基于全集成自动化的能耗监控管理系统设计

田丰

摘 要： 为了企业节能减排和生产管理的需要，设计与实现了一种基于全集成自动化理念的能耗监控管理系统。该系统可以对现场能耗设备进行实时控制和数据收集，并通过数据同步分析，进而协调和优化企业的生产过程，使自动化与制造管理、企业管理、供应链管理建立起无缝连接。在此从系统架构、硬件和软件设计、关键技术等方面进行了阐述。结果表明，该设计达到了预期目标。

关键词： 全集成自动化； 能耗监控； 实时控制； 数据收集

中图分类号： TN711?34 文献标识码： A 文章编号： 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

现在，节约能源、降低能耗已经成为企业发展和增效的重要环节之一。以某企业为例，能耗设备主要为进行产品热处理的电加温炉、气加温炉。加温炉上配有用于温度控制的温控仪表和用于能耗检测的电能表、气量表，这些仪表不具备通信功能。每台加温炉采用传统的单台仪表控制，对工艺要求的升温曲线难以监测和优化，从而导致无法采取针对性的节能措施；设备的能耗检测数据通过人工方式收集，工作效率低易出错，不利于核算批量产品的生产成本。

针对这种情况，提出开发一套能耗监控管理系统。该系统作为企业信息化的重要组成部分，不仅能够实时监控设备能耗，还能对采集的数据进行统计和分析，从而优化生产工艺，达到节能增效的目的。

1 总体设计

1.1 全集成自动化

目前企业的自动化技术已经从单机控制发展到全集成自动化，其拓扑结构如图1所示，全集成自动化是一种开放的设计理念，为企业实现了IT和商务的信息集成，通过同步分析、协调和优化企业的生产，使自动化与制造管理、企业管理、供应链管理建立了无缝连接，从而全面增强企业的核心竞争力。

1.2 方案设计

能耗监控管理系统的设计基于全集成自动化理念，根据任务的不同，将整个系统划分为三级，即工厂级、车间级、设备级，如图2所示。

图2 能耗监控管理系统架构

（1） 设备级的任务为通过高精度控温仪表进行温度控制；通过PLC以现场总线方式集中下发温度控制的PID参数，集中采集现场的各种温控仪、电能表和气量表的数据，并通过以太网传输给车间级上位计算机。

（2） 车间级的任务为通过组态软件完成人机交互，即控制参数设置、实时数据及曲线的显示；记录数据，形成实时归档数据库；记录操作人员的工作过程等，以保证生产工艺稳定、完整可靠的实施，并将能耗分配到单批产品。

（3） 工厂级兼有历史归档数据库和Web服务器两项功能，将各个车间级的上传数据汇总到历史归档数据库，根据能耗管理、设备管理、生产管理的需要建库存储，并进行数据处理生成各种报表、工艺优化和成本分析报告；Web服务器采用客户/服务器模式，提供基于IE浏览器的企业园区网的能耗监控管理系统查询、浏览和打印。

对应系统设计的三个层次，系统实现的技术路径有：采用精密控制仪表、计量仪表以及电气控制元件完成现场测量控制功能；采用现场总线技术及组态管理技术完成集中控制、能耗采集；采用网络通信技术及数据库技术实现系统信息管理。因此，系统实现的特点是需要多种自动化技术的综合运用，最终达到整个系统的融合统一。

2 系统硬件设计

该系统的硬件功能和组成划分为6层，从底层往上看分别为：

（1） 仪表测控层：采用具备通信功能的温控仪、电能表和气量表，通常在工业现场仪表采用的是串行总线Modbus 485通信协议，此协议支持的通信速率较低和点数较少。

（2） 数据总线转换层：现场总线采用Profibus?DP协议，最大支持128点，传输速率最大12 MB/s，能够支持大量的实时数据汇总；通过总线桥完成DP协议和Modbus 485协议之间的数据转换，总线桥在DP侧作为从站，在Modbus侧为主站，而通信仪表为Modbus侧从站。

（3） 集中控制层：采用PLC实现对所有在线的通信仪表的数据采集，控制参数的下发；可通过局域网与上位机车间级服务器进行数据交互；PLC的数量根据系统容量需求可扩展。

（4） 本地工作站层：架设车间级服务器计算机，可运行组态管理软件进行控制参数下发，实时数据采集、显示；对实时数据进行归档，并上传给历史归档数据库。

（5） 网络通信层：采用交换机或路由器，实现工厂园区的以太网络通信，根据实际情况与前两层的局域网可分离也可并网。

（6） 核心管理层：架设工厂级服务器计算机，运行数据库管理软件和Web服务器，生成和提供所有底层设备的数据库资源，以及IE浏览器服务平台。

3 系统软件设计

3.1 软件设计综述

由于能耗监控管理系统是多级平台组成，所以不同的应用层必须有相应的支持软件。应用软件包括总线桥协议转换软件、PLC测控软件、车间组态管理软件、工厂级Web服务器及客户端软件。它的开发环境如下：

（1） 操作系统：Windows 2000 Server；

（2） PLC编程环境：Siemens Simatic Step7；

（3） 通信开发环境：Siemens Simatic Net；

（4） 组态软件开发环境：Siemens Simatic WinCC；

（5） 数据库管理系统：SQL Server 2000；

（6） Web客户端开发工具：Delphi 7.0。

下面主要介绍车间组态管理软件和工厂级Web服务器软件的设计。

3.2 车间组态管理软件

该软件是对现场数据采集和对现场仪器仪表进行过程控制的专用软件，由WinCC组态软件开发平台开发。组态管理软件功能包括现场设备配置组态、现场数据采集、读取/下发设备的控制参数、归档数据库、车间报表分析等，组态管理软件数据流如图3所示。

WinCC数据库归档和温控仪参数设置界面如图4所示。

3.3 工厂级Web服务器软件

在WinCC?Web服务器上建立WinCC管理工程，设置访问Web服务器的客户，依据客户类型分配不同的访问权限，达到管理的目标。在WinCC?Web服务器上建立系统管理画面。Web服务器数据流图见图5。

客户端软件结合数据库和IE浏览器可以进行多种条件查询方式，为用户提供所需的数据分析。查询界面如图6所示。

4 关键技术说明

4.1 总线桥组态

要实现全集成自动化，首先必须实现企业的信息化：即实现工厂的信息集成，特别是工厂底层设备及生产信息的纵向集成。具体说就是能够实现工厂管理层对车间底层生产数据的纵向透明存取。现场数据采集和通信是实现工厂纵向信息集成的技术基础，也是硬件设计的核心。现场数据采集示意图如图7所示。

首先将现场加温炉的温控仪、电能表、气量表通过总线桥与PLC等现场控制设备连接到Profibus?DP总线上，再由PLC和车间WinCC服务器连接，实现对数据的采集。PLC和WinCC服务器的连接可以采用Profibus?DP通信，也可使用以太网通信。

总线桥的组态方法如下：选择图8中的Profibus（1）总线，添加DP从站，即PB?B?MM/34网关，添加DP从站过程中可对从站地址进行设置。单击硬件组态窗口中的按钮（或选择菜单“Station->Save and Compile）保存并编译组态信息。

4.2 WinCC数据库与Web通用数据库转换

Web程序开发的主要任务是对WinCC归档的数据进行统计分析（报表），同时通过客户端完成部分能源资料的建立及客户端报表生成。在工厂级Web服务器软件开发时，由于WinCC的历史归档数据库为压缩结构数据，只能通过WinCC的组件打开，不便于通用浏览器B/S方式的软件开发。因此，在Web服务器建立第三方开发的数据库，然后将WinCC的数据动态导入第三方开发数据库。

5 结 语

本文介绍的基于全集成自动化理念的能耗监控管理系统设计具有以下特点：

（1） 对数据信息流的加工处理贯穿系统全局，三层结构功能划分合理可行；系统采用分布式结构，按功能区域划分，模块化设计，系统可扩展性强。

（2） 系统实现涉及到多种工业自动化技术的综合运用，主要有现场总线技术、Modbus协议和Profibus?DP协议转换技术、PLC技术、组态软件开发、数据库管理、网络通信、B/S技术等。

（3） 此系统的应用显著提高了企业成本控制和管理效率，具有广泛的应用前景。

参考文献

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