[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)場總線在卷煙廠能源監(jiān)測管理系統(tǒng)中的應用，詳細介紹了該系統(tǒng)的硬件、軟件設計，以及通訊網(wǎng)絡的連接。
[關 鍵 詞 ] PLC 現(xiàn)場總線 WINCC，VB6.0 能源監(jiān)測

[ 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、項目簡介
　　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， 隨著國外先進技術和成套設備的大量引進，卷煙生產(chǎn)從過去的低速手工生產(chǎn)發(fā)展到高速全自動生產(chǎn)，對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(yè)、多元化經(jīng)營的跨地區(qū)、跨行業(yè)、跨國界的企業(yè)集團。其核心企業(yè)濟南卷煙廠擁有目前世界上最先進的卷煙設備及行業(yè)技術中心。公司現(xiàn)有員工 5000 余人，總資產(chǎn) 73 億元，是全國煙草行業(yè) 36 家重點企業(yè)之一。
　　本能源監(jiān)測系統(tǒng)主要用來對濟南卷煙廠各部門的能源消耗情況進行監(jiān)測、統(tǒng)計、報表和打印等。本系統(tǒng)的主要監(jiān)測量包括全廠各部門的電、水、蒸汽、空壓氣等相關的參數(shù)。

二、系統(tǒng)介紹
　　本系統(tǒng)由能源統(tǒng)計辦公室、鍋爐操作室和設備管理處組成三層能源監(jiān)測管理系統(tǒng)。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(shù)和設備的監(jiān)測；能源統(tǒng)計辦公室實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的查詢以及報表打印。統(tǒng)計辦公室的能源監(jiān)測評估程序完成班次的各項指標考核任務，對廠內(nèi)的能源供應部門的投入、產(chǎn)出及能源使用用戶單位的耗能情況進行統(tǒng)計分析，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用達到最低；同時400PLC主站通過MPI接口與上位機實現(xiàn)通訊。300PLC主站通過MPI接口與上位機實現(xiàn)通訊。采用Simatic WinCC作為上位監(jiān)控軟件，采用VB6.0編輯統(tǒng)計辦公室的能源監(jiān)測評估程序 。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。上位機由一臺服務器和三臺客戶機組成。把服務器并入了企業(yè)網(wǎng)，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(wǎng)，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(xié)議與服務器相連。MPI可用于單元級和現(xiàn)場級，用它可以非常經(jīng)濟的連接少數(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，使硬件費用達到最低。數(shù)據(jù)采集過程大體如下：現(xiàn)場傳感器的輸出信號由各站信號模板采集、轉(zhuǎn)化為相應的數(shù)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(shù)據(jù)按要求進行各種運算、處理后通過MPI網(wǎng)絡傳到服務器。客戶機和服務器之間通過OPC方式進行數(shù)據(jù)的傳遞 。

2．軟件設計
　　本系統(tǒng)PLC主站、PLC從站的編程使用STEP7編寫，實現(xiàn)PLC對過程數(shù)據(jù)的初步處理；上位機監(jiān)控使用SIMATIC WinCC編寫服務器軟件（WinCC Server）和客戶端軟件（WinCC Client），實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的查詢以及報表打印；統(tǒng)計辦公室的能源監(jiān)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。
　?。?）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(xiàn)場采集到的空壓氣、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
　?。?）上位機WinCC程序：根據(jù)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
3．統(tǒng)計辦公室能源監(jiān)測評估程序設計方案的選擇
　　能源監(jiān)測評估程序是用VB6.0開發(fā)的應用程序，安裝在統(tǒng)計辦公室的客戶機上，要對各個部門進行月結(jié)考核，并據(jù)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(shù)據(jù)處理來實現(xiàn)對各部門各班次工人的考核，同時需要計算生產(chǎn)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(xiàn)程序和服務期間的通訊。
　　（1）方案一：使用VB6.0開發(fā)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(xiàn)較為完善的容錯和故障診斷功能，當服務器出現(xiàn)短暫錯誤時造成OPC連接中段，造成死機。
　?。?）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(xiàn)故障，若服務器狀態(tài)不正常便重新啟動該系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)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(fā)一個小型的WinCC客戶端應用程序，利用WinCC內(nèi)部集成的OPC接口進行服務器和客戶機之間的數(shù)據(jù)傳輸；第二部分，利用VB6.0開發(fā)一個OPC客戶端應用程序，實現(xiàn)該程序與客戶機上的WinCC進行通訊。
　　優(yōu)點：使用WinCC內(nèi)部集成的OPC接口進行服務器和客戶機之間的數(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。
　?。?）方案選擇：鑒于以上幾種方案的優(yōu)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(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)進行統(tǒng)計計算，為生產(chǎn)安排提供數(shù)據(jù)依據(jù)。具體功能如下：
　　(1) 實時顯示：本系統(tǒng)包括五部分工況圖實時顯示生產(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、能源動力車間工況圖、非生產(chǎn)部門工況圖。
　　（2）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、能源動力和非生產(chǎn)等部門所采集數(shù)據(jù)瞬時變化趨勢。
　?。?）統(tǒng)計計算：將要考核的各部門的當前半小時庫中的數(shù)據(jù)進行整理、統(tǒng)計、生成8小時數(shù)據(jù)庫和天數(shù)據(jù)庫。
　　（4）統(tǒng)計報表：將各部門的數(shù)據(jù)按要求顯示報表
　?。?）參數(shù)設置：對本系統(tǒng)用到的參數(shù)進行設置，包括：班次參數(shù)、班次表、口令設置和曲線參數(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(jié)束語
　　本系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，提高了數(shù)據(jù)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(jié)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(jīng)濟效益。

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10. SIEMENS S7-400硬件安裝及模板規(guī)范手冊

作者簡介：
馬思樂 男 1964年2月生 山東大學控制科學與工程學院副教授 碩士生導師
主要研究方向：計算機控制與智能系統(tǒng)
張紀明 男 1979年6月生 山東大學控制科學與工程學院在讀碩士研究生。
主要研究方向：計算機控制與智能系統(tǒng)