能源管理系统开发与设计技巧分享

能源管理系统开发和设计

摘要

伴随时代欧I不停进步与发展，能源已经越来越成为需要迫切处理日勺问题了，

在开发新能源日勺同步，对既有能源日勺系统管理也变得越来越重要，对能源日勺管理

也规定信息化C从能源运用的I角度来说，系统日勺管理能明显提高能源日勺实物资源

的配置效率、将有力推进行业的整体技术进步、在更高层次上增进老式产业改造

升级和产业构造优化、提高经济运行和管理水平。尤其是对于设备种类多、投资

大、能耗大H勺行业来说，采用现代化的科学管理措施和手段来进行能源日勺科学管

理，将有效提高企业的生产效率、减少能源消耗、极大地增进能源资源的高效运

用、明显提高能源运用R勺经济效益，具有十分重要的意义。

本文论述了能源管理系统的设计与实现：整个系统采用分布式布置、集中管

理的模式，

对生产工艺设备、用能设备的能量数据进行管理；采用组态王这一种工程软件作

为控制系统口勺关键，以PLC为例来对组态王这软件进行初步理解与学习，最终用

该软件对现场进行生产控制，现场数据采集，现场时刻报表以和现场报警提醒等

各项项目的监控，同步建立初步向生产模型监控系统，到达总车间或者总企业能

时刻掌握各车间各设备生产运行口勺状况。

关键词：能源管理系统；PLC；组态主；数据库；现场数据采集

目录

第1章引言.......................................................

1.1需求分析..................................................

1.1.1立题的背景和意义...................................

1.1.2能源管理的现实状况和需求..........................

1.2国内外能源系统管理的现实状况.............................

1.2.1国外能源系统管理口勺现实状况和发展趋势..............

1.2.2国内能源管理系统现实状况和发展趋势...............

1.3本课题H勺研究思绪..........................................

第2章系统分析...................................................

2.1必要性和可行性研究........................................

2.1.1必要性.............................................

2.1.2可行性.............................................

2.2系统框架和系统功能分析...................................

2.2.1系统框架设计........................................

2.3系统软件一一组态王........................................

2.3.1建立“变量”与PLC『、J连接...........................

2.3.2建立新画面..........................................

2.3.3添加文本显示........................................

2.3.4模拟量显示..........................................

2.3.5模拟量和数据的I输出.................................

2.3.6按钮控制输出........................................

2.3.7设备运行状态指示..................................

2.3.8程序下载...........................................

2.3.9注意事项...........................................

2.4数据流程..................................................

第3章系统设计...................................................

3.1PC与PLC串口通信程序....................................

3.1.1建立新工程项目.....................................

3.1.2制作图形换面.......................................

3.1.3定义串口设备.......................................

3.1.4定义变量...........................................

3.1.5建立动画连接.......................................

3.1.6编辑命令语言.......................................

3.1.7调试与运行.........................................

第4章数据库....................................................

4.1SQL访问管理器............................................

4.2对数据库的操作............................................

4.3数据库查询控件............................................

第5章模型的初步设计............................................

5.1模型U勺设计概述............................................

5.2运行成果与总结............................................

结语...............................................................

道谢...............................................................

第1章引言

能源问题，从中国乃至全世界范围来看，正逐渐成为一种亟待解H勺问题。伴

随时时代的发展，这个'可题也将变的越来越迫切！！目前，处理能源供应日趋紧张

的问题重要有两种手段，一是开发新能源、可再生能源：二是对既有的能源设施

进行节能改造，实现能源日勺优化。我国在“十一五”规划中提出了建设资源节省

型和环境友好型社会的奋斗目的，能量的综合运用、能源H勺使用效率越来越受到

人们的重视。为了能使企业更好地完毕资源调配、组织生产、企业能量平衡、部

门结算、成本核算、能源预测等，需要建立一套有效能源数据的自动采集、监测、

管理、调配系统，以便企业随时掌握能源消耗、使用状况。本文将选用采用分布

式监控、集中式管理模式，基于现场总线方式H勺网络分布式能源管理系统，将其

划分为数据现场采集系统、网络通信和能源管理系统三部分，简介其对生产工艺

设备、用能设备日勺能量数据进行采集、监控、计量、记录、分析等机制，论述其

方案的设计与实现。

1.1需求分析

立题的背景和意义

能源H勺运用一直是当今时代H勺主题，伴随时代的不停进步和发展，能源的逐

渐消耗，因此，能源的开发就显得肯定重要和迫切！在我国日勺能源消耗中，工业

是我国能源消耗日勺大户，能源消耗量占全国能源消耗总量日勺70%左右。《中共中央

有关制定国民经济和社会发展第十一种五年规划日勺提议》提出：“十一五”期末单

位国内生产总值能源消耗比“十五”期末减少20%左右，这一指标是“十一五”规

划目的中最重要H勺约束性指标之一，也是我国“十一五”期间节能工作H勺奋斗目

日勺。因此，加强企业能源计量管理，开展企业节能降耗行动，提高能源运用率是

减少资源消耗、保护环境的最有效途径，也是我国走新型工业化道路欧I重要内容,

这对于提高企业经济效益，缓和社会经济发展面临日勺能源和环境约束，完毕“十

一五”规划目的有着十分重要的意义"

为了能使企业更好日勺完毕资源调配、组织生产、部门结算、成本核算，需要

建立一套有效日勺自动化能源数据获取系统，对能源供应进行监测，以便企业实时

掌握能源状况，为实现能源自动化调控扎下坚实的数据基础，同步以便企业日勺计

量和成本核算工作。

能源数据具有原则化、专业化、科学化、时效性强的特点，采集难度较高。

同步，考虑到能源数据对于企业决策日勺重要意义，以和能源自身具有危险性的特

点，需要对企业建立的能源数据获取系统提出更高日勺规定。因此，企业能源管理

系统（如下简称EMS）必须满足专业性强、实时性好、可进行远程资料互换、可用

性强的需求。

能源管理的现实状况和需求

目前企业采用数据管理的模式，基本上是现场安装数据采集仪器、仪表，人

工定期采集数据，填报能量消耗报表，然后逐层汇总，记录后上报到企业日勺能源

管理部门、财务部门和上级主管部门。这种措施的缺陷非常明显：效率低下、不

具有实时性C企业的能量计量仪器、仪表种类繁多、通信协议各异、分布范闱广,

进行自动数据采集、系统布置时要仔细加以考虑。各企业的自动化水平不一，有

的J企业从国外引进欧J生产线自动化水平很高，有的还停留在二十世纪七八十年代

的水平；企业的办公自动化水平也千差万别，有的企业基本可以实现无纸办公，

有的还处在繁杂口勺手工劳动中。这些复杂口勺局面提高了能源管理系统的布置难度。

伴随信息技术、网络技术、计算机控制技术的不停发展，对老式的能源管理的方

式

进行自动化改造变得完全有必要和也许。国外的某些DCS系统已经将能源管

理系统纳入其中，作为整个DCS系统的一种子系统。国家中长期科学和技术发展

规划纲要（2023~2023年）和国务院公布的九大行业近期淘汰落后产能目小川、J文献,

明确指出企业提高管理水平的必要性，这也给企业能源管理系统的实行带来了机

遇。

1.2国内外能源系统管理的现实状况

国外能源系统管理的现实状况和发展趋势

1.受经济发展和人口增长的影响，世界一次能源消费量不停增长。

伴随世界经济规模H勺不停增大，世界能源消费量持续增长，1973年世界一次

能源消费量仅为57.3亿吨油当量，2023年已到达97.4亿吨油当量。过去30年来，

世界能源消费量年均增长率为1.8%左右。

2.世界能源消费展现不一样日勺增长模式，发达国家增长速率明显低于发展中

国家。

过去30年来，北美、中南美洲、欧洲、中东、非洲和亚太等六大地区的能源

消费总量均有所增长，不过经济、科技与社会比较发达的北美洲和欧洲两大地区

的增长速度非常缓慢，其消费量占世界总消费量日勺比例也逐年下降，北美由1973

年日勺35.1%下降到2023年日勺28.0%,欧洲地区则由1973年日勺42.8%下降到2023年

日勺29.9%。0ECD（经济合作与发展组织）组员国能源消费占世界的比例由1973年欧|

68.0%下降到2023年的55.4虬其重要原因，一是发达国家的经济发展已进入到后

工业化阶段，经济向低能耗、高产出日勺产业构造发展，高能耗日勺制造业逐渐转向

发展中国家；二是发达国家高度重视节能与提高能源使用效率。

3.世界能源消费构造趋向优质化。

石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气日勺比例上升。同步，核能、风能、水

力、地热等其他形式的新能源逐渐被开发和运用，形成了目前以化石燃料为主和

可再生能源、新能源并存的能源构造格局。到2023年终，化石能源仍是世界的重

要能源，在世界一次能源供应中约占87.7%,其中，石油占37.3%、煤炭占26.5%、

天然气占23.9机非化石能源和可再生能源虽然增长很快，但仍保持较低的比例，

约为12.3%o

相对于我国现实状况，世界H勺能源消费构造明显要先进。

国内能源管理系统现实状况和发展趋势

1.能源丰富而人均消费量少

我国能源虽然丰富，但分布很不均匀，煤炭资源60%以上在华北，水力资源

70%以上在西南，|何1L业和人口集中的南方八省一市能源缺乏。虽然在生产方面，

自解放后，能源开发的增长速度也是比较快，但由于我国人口众多，且人口增长

快，导致我国人均能源消费量水平低下。

2.能源构成以煤为主，燃煤严重污染环境

从目前状况看，煤炭仍然在我国一次能源构成中占70%以上，成为我国重要的J

能源，煤炭在我国都市日勺能源构成中所占的比例是相称大日勺。以煤为主日勺能源构

成以和62%的燃煤在陈旧日勺设备和炉灶中沿用落后日勺技术被直接燃烧使用，成为

我国大气污染严重的重要本源。燃煤排放的大气污染物对我国都市的大气污染的

危害已十分突出：污染严重、尤其是降尘量大；污染冬天比夏天严重；我国南方

烧日勺高硫煤产生了另一种污染-酸雨；能源日勺运用率低增长了煤的消耗量。

3.农村能源供应短缺

我国农村欧I能源消耗，重要包括两方面，即农民生活和农业生产日勺耗能。我

国农村人口多，能源需求量大，但农村所用电量仅占总发电量的14%左右。而作为

农村重要燃料日勺农作物桔杆，除去饲料和工业原料的I消耗，剩余供农民作燃料的

就不多了。虽然加上供应农民生活用的煤炭，以和砍伐薪柴，拣拾干畜粪等，也

还不能满足对能源的需求。

因此，我国目前的能源运用状况是相对落后，形势比较严峻日勺。

1.3本课题的研究思绪

本课题研究日勺大体思绪如下：

1.研究国内外能源信息日勺管理和其企业信息化方面的现实状况，并确定日勺能

源信息管理日勺实际需求.

2.根据埋论状况行本系统开发的可行性分析以和分析本系统H勺功能和构造

日勺。

3.系统设计部分，进行本系统研发平台日勺设计，并设计出能源信息管理和决

策方面日勺实际模型。

4.借鉴了数据仓库日勺概念来协助本系统实现异构平台日勺数据采集，并建立一

种良好合用日勺数据库设计。

5.实际的I开发阶段，运用组态王这一软件，完毕系统由想法到产品的过程。

第2章系统分析

系统分析是系统开发的关键阶段。本部分将结合课题的研究内容，对能源信

息管理系统建设日勺可行性进行分析，并做出对新系统H勺构造和功能上日勺分析。

2.1必要性和可行性研究

必要性

由于世界信息化的冲击，为了同国际接轨必须要加紧改革的步伐、引进国外

先进的管理技术、采用现代化日勺管理手段。而目前由于能源信息日勺复杂性，在能

源信息日勺管理方面还比较落后。虽然各企业均有自己的生产管理系统，但却没有

统一的能源信息管理方面的系统。假如想要懂得全企业的I能源消耗产出等信息，

就必须要技术处能源管理科日勺人员来进行人工的记录，时效性和精确性都达不到

较高的层次，并且不便于总企业对能源信息进行深入日勺分析和管理。

可行性

在新系统开发之前，有必要对系统开发H勺可行性进行初步分析，以防止盲目

投资，减少不必要的损失。

1.计算机硬件

目前计算机硬件技术发展可以说是日新月异，计算机的性能已几倍、几百倍

的提高，PC机日勺功能己经越来越强，价格却也大幅度地下降。扬子石化企业已

经配置了大量的PC机，几乎每个科室都至少有一台，因此不必再投入大量日勺资

金用于电脑硬件日勺配置了。

2.计算机网络

目前的网络技术已发展到非常成熟时期了。网络日勺大小规模可以千差万别。

各企业内部已经建成了，如主干622Mbps、分支155Mbps的光纤主干网络系统;

并辅以2Mbps的无线网络。各二级单位日勺局域网与之相连。对外开通256KDDN

专线时因特网，并具有一种C类IP地址资源。实现了企业内部计算机日勺对内、

对外连接。

3.计算机软件伴随计算机硬件技术的飞跃发展，计算机软件也做的愈加完

善。软件口勺不停更新能为系统开发提供了高性能、以便的I开发平台，使开发速度

几倍、几十倍的I提高，开发日勺质量也明显提高，面愈加美观友好、交互能力强。

4.各企业在能源管理方面本来有一定日勺基础。原始数据真实，帐、卡多种

报表齐全，各管理科室信息流向明确，为能源信息管理系统提供了软环境的也许。

并且各个分均有信息室和专门的信息处理人员，为技术处能源管理科实现数据采

集和数据共享奠定了基础。本系统运行后，可对各企业能源进行统一的管理，便

于合理控制消耗、回收能源、具有可观时经济效益。

2.2系统框架和系统功能分析

本系统在分析阶段运用构造化分析措施，与顾客进行充足的交流，采用“自

顶向下”日勺措施进行系统日勺分析。把一种大欧I复杂的系统逐层分解成小时、易于

管理的系统，既利于系统日勺设计开发，又利于顾客可以尽早地看到成果，和时提

出意见等等。

系统框架设计

系统架构：能源管理系统以SCADA系统为关键，加以组态王这一工业软件，

运用PLC作为接口连接数据采集和后台数据库，如图2.1所示。能源管理系统的I

构架可以从体系构造上提成3层，即数据采集系统，现场控制器（PLC或现场设

备）和通信网络（RS232,RS485）,能源管理监控中心（PC控制室）。整个系统以

实时数据库和组态王软件为基础，结合网络通信，嵌入式技术构成一套先进日勺自

动采集，存储，分析数据并进行预测。

图2.1系统构造图

能源管理监控中心

能源管理境况中心以SCADA软件和I/OServer实时数据服务器为关键，布

置分布式数据采集管理系统，实目前线H勺数据监视，数据采集和实时传播等能源

管理功能并支持二次开发和现场组态。

通信网络

通信网络采用RS485和RS232连接，建立分区域『、J网络，层与层之间采用线

性构造进行连接，从而建立高可靠，专有的能源数据采集通信网络。

数据采集

数据采集系统以现场数据采集为关键，进行数据信号采集，处理，通信，协议转

换等，将采集到的能源消耗数据持续、真实、可靠的传播到系统数据库中，为能

源管理系统的记录分析提供基础数据。

系统的重要功能包括：

♦采集基础数据，包括串流,、电压、功率因数、流量、温度、压力、设备

状态等；

♦传感器网络通信协议的实现、转换和实现装置，以太网网络通信协议的

实现；

♦数据库系统、接口、OPC实现；

♦Web访问；

♦过程监视、操作控制、实时调整等界面和过程曲线、信息显示等辅助界

面的显示、切换；

♦介质计量参数管理.、维护单位管理、计量设备管理、测点耗量关系等基

础数据日勺管理；

♦多种配置参数设置、顾客权限设置、其他需人工录入的参数设置等界面

管理；

♦能源数据汇总、记录、管理以和数据报表的生成；

♦能源使用分析、计划、仿真；

♦能量平衡计算、能源使用估计、能源消耗的预测；

♦能源供应品质估计、供应能力估计；

♦能源费用管理；

♦能源使用分派；

♦能源生产监测，包括能源品质监测、能源生产绩效监测等：

♦安全管理；

♦I/O通信冗余，可以在主通信中断时自动切换到旁路；

♦支持在线组态:

♦支持ODBC、OPC、API、DDE等原则数据互换方式；

♦网络通信采用原则口勺NetBIOS,支持IPX/SPX、TCP/IP等协议。

能源管理系统日勺实现：

系统可以从实现原理上分为管理软件和现场数据采集柜两部分。SCADA软件

是系统管理系统的基础平台，其可以采用通用软件，例如NILookOut,组态王等，

也可以针对专用的平台独立开发。

现场数据采集系统作为SCADA系统日勺一部分，整个能源管理系统的中饰演着

基础数据提供的角色，占着非常重要的位置！他的功能是从计量仪器采集数据，

读取执行机构的状态，实现协议转换和系统数据库进行通信等。现场数据采集系

统的采集速度，采集精度，设备稳定性，扩展性等决定了整个系统的性能。

2.3系统软件一一组态王

组态王是国产工控领域组态软件中应用较为普遍日勺一种，它可以与诸多种类

的PLC和其他现场工控设备连接，以实现对现场数据和设备状态日勺采集，控制，

显示，储存。

建立“变量”与PLC的连接

要显示日勺值，假设压力传感器的量程为lMPa,则“最大值”为1；“连接设备”

项选择对应PLC的MPI地址，本例选择MPI2；“寄存器”选择DB1.0(即DB1.DBW0);

“数据类型”选择为SHORT(整型数)；“转换方式”PLC中的数据通过与“组态

王”中定义的数据“变量”进行通信，打开窗口左边的“数据库”，选择“数据

词典”，单击窗口下方的“新建”，首先定义PLC中压力输入，“变量名”取为P1；

“变量类型”为I/。实数；由于PLC中模拟输入的最小值为0,PLC中模拟输入

的最大值为27648,因此“最小原始值”设为0,“最大原始值”设为27648；“最

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，整触质库信息

内点

内用

I/O

小值”代表对应PLC中的“最小原始值”需要显示日勺值，设为0；“最大值”代

表对应PLC中的“最大原始值”需为线性，由于只需要显示压力，多样”读写属

性”选“只读”，如图2.2所示，单击“确定”按钮。

图2.2定义变量

建立新画面

单击左边“画面”，打开如图2.3所示窗口。

国

王累・n喇幅助0蝌奉闻»蚱达业，ffiMl：

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山陵■闻，实11阳跄f动P作箝寰瓦汉率及

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g发布月史值■

，**»密庆值，

图2.3画面新建

单击“新建”，添加新的监控画面，如图2.4所示，在“新画面”对话框中,

“画面名称”记为监控画面1；“对应文献”可以采用默认名；“画面位置”项可

以采用默认的“左边”、“顶边”、“显示宽度”、“显示高度”、“画面宽度”、“画面

高度”、“画面风格”可以采用默认的“大小可调”、“背景色”和“覆盖式”，完

毕后单击“确定”按钮。

图2.4画面属性

添加文本显示

单击右边“工具箱”中的文本按钮“T”在屏幕H勺有关位置添加文本阐明:

“压力显示”、“速度控制”、“点动控制按钮”和“指示灯”，如图2.5所示。

开发系统一开发系城

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Q/♦・・巴

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部嘲嘲

虢瑁

图2.5文本设置

模拟量显示

压力显示的插入：单击右边“工具箱”中的文本按钮”『先插入文本“###”,

右击“####"，在字符串替代项，输入“0000”，打开“动画连接”,单击“值输

出”框的“模拟值输出”，弹出“模拟值输出连接”对话框，单击“体现式”框

右边的“？”按钮，选择变量值，单击压力变量“P1”，按“确定”按钮。

“体现式”中出现“\\本站点\P1”；在“输出格式”项，选择压力P1显示

的“整数位数”为2,“小数位数”为3；“对齐方式”为居坐,如图2.6所示,

单击“确定”按钮。

反力显示

速度拄制

_d

点动控制按钮

城出格式

'•珞左

4旬FT

rMe

指示灯1亍格式

r十六电制ra竽时我承

喉］宏利］清总

文本“0000”的I“模拟量输出”项配置完毕，如图2.7所示。

压力显示

点动控制按钮

指示灯

图2.7文本动画设置2

模拟量和数据的输出

速度控制输入日勺插入：单击右边“工具箱”中的文本按钮“T”先插入文本

“####",右击“##棚”,在字符串替代顶，输入“0000”；左击“0000”，打开

“动画连接”，单击“权限/保护画面连接值输入”框时“模拟值输入”，弹出“模

拟值输入连接”对话框，单击“体现式”框右边的“？”，选择变量值，单击速

度输入变量“SPEED”,单击“确定”按钮。

“体现式”中出现“\\本站点\SPEED”；“提醒信息输入"请输入”；“最

大值”1450,“最小”0；单击“确定”按钮，如图2.8所示。

压力显示0000

-|-j对象费S1：文本左加上244毒爱1・««

业^USW：|Grgl«S提示文本：厂

速度控制瓢

黑性安化----------位♦号大小交化

「—|r水¥“|

「我三工―|r,:，|每由移七

r:ct3|r|

图2.8速度变量设置

“权限/保护动画连接输入值”框日勺“模拟值输入”配置完毕，如图2.9所示,

单击“确定”按钮。

图2.9模拟值输入参数设置

按钮控制输出

按钮控制的制作：单击右边“工具箱”中的“按钮”，拖放到画面中，如图

2.10所示。

速度拄制0000

口

□中f

sr.IPlf

，

Q/•・E

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图

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辟\

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点动控制按钮文本X

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■□□□■■■■□

□□□□□□□■口

指示灯

图2.1()按钮设置

单击新添加口勺按钮，选择“动画连接”，打开“命令语言连接”的“按下时”，弹

出“命令语言”窗口，单击“所有函数”，弹出“选择函数”对话框,选择“Bitset”

函数,单击“确定”按钮，如图2.11所示.

压力显示

命令语言lalx

文件［已拥强国

石明里x选必注|字

命令语言

7称

3

名

7称

1

名

称

速度控制

点动控制技

指示灯

系统...帮助...

自尊.而

SQL~其百二

图2.11函数设置

在图2.12中,选择的IBitSc(Var,bitNo,OnOff),Var代表变量，bitNo

代表第几位(广8位)，OnOff代表开(1)或者关(0),函数BitSe(Var,bitNo,

OnOff)代表让变量Var的第几位开或关。

图2.12命令语言

在图2.13中，单击“Var”变黑，在“变量【域】”选择变量名Q4(PLC的输出

压力显示0000

卡）。把“bitNo”改为“7”，表达是第7位,OnOff改为1,表达是关闭输出,

相称于让Q4.7输出1,如图所示，单击“命令语言”对话框中的“确认”按钮。

“按下时”日勺功能配置完毕，有对勾表达。在“动画连接”打开“命令语言

连接”日勺“抬起时”，弹出“命令语言”窗口，单击“所有函数”,弹出“选择函

数”对话框，选择“Bit.Se”函数，如图3,单击“确定”按钮，“选择函数”对

话框关闭。

在图2.14中，单击“Var”变黑，在“变量【域】”选择变量名Q4（PLC的I输出

卡）。把“bitNo”改为“7”，表达是第7位，OnOff改为0,表达是关闭输出，

相称于让Q4.7输出0,如图2.15所示，单击“命令语言”对话框中的J“确认”

按钮。

“命令语言”关闭，该按钮的“动画连接”中，“抬起时”的功能也配置完

毕，有对勾表达，如图所示，该按钮按下时Q4.7置位，抬起时Q4.7复位。

压力显示0000

速度控制0000

点动控制按钮

指示灯

图2.15命令语言动画连接

右击按钮，选择“字符串替代”，输入文字“点动”，按“确定”按钮，如图

2.16所示。

按钮屈性X

按钮文本.

□QB

k

点动控制按钮□文本r

s

0--s-魂定期消

指示灯

图2.16按钮属性

带有文字“点动”的按钮，制作完毕。如图2.17所示。

3

日

匚

动

点

点动控制按钮四

0匚

TJ

指示灯

图2.17按钮属性完毕

设备运行状态指示

指示灯日勺制作过程如下：单击右边“工具箱”中的1“画圆”，拖放到画面中,

选择颜色为“红色”，如下图2.18所示。

右击拖放到画面中日勺“圆”，选择动画连接，在“特殊”栏，打开“隐含”,

左击“隐含连接中“条件体现式”右边的“？”，在“选择变量名”中选择变量

“10”,如图所示,单击“选择变量名”中的“确定”按钮。

对我工券情国左划上SOT高度34宽度$9

对象名称|Gr«pM929提