韓永成，田 超,高 丹,李玉萍

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河北 唐山 063299；2.河鋼集團唐鋼公司，河北 唐山 063000）

0 引言

當前我國鋼鐵企業(yè)產(chǎn)能過剩，許多鋼鐵企業(yè)更加注重企業(yè)內(nèi)部挖潛增效，通過工序間的合理配合降低能源消耗成為其中的一個重要途徑[1-2]。鋼鐵企業(yè)的能源消耗比較大，風、水、電、氣各種能源的消耗根據(jù)工序的不同，生產(chǎn)組織模式的不同都會有比較大的差異。為了能夠為公司決策層和日常生產(chǎn)管理部門提供能源消耗的第一手資料，在各工序關(guān)鍵部位安裝數(shù)據(jù)采集儀表，建設(shè)能源管控系統(tǒng)，已經(jīng)成為越來越多鋼鐵企業(yè)的共識。

每個鋼鐵企業(yè)對能源管理的需求不同，現(xiàn)場設(shè)備的型號也不同，因此能源管控需要根據(jù)現(xiàn)場的實際需求來制定合理的管理方案。在設(shè)計能源管控方案前需要確定系統(tǒng)架構(gòu)，通過合理的系統(tǒng)架構(gòu)和通訊協(xié)議來保證系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、準確性[3-4]。

本文根據(jù)某鋼鐵企業(yè)對能源管理的實際需求，設(shè)計開發(fā)了各工序能源管控系統(tǒng)，通過現(xiàn)場儀表采集耗電和介質(zhì)的各種實時數(shù)據(jù)，通過二次儀表進行計算后通過RS-485接到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并成功傳送到PLC中。整個系統(tǒng)以PLC為數(shù)據(jù)采集的核心，利用CitectSCADA軟件將PLC數(shù)據(jù)讀取上來，進而對收集的數(shù)據(jù)進行分析和歸檔，同時為各種管理系統(tǒng)提供真實有效的數(shù)據(jù)。

1 能源管控系統(tǒng)需求

某鋼鐵企業(yè)為了提高工序消耗能源的管理水平，需要對廠內(nèi)和廠際間的風、水、氣等各種介質(zhì)和供配電系統(tǒng)的用電量進行數(shù)據(jù)測量與采集，并將采集的數(shù)據(jù)進行存儲、分析、監(jiān)視、歸檔[5]。各種采集儀表根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的實際位置安裝，既能夠采集企業(yè)所需要的信息又要使控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單經(jīng)濟。由于現(xiàn)場的儀表采集信號的形式不同，需要設(shè)計配套的系統(tǒng)，能夠?qū)崟r準確進行數(shù)據(jù)收集。

2 能源管控系統(tǒng)設(shè)計

整個能源管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 介質(zhì)采集現(xiàn)場儀表及二次表

介質(zhì)表通過屏蔽電纜接到附近的遠程I/O柜或PLC柜，通過二次表的RS-485通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)。

2.2 電能采集儀表

電能采集儀表安裝在供配電柜中，用于采集各工序的用電量。

2.3 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)

可以通過局域網(wǎng)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，它的功能是將二次表采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)通訊的形式。根據(jù)不同類型的儀表，其通訊協(xié)議有所不同，本系統(tǒng)涉及的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議包括：Modbus RTU、RS-485。

2.4 交換機

通過網(wǎng)關(guān)進行轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，通過交換機將遠程I/O柜的數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC的以太網(wǎng)模塊。

2.5 PLC

由于能源管控系統(tǒng)中PLC的主要任務(wù)是準確地收集數(shù)據(jù)，因此選擇性價比較高的施耐德中型PLC M340，其能夠支持CANopen，Ethernet或Modbus等多種通訊方式。

2.6 SCADA服務(wù)器

SCADA服務(wù)器也稱作I/O Server 實時數(shù)據(jù)服務(wù)器，采用施耐德公司的CitectSCADA 軟件設(shè)計開發(fā)，其主要功能是接收PLC收集上來的數(shù)據(jù)，并做相關(guān)處理[6-7]。

3 能源管控系統(tǒng)實現(xiàn)

在能源管控系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，下面詳細列出系統(tǒng)各部分的實現(xiàn)過程。

3.1 介質(zhì)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)

3.1.1 二次表與網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計

介質(zhì)數(shù)據(jù)主要采集溫度、壓力、流量等信號，同一個位置上述信號可以接到一塊二次表上，也可以單獨接一塊檢測儀表。二次表采用MODBUS協(xié)議中的RTU格式，通過RS-485接口將多塊二次表的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。二次表與網(wǎng)關(guān)采用主從控制方式。二次儀表提供Modbus中的03、16兩個功能，其中03功能為讀保持寄存器，16為寫保持寄存器。通訊的格式采用10位數(shù)據(jù)格式，包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)、1位停止，校驗位可選。

下面以從站號為1為例給出設(shè)計的溫度讀取通訊程序，假設(shè)此時的溫度值為20℃。

主機發(fā)送的16進制命令為：01H 03H 07H 9FH 00H 02H F5H 51H。

其中：01H代表設(shè)備地址，也就是站號，范圍是1~254；03H代表功能代碼，這里為讀保持寄存器；07、9F代表數(shù)據(jù)地址，范圍為0~65535，具體范圍與設(shè)備有關(guān)；00、02代表數(shù)據(jù)寄存器數(shù)量，范圍為1~125，具體范圍與設(shè)備有關(guān)；F5、51為循環(huán)校驗碼。

從機響應(yīng)數(shù)據(jù)為：01H 03H 04H 00H 00H A0H 41H 42H 03H。

其中：01H代表設(shè)備地址，也就是站號，范圍是1~254；03H代表功能代碼，這里為讀保持寄存器；04代表字節(jié)計數(shù)，由于主機發(fā)送端數(shù)據(jù)寄存器數(shù)量為2個，所以占用4個字節(jié)；由于溫度是浮點數(shù)占用4個字節(jié)，轉(zhuǎn)換成16進制為41A00000，因此00、00代表第1路寄存器數(shù)據(jù)，A0、41代表第2路寄存器數(shù)據(jù)，每路寄存器占用兩個字節(jié)；42、03為循環(huán)校驗碼。

這里設(shè)計的二次儀表除了能夠采集溫度之外，還能采集壓力、瞬時流量，最后通過二次表的計算得到累積流量。

為了數(shù)據(jù)的顯示與計算更加簡單直觀，這里采用C語言將16進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10進制數(shù)據(jù)。這里以某一個測量點的數(shù)據(jù)為例進行說明。

其中，pv_union.pv_float為所要計算的流量值。

3.1.2 配置網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)選擇可魯網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)管理軟件DAPstudio配置和監(jiān)控網(wǎng)關(guān)。DAPstudio主畫面如圖2所示。

圖2 DAPstudio主畫面

本系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的主要內(nèi)容包括。

1）裝置信息。裝置信息中包含了網(wǎng)關(guān)本身的一些基本信息設(shè)置，比如與其通訊的二次儀表的型號，網(wǎng)關(guān)的IP地址等。

2）客戶端應(yīng)用?？蛻舳藨?yīng)用負責與現(xiàn)場通訊儀表進行通訊，采集數(shù)據(jù)，可以連接若干條連接，每條連接上都連接若干現(xiàn)場通訊儀表?？梢钥吹矫織l鏈路上連接儀表的狀態(tài)、數(shù)量。

3)服務(wù)器端應(yīng)用。服務(wù)器端負責將客戶端的數(shù)據(jù)進行地址映射，并轉(zhuǎn)發(fā)出去，負責PLC通訊。

4)后臺編程應(yīng)用。后臺編程應(yīng)用，用于編寫一些用戶自定義程序，進行簡單的運算功能。

3.2 電能數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)

電能測量儀表通過Modbus 485與透明網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。這里的透明網(wǎng)關(guān)采用施耐德公司的EGX100網(wǎng)關(guān)。當配置好IP地址以后，可以通過局域網(wǎng)瀏覽器來對網(wǎng)關(guān)進行遠程訪問。為了保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和平時維護的方便，電能測量數(shù)據(jù)通過EGX100網(wǎng)關(guān)匯聚到可魯網(wǎng)關(guān)，通過在客戶端應(yīng)用添加連接達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

3.3 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

PLC主要完成數(shù)據(jù)采集，因此設(shè)計了數(shù)據(jù)讀取和濾波程序，主要流程如下圖3所示。

其中數(shù)據(jù)地址變換使用通訊指令ADDM完成，對于輸入的形式選擇r.m.c{hostAddr}node

r：機架號（機架），m：模塊位置，c：通道編號（通道），node：網(wǎng)關(guān)（使用 hostAddr 標識的網(wǎng)關(guān)），例如0.0.3{192.168.1.1}1。數(shù)據(jù)讀取通過通訊功能塊READ_VAR實現(xiàn)。濾波的程序的功能主要是對于出現(xiàn)超出測量量程的數(shù)據(jù)進行延時輸出從而過濾掉由于干擾等原因引起的短時間數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象。濾波程序如下，假設(shè)現(xiàn)場需要濾波的數(shù)據(jù)為50個，濾波程序如下。

圖3 PLC程序流程圖

程序輸入是一個實數(shù)型的數(shù)組，共50個數(shù)據(jù)，從0-49。程序進行循環(huán)掃描，每個數(shù)據(jù)掃描一次，掃描完50個數(shù)據(jù)后完成一個循環(huán)，進行下一次掃描。對于某一個數(shù)據(jù)，如果其在某一時刻的數(shù)值在正常范圍內(nèi)，則立即輸出，如果數(shù)據(jù)大于最大值或小于最小值，則進行時間延時，保持上次最后一次正常的輸出值，如果對這個數(shù)值進行了2 000次刷新，數(shù)值仍然沒有達到合理的范圍則計數(shù)器清零，重新開始判斷，直到數(shù)值正常。

3.4 I/Oserver配置及HMI畫面開發(fā)

為了與I/O設(shè)備通訊，每一個Citect工程都至少定義一個I/0服務(wù)器。為了使數(shù)據(jù)保持連續(xù)性，設(shè)計了兩臺I/0服務(wù)器，一備一用。I/O server開發(fā)流程圖如圖4所示。

圖4 I/Oserver 設(shè)計過程圖

其中I/Oserver主要完成的工作是建立PLC與上位機數(shù)據(jù)的收發(fā)，因此 I/O設(shè)置、建立變量標簽、報警、趨勢是非常關(guān)鍵的部分，編輯頁面圖形主要用于測試用，也可以不做圖形畫面。

以下是采用Citect提供的過程分析器控件設(shè)計彈出式曲線畫面，其效果圖如下圖5所示。其中（a）圖為趨勢圖，能夠顯示實時地采集數(shù)據(jù)也可以查看過去某個時間段的數(shù)據(jù);（b）圖為對象視圖區(qū)可以顯示曲線畫面的所有趨勢變量名稱，量程以及注釋，并且可以統(tǒng)計該時間段里的最大最小以及平均值，每個曲線變量前面的勾選框可以隱藏/顯示該曲線，在對象視圖區(qū)可以選擇某個趨勢變量，選擇后該趨勢變量以高亮度顯示，并且其曲線也會加粗，最左端的豎直量程條也自動變更為當前選擇曲線的量程。

圖5 Citect設(shè)計的趨勢圖

4 結(jié)論

本文結(jié)合某鋼鐵廠能源管理的實際需求，設(shè)計開發(fā)了能源管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過PLC收集數(shù)據(jù)，通過Citect軟件作為管控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，實現(xiàn)了能源的實時監(jiān)控，報警分析，數(shù)據(jù)歸檔等功能，為企業(yè)經(jīng)濟化運行提供了數(shù)據(jù)保障。