次最后一次正常的輸出值，如果對(duì)這個(gè)數(shù)值進(jìn)行了2 000次刷新，數(shù)值仍然沒(méi)有達(dá)到合理的范圍則計(jì)數(shù)器清零，重新開(kāi)始判斷，直到數(shù)值正常。

3.4 I/Oserver配置及HMI畫(huà)面開(kāi)發(fā)

為了與I/O設(shè)備通訊，每一個(gè)Citect工程都至少定義一個(gè)I/0服務(wù)器。為了使數(shù)據(jù)保持連續(xù)性，設(shè)計(jì)了兩臺(tái)I/0服務(wù)器，一備一用。I/O server開(kāi)發(fā)流程圖如圖4所示。

圖4 I/Oserver 設(shè)計(jì)過(guò)程圖

其中I/Oserver主要完成的工作是建立PLC與上位機(jī)數(shù)據(jù)的收發(fā)，因此 I/O設(shè)置、建立變量標(biāo)簽、報(bào)警、趨勢(shì)是非常關(guān)鍵的部分，編輯頁(yè)面圖形主要用于測(cè)試用，也可以不做圖形畫(huà)面。

以下是采用Citect提供的過(guò)程分析器控件設(shè)計(jì)彈出式曲線畫(huà)面，其效果圖如下圖5所示。其中（a）圖為趨勢(shì)圖，能夠顯示實(shí)時(shí)地采集數(shù)據(jù)也可以查看過(guò)去某個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù);（b）圖為對(duì)象視圖區(qū)可以顯示曲線畫(huà)面的所有趨勢(shì)變量名稱，量程以及注釋，并且可以統(tǒng)計(jì)該時(shí)間段里的最大最小以及平均值，每個(gè)曲線變量前面的勾選框可以隱藏/顯示該曲線，在對(duì)象視圖區(qū)可以選擇某個(gè)趨勢(shì)變量，選擇后該趨勢(shì)變量以高亮度顯示，并且其曲線也會(huì)加粗，最左端的豎直量程條也自動(dòng)變更為當(dāng)前選擇曲線的量程。

圖5 Citect設(shè)計(jì)的趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

本文結(jié)合某鋼鐵廠能源管理的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了能源管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)PLC收集數(shù)據(jù)，通過(guò)Citect軟件作為管控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)了能源的實(shí)時(shí)監(jiān)控，報(bào)警分析，數(shù)據(jù)歸檔等功能，為企業(yè)經(jīng)濟(jì)化運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)保障。