PLC和現場總線在工廠能源監測管理系統中的應用
[摘 要] 能源消耗是企業產品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企業降低成本的重要途徑。本文介紹了西門子PLC和現場總線在卷煙廠能源監測管理系統中的應用，詳細介紹了該系統的硬件、軟件設計，以及通訊網絡的連接。
一、 項目簡介
能源消耗是企業產品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企業降低成本的重要途徑。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，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。將軍煙草集團有限公司成立于 1993 年，位于山東省濟南市，是一家以煙草為主業、多元化經營的跨地區、跨行業、跨國界的企業集團。其核心企業濟南卷煙廠擁有目前世界上最先進的卷煙設備及行業技術中心。公司現有員工 5000 余人，總資產 73 億元，是全國煙草行業 36 家重點企業之一。
本能源監測系統主要用來對濟南卷煙廠各部門的能源消耗情況進行監測、統計、報表和打印等。本系統的主要監測量包括全廠各部門的電、水、蒸汽、空壓氣等相關的參數。
二、 系統介紹
本系統由能源統計辦公室、鍋爐操作室和設備管理處組成三層能源監測管理系統。通過分布于全廠各個車間的傳感器將蒸氣、空壓氣、水量和電量233個點的參量采集到服務器中，鍋爐操作室和設備管理處負責對實時參數和設備的監測；能源統計辦公室實現數據的實時顯示、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。
本系統CPU主站選用Siemens 的Simatic S7-400的CPU414-2DP和S7-300的CPU314，400PLC主站配置9個ET200M子站。CPU414-2DP集成MPI通訊口和Profibus-DP通訊口，各子站與400PLC主站采用Profibus-DP 方式相連，這樣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；同時400PLC主站通過MPI接口與上位機實現通訊。300PLC主站通過MPI接口與上位機實現通訊。采用Simatic WinCC作為上位監控軟件，采用VB6.0編輯統計辦公室的能源監測評估程序 。
系統清單如下表
三、 控制系統構成
1．系統的結構：系統配置如圖1所示。
圖1 能源管理監測系統圖
本系統共分為三大部分：上位監控中心、PLC主站、PLC從站。上位機由一臺服務器和三臺客戶機組成。把服務器并入了企業網，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。400PLC主站通過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 。
2．軟件設計
本系統PLC主站、PLC從站的編程使用STEP7編寫，實現PLC對過程數據的初步處理；上位機監控使用SIMATIC WinCC編寫服務器軟件（WinCC Server）和客戶端軟件（WinCC Client），實現數據的實時顯示、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采用Visual Basic 6.0 語言編寫，完成班次的各項指標考核任務。
（1）PLC主站程序：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。主程序（組織塊OB1）流程圖如下：
圖3 主程序（組織塊OB1）流程圖
（2）上位機WinCC程序：根據客戶的要求，使用WinCC編寫友好的上位機人機界面。如下圖：
圖2 上位機空壓氣分布界面
能源監測評估程序是用VB6.0開發的應用程序，安裝在統計辦公室的客戶機上，要對各個部門進行月結考核，并據此進行獎金的評定。程序需要記錄鍋爐房、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，工作量十分大。在實踐中，先后使用了以下幾種方案實現程序和服務期間的通訊。
（1）方案一：使用VB6.0開發一個OPC客戶端應用程序，利用該程序與服務器進行通訊。
缺點：客戶端程序中沒有實現較為完善的容錯和故障診斷功能，當服務器出現短暫錯誤時造成OPC連接中段，造成死機。
（2）方案二：在客戶端中加入診斷程序，通過不斷連接服務器來判斷服務器是否出現故障，若服務器狀態不正常便重新啟動該系統軟件，實現故障的診斷和處理。
缺點：客戶機與服務器頻繁的連接與斷開，造成服務器資源消耗大。
（3）方案三：OPC通訊分成兩部分：第一部分，在客戶機上開發一個小型的WinCC客戶端應用程序，利用WinCC內部集成的OPC接口進行服務器和客戶機之間的數據傳輸；第二部分，利用VB6.0開發一個OPC客戶端應用程序，實現該程序與客戶機上的WinCC進行通訊。
優點：使用WinCC內部集成的OPC接口進行服務器和客戶機之間的數據傳輸，有較好的穩定性和較完善的故障診斷與處理，徹底避免死機。
（4）方案選擇：鑒于以上幾種方案的優缺點，選擇第三種方案。如圖3所示。
圖3 方案三示意圖
四、 控制系統完成的功能
1．系統主要功能
本系統主要用于采集各生產車間的蒸氣、空壓氣、水量和電量四種參數進行統計計算，為生產安排提供數據依據。具體功能如下：
(1) 實時顯示：本系統包括五部分工況圖實時顯示生產參數，包括系統總工況圖、制絲車間工況圖、卷接包車間工況圖、能源動力車間工況圖、非生產部門工況圖。
（2）狀態曲線：顯示各車間采集數據的狀態曲線，包括總量、制絲車間、卷接包車間、能源動力和非生產等部門所采集數據瞬時變化趨勢。
（3）統計計算：將要考核的各部門的當前半小時庫中的數據進行整理、統計、生成8小時數據庫和天數據庫。
（4）統計報表：將各部門的數據按要求顯示報表
（5）參數設置：對本系統用到的參數進行設置，包括：班次參數、班次表、口令設置和曲線參數設置。
2．項目中的技術難點
用戶需要記錄鍋爐房，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，有多種復雜報表輸出要求：日報、旬報、月報、季報、年報，同時各種報表格式也不盡相同，這在wincc實現起來較為復雜，故考慮采用VB的靈活方便報表制作功能。在選擇的方案中，WinCC.Client的角色非常特殊，它對于WinCC。Server來說是客戶端，而對于能源管理軟件來說則成了服務器端。
五、 結束語
本系統已經投入使用，系統運行可靠穩定，提高了數據的可靠性、正確性和計算準確率，減少了由于人為計算不準確和誤差造成的損失。并且極大的節約了人員，減輕了實際操作人員的計算負擔，并取得了良好的社會效益和經濟效益。
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