卷烟厂能源SCADA系统设计

2012年04月09日 15:53:36 人气: 2186 来源:

　　摘要：本文对某卷烟厂能源监测管理系统作了详细介绍，主要分为系统的硬件设计、软件设计，和通讯网络的连接三部分。该系统已在该卷烟厂投入使用，实际运行状况良好。本系统给用户提供了生产过程中详细的能源、物料消耗情况，使用户可以及时发现问题，解决问题，以便zui大限度地提高能源、物料的利用率，达到全面节能降耗的目的，与此同时经济效率和管理水平也得到了提高。
　　
　　1、引言
　　
　　烟草行业向来是耗能大户，随着*技术和成套设备的大量引进，卷烟生产从过去的低速手工生产发展到高速全自动生产，对能源的需求越来越大。例如：卷烟生产要求车间保持恒温、恒湿，这将直接影响烟丝的质量，决定了成品烟的质量，所以需要大量的空调设备和除尘设备，再加上生产设备的耗电，这意味着烟草行业对电量的需求是相当大的。烟草行业的生产设备多是依靠气体的推动力生产，那么要生产设备所需要的气体，要消耗煤、油把水加热成蒸汽，或是通过耗电能的设备把空气压缩生成空压气。可见大型的卷烟生产厂每天都要消耗大量的能源，因此降低能源的损耗、合理调配能源将直接提高其生产效益。
　　
　　随着市场经济的逐渐深入，采用计算机辅助管理系统的观念越来越深入人心。为了减轻员工的负担提高工作的效率，完善自己的经营管理，该卷烟厂决定建立自己的计算机辅助管理系统，主要完成能源的监测管理功能。建立该监测管理系统可以给企业带来巨大的效益。具体地可以带来如下好处：
　　
　　（1）使用本系统能使用户全面了解生产过程的能源、物料消耗情况，及时发现问题，并解决问题，以便zui大限度地提高能源、物料的利用率，从而达到全面节能降耗的目的，与此同时也就提高了经济效率和管理水平。
　　
　　（2）提高了数据的可靠性和正确性，提高了计算准确率，减少了由于人为计算不准确和误差造成的损失。
　　
　　（3）极大的节约了人员，也减轻了统计办公室实际操作人员计算的负担，减少了计算时间。
　　
　　2、能源监控管理系统总体设计
　　
　　要合理使用和调配能源的前提是要清楚的了解能源的使用情况，这就需要把生产现场的实时耗能数据采集汇总。一个大型的烟草生产企业，要采集数据的地点分布在整个厂区，而且数量也很多，在数据采集和传输方面需解决分布广，数量多的问题。为了解决这个问题，在传统的DCS系统上，尝试引进了现场总线技术，提出了基于现场总线的DCS控制系统。现场总线技术是当今工业自动化领域技术发展的热点，适用于现场仪表、控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多点、多站的通讯系统，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线将现场设备和控制器连接起来，可将控制分散在整个网内，现场设备也可以通过现场总线直接供电。
　　
　　该卷烟厂能源管理监测系统主要用来实现该卷烟厂各部门233个点的数据采集、数据的汇总处理、耗能数据的实时显示、时段数据的查询、报表的打印和班次的考核等功能。
　　
　　该系统采用德国西门子公司的现场控制设备SIMATICPCS7系列产品搭建，其中包括1个S7－400主站和1个S7－300主站，下设9个ET200M子站，完成了蒸汽、空压气、水量和电量的233个点的采集任务。其中包括二期工程中的15个蒸汽流量，15个蒸汽压力，15个蒸汽温度，7个空压气流量，7个空压气压力，9个水流量、131个电量和一期工程的2个蒸汽流量、2个蒸汽压力、2个蒸汽温度、1个用煤量、2个用油量、19个电量、3个水流量、1个空压气流量、1个空压气压力、1个空压气温度。PLC的编程使用西门子开发的STEP7编程软件，下载到PLC的程序主要完成数据的存储和计算。上位机组态同样使用西门子公司的SIMATICWINCC，通过形象的工控画面在线监视各部门耗能情况，实现时段查询和耗能明细报表打印功能。为了更好的实现统计分析、成本核算和班次考核功能，我们使用VisualBasic6.0编制了能源监测评估软件，该软件通过自编的OPC简单程序与WINCC内部集成的OPC程序接口相连进行数据传输。该软件可对记录的现场数据进行更细致分析，得到成本核算和班次考核结果，给各个部门的考核工作提供可靠依据，提高了管理水平。同时，通过该软件绘制的各种能耗曲线图，为分析生产耗能趋势提供依据。
　　
　　本系统可大体分为三部分：上位机、主站（300主站和400主站）及其子站（总共9个ET200M子站）如图1所示。上位机由一台服务器和三台客户机组成，我们把服务器并入企业网，因为西门子公司的上位机组态软件WINCC内置了OPC通讯功能，这样，客户机的扩展变的异常容易和简单：只需把计算机并入局域网，然后进行简单的设置就可以作为一台客户机使用。为了方便锅炉操作工的工作，我们在锅炉操作间和油炉操作间分别添加了一台客户机，实时显示有关锅炉操作的数据。为了企业管理层可以实时掌握生产耗能情况，我们在办公楼设备管理处用同样的方式添加了第三台客户机。400PLC主站及300站通过MPI协议与服务器相连。MPI可用于单元级和现场级，用它可以非常经济的连接少数站。400主站与其子站之间通过PROFIBUS-DP相连。这种组网方式可在保证数据采集性能要求的前提下，使硬件费用达到zui低。数据采集过程大体如下：现场传感器的输出信号由各站信号模板采集、转化为相应的数字信号然后通过通讯模块送到400PLC主站，400PLC主站把各站送来的数据按要求进行各种运算、处理后通过MPI网络传到服务器。客户机和服务器之间通过OPC方式进行数据的传递。PLC300站以满足就近采集传感器信号和高速计数器的要求。
　　
　　PLC编程使用西门子公司编程软件STEP7，上位机监控使用西门子公司SIMATICWINCC实现，统计办公室的能源监测评估应用软件使用VisualBasic6.0语言开发。STEP7编程实现PLC对过程数据的初步处理。上位软件完成数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印。统计办公室的能源监测评估程序完成班次的各项指标考核任务，对厂内的能源供应部门的投入、产出及能源使用用户单位的耗能情况进行统计分析，成本核算等，为提高厂内能源管理使用水平提供了可信依据。

　　图1系统总体结构图

　　
　　3、能源监控管理系统具体实现
　　
　　3.1软件设计
　　
　　本系统PLC编程使用西门子公司编程软件STEP7，上位机监控使用西门子公司SIMATICWINCC实现，统计办公室的能源监测评估程序采用VisualBasic6.0语言编写。
　　
　　STEP7编程实现PLC对过程数据的初步处理。上位软件完成数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印。统计办公室的能源监测评估程序完成班次的各项指标考核任务。
　　
　　STEP7是用于SIMATICS7300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图或语句表3种方式编写具体程序。
　　
　　在根据工程实际要求编程前，首先要确定系统中用到的主要硬件设备，比如PLC型号，信号采集模块类型，通讯模块等，并根据实际情况在STEP7的SIMATICManager窗口中，给工程添加相应的硬件组态。把PLC主站与服务器通过CP5611网卡连接好，通过STEP7在线的将编好的PLC控制程序下载到PLC的CPU中，下面以S7-400PLC程序为例介绍。
　　
　　该程序包括6个OB块、20个FC块、15个DB块，完成对现场采集到的空压气、水蒸汽、电量和水量的数据的处理（包括蒸汽流量补偿和蒸汽温度计算），并记录各个变量的累积量。
　　
　　（1）主程序（组织块OB1）
　　
　　主程序流程图：

　　
　　用到的主要FC简介：
　　
　　①FC1数据采集：将现场采集的数字量分别放入各个子站对应的数据块中，等待处理。
　　
　　②FC10全局数据分配：用于分配一些全局数据，便于以后调用和修改，减少错误机率。程序中定义的M存储区如表1所示：
　　

　　表1程序中定义的主要M存储区

存储区	存储取的用途	存放数值
MW10	在FC1中用到，表示DP分布式I/O的起始地址	528
MD16	空压气要求的压力值，单位kg/cm²	6.033
MW20	4mA对应的输入数字量	0
MD22	水蒸汽要求的温度值，单位K通过MD26的值，查表可得到。	4.5235
MD26	水蒸汽要求的压力值，单位kg/cm²	9.0
MW30	20mA对应的输入数字量	27648
MW32	（20－4）mA对应的数字量	27648
MD34	累积系数，浮点数	3600.0
MB38	求温度时查表要到的标志区
MD40	1kg/cm²对应的MPa值	0.0980665 MPa
MD44	压力表量程	1.2MPa
MD48	温度表量程	180摄氏度
MD52	1个大气压对应的Mpa值	0.101325 MPa
MD56	0摄氏度对应的温度	273.15K
MW60	3公斤对应的数字量	6778
MW62	8公斤对应的数字量	18076
MW64	13公斤对应的数字量	27648
MB66	OB86硬件中断标志区
MB67	OB86_EV_CLASS
MW68	OB86_FLT_ID
MD70	OB86_MDL_ADDR
MD72	OB86_RACKS_FLTD
MD76- MD80	OB86_DATE_TIME

　　
　　③FC100累积量清零：用于将存放累积量的数据块存储单元清零。
　　
　　④FC106功率线性化：调用FC107，实现对现场采集的功率信号根据量程转换。
　　
　　⑤FC107功率线性化：功率千瓦值＝（现场数字量/27648）×功率表量程
　　
　　（2）1S循环（组织块OB32）
　　
　　程序流程图（如图3）
　　
　　用到的主要FC简介：
　　
　　⑴FC3空压气流量补偿：空压气的压力范围是3～8kg/cm2。调用FC104，Tf=MW20，Tn=273.15，Pf、Qf来自现场采集的已放入DB块的数据，Pn=MD16。对空压站空压气流量处理特殊，调用FC105。
　　
　　⑵FC4空压气累积：调用FC102，实现空压气流量的累加。
　　
　　⑶FC5水蒸汽流量补偿：水蒸汽的压力范围是3～13kg/cm2.调用FC104。
　　
　　⑷FC6水蒸汽温度计算：调用FC101，通过水蒸汽压力计算出水蒸汽温度。
　　
　　⑸FC7水蒸汽累积：调用FC102，实现水蒸汽流量的累加。
　　
　　⑹FC8电量累积：调用FC103，实现电量的累积。
　　
　　⑺FC9水量累积：调用FC103,对数据简单累加。
　　
　　⑻FC101水蒸汽温度计算：根据水蒸汽压力值查表得到水蒸汽温度值。其中：水蒸汽压力＝（现场数字信号/27648）×压力表量程/0.098。通过水蒸汽标况图查表得到温度值。

　　
　　⑼FC102气体累积：累积量＝累积量＋气体流量/MD34（MD34为3600.0，浮点数。考虑到流量单位是以小时为依据，因本系统累加循环是1秒钟循环，所以将时间单位小时换算为秒）。
　　
　　⑽FC103水电累积：累积量＝累积量＋水电流量/MD34（MD34为3600.0，浮点数。考虑到流量单位是以小时为依据，因本系统累加循环是1秒钟循环，所以将单位换算为秒）。
　　
　　⑾FC104气体流量补偿：
　　
　　气体压力＝（现场数据信号/27648）×压力表量程＋1个大气压对应的Mpa值
　　
　　气体温度＝气体摄氏温度＋273
　　
　　补偿后气体流量＝补偿前气体流量现场数字量×（气体压力/所需气体压力）×（气体所需温度/气体温度）
　　
　　⑿FC105空压站空压气流量补偿：
　　
　　空压气压力＝（现场数字量/27648）×压力表量程＋1个大气压对应的Mpa值
　　
　　空压气补偿后流量＝补偿前采自现场没经过线性化的流量信号×空压气压力×[273.15/（0.10135×空压气温度）]
　　
　　（3）500ms循环（OB33）
　　
　　调用FC42完成脉冲电量信号的累积。FC42主要用来完成对计数器的控制。对每个变量使用两个计数器，每个计数器计数zui高值为999，利用两个计数器可以提高计数总量。用电量（度）=脉冲个数/1000×变比。为提高计数精度，用四个DBW存放采集到的电量。各个电量的存放位置列于表2和表3中。
　　

　　表2空压站电量存储区对照表

项目	小数第二位	小数*位	个位	十位
一号电机	DB5.DBW112	DB5.DBW114	DB5.DBW150	DB5.DBW144
二号电机	DB5.DBW116	DB5.DBW118	DB5.DBW88	DB5.DBW90
三号电机	DB5.DBW142	DB5.DBW120	DB5.DBW92	DB5.DBW94
四号电机	DB5.DBW122	DB5.DBW124	DB5.DBW96	DB5.DBW98
五、六号电机	DB5.DBW126	DB5.DBW128	DB5.DBW100	DB5.DBW102
干燥机	DB5.DBW130	DB5.DBW132	DB5.DBW146	DB5.DBW148
水泵	DB5.DBW134	DB5.DBW136	DB5.DBW108	DB5.DBW110

　　
表3薄片车间电量存储区对照表

项目	小数第二位	小数*位	个位	十位
生产1	DB8.DBW104	DB8.DBW106	DB8.DBW120	DB8.DBW92
总电量7＃配	DB8.DBW108	DB8.DBW110	DB8.DBW122	DB8.DBW94
照明	DB8.DBW112	DB8.DBW114	DB8.DBW124	DB8.DBW96
生产2	DB8.DBW116	DB8.DBW118	DB8.DBW126	DB8.DBW198

　　
　　3.2系统通讯网络的具体结构
　　
　　本系统的通讯系统大体结构是：主站通过PROFIBUS-DP和下面的各个子站相连，完成数据的传输。300和400主站通过MPI协议与上位机的数据采集卡相联，并把服务器纳入企业的网络，这样使得客户机的扩展变得异常简单，只需将计算机纳入局域网，再通过WINCC中自带的OPC读写协议实现数据的共享即可。为了能实时的掌握生产情况，我们利用厂区局域网在锅炉房、油炉房和设备管理处连接了3个操作站。为了能更好的完成考核和统计工作，在统计办公室用同样的方法即通过厂区现有的局域网和WINCC内部集成的OPC连接了一个操作站，再通过WINCC.Client与这台操作站上用VB6.0开发的能源监测评估系统通讯，这两者之间的通讯是通过在VB中开发的OPC客户端应用程序实现的，如图4所示。

　　图4系统数据网络结构图

　　
　　4、统计办公室能源监测评估程序的设计
　　
　　4.1与服务器的通讯连接
　　
　　由于统计办公室要对各个部门进行月结考核，并据此进行奖金的评估，所以其要求更为复杂。它需要记录锅炉房，空压站，薄片车间，总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理来实现对各部门各班次工人的考核，同时需要计算生产成本并打印详细月报表等。如果用上位组态软件WINCC来满足这么多细致的要求，工作量十分大，而且由于WINCC自身的很多性能特点，也很难实现和满足厂方的要求。所以考虑到在统计报表及访问数据库方面VisualBasic6.0具有强大的数据操作功能，于是该系统采用VB6.0结合Access数据库进行开发。在通讯方面客户机与服务器的通讯采用了服务器上的Wincc.Client与Wincc.Server上的WINCC内部集成的OPC互相通讯的方式，而客户机上的VisualBasic6.0与本机上的Wincc.Client的通讯则是通过在VB中开发OPC客户端程序实现的。
　　
　　具体结构如图5所示。图5中所示的Wincc.Client的角色非常特殊，它对于图中所示的Wincc.Server来说是客户端，而对于该能源管理软件来说则成了服务器端。这样做的目的是为了更好的利用WINCC内部集成的OPC来进行比较复杂的通讯，只在简单部分使用VB的OPC客户端应用程序。

　　
　　4.2能源监测评估程序基本功能
　　
　　系统要完成三大部门的监测与管理的功能（如图6所示）。监测部分要完成70多个量的实时监测与累计，并显示出各个瞬时量的实时曲线；管理部分要完成统计计算，统计报表，成本核算，数据分析，错误列表，数据备份，参数设置，导入Excel表等几大功能。要具备完善的数据汇总功能还要具有较完善的查询功能及数据库的维护功能，在此基础上，进行大量数据分析和网络数据库查询的设计。

　　图6监测和管理功能图

　　
　　系统完成如下功能：通过OPC客户端程序与本机上的WINCC客户端进行通讯，每当服务器上的数据有变化时，客户端的WINCC上的数据也随之发生变化，相应的管理软件上的数据也发生变化，从而进行实时的监测。每四分钟把所有的瞬时量读入4分钟数据库中，用来划出时实曲线，每半小时把所有量（包括瞬时量和累计量）读入半小时数据库，通过统计计算生成8小时数据库和天数据库。之所以要生成这两个中间数据库，是因为要对每个班次进行考核和满足日后的日查询功能。该卷烟厂的生产车间共分为甲、乙、丙3个班次，每个班次工作8小时，所以建立了8小时数据库；在今后的查询功能中都是以日查询为基础的，所以又建立了24小时数据库。通过这两个中间数据库，可对各个部门的数据按要求显示报表，计算各个部门的成本或消耗，并按条件选择进行数据计算，以供用户对各个部门生产状况进行分析比较，并可以以棒图和饼图两种方式形象的显示。在数据采集的过程中，各个监测量越限错误状态也被实时的写入错误列表，并可按选择的条件进行错误列表的查询。当进入新的一年时，可执行备份功能将不需要分析的数据备份至备份库中。为了方便对数据进行进一步的处理分析，还可将各个部门的数据按要求与EXCEL表链接，生成EXCEL表格式的文件。
　　
　　5、结束语
　　
　　能源监测管理系统，是一套完整的监控系统，包括现场信号的采集和传输、PLC子站与主站之间的通讯、主站与上位机的通讯、客户机的扩展和主机的通讯、数据的处理、报表打印、生产成本核算和班次考核等内容。实现了实时监控、数据统计、成本核算和报表打印等功能。该系统的投入使用给用户提供了生产过程中详细的能源、物料消耗情况，使用户可以及时发现问题，解决问题，以便zui大限度地提高能源、物料的利用率，达到全面节能降耗的目的。

关键词： SCADA系统

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