西门子6GK7342-5DA03-0XE0

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一、项目简介

　　能源消耗是企业产品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企业降低成本的重要途径。烟草行业向来是耗能大户， 随着国外**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，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。将军烟草集团有限公司成立于1993年，位于山东省济南市，是一家以烟草为主业、多元化经营的跨地区、跨行业、跨国界的企业集团。其核心企业济南卷烟厂拥有目前世界上**的卷烟设备及行业技术中心。公司现有员工5000余人，总资产73亿元，是全国烟草行业36家重点企业之一。

　　本能源监测系统主要用来对济南卷烟厂各部门的能源消耗情况进行监测、统计、报表和打印等。本系统的主要监测量包括全厂各部门的电、水、蒸汽、空压气等相关的参数。

二、系统介绍

　　本系统由能源统计办公室、锅炉操作室和设备管理处组成三层能源监测管理系统。通过分布于全厂各个车间的传感器将蒸气、空压气、水量和电量233个点的参量采集到服务器中，锅炉操作室和设备管理处负责对实时参数和设备的监测；能源统计办公室实现数据的实时显示、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。

　　本系统CPU主站选用Siemens 的Simatic S7-400的CPU414-2DP和S7-300的CPU314，400PLC主站配置9个ET200M子站。CPU414-2DP集成MPI通讯口和Profibus-DP通讯口，各子站与400PLC主站采用Profibus-DP 方式相连，这样可在保证数据采集性能要求的前提下使硬件费用达到低；同时400PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。300PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。采用Simatic WinCC作为上位监控软件，采用VB6.0编辑统计办公室的能源监测评估程序 。

　　系统清单如下表：

  一、通过应用技术发挥现场总线的优势

    现场总线系统的优越性很多。首先要突出现场总线降低系统投资成本和减少运行费用的优点。这一点很重要，有了这一基本思想，在进行总线类型的选择和网络设计时，就会有明确的方向。但现场总线的这项优点能否发挥，与应用者是否合理地使用现场总线、充分发挥它的潜能有关。

    二、不同类型的现场总线组合更有利于降低成本

    不同类型现场总线的简单比较，针对不同的情况选用不同的总线可以大限度地降低系统成本；位式总线（Sensor Bus or Bit-Bus ）：AS-I，简单开关量I/0模块字节总线（Device Bus or Byte-Bus ）：Device Net，开关量和模拟量I/0模块，适合PLC应用或过程控制应用数据流总线（Ful l Function Bus or Block-Bus ）：Foundation Fieldb us，具奇功能块的开关量和模拟量I/O设备，适合过程控制位式总线的能力很有限，用位式总线作为大型系统的信息传输主体是不可能的。但是它在成本，速度等方面的优势又是其他高层次总线无法替代的。因此它常常与其他总线混合使用。

    用户可能会担心，用了多种现场总线，会使整个系统的操作、管理变得复杂。实际现在一些通用的人机界面软件，都支持多种现场总线，因此到人机界面这一层，不同总线的区别对使用者来说是不大的。

    三、现场总线的本质是信息处理现场化

    一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线和智能仪表后，可以从现场得到更多的诊断、维护和管理信息。现场总线系统的信息量大大增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力、减少多余信息的传递。另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。

    如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆，是没有理解到它的实质。信息处理的现场化才是智能化仪表和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其他计算机通信技术的标志。

    四、网络的设计

    一般控制系统也有网络设计问题，网络设计的重点是从物理形态上考虑通信网络和输入、输出线缆网络的布置。前面提到许多现场总线的网络形态是线形的，每一组网段上的节点数是有限制的。由于网段上的节点数较少，因此除考虑网络的物理布置之外，还要考虑减少信息在网络上的往返传递。

    减少信息的往返传递是现场总线系统中网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点，放在同一条支路里。例如多回路调节中，一个调节回路的节点应尽量放置在同一条支路里。

    五、系统组态傻瓜化

    现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有许多功能类同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。考虑这个问题的原则是，尽量减少总线上的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出多的那台仪表上的功能块。

    目前现场总线系统的组态是比较复杂的，需要组态的参数多，各参数之间的关系比较复杂，如果不是对现场总线非常熟悉，很难将系统设置到佳状态。显然，广大用户对这种状态不满意。现场总线系统的制造商也正在努力，以使系统组态逐步“傻瓜化”。

  现场总线是90年代中发展起来的一种新技术，近年随着信息技术、自动控制技术、计算机技术、网络技术迅速发展而发展，并成为全球工业自动化领域的热点之一。目前世界工业企业有数千套实用系统在运行。我国从1996年起至今也有近百套系统在使用中，其中大部分使用在石油和化工行业，应用规模较大的达到70个回路，近千个I/O点，在应用中累积了许多有益的经验和教训。为了今后更好应用现场总线这一新技术，特提出以下意见：

    1．现场总线是企业信息化的一部分

    以信息化带动工业化，应用综合自动化技术改造提升石油和化工产业是我国一项长期重要决策。不断提高和完善现场总线应用水平，是近年随着信息技术和信息交换的覆盖面从企业管理、生产过程控制向现场设备的各个层次延伸发展的需要，是企业信息化、自动化发展的要求。它是综合自动化和信息化的一个重要组成部分。

    2．应用现场总线是一种发展趋势

    现场总线是指安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通讯的数据总线。它有以下优点：

    ①控制分散，且能在线运行条件下对系统和现场设备进行诊断，可进一步提高运行可靠性；

    ②数字双向传送，传送精度高；

    ③能节省50-75%的电缆、安全栅、仪表柜及相应的工程量；安装方便。

    ④标准国际化，只要合乎统一的的所有的现场仪表都可与此联用和通讯。

    由于现场总线有一系列优点，因此近年用户不断扩大，发展迅速，成为工业自动化领域里控制技术的发展趋势之一。

    3．应用现场总线一定要着重于实际需要和技术发展

    ①要有一个规划。

    各企业应用现场总线要从实际需要出发，根据原有的自动化基础、现有的技术力量和资金等条件统筹考虑。根据目前现场总线技术发展现状和应用实际情况，制定相应的应用规划。特别是有新建、扩建和自动化改造任务的石油和化工企业，可按信息化、自动化“总体规划、系统设计、分步实施”的原则做好采用现场总线的规划和实施方案，逐步扩展。

    ②要处理好与常规仪表应用的关系。

    目前还有相当一批中小化工企业仍在用常规仪表控制生产过程，这些厂首先要用好、管好现有仪表及控制系统；如有技改任务或现有仪表产品落后，可以考虑选用现场总线控制系统或新的控制系统取而代之。要考虑和处理好DCS、PLC和现场总线应用的关系。

    ③目前DCS控制系统比较成熟，它仍是石油和化工企业的主流控制产品，因此现已用DCS控制生产过程的企业，应该用好管好DCS系统，充分发挥DCS、PLC功能的作用。有些企业，如果已用的DCS系统技术落后、又经常出现故障，给生产带来损失的，可以考虑换代，或采用现场总线控制系统取以代之。

    ④应用现场总线要根据需要和可能，逐步扩展。

    目前现场总线虽有许多优点，但现场总线还在发展中，产品系列尚未配套

基于世纪星组态软件的北京市某工厂小区供热宴时监控系统，做到分支路、分时问、分温度自动温度补偿控制，大大节省了能源，并通过软件对外围设备自动控制，并利用曲线、报警显示和记录等功能提高了系统操作效率和**性。

1 概述
　　为实施蓝天工程，北京大部分供暖已采用清洁燃料，但由于原系统设计不合理，缺乏**监控手段和管理不科学，造成燃料费用居高不下。经调查分析，大多数集中锅炉房的供热系统在整个循环供热的过程中散热损失大、供热区域内热水循环量的水动力严重失衡，实际的热水循环量超出设计值所需几倍，不但造成供暖系统的供热不均，达不到住户的供暖要求，同时还要增加运行费用。本文根据现有北京市某工厂小区实际情况开发设计，该小区具有代表性，使得该系统稍加改动即可应用于目前很多的供热系统。
　　该小区原供热状况直如下：锅炉房共有三台5.6MW燃气热水锅炉。原来，季冷时一般也只运行2台，小区共计lO.32万余平方米的建筑面积。主要供暖对象是车间热水供水、办公楼供水、生活热水、住宅楼供水和集中空稠供水。原系统锅炉的燃烧调整及起停，采取的是粗放型管理模式，不能根据供热负荷的实际情况，进行合理、有效的集控和联控，使每台锅炉处于佳运行状态，并达到供热平衡。
　　此外，现有设备的利用不合理，搭配不匹配，限制了设备功能的充分发挥。供热时量与质的调节无法同步，供热区域内的热量分配电就无法均匀调控，造成区域间与楼字间的供热质量出现差别。根据目前供热系统资源不能合理分配，只监不控等缺点，世纪长秋设计了基于组态软件的供热节能系统具有以下特点：
　　（1）供热系统同时具有控制和监控功能，计算机作为控制和监视的管理中心，真正从用户热负荷实际需要出发，反过来控制整个锅炉房供热系统。
　　（2）智能化控制每一供暖之路，使温度调节个性化、程序化，减少人为干扰，充分体现对用户的人文关怀。
　　（3）供热系统各个不同供热区域实行分区控制功能，使各个供暖区根据各自不同情况实现不同时间，不同温度的供暖。
　　（4）使用的各种温度曲线、各种供热单元负荷曲线为基础开发的温控设备大幅度降低用户的运行费用，大限度科学合理使用能源，将能耗控制到合理值。
　　（5）用世纪星组态软件监控提高了系统的稳定性、安全可靠性，降低人为操作的不确定性、随意性、劳动强度，管理更科学。

2 系统的硬件组成
　　系统主要有工控机（研华）、打印机、RTU柜包含数传电台、模拟量输入输出模块、开关量输入输出模块、UPS电源、通讯电线和一些通讯电缆。
　　工控机是核心，将首站的模块采集到的数据利用双绞屏蔽线通过RS-485串口通讯协议采集到计算机，在界面上实现显示。各个供热锅炉的数据通过锅炉的数传电台和首站的数传电台进行通讯，将数据送入工控机；工控机也将下达的指令通过数传电台发送到各个锅炉。这样就完成了所有参数的采集传输和命令传输。

3 系统的软件设计及功能的实现
　　3.1 组态软件简介
　　工控组态软件是利用系统软件提供的工具。通过简单形象的组态工作，即可构成所需的软件功能。组态软件正在以提高系统的成功率和可靠性、缩短项目统开发周期、减少开发费用等优势代替着各种计算机语言的软件开发，受到了越来越多的科技人员的重视和青睐，并已显示出形成计算机控制系统软件主导地位的趋势。
　　由北京世纪长秋科技有限公司研制的世纪星组态软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，是一套基于bbbbbbs平台的用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、曲线和报表输出、企业监控网络以及高性能、高可靠性、低成本的嵌入系统等功能。本文将介绍基于工控软件世纪星的供热节能系统。
　　3.2 主要功能的实现
　　（1）定时段及温度限值控制原系统导致大量的办公区域在夜间能源空耗现象突出。
　　由于运行温度单一，造成无法根据实际需要进行动态温度调节。传统的锅炉房对外网的热水温度．都是采用单一的出水温度方式进行。即锅炉只有一个出水温度．即使许多换热站供暖循环二次水的温度也只能靠一次水的变化而变化，调节阀门也仅仅靠人工初始设的开关控制，一般都是维持一个固定开度不变。即二次水温度仅靠一次水温变化．来带动二次水温度简单的“质调节”，却无法实现量与质的同步调节。
　　该系统可以使各供热区域的各支路（包括车间供水、办公楼供暖、住宅楼供暖、集中空调供水）出口温度，按照不同温度的需要和不同的运行时间需要，进行任意的分温、分时、分段调整，这样可以避免原系按照高区域温度设计，其它不需要这样高温度供热的区域用户，例如大量办公楼下班后．由于与家属宿舍楼在同样采暖系统中仍然采用同样温度和方式供热，而产生能源的大量浪费。
　　（2）外围设备的自动控制。
　　原系统由于没有集中控制，所以对于阀门的关闭等操作都是工人师傅手动完成，给系统操作带来了极大的不便。本系统组态软件实现了外围设备的自动控制。简单的几个按键操作即可实现对外围设备的控制。
　　（3)系统实时监控、故障显示和记录。
　　那对于原系统．一旦发生故障，操作人员无法立即知道是哪个部分发生异常，只能凭经验寻找，而且对于当前各部分的运行状态无法整体观测到，这就给系统的运行和操作带来了很大的不便，生产效率很低。而本文介绍的系统采用实时监控技术，通过世纪星组态软件实现了对锅炉运行的所有参数实时监控，使得所有参数的当前运行状态可以在同一画面中显示，这样操作人员就可以方便、快速的了解各部分的运行情况，大大提高了生产效率。
　　此外，故障报警功能使实际运行中的某个参数超过设定标准时，系统自动发出警告，操作人员只要检查相对应部分的设置即可。故障报警信息会由系统自动记录，以便以后察看。
　　如图1所示：

4 总结
　　本文介绍的锅炉监控系统进行分支路、分温度、分时间的自动控制，使得出水温度不再是一个固定值，避免了造成各供暖分路的要求与供应之间的矛盾，原来系统的该热的时候不热、不需要热的时候反而热的现象不再出现。各支路按照室外天气温度进行变化补偿，大大节约了资源。经计算和实地考察，该系统与原系统相比，可节省资源45％以上，此外，实时监控、故障显示记录和实时曲线使系统控制更加自动化、系统化，大大提高了工作效率。

　可编程逻辑控制器(PLC—Programmable Logic Controller)，简称可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、通讯技术和自动控制技术发展而来的一种新型工业控制装置。它问世于20世纪60年代，到现在仍保持旺盛的发展势头。它具有体积小、功能丰富、配置灵活、适应恶劣环境、抗干扰性强、可靠性高、编程方便、价格便宜等优点，广泛用于电力、机械、冶金、化工、轻纺等各个工业过程自动控制中。它不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的过程控制网络。
　　现场总线技术是20世纪80年代后期发展起来的，它是目前自动化领域中的一个热点，是新一代控制系统的发展方向，它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字—模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、多变量、多节点的通信与控制系统。现场总线则是连接现场智能设备和自动化控制设备的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，其基础是数字智能现场装置。分散在各个现场的数字智能现场装置通过现　　　　场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起构成现场总线控制系统（FCS—Fieldbus Control System）。
　　现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点：（1）布线简单；（2）开放性；（3）实时性；（4）可靠性；（5）高效诊断；（6）硬件灵活。
　　目前，国际上各种各样的现场总线有很多种，统一的尚未建立。其中有较强实力和影响的有： FF（Foundation Fieldbus 基金会现场总线）、HART（Highway Addressable Remote Transducer）、CAN（Controller Area Network 控制器局域网）、Profibus（Process Field Bus 过程现场总线）、INTERBUS、LonWorks（Local Operating Network 局部操作网络）、WorldFIP、MODBus、DeviceNet、ControlNet 、ASi（Actuator Sensor Interface 执行器传感器接口）等。
　　基于PPC工业计算机、PLC及现场总线的电气控制系统在工业自动化领域，如冶金、电力、石化、矿山、水泥、水处理、乳品饮料、啤酒罐装、烟草加工、机械装配、产品包装等已得到广泛的应用，但是在铁路大型养路机械电气控制系统中还没有广泛应用。本文根据铁路大型养路机械控制系统的特点，提出一种基于PPC工业计算机、PLC及INTERBUS现场总线的铁路大型养路机械电气控制系统的设计方案。
2 现状
　　养路机械化是实现铁路维修养护现代化、保证铁路不间断运输和行车安全的重要技术手段。为适应铁路快速、重载以及轨道结构重型化的技术发展要求，发达国家铁路相继采用大型养路机械进行铁路线路维护，到上世纪80年代末，已基本形成以大型养路机械为主要作业手段的格局。而此时，我国还在依靠手工、小型机械和非标准自制设备进行线路维护，作业质量差、效率低，特别是在繁忙干线，线路维护与运营的矛盾尤其突出。
　　上世纪80年代初期，我国从奥地利普拉塞—陶依尔公司引进了**的大型养路机械制造技术，确立了大型养路机械的发展采取“技术引进—消化、吸收—国产化生产—开发、创新”的途径。通过20多年的引进技术和国产化生产，我们学习了国外大型养路机械的**技术，更新了传统的设计观念，拓宽了开发思路，增强了开发具有自主知识产权产品的能力。
　　随着铁路的跨越式发展和市场竞争的加剧，加快推进大型养路机械引进、消化、吸收国外**技术的进程，加快具有自主知识产权产品的研发，加快新产品开发速度，发展核心技术，创新和超越已经成为现阶段工作的重中之重，已经刻不容缓。
　　铁路大型养路机械是集机械、液压、气动、电气、计算机、激光等技术于一体的铁路专用机械。按功能分有以下系列：清筛机、捣固车、配碴车、稳定车、钢轨打磨车、钢轨探伤车、轨道检测车、架线车、焊轨车、道岔铺换机组等。对于不同功能的铁路大型养路机械电气控制系统来说，其本质的区别在于作业监视控制系统。到目前为止，我国的清筛机、捣固车、配碴车、稳定车等铁路大型养路机械的技术主要是在引进、消化吸收奥地利普拉塞—陶依尔公司铁路大型养路机械技术的基础上发展起来的，它属于模拟集中式控制系统，它主要由以下子系统组成：
（1）整车电源子系统；
（2）柴油机监视控制子系统；
（3）高速走行监视控制子系统；
（4）作业监视控制子系统；
（5）辅助设备子系统：包括照明、通话、取暖及空调等。
　　其中作业监视控制子系统是各类铁路大型养路机械电气控制系统的核心，它完成作业机构状态的监视、完成作业机构动作的控制。不同功能的铁路大型养路机械，其作业监视控制系统的复杂程度有着很大的差别。如清筛机和配碴车，它的作业监视控制系统比较简单。而捣固车、稳定车、钢轨打磨车、钢轨探伤车、轨道检测车、架线车等，它们的作业监视控制子系统就比较复杂。下面以稳定车的作业监视控制子系统为例作一介绍，它由以下部分组成：
　　（1）计算机控制部分：由上位机控制板、键盘、显示器构成；
　　（2）程序控制部分：由下位机控制板、I/O板、功率输出板组成的微机系统构成；
　　（3）模拟量控制部：由A/D转换板、D/A转换板、频率测量板、各种功能的模拟控制板构成；
　　（4）测量部分：由左、右抄平传感器，加速度传感器，振频传感器等构成；
　　（5）轨道参数记录部分：由记录仪、前、后电子摆，正矢传感器，测量轮等构成。

普拉塞—陶依尔公司的模拟集中式控制系统的特点如下：
　　（1）各子系统的监视部分都使用模拟仪表或数字显示器或指示及报警灯；
　　（2）功能复杂机型作业监视控制子系统的控制部分都使用插装式模拟电路板和由插装式电路板组成的微机系统；
　　（3）作业监视控制子系统中各I/O信号的接线方式均为“终端（开关、传感器/电磁阀、继电器）—作业主控制柜”或“终端元件（开关、传感器/电磁阀、继电器）—中间过渡箱—多芯电缆—作业主控制柜”的传统接线方式（如图1）；
　　（4）轨道参数记录系统为一个独立的系统，与微机及计算机系统没有通讯和数据交换。




图1：传统的接线方式
普拉塞—陶依尔公司的模拟集中式控制系统存在以下不足：
　　（1）监视仪表、指示及报警灯安装位置分散；模拟仪表信号仅用作显示而未进入过程控制；
　　（2）插装式电路板的抗振性能、抗冲击性能、防尘性能均不好；模拟电路板的调整（如校“0”、标定）由多个电位器来完成，比较复杂；控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都较差；
　　（3）集中控制模式使得作业主控制柜体积较大；I/O信号传统的接线方式，使作业主控制柜中有大量连接电缆，使断点和接点增加而增加故障点，使检修和维护变得复杂。