基于全集成自動(dòng)化的能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田豐

摘 要： 為了企業(yè)節(jié)能減排和生產(chǎn)管理的需要，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種基于全集成自動(dòng)化理念的能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)能耗設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)收集，并通過數(shù)據(jù)同步分析，進(jìn)而協(xié)調(diào)和優(yōu)化企業(yè)的生產(chǎn)過程，使自動(dòng)化與制造管理、企業(yè)管理、供應(yīng)鏈管理建立起無縫連接。在此從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件和軟件設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行了闡述。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 全集成自動(dòng)化； 能耗監(jiān)控； 實(shí)時(shí)控制； 數(shù)據(jù)收集

中圖分類號(hào)： TN711?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jīng)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(shè)備主要為進(jìn)行產(chǎn)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(cè)的電能表、氣量表，這些儀表不具備通信功能。每臺(tái)加溫爐采用傳統(tǒng)的單臺(tái)儀表控制，對(duì)工藝要求的升溫曲線難以監(jiān)測(cè)和優(yōu)化，從而導(dǎo)致無法采取針對(duì)性的節(jié)能措施；設(shè)備的能耗檢測(cè)數(shù)據(jù)通過人工方式收集，工作效率低易出錯(cuò)，不利于核算批量產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

針對(duì)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?qū)崟r(shí)監(jiān)控設(shè)備能耗，還能對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，從而優(yōu)化生產(chǎn)工藝，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 全集成自動(dòng)化

目前企業(yè)的自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)從單機(jī)控制發(fā)展到全集成自動(dòng)化，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，全集成自動(dòng)化是一種開放的設(shè)計(jì)理念，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)了IT和商務(wù)的信息集成，通過同步分析、協(xié)調(diào)和優(yōu)化企業(yè)的生產(chǎn)，使自動(dòng)化與制造管理、企業(yè)管理、供應(yīng)鏈管理建立了無縫連接，從而全面增強(qiáng)企業(yè)的核心競爭力。

1.2 方案設(shè)計(jì)

能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于全集成自動(dòng)化理念，根據(jù)任務(wù)的不同，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為三級(jí)，即工廠級(jí)、車間級(jí)、設(shè)備級(jí)，如圖2所示。

圖2 能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)架構(gòu)

（1） 設(shè)備級(jí)的任務(wù)為通過高精度控溫儀表進(jìn)行溫度控制；通過PLC以現(xiàn)場(chǎng)總線方式集中下發(fā)溫度控制的PID參數(shù)，集中采集現(xiàn)場(chǎng)的各種溫控儀、電能表和氣量表的數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)傳輸給車間級(jí)上位計(jì)算機(jī)。

（2） 車間級(jí)的任務(wù)為通過組態(tài)軟件完成人機(jī)交互，即控制參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及曲線的顯示；記錄數(shù)據(jù)，形成實(shí)時(shí)歸檔數(shù)據(jù)庫；記錄操作人員的工作過程等，以保證生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、完整可靠的實(shí)施，并將能耗分配到單批產(chǎn)品。

（3） 工廠級(jí)兼有歷史歸檔數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器兩項(xiàng)功能，將各個(gè)車間級(jí)的上傳數(shù)據(jù)匯總到歷史歸檔數(shù)據(jù)庫，根據(jù)能耗管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)管理的需要建庫存儲(chǔ)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理生成各種報(bào)表、工藝優(yōu)化和成本分析報(bào)告；Web服務(wù)器采用客戶/服務(wù)器模式，提供基于IE瀏覽器的企業(yè)園區(qū)網(wǎng)的能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)查詢、瀏覽和打印。

對(duì)應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)層次，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑有：采用精密控制儀表、計(jì)量儀表以及電氣控制元件完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制功能；采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及組態(tài)管理技術(shù)完成集中控制、能耗采集；采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息管理。因此，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)是需要多種自動(dòng)化技術(shù)的綜合運(yùn)用，最終達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的融合統(tǒng)一。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(cè)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(chǎng)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(diǎn)數(shù)較少。

（2） 數(shù)據(jù)總線轉(zhuǎn)換層：現(xiàn)場(chǎng)總線采用Profibus?DP協(xié)議，最大支持128點(diǎn)，傳輸速率最大12 MB/s，能夠支持大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)匯總；通過總線橋完成DP協(xié)議和Modbus 485協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，總線橋在DP側(cè)作為從站，在Modbus側(cè)為主站，而通信儀表為Modbus側(cè)從站。

（3） 集中控制層：采用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)所有在線的通信儀表的數(shù)據(jù)采集，控制參數(shù)的下發(fā)；可通過局域網(wǎng)與上位機(jī)車間級(jí)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；PLC的數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)容量需求可擴(kuò)展。

（4） 本地工作站層：架設(shè)車間級(jí)服務(wù)器計(jì)算機(jī)，可運(yùn)行組態(tài)管理軟件進(jìn)行控制參數(shù)下發(fā)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示；對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，并上傳給歷史歸檔數(shù)據(jù)庫。

（5） 網(wǎng)絡(luò)通信層：采用交換機(jī)或路由器，實(shí)現(xiàn)工廠園區(qū)的以太網(wǎng)絡(luò)通信，根據(jù)實(shí)際情況與前兩層的局域網(wǎng)可分離也可并網(wǎng)。

（6） 核心管理層：架設(shè)工廠級(jí)服務(wù)器計(jì)算機(jī)，運(yùn)行數(shù)據(jù)庫管理軟件和Web服務(wù)器，生成和提供所有底層設(shè)備的數(shù)據(jù)庫資源，以及IE瀏覽器服務(wù)平臺(tái)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)綜述

由于能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)是多級(jí)平臺(tái)組成，所以不同的應(yīng)用層必須有相應(yīng)的支持軟件。應(yīng)用軟件包括總線橋協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件、PLC測(cè)控軟件、車間組態(tài)管理軟件、工廠級(jí)Web服務(wù)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(shù)據(jù)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(jí)Web服務(wù)器軟件的設(shè)計(jì)。

3.2 車間組態(tài)管理軟件

該軟件是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表進(jìn)行過程控制的專用軟件，由WinCC組態(tài)軟件開發(fā)平臺(tái)開發(fā)。組態(tài)管理軟件功能包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配置組態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、讀取/下發(fā)設(shè)備的控制參數(shù)、歸檔數(shù)據(jù)庫、車間報(bào)表分析等，組態(tài)管理軟件數(shù)據(jù)流如圖3所示。

WinCC數(shù)據(jù)庫歸檔和溫控儀參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。

3.3 工廠級(jí)Web服務(wù)器軟件

在WinCC?Web服務(wù)器上建立WinCC管理工程，設(shè)置訪問Web服務(wù)器的客戶，依據(jù)客戶類型分配不同的訪問權(quán)限，達(dá)到管理的目標(biāo)。在WinCC?Web服務(wù)器上建立系統(tǒng)管理畫面。Web服務(wù)器數(shù)據(jù)流圖見圖5。

客戶端軟件結(jié)合數(shù)據(jù)庫和IE瀏覽器可以進(jìn)行多種條件查詢方式，為用戶提供所需的數(shù)據(jù)分析。查詢界面如圖6所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)說明

4.1 總線橋組態(tài)

要實(shí)現(xiàn)全集成自動(dòng)化，首先必須實(shí)現(xiàn)企業(yè)的信息化：即實(shí)現(xiàn)工廠的信息集成，特別是工廠底層設(shè)備及生產(chǎn)信息的縱向集成。具體說就是能夠?qū)崿F(xiàn)工廠管理層對(duì)車間底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)的縱向透明存取。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和通信是實(shí)現(xiàn)工廠縱向信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)，也是硬件設(shè)計(jì)的核心。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集示意圖如圖7所示。

首先將現(xiàn)場(chǎng)加溫爐的溫控儀、電能表、氣量表通過總線橋與PLC等現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備連接到Profibus?DP總線上，再由PLC和車間WinCC服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。PLC和WinCC服務(wù)器的連接可以采用Profibus?DP通信，也可使用以太網(wǎng)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(wǎng)關(guān)，添加DP從站過程中可對(duì)從站地址進(jìn)行設(shè)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(shù)據(jù)庫與Web通用數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換

Web程序開發(fā)的主要任務(wù)是對(duì)WinCC歸檔的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（報(bào)表），同時(shí)通過客戶端完成部分能源資料的建立及客戶端報(bào)表生成。在工廠級(jí)Web服務(wù)器軟件開發(fā)時(shí)，由于WinCC的歷史歸檔數(shù)據(jù)庫為壓縮結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，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(wù)器建立第三方開發(fā)的數(shù)據(jù)庫，然后將WinCC的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)導(dǎo)入第三方開發(fā)數(shù)據(jù)庫。

5 結(jié) 語

本文介紹的基于全集成自動(dòng)化理念的能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

（1） 對(duì)數(shù)據(jù)信息流的加工處理貫穿系統(tǒng)全局，三層結(jié)構(gòu)功能劃分合理可行；系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，按功能區(qū)域劃分，模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)。

（2） 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)涉及到多種工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的綜合運(yùn)用，主要有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、Modbus協(xié)議和Profibus?DP協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)、PLC技術(shù)、組態(tài)軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡(luò)通信、B/S技術(shù)等。

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

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