西门子6ES340-1AH02-0AE0
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，降低能源的损耗、合理调配能源将直接**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**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SimaticS7-400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；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SimaticWinCC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
三、控制系统构成
1．系统的结构：系统配置如图1所示。
图1 能源管理监测系统图
本系统共分为三大部分：上位监控中心、PLC主站、PLC从站。上位机由一台服务器和三台客户机组成。把服务器并入了企业网，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，进行简单的设置就可以作为一台客户机使用。400PLC主站通过MPI协议与服务器相连。MPI可用于单元级和现场级，用它可以非常经济的连接少数站。400主站与其子站之间通过ProfibusDP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通过通讯模块送到400PLC主站，400PLC主站把各站送来的数据按要求进行各种运算、处理后通过MPI网络传到服务器。客户机和服务器之间通过OPC方式进行数据的传递。
2．软件设计
本系统PLC主站、PLC从站的编程使用STEP7编写，实现PLC对过程数据的初步处理；上位机监控使用SIMATICWinCC编写服务器软件（WinCC Server）和客户端软件（WinCCClient），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采用VisualBasic 6.0 语言编写，完成班次的各项指标考核任务。
（1）PLC主站程序：该程序包括6个OB块、20个FC块、15个DB块，完成对现场采集到的空压气、水蒸汽、电量和水量的数据的处理（包括蒸汽**补偿和蒸汽温度计算），并记录各个变量的累积量。主程序（组织块OB1）流程图如下：
图3 主程序（组织块OB1）流程图
（2）上位机WinCC程序：根据客户的要求，使用WinCC编写友好的上位机人机界面。如下图：
图2 上位机空压气分布界面
3．统计办公室能源监测评估程序设计方案的选择
能源监测评估程序是用VB6.0开发的应用程序，安装在统计办公室的客户机上，要对各个部门进行月结考核，并据此进行奖金的评定。程序需要记录锅炉房、空压站、薄片车间、总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理来实现对各部门各班次工人的考核，需要计算生产成本并打印详细月报表等，工作量十分大。在实践中，先后使用了以下几种方案实现程序和服务期间的通讯。
（1）方案一：使用VB6.0开发一个OPC客户端应用程序，利用该程序与服务器进行通讯。
缺点：客户端程序中没有实现较为完善的容错和故障诊断功能，当服务器出现短暂错误时造成OPC连接中段，造成死机。
（2）方案二：在客户端中加入诊断程序，通过不断连接服务器来判断服务器是否出现故障，若服务器状态不正常便重新启动该系统软件，实现故障的诊断和处理。
缺点：客户机与服务器频繁的连接与断开，造成服务器资源消耗大。
（3）方案三：OPC通讯分成两部分：部分，在客户机上开发一个小型的WinCC客户端应用程序，利用WinCC内部集成的OPC接口进行服务器和客户机之间的数据传输；第二部分，利用VB6.0开发一个OPC客户端应用程序，实现该程序与客户机上的WinCC进行通讯。
优点：使用WinCC内部集成的OPC接口进行服务器和客户机之间的数据传输，有较好的稳定性和较完善的故障诊断与处理，彻底避免死机。
（4）方案选择：鉴于以上几种方案的优缺点，选择第三种方案。如图3所示。
图3 方案三示意图
四、控制系统完成的功能
1．系统主要功能
本系统主要用于采集各生产车间的蒸气、空压气、水量和电量四种参数进行统计计算，为生产安排提供数据依据。具体功能如下：
(1)实时显示：本系统包括五部分工况图实时显示生产参数，包括系统总工况图、制丝车间工况图、卷接包车间工况图、能源动力车间工况图、非生产部门工况图。
（2）状态曲线：显示各车间采集数据的状态曲线，包括总量、制丝车间、卷接包车间、能源动力和非生产等部门所采集数据瞬时变化趋势。
（3）统计计算：将要考核的各部门的当前半小时库中的数据进行整理、统计、生成8小时数据库和天数据库。
（4）统计报表：将各部门的数据按要求显示报表
（5）参数设置：对本系统用到的参数进行设置，包括：班次参数、班次表、口令设置和曲线参数设置。
2．项目中的技术难点
用户需要记录锅炉房，空压站，薄片车间，总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理，有多种复杂报表输出要求：日报、旬报、月报、季报、年报，各种报表格式也不尽相同，这在wincc实现起来较为复杂，故考虑采用VB的灵活方便报表制作功能。在选择的方案中，WinCC.Client的角色非常特殊，它对于WinCC。Server来说是客户端，而对于能源管理软件来说则成了服务器端。
五、结束语
本系统已经投入使用，系统运行可靠稳定，**了数据的可靠性、正确性和计算准确率，减少了由于人为计算不准确和误差造成的损失。并且极大的节约了人员，减轻了实际操作人员的计算负担，并取得了良好的社会效益和经济效益。
P-NET现场总线技术由丹麦Proces-Data A／S公司研究并开发，是一种全世界通用的开放型标准化总线。它可以将生产过程的各个部分，如过程控制计算机、传感器、执行器、I／O模块、小型可编程控制器等，通过共用一根双芯电缆加以连接。与传统布线相比，P-NET现场总线技术在工业控制应用中具有很大的优势，它将简化设计和安装，减少布线的数量和费用，避免各种设备故障的发生，实现更直接也更广泛的使用功能。
2 网络系统
P-NET是一种多层网络结构，如图1所示。
图1 P-NET网络结构图
其特点：
（1） 多层的网络结构，方便系统组态，**系统的安全性和冗余性。
（2） 分散控制、集中管理的控制方式，符合现代控制理论。
（3） 各分系统间彼此独立工作，又互相协调，共享资源。
（4） 较高的数据更新速度和传输速度，**系统控制的实时性。
（5） 无须建立各区段总线间的层次关系，方便了系统扩展，提供了系统的开放性。
3 系统结构
P-NET现场总线系统结构层次（layer）可以根据“开放系统接线参考模式”拟定并加以描述，如图2所示。
图2 P-NET开放系统接线参考模式
一般来说，P-NET只需建1、2、7层，但既然P-NET具有多重网络的结构特点，协议也应完成第3、4层的组建。
层用于在总线上传输原始字节，它可用于指定线缆，或说明总线上数字信号的含义等。
第二层用于实现多主机特性，将数据整理后送入源地址或目标地址，并进行故障检查。
第三层就象是P-NET的邮局，根据源地址和目的地址接受和发送信息。一条信息可能被要求从一个P-NET网站中送出，或送入另一台P-NET服务器，或送回所要求的设备，或返回该信息说明某个地址未被定义。第二层上还需保留一些必要的地址，以便确定返回信息有路可循。
第四层完成两个不同的任务。一是提供P-NET服务，根据程序从内部存储器中读写数据。第二项任务是记录已发出请求正等待回应的信息数量，当一条请求得到响应时，便被送回源地址。
第七层让应用程序能够访问其他设备变量，这一功能靠发送一个命令块来实现，命令块中包含一些参考消息，内有设备地址等详细资料。
P-NET还具有一些通道结构，可视作系统的第八层。在P-NET中，对相关变量的采集和对单个过程信号的处理，可一起被视作一个过程对象，这就是所谓的通道。
4 运行模式
P-NET的电器规格以RS485标准为基础，使用可屏蔽双芯绞合电缆，可以直接与设备仪器相连，总线接口进行电气隔离。
P-NET是一种极为高效的总线协议。数据将以全过程值（浮点）的形式进行传输。在传输过程中，当数据的首字节一到，主机的辅助设备便启动处理命令，而无须象传统方式那样等到所有信息都传送到才开始执行操作，这一特点使P-NET的数据传输速度高达7.68×105 Bps，极大地**了系统效率。
P-NET是一种多主机总线，每段总线可容纳32台主机（Master），每台主机享有同等优先权，并且均有相关的辅助设备（Slave）。从P-NET总线上访问数据的方法相当独特，称为“虚拟令牌特性”。简单地说，每一台P-NET主机都有一个设备地址（NA），并包含一个“备用总线二进制周期计数器”，以二进制方式记录总线在备用状态下的周期数，一旦总线启用，计数器便复位为 0 。每一台主机还有一个辅助计数器，每当备用总线周期计数器的值达到40、50、60时，便进一位。当辅助计数器值（令牌）等于某一台主机的设备地址时，该主机就满足了“令牌”要求，被允许访问总线。当这台主机无访问要求或已结束了对总线的访问时，令牌自动转向另一台主机地址。“虚拟令牌特性”缩短了主机处理过程，并且尽量少占用总线容量，使P-NET无须进行任何总线协调，是一种十分高效的访问方式。
在各类现场总线系统中，只有P-NET允许在各部分总线间寻址定址，这是P-NET协议的特征之一。也就是说，一段总线上的任何一个主机，可以毫无阻碍地访问另一段总线的设备，而无须在主机中设置任何特殊程序。
包括主机在内的任何P-NET模块，都可随时与总线连接，或与总线断开，在系统运行中也可随时更换模块，或进行系统扩展，对总线系统其他部分无任何干扰。
P-NET有一些重要的辅助模块，除了向整个系统提供输入/输出功能外，还提供从简单的开关控制，到PID调节或编程方法等辅助处理功能，使整个系统构建起局部的控制环和特殊的处理方法。
5 支撑软件
5.1 VIGO现场总线管理系统
VIGO是一种现场总线管理系统，它始终监测着机组中各实际设备间以及它们与总线间的联系，支持Winscket（PC-基础网络）和P-NET现场总线，可在bbbbbbS 95下运行。
5.2 PDFLOW数据库程序
PDFLOW用于建立PD 4000／340FLOWmeter-Display的用户数据库。该数据库可为100个用户服务，信息可向PD4000／340下载。PDFLOW数据库以ACCESS 2.0文件格式化的标准数据库为基础，使用时要求具备PD3920模块和VIGO软件。
5.3 打印接口设计程序
用于设计PD4000／340**计显示器的打印接口，可为PC监控器设计接口线路，下载至PD4000／340。定制的接口线路可保存在PC机硬盘中供以后使用。使用时要求具备PD3920模块和VIGO软件。
6 应用
1998年，在由浙江省机电设计研究院总承包的“甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道机电工程”中，就将P-NET现场总线技术用于该工程的电力监控系统，取得了良好的效果。
甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道是我国首座自行设计、自行施工的高速公路长隧，位于台州温岭大溪镇与温州乐清湖雾镇之间，全长4116m。考虑到特大型公路隧道机电工程的综合性极强，需要满足多种基本运行条件，并要求达到较高的设计标准，整个隧道的供配电系统采用双回路10kV高压进线方式，由1#、2#配电所和北端、洞中、南端三个变电所组成供电网，向所有设备供电，并对关键设备采用在线式UPS电源供电，保障了整个系统的安全运行。整个电力监控系统的控制范围达到5km。
电力监控系统结构,如图3所示。
图3 大溪岭－湖雾岭隧道电力监控系统结构图
在各变电所、高压配电所和中央控制室之间采用冗余双环P-NET现场总线进行连接，双环结构为整个隧道的电力监控系统构筑了一个高可靠性的数据高速公路，在出现局部线路故障的情况下，也可保证整个系统的完整性和可靠性。
隧道电力监控系统用于采集和监视隧道各配电所、变电所的所有电力参数及部分开关的状态。系统采用的控制器为PD控制器模块。
系统所用模块分为三类：
（1） 主模块PD5015。置于中控室内，是监测系统的主控制器，所有数据采集后都送到此模块。主模块根据采集的数据进行检查，若发现异常，如过电流、过电压等则发送报警信息。PD5015具有液晶显示和轻触键盘，用户可观察各种数据并通过键盘进行参数设置。主模块与上位计算机通讯并提供所需的数据。
（2） 电量采集模块，包括PD3260和PD3221。1#配电房和南、北变电所每个变压器都由一个PD3260模块采集数据，中洞变电所的两个变压器则分别由一个PD3260和一个PD3221进行数据采集。PD3260模块可测量系统的三相电压、电流、功率、功率因素和频率，并累计能耗。模块有8个数字I／O通道和一个用于局部控制的可编程计数器通道，用于输电线上同步、异步发生器的自动数据采集。PD3221模块包括6个数字输入通道（其中4个可作为数字输出），2个模拟输入通道和1个模拟输出通道。模块还包括一个PID调节器，一个用于局部控制的内部用户可编程计数器通道和一个脉冲处理器。
（3） PD3280远程通讯模块。由于南变和中变、中变和北变之间的两段总线较长，在两段总线上均配置一个PD3280远程通讯模块作为中继模块，以实现系统总线的连续性和完整性。PD3280模块有3个RS484 P-NET接口，每一接口可在1200m内进行通讯，整个模块允许3600m以内的通讯。PD3280模块在P-NET现场总线各部分之间提供了一个透明的接口。
隧道内各配电所的主要运行参数可通过模块现场采集，经总线送至中央控制室，并可在中控室的电力模拟屏中反映出来。工作人员可时刻监视电力系统运行状态，及时发现问题并立即着手解决，以防止问题扩大。
“甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道机电工程”电力监控系统自投入使用以来一直效果显著、运行良好，从而反映出P-NET现场总线技术具有很强的整体性和很高的可靠性，其优越的性能为隧道机电工程的完成和完善提供了良好的保证。
7 结束语
如今，作为国际总线协议三大创始者之一的P-NET协议，凭借其独特的技术优势和卓越的产品性能，正在社会生产发展的各个领域发挥着重要的作用。此次在“甬台温高速公路大溪岭—湖雾岭隧道机电工程”的电力监控系统中，成功地应用了这一现场总线技术，就是一个好的例证。相信在今后的社会发展中，P-NET现场总线技术也将不断完善，创造出更多更好的业绩。