周天嬌

摘要：可視化節(jié)能管理系統(tǒng)是一套為上海某公司量身定做的能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，MES接口模塊來轉(zhuǎn)換底層的現(xiàn)場(chǎng)能耗數(shù)據(jù)，并將其大量的導(dǎo)入SQL Server數(shù)據(jù)庫，另外采用ADO.NET、ASP.NET MVC和C#編程語言設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件。完成了數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測(cè)、工藝的改進(jìn)、能源的節(jié)省及產(chǎn)品的成本控制的目標(biāo)，為企業(yè)管理者和現(xiàn)場(chǎng)人員提供決策支持和提高效率的功能。

關(guān)鍵詞：可視化節(jié)能；MES接口模塊；數(shù)據(jù)庫

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)20-5009-05

Visual Energy Consumption Managing System Based on MES Interface Module

ZHOU Tian-jiao

(College of Electronics and Information Engineering,Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract: The Visual Energy Consumption Managing System is an energy monitoring system customized to a company in Shanghai. And it use the CC-link fieldbus technology and MES interface module to convert the data from the bottom of the energy consumption, then a large number of data will be imported into SQL Sever database. In addition, the system adopt ADO.NET,ASP.NET and C# programming language design and implement system software. It completes the goal of data collection, process improvements, energy savings and product cost control, and provide decision support and improve the efficiency of the function for enterprise managers and workers.

Key words: visual energy-saving; MES Interface Module; database

改革開放30余年來，我國經(jīng)濟(jì)始終保持著較快的增長速度，經(jīng)濟(jì)總量一度超過德國、日本，現(xiàn)已位居世界第二。然而由于我國的經(jīng)濟(jì)增長方式的粗放性：1）我國的能源利用效率目前僅為33%，比發(fā)達(dá)國家落后20年，相差10個(gè)百分點(diǎn)。2）能源消費(fèi)強(qiáng)度大大高于發(fā)達(dá)國家及世界平均水平，約為美國的3倍，日本的7.2倍。3）我國的單位產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一，每千克標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)出的國內(nèi)生產(chǎn)總值僅為0.36美元，而日本為5.58美元，世界平均值為1.86美元。4）不僅如此，我國人口基數(shù)大，人均能源可采儲(chǔ)量遠(yuǎn)低于世界平均水平，2000年人均石油開采儲(chǔ)量只有2.6噸，人均天然氣可采儲(chǔ)量90噸，分別為世界平均值的11.1%和4.3%。這些因素嚴(yán)重制約我國的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳。在此背景之下，節(jié)能減排被提上日程，中國“十一五”規(guī)劃綱要提出，“十一五”期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20%左右、主要污染物排放總量減少10%。

一個(gè)國家的能源總消耗量是各個(gè)企業(yè)的能源消耗量的總和，而企業(yè)產(chǎn)品單耗又取決于該企業(yè)技術(shù)工藝的先進(jìn)程度、用能設(shè)備效率的高低及企業(yè)管理水平高低。我國企業(yè)來能耗普遍較大，應(yīng)該努力改進(jìn)以上指標(biāo)，如此不僅有利于企業(yè)自身提高生產(chǎn)效率，而且有利于提高國家的能源率。要想提高能源利用率，首先需要企業(yè)的能耗進(jìn)行監(jiān)控，獲得正確的能耗數(shù)據(jù)，這將為管理人員采取正確的能耗管理決策提供重要依據(jù)，也為后續(xù)能耗模型的建立，科學(xué)的能耗預(yù)測(cè)及合理的管理制度的提出打下重要基礎(chǔ)。

1可視化節(jié)能管理系統(tǒng)概述和結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)概述

本“可視化節(jié)能管理系統(tǒng)”是一套為上海某公司量身定做的能源管理系統(tǒng)，其主要功能是：

1)通過采集工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，詳細(xì)監(jiān)測(cè)和記錄每個(gè)爐子、車間、廠、企業(yè)的能耗及爐子的溫度、壓力值；

2)在此基礎(chǔ)上，對(duì)這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供當(dāng)前實(shí)時(shí)查詢和歷史查詢功能，查詢包括列表和折線圖兩種形式；

3)提供各種數(shù)據(jù)分析處理手段，幫助客戶企業(yè)找出能源浪費(fèi)的環(huán)節(jié)及根源；

4)提供對(duì)客戶企業(yè)各類產(chǎn)品生產(chǎn)過程中能耗的全程追蹤，從而對(duì)工藝的改進(jìn)、能源的節(jié)省及產(chǎn)品的成本控制具有積極意義?？偟哪繕?biāo)：通過對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)能耗、溫度、壓力數(shù)據(jù)的采集、處理、統(tǒng)計(jì)與分析，為企業(yè)管理者及現(xiàn)場(chǎng)人員提供以下功能。

決策支持:根據(jù)公司的要求及時(shí)提供所需報(bào)表及文件,并在適當(dāng)時(shí)候?qū)Ω鞑块T領(lǐng)導(dǎo)給予能源管理、生產(chǎn)工藝等方面的提示。提高效率:利用軟件進(jìn)行管理,避免人工管理的失誤以及延遲性,從而實(shí)現(xiàn)高效率的管理

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：1）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；2）WEB服務(wù)器。如圖1所示。

1）監(jiān)測(cè)顯示，主要顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息及趨勢(shì)。當(dāng)鼠標(biāo)懸停于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圖像上時(shí)，顯示指定點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶進(jìn)入某監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頁面時(shí)，顯示該點(diǎn)的瞬時(shí)流量和累積量、前區(qū)溫度、后區(qū)溫度、壓力的趨勢(shì)圖，每5分鐘刷新一次；同時(shí)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值，每2秒刷新一次。

2）數(shù)據(jù)分析，主要包括折線圖查看和圖像導(dǎo)出功能，并有單點(diǎn)查看、多點(diǎn)同一時(shí)間段查看、單點(diǎn)多個(gè)時(shí)間段查看和能耗數(shù)據(jù)查看。

3）警報(bào)管理，主要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)(能耗、溫度和壓力)的監(jiān)控，超過預(yù)設(shè)的范圍會(huì)發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)，包括預(yù)警、報(bào)警、歷史警報(bào)管理三大塊。

4）報(bào)表管理，主要根據(jù)用戶的權(quán)限，賦予用戶下載報(bào)表的功能，用能數(shù)據(jù)按照不同的時(shí)間對(duì)應(yīng)不同的報(bào)表文件。

比如：用能數(shù)據(jù)時(shí)報(bào)表：根據(jù)從MES接口模塊采集到的數(shù)據(jù)，每5分鐘作一次記錄，每小時(shí)作12次記錄；詳細(xì)記錄企業(yè)具體用能情況，對(duì)于節(jié)能分析、故障分析提供具體的數(shù)據(jù)依據(jù)；支持XLS格式導(dǎo)出報(bào)表；可選擇報(bào)表中某些項(xiàng)目顯示或不顯示，便于現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)人員選擇；設(shè)定打印報(bào)表人員權(quán)限，無權(quán)限人員無法對(duì)報(bào)表進(jìn)行選擇或打印。

考慮到數(shù)據(jù)的安全性以及示范企業(yè)對(duì)能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)的要求，再將優(yōu)化后，如下圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)能耗數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量單元經(jīng)過CC-Link總線采集后，經(jīng)MES接口模塊設(shè)置一定的格式和表結(jié)構(gòu)后，轉(zhuǎn)換處理后上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，然后Web程序可以方便的實(shí)時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的能耗數(shù)據(jù)。

2基于MES模塊的方案設(shè)計(jì)

2.1 MES接口模塊

三菱電機(jī)于2007年成功開發(fā)出可用于QPLC的MES[4]（全稱為Manufacturing Execute System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）接口模塊QJ71MES96。MES接口模塊可將底層CC-Link控制系統(tǒng)和上層信息管理系統(tǒng)直接連接起來。而在此之前，信息管理控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)由于采用的信息形式不同，沒有可以直接交換的層次，所以傳統(tǒng)信息控制系統(tǒng)都是采用計(jì)算機(jī)作為中間層，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息，然后向信息層發(fā)送數(shù)據(jù)。而MES模塊可以直接從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，節(jié)省數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)置和運(yùn)行成本，達(dá)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與MES之間低成本簡單連接并且實(shí)現(xiàn)無PC、無程序的環(huán)境。其主要特點(diǎn)如下：

1）不再需要編寫數(shù)據(jù)通訊的PLC程序，只需通過簡單的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)與信息系統(tǒng)的連接，從而可以直接操作Oracle、SQL Server、Access等數(shù)據(jù)庫。

2）可以減輕信息系統(tǒng)的負(fù)荷?？梢酝ㄟ^MES接口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視，在條件成立的情況下將數(shù)據(jù)發(fā)送至信息系統(tǒng)。

3）用于正確獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖功能，當(dāng)傳輸?shù)囊蟪^了系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)的帶寬，MES接口將信息緩存入內(nèi)存。時(shí)間同步確保了信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正確性。

4）可以獲取訪問異常時(shí)的日志。在與數(shù)據(jù)庫連接的情況下發(fā)生了數(shù)據(jù)庫訪問異常時(shí)，數(shù)據(jù)庫可將異常內(nèi)容作為日志加以保留。通過對(duì)日志進(jìn)行分析，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)及異常分析。

5）可以實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的指示以及必要的雙向通信。可以通過信息系統(tǒng)的應(yīng)用程序啟動(dòng)登錄在MES接口模塊中的處理，這樣，可以實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的制造指示等。

6）兼容多種多樣的數(shù)據(jù)庫，支持多種主流數(shù)據(jù)庫：Oracle 9i Standard Edition、Oracle 10g Standard Edition、Microsoft SQL、Server 2000 Standard Edition、Access。

7）可以在無需考慮數(shù)據(jù)庫表格的構(gòu)成的情況下訪問。在數(shù)據(jù)庫的訪問中，可以使用自由設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫。

8）可以使用SNTP實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。通過與SNTP服務(wù)器用個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，可以設(shè)置MES接口模塊以及可編程控制器的CPU的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步。

9）可以設(shè)置讀寫數(shù)據(jù)庫的觸發(fā)條件（數(shù)值觸發(fā)、時(shí)間和周期觸發(fā)等），并包含計(jì)算功能。

2.2方案比較

本課題利用CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)并借助三菱電機(jī)相關(guān)產(chǎn)品而設(shè)計(jì)，由于三菱產(chǎn)品特性的多樣性，可視化能源監(jiān)管系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案存在多種選擇。下面將目前四種主要方案進(jìn)行介紹并對(duì)不同方案進(jìn)行比較，最終確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。

目前基于三菱PLC的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制方案總共有以下四種：

1）EcoWebServerII方案。該方案主要利用三菱電機(jī)推出的EcoWebServerII模塊，該模塊具備了數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)等基本功能，另外還集成了一套節(jié)能管理支援?dāng)?shù)據(jù)收集軟件。這套軟件具備測(cè)量、輸出、顯示、保存、監(jiān)測(cè)、通信等功能，其顯示功能包括能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)值顯示、能耗數(shù)據(jù)曲線圖以及能耗數(shù)據(jù)對(duì)比曲線圖等，很好地體現(xiàn)了三菱電機(jī)“可視化”節(jié)能的理念。該方案目前已被風(fēng)洞中心采納，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

缺點(diǎn)：軟件固化在設(shè)備中，無法根據(jù)不同項(xiàng)目的需求進(jìn)行不同的更改，靈活性較差。圖表顯示方式單一，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗的預(yù)測(cè)及提供能耗分析工具。需安裝JAVA控件才可進(jìn)行顯示。歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在設(shè)備中，存儲(chǔ)量小，無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間段的數(shù)據(jù)積累分析及預(yù)測(cè)。設(shè)備昂貴。修改時(shí)需用專門的配置軟件，增加了成本。軟件每年需要額外的費(fèi)用。

優(yōu)點(diǎn)：無需額外編程，僅需配置。無需考慮底層通訊的實(shí)現(xiàn)方法。

圖3EcoWebServerII方案

2）EcoWebServerII擴(kuò)展方案。該方案仍然采用EcoWebServerII模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為四層，分別為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、服務(wù)器層和用戶層。數(shù)據(jù)采集層仍利用三菱電機(jī)相應(yīng)的電子測(cè)量儀模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過Q06HCPU將CC-Link總線將采集到的數(shù)據(jù)通過RS-485通訊模塊傳送至EcoWebserverII模塊。優(yōu)點(diǎn)：可以靈活的按需求配置軟件的功能，可以根據(jù)客戶的要求實(shí)現(xiàn)更加多樣化?？梢源鎯?chǔ)更大的數(shù)據(jù)量。為后期能耗模型的研究及建立提供重要依據(jù)。

缺點(diǎn)：因?yàn)樾枰加靡欢ǖ姆?wù)器資源，相對(duì)方案一成本更高。且需要額外編程。

3）以太網(wǎng)模塊方案。如圖4所示，數(shù)據(jù)測(cè)量監(jiān)控層與方案三相同，傳輸控制層采用一臺(tái)Q系列PLC負(fù)責(zé)CC-Link網(wǎng)絡(luò)的管理，并通過以太網(wǎng)模塊(QJ71E71-100)將數(shù)據(jù)送到Web服務(wù)器，在管理監(jiān)控層的Web服務(wù)器端軟件分為服務(wù)器和瀏覽器兩種。服務(wù)器上的軟件實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理，項(xiàng)目配置，數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)維護(hù)，生成報(bào)表，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等功能。當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)事件（比如能量用量超過上下限或者系統(tǒng)重啟）發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送郵件至SMTP服務(wù)器通知。

缺點(diǎn)：底層數(shù)據(jù)的收發(fā)及糾錯(cuò)機(jī)制完全需要在編程時(shí)進(jìn)行考慮，編程難度及開發(fā)周期最大。底層的數(shù)據(jù)處理方式與之前的方案不兼容，如果需要以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗分析需要加入額外的控件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)吞吐量最大，可以通過緩存進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間配置更靈活，實(shí)時(shí)性更好，可以更好的實(shí)現(xiàn)控制功能，控制的實(shí)時(shí)性更好，硬件成本最低。

圖5以太網(wǎng)模塊方案

4）MES接口模塊方案。如圖6所示，系統(tǒng)仍然采用四層結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)測(cè)量監(jiān)控層仍然采用三菱的電子測(cè)量儀模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳輸控制層由QCPU+CCLINK主站模塊+MES模塊組成,MES模塊通過以太網(wǎng)與服務(wù)器相連，通過預(yù)先配置可實(shí)現(xiàn)將底層的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。在管理監(jiān)測(cè)層，服務(wù)器上的軟件實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理，項(xiàng)目配置，數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)維護(hù)，生成報(bào)表，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等功能。當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)事件（比如能量用量超過上下限或者系統(tǒng)重啟）發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送郵件至SMTP服務(wù)器通知。此外，系統(tǒng)定期上傳報(bào)表文件至FTP服務(wù)器。以太網(wǎng)內(nèi)的用戶可以通過IE瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)、報(bào)表的查看及下載。

優(yōu)點(diǎn)：編程時(shí)無需過多的考慮底層數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)制，只需將數(shù)據(jù)庫中更新的數(shù)據(jù)定期進(jìn)行轉(zhuǎn)換，簡化了開發(fā)過程。軟件上既有方案三的靈活性，又較前兩個(gè)方案成本更低。

缺點(diǎn)：需求開發(fā)人員熟悉MES接口模塊，成本較高。

綜上，方案四在硬件和軟件的綜合成本上較方案一、二有較明顯的優(yōu)勢(shì)，且軟件配置上更為靈活，擴(kuò)展性強(qiáng)。方案三與方案四相比較，成本上方案三占優(yōu)，但方案三代碼量較大，且底層數(shù)據(jù)通訊方面需要考慮較多，需要有比較成熟與底層通訊相關(guān)的類庫做支撐才可較好的實(shí)現(xiàn)需要的功能。且在繼承性方面，方案四能更好的與現(xiàn)有的正在使用的方案兼容。在需求分析方面，方案四適合做數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，方案三較適合監(jiān)測(cè)與控制共存的情況。本次開發(fā)的系統(tǒng)主要作用為數(shù)據(jù)的收集、查看及分析功能，對(duì)實(shí)時(shí)的控制要求不高，因此，本系統(tǒng)采用方案四實(shí)現(xiàn)。

3結(jié)束語

該文首先對(duì)可視化能耗監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)的需求和可行性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并根據(jù)企業(yè)管理的需要將系統(tǒng)分為五大塊：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警管理、報(bào)表管理和系統(tǒng)管理。然后介紹了三菱電機(jī)推出的MES接口模塊的工作原理及應(yīng)用，并比較了當(dāng)前基于CC-Link的四種典型的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，確定了總體設(shè)計(jì)方案。最后，描述了可視化能耗監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]三菱多用電子測(cè)量儀ME96NSR[Z].三菱電機(jī)株式會(huì)社,2009.

[2]三菱電子測(cè)量儀ME96NSR型[Z].MITSHUBISHI ELECTRIC COMPANY.2008.

[3]三菱電機(jī).Q系列串行口通訊模塊用戶參考手冊(cè):基礎(chǔ)篇[Z].

[4] MES模塊用戶參考手冊(cè)[Z].Mitsubishi Electric.

[5]劉甲,劉麗媗,趙霞,等.風(fēng)洞能耗可視化監(jiān)測(cè)平臺(tái)[J].控制工程,2009,(S4).

[6]江億.我國建筑耗能狀況及有效的節(jié)能途徑[J].暖通空調(diào),2005,35(5):30-40.

[7]鄭明明,陳碩.建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的研究[J].建筑節(jié)能,2009,37(9):65-67.