（控制理论与控制工程专业论文）基于现场总线的济南卷烟厂能源监测管理系统.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 能源消耗是企业生产成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企业降低生产 成本的重要可行途径。近几年，随着能源价格的逐步上升，能源在企业生产成本 中的比重也随之增加。我国工业中能源利用效率低。单位产品能耗高，无形的增 加了企业的生产成本，削弱了企业的市场竞争力。企业想在竞争中求得生存，通 过降低能耗的途径来减少生产成本，提高企业效益是切实可行的。随着计算机的 普及，计算机管理制度也在现代企业中深入人心。对于大量数据约快速处理和重 复性劳动由计算机来完成，而对于处理结果的分析、判断、决策等创造性劳动， 则由管理人员来完成。这种入尽其才、物尽其用的人机系统是当前企业管理体系 中计算机应用的主要格局。 本文从实际出发，以济南卷烟厂为实例，设计了这套能源监测管理系统。该 系统采用德国西门子公司的过程控制设备s i e m e n sp c s 7 系列产品搭建，完成了 现场2 3 3 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任务。该系统在传统的d c s 基础上，尝试引进 了现场总线技术，提出了基于现场总线的d c s 控制系统。p l c 的编程使用西门子 开发的s t e p 7 编程软件，下载到p l c 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s i m a t i cw i n c c ，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等功能。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v i s u a lb a s i c6 0 开发了能源监测评估软 件，该软件通过自编的o p c 简单程序与w i n c c 内部集成的o p c 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，从而提高了企业管理水平。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了依据。该能 源监测管理系统的投入使用，可以让管理人员实时监测生产过程中各种能源使用 的真实情况，对所采集数据进行的统计分析，为提高济南卷烟厂能源使用管理水 平提供了可信的依据。 本文对济南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。硬件设计部分具体介绍了硬件配置和 现场信号的连接；软件设计方面具体介绍了p l c 的编程、w i n c c 的组态和v b 程 m 山东大学硕士学位论文 l i _ _ _ - _ _ _ l _ _ _ - _ - i - _ l _ - _ l _ _ _ - l _ - 一 序编制思路：通讯网络连接方面介绍了d c s 和现场总线技术以及本系统的通讯结 构和实现方式。 该系统已在济南卷烟厂投入使用，并且实际运行状况良好。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，以便最大限度地提高能源、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。 关键词：d c s ，现场总线，s i m a t i cw i n c c ，v i s u a l b a s i c6 0 ，能源监测。 i v 山东大学硕士学位论文 _ _ _ 一i l l - i i - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - - i _ _ _ l - - _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - - _ 一 a b s t r a c t e n e r g yc o n s u n l ei st h ec o n t r o l l a b l ep a r to ft h em a n u f a c t u r e ，r e d u c i n gt h ee n e r g y c o n s u m ei sai m p o r t a n tw a yt or e d u c et h ec o s to f t h ee n t e r p r i s e w i t ht h ee m b e d d i n go f t h ei n n o v a t i o n ，t h ec o s to fe n e r g yi sr i s i n gs t e pb ys t e p ，s op r o p o r t i o no fe n e r g yi nt h e c o s to ft h em a n u f a c t u r ei sa l s or i s i n g t h eu s i n go fe n e r g yo fc h i n e s ee n t e r p r i s ei sl o w a n dt h ec o s to f t h ee n t e r p r i s ei sh i g h ，s ot h ec o m p e t i t i o no f o u rp r o d u c t i o ni sw e a k e n t h e e n t e r p r i s es h o u l dr e d u c et h ee n e r yc o n s u m e t os u r v i v ei nt h ec o m p e t i t i o n w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no f t h ec o m p u t e r , t h es u p e r v i s o r ys y s t e mo f t h ec o m p u t e ri s g o i n gd e e pi nt ot h eh e a r to ft h ep e o p l e t h ec o m p u t e rd i s p o s e sag r e a td e a lo fd a t a f l e e t l ya n dd oal o to fr e p e a t e dw o r k ，h o w e v e rm u c hc r e a t i o n a r yw o r ks u c h a s a n a l y z i n g ，e s t i m a t i n gt h er e s u l ta n dm a k i n g t h ed e c i s i o no f t h e s er e s u l tw i l lb ed o n eb y n m n a g e f t h i ss y s t e mi st h e m a i np a r e mo f u s i n gt h ec o m p u t e ri n t ot h em a n a g e m e n to f t h ee n t e r p r i s e t h i sp a p e rs e t t i n go u tf r o ma c t u a lp r o b l e mi n t r o d u c e st h es y s t e mo ft h ei n s p e c t i o n o fe n e r g ys o u r c e sa n dt h em a n a g e m e n to fp r o d u c t i o n ，f o re x a m p l eo fg e n e r a l c o r p o r a t i o n t h es y s t e mw a ss e t t e du pw i t ht h ep r o c e s sc o n t r o l l i n gp r o d u c e ，s i e m e n s p c s 7 ，a n dg a t h e rt h em e s s a g eo f 2 3 3d o t s o nt h eb a s eo ft r a d i t i o n a ld c s ，t h ef i e l d b u s w a su s e dt ot h i ss y s t e m t h ep l cw a sp r o g r a m m e dw i t hs e i m e n s s t e p 7 ，t h es e n i o r p cw a sp r o g r a m m e dw i t hs i m a t i cw i n c c w ep r o g r a m m e dt h es y s t e mo ft h e i n s p e c t i o no fe n e r g ys o u r c e sa n dt h em a n a g e m e n tf o rf i n i s h i n gs t a t i s t i c i n g a n d a n a l y s i n g ，c a l c u l a t i n gt h ec o s tb e t t e r t h es y s t e mc o n n e c t sw i t ht h ec o m p o s i t i v eo p c i n t e r f a c ep r o g r a m m eo fw i n c cb yau s e r sp r o g r a m m e t h em a n a g e rm a yi n s p e c tt h e d a t ao fe n e r g yc o n s u l u ei np r o d u c t i o nv i at h i ss y s t e mr e a lt i m e ，i tg i v e sai m p o r t a n t c r i t e r i o no f t h em a k i n ga s eo f e n e r g ys o u r c e s t h i sp a p e ri n t r o d u c et h es y s t e m sd e s i g no fh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dt h ec o n n e t i o n o fn e t w o r k i nt h ep a r to fh a r d w a r ei ti n t r o d u c et h ee q u i p m e n ta n dt h es i g n a lc o n n e c ti n l o c a l ep a r t i c u l a r i nt h ep a r to fs o f t w a r ei ti n t r d u c et h ep r o g r a m m eo f p l c ，w i n c ca n d v b t h e p a r t o fc o m m u n i c a t i o ni ti n 仃o d u c ct h e t e c h n o l o g y o fd c sa n d f i e l d p r o f i b u s ，a n ds h o w t h es y s t e m ss t r u c t u r ea n dr e a l i z a t i o n v 山东大学硕士学位论文 j _ - i m l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i t h i ss y s t e mi sr u n n i n gi nt h eg e n e r a lc o r p o r a t i o nn o w t h i ss y s t e mc a l l h e l p c o i i s l l m e rt ou n d e r s t a n dt h ec o n s b m eo f m a t e r i e la n de n e r g y , f i n dp r o b l e ma n ds e t t l ei ti n t i m e ，s ow ec a ni m p r o v et h eu s i n go f e n e r g ya n dm a t e r i e lm a x i m u m l y w ec a nr e d u c et h e e n e r g ya n dc o s tf u l l - s c a l ea n da l s oi m p r o v et h ee c o n o m ya n dm a n a g e m e n te f f i c i e n c y k e y w o r d s ：d c s ，f i e l d f i b u s ，s i m a t i cw i n c c ，v i s u a lb a s i c6 0 ， i n s p e c t l 0 n0 fe n e r g ys o u r c e v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行的研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 殛兰k e t 期：冱! 12 竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段争 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：。狰渣导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 节能降耗的重要性 我国是一个能源相对贫乏，人均占有量比较低的国家，能源浪费现象也十分 严重能源的利用效率也只有3 2 。比发达国家低十个百分点，而且主要工业产 品能耗比发达国家高3 0 9 0 ，这种落后状况如不改变，将会严重影响我国经 济的持续增长。在世界经济全球化的条件下，开放的市场带来外来的冲击，落后 必将导致淘汰。 加入世贸组织，这意味着我国市场将与国际接轨，竞争曰趋激烈。市场竞争 的一个重要方面就是价格的竞争、成本的竞争，企业要在竞争激烈的市场中生存 和发展，必须通过强化企业内部管理来增加经济效益，优化企业产品的生产成本。 对于企业来说，能源是企业生产的命脉，能源消耗又是企业生产成本中重要的可 控部分，所以节能降耗是提高企业效益的个重要可行途径。我国工业中能源利 用率低，单位产品能耗高，这就相应的增加了企业的生产成本，削弱了企业的市 场竞争力。尤其是一些能源密集型行业，能源成本占生产成本的比重相当高，相 对于国外的产品来说，无论是质量还是成本都不具有优势，入关后必将面临巨大 的挑战。我们的企业要在竞争中求得生存就必须不断降低能耗，实现降低成本的 目标。 1 2 实现节能的途径 节能意味着在满足相同需要或达到相同目的的条件下，使能源消耗降低。通 常来说企业节能主要有三种方式，即结构节能、技术节能和管理节能。“结构节能” 主要是通过调整生产过程中的一些比例关系实现能耗减少。“技术节能”主要指通 过设备能力的提高、配套或对设备工艺进行改造及更新，使能源利用率提高来达 到节能的效果。“管理节能”是指在不改善用能设备、工艺技术层次或不变化设备、 工艺技术水平的情况下，通过加强管理、合理组织生产储运、分配，合理地进行 技术组合等措施来达到节能目的。 先进的企业需要有科学的管理，同样，一项工作如果做得好，也必须以有效 的管理工作为保证。企业的节能工作亦是如此。一般来说，在工厂确保能源需要 和供应间协调的情况下，没有实施能源管理计划的工厂，不需大量投资购买新设 备，即可实现1 0 2 5 的节能量。同时，技术的改进、设备的更新也需要有效的 山东大学硕士学位论文 管理作为保证，以使其达到最佳运行状态，获得最大收益。因此，加强管理是企 业提高能源利用率的根本保证。 1 3 济南卷烟厂能源监测管理系统的意义 烟草行业向来是耗能大户，随着国外先进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，济南卷烟厂决定建 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，以便最大限度地提高能源、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 山东大学硕士学位论文 第二章能源监测管理系统的总体设计 2 1s i m a t i cp c s 7 系列简介 本系统主要使用德国西门子公司的现场控制设备搭建，主要使用了s i m a t i c p c s 7 系列的产品。s i m a t i cp c s 7 是西门子公司在t e l e p e r m 系列集散系统和 s 5 ，s 7 系列可编程控制器的基础上，结合先进的电子制造技术、网络通讯技术、 图形及图像处理技术、现场总线技术、计算机技术和先进自动化控制理论的先进 过程控制系统。它采用优秀的上位机软件w i n c c 作为操作和监控的人机界面，利 用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯，采用s 7 自动化系 统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式i o 接收现场传感检测信 号。s i e m e n sp c s 7 过程控制系统具备了以下几个方面的特点： 高度的可靠性和稳定性； 高速度，大容量的控制器； 客户服务器的结构； 集中的，从上到下的组态方式； 能灵活、可靠地嫁接于老系统； 集中的，友好的人机界面； 含有配方功能的批量处理包； 开放的结构，可以同管理级进行通讯； 同现场总线技术溶为一体 s i m a t i cp c s 7 采用符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 国际标准的编程软件和现场设备库，提 供连续控制、顺序控制及高级编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备 信息及功能块，可大大简化组态工作，缩短工程周期。s i m a t i cp c s 7 具有o d b c 、 o l e 等标准接口，并且应用以太网、p r o f i b u s 现场总线等开放网络，从而具有 很强的开放性，可以很容易地连接上位机管理系统和其它厂商的控制系统。 下面是一个s i m a t i cp c s7 组建的系统示意图： 3 山东大学硕士学位论文 l _ i i _ _ _ l - - i i _ _ - _ i - i _ - _ l l i1 _ l _ _ - i _ _ - i _ i _ _ - _ l _ _ - _ - _ - - _ l - - _ _ i _ _ - - 一 直控累娩两络配鼙嘲 2 2 济南卷烟厂能源监测管理系统简介 烟草行业向来是耗能大户，随着国外先进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：卷烟生产要求车问保持恒温、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。 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d c s 系统上，尝试引进了现场总线技 术，提出了基于现场总线的d c s 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。 济南卷烟厂能源管理监测系统主要用来实现济南卷烟厂各部门2 3 3 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。 4 山东大学硕士学位论文 m l - _ _ - i 一 该系统采用德国西门子公司的现场控制设备s i m a t i cp c s 7 系列产品搭建， 其中包括1 个$ 7 - - 4 0 0 主站和1 个s 7 - - 3 0 0 主站，下设9 个e t 2 0 0 m 子站，完成 了蒸汽、空压气、水量和电量的2 3 3 个点的采集任务。其中包括二期工程中的1 5 个蒸汽流量，1 5 个蒸汽压力，1 5 个蒸汽温度，7 个空压气流量，7 个空压气压力， 9 个水流量、1 3 1 个电星和一期工程的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、1 9 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。p l c 的编程使用西门子开发的s t e p 7 编程软件，下 载到p l c 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 $ i m a t i cw i n c c ，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v i s u a l b a s i c6 0 编制了能源监测评估软件，该软件通过自编的o p c 简单 程序与w i n c c 内部集成的o p c 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( 3 0 0 主站和4 0 0 主站) 及其子站( 总 共9 个e t 2 0 0 m 予站) 。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w i n c c 内置了o p c 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。4 0 0 p l c 主站及3 0 0 站通过m p i 协议与服务器相连。m p i 可用于单元级和现场级，用它可以非常经济的连接少数站。4 0 0 主站与其子站之间 通过p r o f i b u sd p 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 件费用达到最低。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4 0 0 p l c 主站，4 0 0 p l c 主 站把各站送来的数据按要求进行各种运算、处理后通过m p i 网络传到服务器。客 户机和服务器之间通过o p c 方式进行数据的传递p l c 3 0 0 站以满足就近采集传 感器信号和高速计数器的要求。n 2 ， 山东大学硕士学位论文 p l c 编程使用西门予公司编程软件s t e p 7 ，上位机监控使用西门子公司 s i m a t i cw i n c c 实现，统计办公室的能源监测评估应用软件使用v i s u a lb a s i c6 0 语言开发。 s t e p 7 编程实现p l c 对过程数掘的初步处理。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。 6 山东大学硕士学位论文 能源监测管理系统图 ；j 7 山东大学硕士学位论文 第三章能源监测管理系统硬件设计 3 1 系统配置 本系统的主要配置如下： 1 、服务器：p i l l5 5 0 2 5 6 m 4 0 g1 9 英寸彩显。 2 、设备管理办公室：p i v1 7 g 1 2 8 m 4 0 g1 7 英寸彩显。 3 、能源统计办公室客户机：p i v 2 4 g 2 5 6 m 9 0 g1 4 英寸液晶显示器 4 、锅炉操作间客户机：一期原有设备。 5 、锅炉房3 0 0 p l c 站：电源模块l 块、3 0 0 c p u i 块、高速计数模块l 块、模 拟量输入模块1 块、直流2 4 v 电源1 块及u p s 等。 6 、4 0 0 p l c 主站( 7 # 配电室) ：电源模块1 块、4 0 0 c p u i 块。 7 、l 子站( 1 样配电室) ：电源模块l 块、通讯模块l 块、模拟量输入模块6 块、直流2 4 v 电源1 块。 8 、2 样子站( 2 # 配电室) ：电源模块l 块、通讯模块l 块、模拟量输入模块6 块，直流2 4 v 电源1 块、中继器1 个。 9 、3 拌子站( 卷接包车间) ：电源模块l 块、通讯模块1 块、模拟量输入模块5 块、中继器1 个 1 0 、4 捍子站( 澡堂) ：电源模块l 块、通讯模块l 块，模拟量输入模块4 块、 直流2 4 v 电源1 块。 儿、5 # 子站( 8 号配电室) ：电源模块l 块、通讯模块1 块、模拟量输入模块 2 块、d i 模块l 块，直流2 4 v 电源l 块、中继器1 个。 1 2 、6 # 子站( 膨胀丝车间) ：电源模块l 块、通讯模块l 块、模拟量输入模块 5 块、直流2 4 v 电源l 块、中继器1 个。 1 3 、7 摊子站( 成型车间) ：电源模块l 块、通讯模块l 块、模拟量输入模块6 块、直流2 4 v 电源l 块、中继器1 个。 1 4 、8 # 子站( 7 撑配电室) ：电源模块】块，通讯模块l 块，模拟量输入模块3 块、d i 模块l 块、直流2 4 v 电源1 块、中继器2 个。 1 5 、9 撑子站( 总配电室) ：电源模块l 块、通讯模块l 块、模拟量输入模块5 块、中继器1 个 8 山东大学硕士学位论文 3 2 现场信号采集 。 现场采集的信号多数是模拟信号，其中也有不少脉冲信号。这些信号来自分 布于全厂的e t 2 0 0 m 予站，是全厂水，电，蒸汽，空压气等能源使用情况的实时 监测信号。枷 所采信号按类型可分为以下5 类： 1 5 v 模拟信号； 4 - 2 0 m a 模拟信号； 0 - 1 5 v 脉冲信号； 4 2 0 m a 脉冲信号； 0 - 2 4 v 脉冲信号。 对于模拟信号，可根据信号类型选择p l c 相应的量程卡来实现对现场信号的 采集。有些幅值较高的脉冲信号( 如0 - 2 4 v 脉冲) ，可直接用计数模块对脉冲频率 和脉冲个数进行测量，从而计算出瞬时值和累积值。但是由于有些仪表本身带负 载能力很弱( 比如电度表，虽然其输出的开路脉冲幅值为1 5 q ，但带负载后其输 出电压幅值会大幅下降) ，计数模块很难读取到这类仪表输出的脉冲信号。为防止 出现遗漏脉冲的情况发生，我们用固态继电器把这些仪表的输出电压幅值提升到 0 - 2 4 v ，从而保证了所采数据的准确性。固态继电器是二种电压提升器件，它能把 幅值较小的脉冲转换为幅值为2 4 v 的标准脉冲。它具有转换速度快、频率范围宽 等特点，完全能满足现场信号转换的要求。由于计数模块可识别的是0 - 2 4 v 的电 压脉冲信号，所以在测量外供蒸汽流量的时候，需要把仪表输出的4 - 2 0 m a 脉冲信 号转换为电压脉冲( 因为现场测量仪表的价格比较高，而且设备是刚更新的。为 了降低系统成本，所以没有把现场仪表更换成输出电压脉冲的仪表) 。考虑到其带 负载能力弱等原因，在仪表输出端串联了一个阻值为2 7 0 q 的电阻，然后利用固态 继电器把电压幅值提升为标准的0 - 2 4 v 。 其中，对用电量的测量，般采用测量其瞬时功率然后进行累积的办法。对 于蒸汽温度，因为饱和蒸汽的温度和压力之间有精确的一一对应关系，所以采用 软件计算的方法通过压力求出。对于蒸汽和空压气的流量，在测出其瞬时值的基 础上还需根据蒸汽和空压气的瞬时压力对其补偿。 9 山东大学硕士学位论文 3 3 信号采集现场的连接 本系统现场传感器的接线方式大体为两类：四线制和两线制。对电压、电流 和电功率的采集，采用的仪表为四线制接线方式：现场仪表有专门的电源供电， 仪表输出4 - 2 0 m a 电流。而对于压力、流量信号采用两线制接线方式，这种制式有 两种接法：一种是仪表与信号采集模块串联然后由端子排上的2 4 v 电源供电；另 一种是利用信号采集模块的内部电源由信号采集模块直接给现场仪表供电。对于 大多数两线制仪表均采用后一种接法。对所采集的信号采用统一的编号方式：站 号一信号输入模板号一信号输入模板的通道号，方便以后的查对，检查。 3 4 站与站之间的通信实现 各子站与4 0 0 p l c 主站采用p r o f i b u s d p 方式相连。对于数据比较分散的分布 式处理的场合，这种连接方式无疑是经济合理的他的更为突出的优点是：当其 中的一个或几个子站停电或由于其他原因而不能正常运行时，不会影响其他子站 的正常运行。对于距离相隔很远的子站。在每个子站加上一个中继器以保证数据 传输的准确性和实时性。子站采集到的现场仪表信号由通讯模块处理后通过 p r o f i b u s 线送入4 0 0 p l c 主站，在4 0 0 主站运算处理后通过m p i 方式传输到上位机。 3 0 0 主站上没有连接子站，直接通过m p i 协议与上位机相连。 锅炉房3 0 0 站与4 0 0 主站都是采用m p i 协议与上位机的数据采集卡s i e m e n s 公司的c p 5 6 1 1 相连，该网卡兼容m p i 协议。采用m p i 方式可以非常经济的解决 信号的高速传输问题。但是，m p i 方式传输距离不是很远，故在8 群子站数据采集 箱内安装中继器以延长传输距离，从而保证信号可靠传输。 3 5 系统的操作 p l c 的上电：合上空气开关，把电源模块开关打到“o n ”，这时，电源模块 指示灯为绿色。然后把p l c 的钥匙开关转到“r u n ”，等r u n 指示灯变绿后，p l c 进入运行状态。 p l c 的断电操作：首先把p l c 的钥匙开关转到“s t o p ”位置，然后把电源模 块开关打到“o f f ”，最后拉下空气开关。 嬲毒愀一嬲一上的圈入眦c 黼理 o 山东大学硕士学位论文 口_ 器。然后单击工具栏上的强嫡按钮即进入监测画面。若要退出程序，只需按监控画 面右上角的红色x 按钮即可自动退出。 山东大学硕士学位论文 第四章数据通讯技术在本系统中的应用研究 4 1 工业通讯技术概述 工业通讯可根据不同的要求使用不同的通讯网络。其级别一般可分如下几级： ( 1 ) 管理级 在管理级，处理影响整个操作的任务，它包括归档，处理，求值和过程与消 息的汇报。也可以从多个站点收集和处理操作数据一从管理级也可以访问其他站 点。在这种网络中的站数可以超过1 0 0 0 。对于管理级，以太网是主要的网络类型， 为了连接更远的距离，在绝大多数情况下使用t c p f i p 协议。 ( 2 ) 单元级 在单元级，处理自动化任务。在该级别，p l c 、操作和监控设备以及p c 彼此 连接。根据性能要求，主要的网络类型是工业以太网和p r o f m u s 。 ( 3 ) 现场级 现场级是p l c 和设备之间的连接链路。在现场级使用的设备提供过程值和消 息等，并且也向设备转发命令。在大多数情况相，在现场级传送的数据量较小。 对于现场级，p r o f i b u s 是主要的网络类型。为了与现场设备通讯，通常使用d p 协议。对于现场级和单元级的小型网络，可以使用m p i ( 多点接口) 。 ( 4 ) 执行器传感级 在执行器一传感器级，主站与连接到其子网的执行器和传感器进行通讯。该 级别的特征是数据传送量极小，可是响应却很快。 4 2 几种工业通讯子网的性能比较 根据要求，工业通讯可以使用不同的子网。本文仅描述与w i n c c 通讯相关的 那些子网。以下按性能增加的顺序列出不同的子网。 ( 1 ) m p i m p i ( 多点接口) 适用于现场级和单元级的小型网络。它只能用于连接s i m a ：r i c s 7 。m p i 子网使用p l c 中央处理器卡的m p i 接口进行通讯。该接口被设计为可编 程接口，随着通讯要求的增加它很快会到达其性能极限。p c 可以通过安装的m p i 卡访问m p i 子网，也可以使用访问p r o f i b u s 的通讯处理器。 ( 2 ) p r o f i b u s p r o f i b u s ( 过程现场总线) 是一种用于单元级和现场级的子网。他是一种独立 山东大学硕士学位论文 于制造商的开放式通讯系统p r o f i b u s 用于在少数几个通讯伙伴之间传送少量 数据或中等数量的数据通过d p ( 分散设备) 协议，p r o f i b u s 可与智能型现场设 备通讯这种通讯类型具有快速，周期性传送数据的特点 ( 3 ) 工业以太网 工业以太网是一种适合于管理级和单元级的子网它用于许多站之间长距离， 大数据量的传送。工业以太网是一种用于工业通讯的最有效的子网，不用费很大 的力，就可以轻松配置和扩充它 4 3 利用m p i 的工业通讯 m p i 子网可用在单元级和现场级上，所以链接的通讯伙伴必须为s i m a t i cs 7 系列的成员，m p i 子网使用s i m a n cs 7 系列p l c 中央处理器卡的m p i 接口进行 通讯。该接口被设计为可编程接口，可通过相应中央处理器卡上的可编程接口实 现各个通讯站的总线访问。p c 可以通过安装的m p i 卡访闯m p i 子网，也可以使 用访问p r o f i b u s 的通讯处理器。最多站数限制在3 2 个，m p i 接口是r s 4 8 5 结 构，所以有很强的抗干扰能力。m p i 子网可以非常经济的链接少数站，然而，必 须接受m p i 方案的低性能。 m p i 使用令牌传递访问方式。访问总线的权利从一个站传送到另一个站。这 种访问权称为令牌。如果一个站收到令牌，它就有权发送消息。如果该站没有消 息发送，它就将令牌直接传给逻辑环中的下一个站。否则，令牌将在制定的保留 时间之后传递。 p r o f i b u s 网络的传送方式同样可用于m p i 网络，它可以设计为光纤或电子 网络。s 7 3 0 0 的传输速率通常为1 8 7 5 k b i f f s ，然而，最新版本的s 7 - - 4 0 0 可以达 到至多1 2 m b i f f s 的传输速率。 4 4 利用p r o h b u s 的工业通讯 p r o f i b u s 是一种用于只具有有限数量站点的单元级和现场级子冈。 最多站数限制在1 2 7 个p r o f i b u s 是与制造商无关的开放式通讯系统。 它基于欧洲标准e n5 0 1 7 0 ，第2 卷，p r o f i b u s 。通过满足这些要求，p r o f i b u s 保证与符合该标准的第三方组件连接的开放性。p r o f i b u s 概念中的开放性允许 第三方设备与通讯网络进行连接 p r o f i b u s 为多主多从结构，可方便地构成集中式、集散式和分布式控制系 山东大学硕士学位论文 统。网络协议以i s o o s i 参考模型为基础，对第三层到第六层进行了简化 p r o f i b u s 协议的第一部分是物理层和链路层协议物理层采用r s - 4 8 5 标准通信 规范，传输介质为双绞线。p r o f i b u s 链路层又称f d l ，它采用混合介质存取方 式，即主站问按令牌方式，主站和从站间按主从方式工作p r o f i b u s 协议的第 二部分是应用层协议( f m s ) ，第三部分为d p 协议，它们都使用相同的底层协议， 用于不同的应用领域，其中d p 协议，用于传感器和执行器级的高速数据传输。 l 、p r o f i b u s 访问方式 p r o f i b u s 网络区分主网站和从网站。主站使用令牌传递访问方式。而从站 使用主从访问方式。因此，p r o f i b u s 访问方式也称为具有下级主从站的令牌传 递。所有主站按照设置顺序形成一个逻辑环。每个主站都知道其他主站以及它们 在p r o f i b u s 上的顺序。该顺序与物理站在总线上的排列无关。主站访问权从一 个主站向另一个主站传递。这种访问权称为令牌。如果一个站收到令牌，它就有 权发送消息，如果该站没有消息发送，它就将令牌直接传送给逻辑环中的下一个 站。否则，令牌将在指定的保留时间之后传递。如果具有下级从站的主站接收到 令牌，则它将询问其从站并将把数据发送给它们。从站本身从不接收令牌。 2 、p r o f i b u s 协议总体结构 可以使用为不同应用情况优化的p r o f i b u s 协议。一下列出了三种可用的协 议版本： p r o f i b u s f m s ( 现场总线消息规定) 适用于小型单元网络中p l c 的通讯以及 具有f m s 接口的现场设备的通讯。有效的f m s 服务为大批通讯任务的管理提供 了广泛的应用范围以及很大的灵活性。 p r o f i b u s d p ( 分散的外围设备) 适用于分散的外部设备( 如e t 2 0 0 m ) 的 连接，并具有快速的响应时间。 p r o f i b u s p a ( 过程自动化) 已专门设计用于处理工程，它是p i 的f i b u s - d p 的通讯兼容扩展它允许在有潜在爆炸危险的区域中连接现场设备。 所有协议使用相同的传送技术以及一致的总线访问协议，因此它们可以全部 在同一线条上操作。 3 、传送媒体 p r o f i b u s 网络可以设计为光纤或电子网络也可以实现由光纤和电子 p r o f i b u s 网络组成的混和结构。 1 4 山东大学硕士学位论文 ( 1 )电子网络 电子p r o f i b u s 网络使用屏蔽双绞线电缆作为其传送媒体。r s4 8 5 接口根据 电压差进行工作因此，它的抗干扰性比电压和电流接口强。各种p r o f i b u s 站 通过总线端子或总线连接器插头连接到总线上。每一段最多可以连接3 2 个站，各 个段通过中继器互相连接，传送速率可以从9 6 k b i 以逐步调到1 2 m b i v s 。极限段 长由传送速率决定。 ( 2 ) 光纤网络 光纤p r o f i b u s 网络使用光纤电缆作为其传送媒体。光纤网络不易受到电磁 干扰，适合长距离并且可以使用塑料做玻璃光纤电缆。传送速度可以从9 6 k b i 讹 逐步调到1 2 m b i 眺。除冗余光纤环之外，极限段长与传送速率无关 在光纤p r o f i b u s 网络中，对于所有传送速率，最远距离大于1 0 0 k i n 4 5 利用以太网的工业通讯 工业以太网是工业环境中最有效的一种子网。它既适用于管理级又适用于单 元级。工业以太网使许多长距离站点之间大量数据的传送成为可能 工业以太网是一种符合i e e e9 0 2 3 标准的开放式通讯网络。专门设计它来经 济的解决工业环境中所要求的通讯任务这种子网的主要优点在于其速度，简单 的扩展性和开放性以及其高利用率与全球分布性。只需费很小的力就可以配置工 业以太子网。 1 、访问方式 工业以太网使用c s m c d ( 带冲突检测的载波侦听多路访问) 访问方式。在发 送消息之前，每个通讯站必须检测总线是否通畅。如果总线通畅，则该站可以立 即发送消息。如果两个通讯站同时开始发送消息，则将会出现冲突。两个站都会 检测到冲突，他们将停止发送消息。等待随即选择的一段时间之后，它们将尝试 重新发送。 2 、传输协议 对于通过工业以太网进行的通讯，可以使用下列传输协议： ( 1