[摘 要] 能源消耗是企業(yè)產(chǎn)品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企業(yè)降低成本的重要途徑。本文介紹了西門子PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線在卷煙廠能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)，以及通訊網(wǎng)絡(luò)的連接。
[關(guān) 鍵 詞 ] PLC 現(xiàn)場(chǎng)總線 WINCC，VB6.0 能源監(jiān)測(cè)
[ Abstract ] This paper introduces zhe application of Siemens PLC and Fieldbus in the system of the inspection of energy sources and the management of production in The General Corporation. It introduces the system’s design of hardware, software and the connection of network in detail.
[Key Words] PLC Fieldbus WinCC VB6.0 Inspection Of Energy Source
一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介
能源消耗是企業(yè)產(chǎn)品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企業(yè)降低成本的重要途徑。煙草行業(yè)向來是耗能大戶， 隨著國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和成套設(shè)備的大量引進(jìn)，卷煙生產(chǎn)從過去的低速手工生產(chǎn)發(fā)展到高速全自動(dòng)生產(chǎn)，對(duì)能源的需求越來越大，因此降低能源的損耗、合理調(diào)配能源將直接提高其生產(chǎn)效益。將軍煙草集團(tuán)有限公司成立于 1993 年，位于山東省濟(jì)南市，是一家以煙草為主業(yè)、多元化經(jīng)營(yíng)的跨地區(qū)、跨行業(yè)、跨國(guó)界的企業(yè)集團(tuán)。其核心企業(yè)濟(jì)南卷煙廠擁有目前世界上最先進(jìn)的卷煙設(shè)備及行業(yè)技術(shù)中心。公司現(xiàn)有員工 5000 余人，總資產(chǎn) 73 億元，是全國(guó)煙草行業(yè) 36 家重點(diǎn)企業(yè)之一。
本能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用來對(duì)濟(jì)南卷煙廠各部門的能源消耗情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表和打印等。本系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)量包括全廠各部門的電、水、蒸汽、空壓氣等相關(guān)的參數(shù)。
二、系統(tǒng)介紹
本系統(tǒng)由能源統(tǒng)計(jì)辦公室、鍋爐操作室和設(shè)備管理處組成三層能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。通過分布于全廠各個(gè)車間的傳感器將蒸氣、空壓氣、水量和電量233個(gè)點(diǎn)的參量采集到服務(wù)器中，鍋爐操作室和設(shè)備管理處負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)參數(shù)和設(shè)備的監(jiān)測(cè)；能源統(tǒng)計(jì)辦公室實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、能源消耗的當(dāng)日和當(dāng)月累積顯示、累積量的日、月、時(shí)段數(shù)據(jù)的查詢以及報(bào)表打印。統(tǒng)計(jì)辦公室的能源監(jiān)測(cè)評(píng)估程序完成班次的各項(xiàng)指標(biāo)考核任務(wù)，對(duì)廠內(nèi)的能源供應(yīng)部門的投入、產(chǎn)出及能源使用用戶單位的耗能情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，成本核算等，為提高廠內(nèi)能源管理使用水平提供了可信依據(jù)。
本系統(tǒng)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(gè)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(shù)據(jù)采集性能要求的前提下使硬件費(fèi)用達(dá)到最低；同時(shí)400PLC主站通過MPI接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。300PLC主站通過MPI接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。采用Simatic WinCC作為上位監(jiān)控軟件，采用VB6.0編輯統(tǒng)計(jì)辦公室的能源監(jiān)測(cè)評(píng)估程序 。系統(tǒng)清單如下表 
三、控制系統(tǒng)構(gòu)成
1．系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)配置如圖1所示。 
圖1 能源管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖
本系統(tǒng)共分為三大部分：上位監(jiān)控中心、PLC主站、PLC從站。上位機(jī)由一臺(tái)服務(wù)器和三臺(tái)客戶機(jī)組成。把服務(wù)器并入了企業(yè)網(wǎng)，這樣，客戶機(jī)的擴(kuò)展變的異常容易和簡(jiǎn)單：只需把計(jì)算機(jī)并入局域網(wǎng)，然后進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置就可以作為一臺(tái)客戶機(jī)使用。400PLC主站通過MPI協(xié)議與服務(wù)器相連。MPI可用于單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，用它可以非常經(jīng)濟(jì)的連接少數(shù)站。400主站與其子站之間通過Profibus DP 相連。這種組網(wǎng)方式可在保證數(shù)據(jù)采集性能要求的前提下，使硬件費(fèi)用達(dá)到最低。數(shù)據(jù)采集過程大體如下：現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸出信號(hào)由各站信號(hào)模板采集、轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)然后通過通訊模塊送到400PLC主站，400PLC主站把各站送來的數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行各種運(yùn)算、處理后通過MPI網(wǎng)絡(luò)傳到服務(wù)器?？蛻魴C(jī)和服務(wù)器之間通過OPC方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞 。
2．軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)PLC主站、PLC從站的編程使用STEP7編寫，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)過程數(shù)據(jù)的初步處理；上位機(jī)監(jiān)控使用SIMATIC WinCC編寫服務(wù)器軟件（WinCC Server）和客戶端軟件（WinCC Client），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、能源消耗的當(dāng)日和當(dāng)月累積顯示、累積量的日、月、時(shí)段數(shù)據(jù)的查詢以及報(bào)表打??；統(tǒng)計(jì)辦公室的能源監(jiān)測(cè)評(píng)估程序采用Visual Basic 6.0 語言編寫，完成班次的各項(xiàng)指標(biāo)考核任務(wù)。
?。?）PLC主站程序：該程序包括6個(gè)OB塊、20個(gè)FC塊、15個(gè)DB塊，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的空壓氣、水蒸汽、電量和水量的數(shù)據(jù)的處理（包括蒸汽流量補(bǔ)償和蒸汽溫度計(jì)算），并記錄各個(gè)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
?。?）上位機(jī)WinCC程序：根據(jù)客戶的要求，使用WinCC編寫友好的上位機(jī)人機(jī)界面。如下圖：
圖2 上位機(jī)空壓氣分布界面
3．統(tǒng)計(jì)辦公室能源監(jiān)測(cè)評(píng)估程序設(shè)計(jì)方案的選擇
能源監(jiān)測(cè)評(píng)估程序是用VB6.0開發(fā)的應(yīng)用程序，安裝在統(tǒng)計(jì)辦公室的客戶機(jī)上，要對(duì)各個(gè)部門進(jìn)行月結(jié)考核，并據(jù)此進(jìn)行獎(jiǎng)金的評(píng)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(gè)量的變化并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理來實(shí)現(xiàn)對(duì)各部門各班次工人的考核，同時(shí)需要計(jì)算生產(chǎn)成本并打印詳細(xì)月報(bào)表等，工作量十分大。在實(shí)踐中，先后使用了以下幾種方案實(shí)現(xiàn)程序和服務(wù)期間的通訊。
?。?）方案一：使用VB6.0開發(fā)一個(gè)OPC客戶端應(yīng)用程序，利用該程序與服務(wù)器進(jìn)行通訊。
缺點(diǎn)：客戶端程序中沒有實(shí)現(xiàn)較為完善的容錯(cuò)和故障診斷功能，當(dāng)服務(wù)器出現(xiàn)短暫錯(cuò)誤時(shí)造成OPC連接中段，造成死機(jī)。
（2）方案二：在客戶端中加入診斷程序，通過不斷連接服務(wù)器來判斷服務(wù)器是否出現(xiàn)故障，若服務(wù)器狀態(tài)不正常便重新啟動(dòng)該系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)故障的診斷和處理。
缺點(diǎn)：客戶機(jī)與服務(wù)器頻繁的連接與斷開，造成服務(wù)器資源消耗大。
?。?）方案三：OPC通訊分成兩部分：第一部分，在客戶機(jī)上開發(fā)一個(gè)小型的WinCC客戶端應(yīng)用程序，利用WinCC內(nèi)部集成的OPC接口進(jìn)行服務(wù)器和客戶機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸；第二部分，利用VB6.0開發(fā)一個(gè)OPC客戶端應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)該程序與客戶機(jī)上的WinCC進(jìn)行通訊。
優(yōu)點(diǎn)：使用WinCC內(nèi)部集成的OPC接口進(jìn)行服務(wù)器和客戶機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，有較好的穩(wěn)定性和較完善的故障診斷與處理，徹底避免死機(jī)。
?。?）方案選擇：鑒于以上幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，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(tǒng)完成的功能
1．系統(tǒng)主要功能
本系統(tǒng)主要用于采集各生產(chǎn)車間的蒸氣、空壓氣、水量和電量四種參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，為生產(chǎn)安排提供數(shù)據(jù)依據(jù)。具體功能如下：
(1) 實(shí)時(shí)顯示：本系統(tǒng)包括五部分工況圖實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)參數(shù)，包括系統(tǒng)總工況圖、制絲車間工況圖、卷接包車間工況圖、能源動(dòng)力車間工況圖、非生產(chǎn)部門工況圖。
?。?）狀態(tài)曲線：顯示各車間采集數(shù)據(jù)的狀態(tài)曲線，包括總量、制絲車間、卷接包車間、能源動(dòng)力和非生產(chǎn)等部門所采集數(shù)據(jù)瞬時(shí)變化趨勢(shì)。
?。?）統(tǒng)計(jì)計(jì)算：將要考核的各部門的當(dāng)前半小時(shí)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)、生成8小時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和天數(shù)據(jù)庫(kù)。
?。?）統(tǒng)計(jì)報(bào)表：將各部門的數(shù)據(jù)按要求顯示報(bào)表
?。?）參數(shù)設(shè)置：對(duì)本系統(tǒng)用到的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括：班次參數(shù)、班次表、口令設(shè)置和曲線參數(shù)設(shè)置。
2．項(xiàng)目中的技術(shù)難點(diǎn)
用戶需要記錄鍋爐房，空壓站，薄片車間，總配電室的70多個(gè)量的變化并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，有多種復(fù)雜報(bào)表輸出要求：日?qǐng)?bào)、旬報(bào)、月報(bào)、季報(bào)、年報(bào)，同時(shí)各種報(bào)表格式也不盡相同，這在wincc實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，故考慮采用VB的靈活方便報(bào)表制作功能。在選擇的方案中，WinCC.Client的角色非常特殊，它對(duì)于WinCC。Server來說是客戶端，而對(duì)于能源管理軟件來說則成了服務(wù)器端。
五、結(jié)束語
本系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，提高了數(shù)據(jù)的可靠性、正確性和計(jì)算準(zhǔn)確率，減少了由于人為計(jì)算不準(zhǔn)確和誤差造成的損失。并且極大的節(jié)約了人員，減輕了實(shí)際操作人員的計(jì)算負(fù)擔(dān)，并取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)：
1. 李攀 張家毅 程哲等《卷煙企業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)》煙草科技2002.02
2. 李超群《基于 PROFIBUS總線技術(shù)的再造煙葉生產(chǎn)線控制系統(tǒng)》煙草科技 2003.01
3. 盧毅 Visual Basic 6.0 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航 科學(xué)出版社 2001.02
4. 周愛華，汪仁智 OPC接口技術(shù)規(guī)范（上、中、下）世界儀表與自動(dòng)化 2003
5. 張旭旭,劉文煌,李秀等《卷煙企業(yè)計(jì)算機(jī)輔助管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)》煙草科技2002.01
6. SIEMENS STEP7 5.0編程手冊(cè)
7. SIEMENS WINCC 組態(tài)手冊(cè)
8. SIEMENS S7-300硬件安裝及模板規(guī)范手冊(cè)
9. SIEMENS FM350-2技術(shù)功能模塊安裝組態(tài)手冊(cè)
10. SIEMENS S7-400硬件安裝及模板規(guī)范手冊(cè)
作者簡(jiǎn)介：
馬思樂 男 1964年2月生 山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院副教授 碩士生導(dǎo)師
主要研究方向：計(jì)算機(jī)控制與智能系統(tǒng)
張紀(jì)明 男 1979年6月生 山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生。
主要研究方向：計(jì)算機(jī)控制與智能系統(tǒng)
