（控制理论与控制工程专业论文）基于现场总线技术的能源监测系统与能源优化管理研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：董堡! ! ) 日期：伽王工 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 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：蘧堡_导师签名：曰期：巡! ：! ：塑 山东大学硕士学位论文 摘要 我国是能源相对缺乏的国家，同时也是能源浪费严熏的大国。特别是在工 厂生产中，由于当时技术条件的限制而导致生产工艺的不合理和能源管理工作不 完善，因此建立一套能源监测系统对能源使用进行科学的计量与管理，对于减少 浪费、降低消耗具有重大意义。 现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点，适用于现场仪表与控制系 统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、 多站的通讯系统，被誉为自动化领域的计算机局域n t l 】 3 】。现场总线技术的出现 与发展，将对工业控制技术领域产生重大影响。 本文从实际问题出发，对传统的d c s 控制系统和当今流行的f c s 控制系统 进行了分析，充分利用现场总线的开放性、可靠性等特点，提出了一种基于现场 总线的d c s 控制系统。 济南卷烟厂的能源消耗主要是蒸汽、空压气、电和水。通过分相在全厂的9 个信号采集子站，将所采集的实时信号通过p r o f i b u s 传至中央控制主站进行预处 理，主要包括流量的补偿以及所测值的累计。上位服务器组态采用w i n c c ，通 过m p i 与中央控制主站相连，实现对数据的实时显示、分析统计、报表等。能 源管理中心操作员站与服务器通过o p c 实现数据共享，完成历史数据查询、报 警记录查询、能源耗用成本统计管理功能等。根据卷烟生产的特点，对全厂的用 能模型进行了研究，初步建立优化模型，指出了研究这一问题的基本思路。 本系统现已在济南卷烟厂实际运行，根据运行几个月来的数据报表显示，取 得良好的经济效益，节能降耗的目的基本达到。 关键词：能源监测现场总线优化管理 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n ai sac o u n t r yt h a ti sr e l a t i v e l ys h o r to fe n e r g ys o u r c e sa n da tt h e s a m et i m eh a st h es e r i o u sp r o b l e mo fw a s t e t h i si se s p e c i a l l yi n c a r n a t ei nt h e f i e l do fp r o d u c t i o n t h e p r o d u c t i o n t e c h n i c si s i n c o n s e q u e n t i a la n dt h e m a n a g e m e n t o f e n e r g ys o u r c e s i sf a u l t i n e s sa sar e s u ko ft h el i m i t a t i o no ft h e t e c h n o l o g yi nt h a tt i m e s oe s t a b l i s h i n gam o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ee n e r g y s o u r c e sw h i c hc a nc o m p u t ea n dm a n a g et h eu s eo ft h ee n e r g ys o u r c e sh a sa g r e a tm e a n i n g t or e d u c i n gw a s t ea n d w a s t a g e i np r e s e n tt i m e ，f i e l d b u si st h eh o ts p o ti nt h ef i e l do fa u t o m a t i o n c o n t r 0 1 i ti st h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e t w e e nt h ef i e l di n s t r u m e n t s ，t h e c o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o n t r o lc e n t e r i t sc h a r a c t e r i s t i ci sd i s t r i b u t e d ，d i g i t a l ， i n t e l l e c t ，d o u b l e o r i e n t e d ，i n t e r - l i n k i n g ，m u l t i v a r i a b l e s ，m u l t i p o i n t s ， m u l t i s t a t i o n s i ti sk n o w na st h el a no fa u t o m a t i o nc o n t r 0 1 t h e a p p e a r a n c e o ff i e l d b u ss i g n st h es t a r to fan e w p e r i o do fi n d u s t r yc o n t r o lt e c h n o l o g y i t w i l lh a v eas t r o n ge f f e c to nt h i sf e l d t h i s p a p e rs t a r t s w i t ht h e p r a c t i c a lp r o b l e m a f t e ra n a l y z i n g t h e t r a d i t i o n a ld c sc o n t r o ls y s t e ma n dt h ep o p u l a rf c sc o n t r o ls y s t e mw ep u t f o r w a r dad c sc o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o f i b u sw h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c o f o p e n i n g a n d r d i a b f l i t y t h e p r i m a r ye n e r g y s o u r c e s w a s t a g e o ft o b a c c o f a c t o r y o fj i n a ni ss t e a m ， c o m p r e s s e da i r ，e l e c t r i c i t ya n d w a t e r n i n e j u n i o rs t a t i o nw h i c h c o l l e c ts i g n a l d i s t r i b u t i n gi nt h ew h o l ef a c t o r ys e n d t h er e a lt i m e s i g n a lt ot h ec e n t e rc o n t r o l s t a t i o nt op r e t r e a tw h i c hm o s t l yi n c l u d i n gt h ec o m p e n s a t i o no ft h ef l u xa n d t h ea c e u m u l a t i v et o t a lo f 也ev a l u e s e n i o rs e r v e rc o n n e c tw i t ht h ec e n t e r c o n t r o ls t a t i o nb ym p i t h es e n i o rs e r v e ru s ew i n c ct oc o n f i g u r a t ea n d r e a l i z et h er e a lt i m es h o w a n a l y s e ，s t a t i s t i ca n d r e p o r tf o r m s t h eo p e r a t o r 2 山东大学硕士学位论文 s t a t i o na n ds e r v e rr e a l i z et h ed a t as h a r e ，i n q u i r ya b o u th i s t o r i c a ld a t a ，i n q u i r y a b o u ta l a r md a t aa n dt h e f u n c t i o no f m a n a g i n ge n e r g y s o u r c e s w a s t a g e c o s tb y o p c w er e s e a r c ho nt h em o d e lo f u s i n ge n e r g yi nt h i sf a c t o r ya n d e s t a b l i s h m u l t i p u r p o s eo p t i m a lm o d e la n dp u tf o r w a r dt h ee l e m e n t a r yw a yo ft h i s p r o b l e ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fc i g a r e t t ep r o d u c t i o n t h i ss y s t e mh a sr u nw e l li nt o b a c c of a c t o r yo fj i n a n i th a sr e a l i z eg o o d e c o n o m yb e n e f i ta n dg a i nt h ea i mo fs a v i n ge n e r g ys o u r c e sa n dr e d u c i n g w a s t a g ea c c o r d i n g t ot h ed a t a r e p o r t f o r m si nr e c e n tm o n t h s k e y w o r d s ：e n e r g y s o u r c e s m o n i t o r ，p r o f i b u s o p t i m a lm a n a g e 3 山东大学硕士学位论文 符号说明 f c s ：f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，现场总线控制系统； d c s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，集散控制系统； p l c ：p r o g r a m e dl o g i c a lc o n t r o l l e r ，可编程逻辑控制器； o p c ：o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，用于过程控制的o d b c ； o d b c ：o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，开放式数据库连接性； c f c ：c o n t i n u o u sf u n c t i o nc h a r t ，连续功能图块，s i e m e n s 的一种p l c 编 程语言； p r o f i b u s ：p r o c e s sf i e l d b u s ； f f ：f o u n d a t i o nf i e l d b u s ：基金会现场总线 p c s 7 ：p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m s t e p7 ，s i e m e n s 的新一代基于p r o f i b u s 的过程控制系统。 4 山东大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 研究背景、目的与意义 能源问题是当今社会的个重要问题，已经受到世界各国的普遍重视。节 约能源已经得到人们的普遍认可。节能规划的目标不是少用能源，而是提高主 要耗能产品的能源利用率和提高单位能源消耗所创造的经济效益i i ”。我国人f 1 众多，能源资源相对匮乏，节约能源、降低消耗对于促进我国经济发展来说具有 重要的意义。 当今世界正处于新技术革命的时代，电子信息技术是这场世界性产业革命 的先导。在微机应用技术和范围方面，发展最快的是用于生产过程自动化的监测、 显示与控制，其中尤其以发展传统产品、节能降耗为最。在节能与环保、实现节 能与文明生产、提高经济效益等一系列急切要求的推动下，国内外都很重视对工 业自动化的技术发展。现场总线技术就是在这一背景下成长和发展起来的，现在 已成为当前控制与自动化领域发展最快，发展最为活跃的一项新技术。它集合了 控制技术、自动化技术、数字技术信息技术、微电子技术、网络技术、网络技术、 计算机技术和系统技术等多项技术的最新成果。 目前，国内企业采用的能源监测系统主要是以d c s 结构为主现场采集的 4 - 2 0 m a 电流信号经信号电缆传输至上位机。此种结构不仅要耗费大量的电缆， 增加了成本，而且系统也不稳定，故障率很高。一般情况下，工厂的面积较大， 能源采集点分散，在这种情况下的信息共享就比较困难。以济南卷烟厂为例，能 源动力车间、制丝车问都装有能源采集系统，两个系统之间的信息不能共享，产 能部门于用能部门之问脱节，往往造成能源浪费。 针对存在的能源浪费和能源使用不合理的情况，如何将能源管理工作做 好，实现能源的优化管理，是目前各个企业面临的主要问题。虽然有些企业在能 源管理方面作了大量的工作，出于当时的条件限制，对于全厂的能源状况不能形 成系统的管理，更谈不上进行能源的优化管理。现场总线技术的发展为开发新的 能源监测系统提供了条件，基于现场总线的能源监测系统就是采用现场总线这 山东大学硕士学位论文 技术，结合当前能源管理的特点和要求而开发的一种新型系统。因此，建立基于 现场总线的能源监测管理系统，对推动现场总线机技术的发展，实现能源的优化 管理与合理使用，不仅具用重要的实际意义，而且还具有重要的理论价值。 本课题就是以卷烟企业的能源管理系统为实际的应用背景，得出卷烟企业 的能源管理的一般的方法，同时对其他行业的能源管理也具有重要的指导意义。 1 2 本文的主要工作与研究的内容 本文属于应用性研究论文， 结合济南卷烟厂能源监测管理系统的实际应用 项目进行研究。本文共分六章：第一章介绍了研究的背景、目的和意义，简要介 绍了当前能源管理工作存在的问题；第二章介绍了现场总线技术的发展，并对 p r o f i b u s 现场总线进行了详细讨论，指出现场总线为能源监测系统提供了新的技 术平台；第三章介绍济南卷烟厂能源监测系统的总体设计方案，详细介绍了能源 监测系统实施过程；第四章优化调度策略研究，第五章作了简要的效益分析。第 六章对全文作了总结。 6 山东大学硕士学位论文 第2 章现场总线技术的发展 2 1 现场总线的定义 现场总线是指在生产现场的测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通 信、完成测量控制任务的系统，这种开放型的工厂底层控制网络构造了新一代的 网络集成式全分布控制系统，因而又被誉为自控领域的局域网”1 1 3 i 。它在制造业、 流程工业、交通、楼宇等自动化系统中具有广泛的应用前景。 现场总线通讯协议的结构是根据国际标准化组织提供i s o o s i 模型柬制定 的，根据工业控制技术的特点，多数现场总线协议采用了其中的物理层，通信层 和应用层。目前应用比较成熟的有： 1 ) 基金会总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 它是以美国f i s h e r - r o s m o l m t 公司为 首，联合多家著名公司形成的一种总标准。它的体系结构是参照i s o o s i 模型的 物理层、数据链层和和应用层建立起来的，另外又增加了用户层。f f 总线提供 两种物理层标准：h l 和h 2 ，h 。为由于过程控制的低速总线，传输速率为 3 2 1 5 k b i t s ，传输距离为：2 0 0 m 、4 5 0 m 、1 2 0 0 m 、1 9 0 0 m 四种。h 2 为制造自动化 的高速总线，传输速率有1 m b i t s 和2 5 m b i t s 。 2 ) l o n w o r k s 总线，它是以美国e c h e i o n 公司于1 9 9 0 公布的。l o n w o r k s 总线技术是一个完整的平台，包括采用a s i c 技术固化了完全基于i s o 制定的 o s i 七层模型的超大规模集成电路神经元芯片、软件、开发工具及相应配套产品。 3 ) p m f i b u s 总线：它是由s i e m e n s 公司为首，联合多家公司形成的一种 标准。它的体系结构也是以i s o o s i 模型为参考，定义了物理传输层。他的传输 速率从9 6 k b i t s 1 2 m b r s ，最大传输距离1 2 m 时为1 0 0 m ，1 5 m 时为4 0 0 m ，使 用中继长度为1 0 k m ，p r o f i b u s 共有三种标准，包括：p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、 p r o f i b u s p a 。 此外还有比较常用的还有c a n 总线、c o n t r o l n c t 总线等 山东大学硕士学位论文 2 2p r o f i b u s 现场总线 2 2 1p r o f i b u s 概貌 ( 1 ) p r o f i b u s 是一种国际化、丌放式、不依赖于设备生产商的现场总线标 准【。】 2 】 7 】【1 3 i 。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等 其他领域自动化。 ( 2 ) p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，即p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e d p e r i p h e r y ) 、p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o m 、p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u s m e s s a g es p e c i f i c a t i o n l 。 ( 3 ) p r o f i b u s d p ：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散 式i o 的通信。使用p r o f i b u s - d p 可取代办2 4 v d c 或4 - 2 0 m a 信号传输。 ( 4 ) p r o f i b u s p a ：专为过程自动化设计。可使传感器和执行机构联在一 根总线上，并有本征安全规范。 ( 5 ) p r o f i b u s f m s ：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主 网络。 ( 6 ) p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信 与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现 场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方 案。 2 2 2p r f i b u s 基本特性 2 。2 2 1p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s 协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际准。以开放式系统互联网络( o p e n s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n s i o ) 作为参考模型的1 1 1 1 2 j 7 1 n 】。该模型共有七层，如图2 - i 所示： 山东大学硕士学位论文 图2 - ip r o f i b u s 协议结构图 ( 1 ) p r o f i b u s d p ：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加 描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明 了各种不同p r o f i b u s - d p 设备的设备行为。 ( 2 ) p r o f i b u s f m s ：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信 息规范( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n - f m s ) 和低层接口( l o w e rl a y e r i n t e r f a c e l l i ) af m s 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的 通信服务。l l i 协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。 ( 3 ) p r o f i b u s p a ：p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s d p 协议。另 外，p a 还描述了现场设备行为的p a 行规。根据i e c l l 5 8 2 标准，p a 的传输技术 9 山东大学硕士学位论文 可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在d p 上 扩展p a 网络 2 2 2 2p r o f i b u s 的传输特性 p r o f i b u s 提供三种数据传输类型 用用于p a 的i e c l l 5 8 2 传输 光纤 1 ) 用于d p f m s 的r s 4 8 5 传输技术 由于d p 与f m s 系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而， 这两套系统可在同一根电缆上同时操作。 r s 一4 8 5 传输是p r o f i b u s 最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为 h 2 。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。 r s 一4 8 5 传输技术基本特征： 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。 传输速率：9 6 kb i t s 1 2 mb i t s 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件( e m c ) 。 站点数：每分段3 2 个站( 不带中继) ，可多到1 2 7 个站( 带中继) 。 - 插头连接：最好使用9 针d 型插头。 r s 一4 8 5 传输设备安装要点 1 0 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 全部设备均与总线连接。 ( 2 ) 每个分段上最多可接3 2 个站( 主站或从站) 。 ( 3 ) 每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个 总线终端电阻必须永远有电源。见图2 2 所示。 ( 4 )当分段站超过3 2 个对，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中 继器一般不超过3 个。见图2 2 所示： 图2 - 2p r o f i b u d o d p 和p r o f i b u s f m s 的电缆接线和总线终端电阻 ( 5 ) 电缆最大长度取决于传输速率。如使用a 型电缆，贝传输速率与长度如 下表所示： 【波特率( kb i t s ) 9 61 9 29 3 7 51 8 7 55 0 01 5 0 0 1 2 0 0 0 l 距离段( m ) 1 2 0 0 1 2 0 01 2 0 01 0 0 04 0 02 0 01 0 0 ( 6 ) a 型电缆参数： 阻抗：1 3 5 1 6 5 w 电容：( 3 0 p f m 回路电阻：11 0 w 线规：0 6 4 r a m 导线面积； 0 3 4 m m w 山东大学硕士学位论文 ( 7 ) r s 4 8 5 的传输技术的p r o f i b u s 网络最好使用9 针d 型插头，插头针 脚定义和接线见图2 2 所示。 ( 8 ) 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境( 如汽 车制造业) 下运行应使用带屏蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性( e m c ) 。 ( 9 ) 如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的 大面积屏蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必须与高压线隔 离。 ( 1 0 ) 超过5 0 0 k b i t s 的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场一k 现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头可在任何时 候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。 2 ) 用于p a 的i e c l l 5 8 2 传输技术 ( 1 ) 数据i e c l l 5 8 - 2 的传输技术用于p r o f i b u s p a ，能满足化工和石油 化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。 ( 2 ) i e c l l 5 8 2 是一种位同步协议，通常称为h 1 。 ( 3 ) i e c l l 5 8 2 技术用于p r o f i b u s p a ，其传输以下列原理为依据 每段只有一个电源作为供电装置。 当站收发信息时，不向总线供电。 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。 现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。 主总线两端起无源终端线作用。 允许使用线性、树型和星型网络。 山东大学硕士学位论文 能使设备启动。 - 为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段 为了调制的目的，假设每个总线站至少需用1 0 m a 基本电流爿 ( 4 ) i e c l15 8 2 传输技术特性 数据传输；数字式、位同步、曼彻斯特编码。 传输速率：3 1 2 5 kb i t s ，电压式。 数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符避免误差。 电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。 远程电源供电：可选附件，通过数据线。 防爆型：能进行本征及非本征安全操作。 拓扑：线型或树型，或两者相结合。 站数：每段最多3 2 个，总数最多为t 2 6 个。 中继器：最多可扩展至4 台。 i e c l l 5 8 传输设备安装要点 ( 1 ) 分段藕合器将i e c l l 5 8 2 传输技术总线段与r s 4 8 5 传输技术总线段连 接。藕合器使r s - 4 8 5 信号与i e c l l 5 8 2 信号相适配。它们为现场设备的远程电 源供电，供电装置可限制i e c l l 5 8 2 总线的电流和电压。 ( 2 ) p r o f i b u s - 队的网络拓扑有树型和线! l | f 结构或是两种拓扑的混合，见刚2 - 3 所示。 山东大学硕士学位论文 图2 - 3p r o f i b u s p a 网络拓扑结构 ( 3 ) 现场配电箱仍继续用来连接现场设备并放置总线终端电阻器。采用树型结构 时连在现场总线分段的全部现场设备都并联地接在现场配电箱上。 ( 4 ) 一般要求使用下列参考电缆，也可使用更粗截面导体的其它电缆。 电缆设计： 双绞线屏蔽电缆 导线面积( 额定值) ：0 8 r a m 2 ( a w g l 8 ) 回路电阻( 直流) ：4 4 w k m 阻抗( 3 1 2 5 千赫时) ：1 0 0 w _ 2 0 3 9 千赫时衰减：3 d b k m 1 4 山东大学硕士学位论文 电容不平衡度：2 n f k m ( 5 ) 主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联的r c 元件，r = 1 0 0 w c ：l m f 。当总线站极性反向连接时，它对总线的功能不会有任何影响。 ( 6 ) 连接到一个段上的站数目最多是3 2 个。如果使用本征安全型及总线供 电，站的数量将进一步受到限制。即使不需要本征安全性，远程供电装景电 源也要受到限制。 ( 7 ) 线路最长长度的确定，根据经验先计算一下电流的需要，从下表中选用 一种供电电源单元，再根据下表中线的长度选定哪种电缆。 标准供电装置( i t 作值) 型号应用领域供电电压 供电最大电流最大功率典型站数 备注 ie e xi a i bi i c1 3 5 v“o m ai 8 w8 假设每 i ie e xi b i i c1 3 5 v1 1 0 m a1 8 w8个设备 i l l e e xi b i i b 1 3 5 v 2 5 0 m a4 2 w 2 2耗l i 王1 0 i v 不具有本征安全 2 4 v5 0 0 m a1 2 w3 2 m a 表i e c l l 5 8 - 2 传输设备的线路长度 供电装置i 型i i 型i i i 型i v 型v 型v i 型 供电电压( v )1 3 51 3 51 3 52 42 42 4 所需电流( m a ) s 1 1 0s 1 l o立5 01 1 0_ 2 5 0s 5 0 0 q = o 8 m m 2 的导线艮度( m ) n 9 0 0 0 9 9 9 7 6 4 ) 集成性和可扩展性 系统集成遵循总体规划和分布实施的的原则。统的造作平台和操作界 面。系统遵循开放性原则，提供符合国际标准的软件、硬件、操作系统和数据库 管理系统等诸方面的接口与工具，保证系统具有良好的灵活性、兼容性、可扩展 性、和可移植性。 5 ) 标准化和结构化 系统设计除依照国家和地区的有关标准外，还根掘本系统的功能要求做 到系统的结构化和标准化，综合体现出当今的先进水平。 6 ) 经济性 以实现先进性、可靠性前提下达到功能和经济的优化设计。 3 3 能源监测系统的硬件构成 3 3 1 能源监测系统的网络结构 济南卷烟厂能源监测系统的网络结构由四层组成：数据共享层、 p r o f i b u s - m p i 层和p r o f i b u s d p 层和底层的数据采集层。数据共享层为能源 管理系统的最高层，在这一层实现数据共享。 工程师站既能完成监测系统的数据库组态、图形组态、在线编程，同时也 作为数据处理服务器，它是能源管理系统的核心，具有实时数据显示，历史数据 的各种统计、处理、运算和存储，以及故障的自诊断功能。能源管理中心的操作 员是监测系统的信息管理中枢，通过厂内千兆以太网与工程师站实现数据共享， 具有历史数据查询，报警数据查询，能源耗用成本统计管理等功能。 p r o f i b u s - m p i 层主要完成从s 7 4 0 0p l c 主站到系统工程师站数据的传 输。采用p r o f i b u s m p i 协议，传输速率是1 8 7 5 k b p s 。传输的数据包括p l c 采进的各种瞬时值、通过程序计算得到的累积量、校汇后的瞬时量a l l ：位机发往 山东大学硕士学位论文 p l c 的控制命令。 p r o f i b u s d p 层完成从e t 2 0 0 从站到s 7 4 0 0p l c 主站的数据传输。采用 p r o f i b u s d p 协议，传输速率是1 5 m b p s 。各e t 2 0 0 从站上的3 0 0 模块采集的 数据通过本层将数据传送到s 7 4 0 0p l c 主站。 在数据采集层现场仪表采集的数据通过这一层传送到各e t 2 0 0 予站上的模 拟量输入模块。在本层传送的是物理量信号，为4 2 0 m a 标准电流信号和热屯 阻信号。 系统结构示意图如图3 - 1 所示： 图3 - 1 济南卷烟厂能源监测系统网络结构图 山东大学硕士学位论文 3 3 2 现场末端设备 根据需要全厂的监测点共有2 3 0 个，监测项目为蒸汽、空压气、水、电等。 所用传感器包括流量计、压力变送器、热电阻、有功功率表等。 流量计选型： y e w f l o 旋涡流量计是通过检测流量管中旋涡个数来对过程流体进行流 量测量的，它有组合型和分离型两种。分离型主要用在传感器和转换器不能放 在一起的场合或用来测量高温流体、气体或蒸汽的计量。这两种类型的转换器 均可输出与流量成正比的脉冲信号或4 2 0m a d c 模拟信号。 y e w f l o 旋涡流量计基本技术规格 通径：1 5 ，2 5 ，4 0 ，5 0 ，8 0 ，1 0 0 ，1 5 0 ，2 0 0 ，2 5 0 ，3 0 0m m 精确度：指示值的1 0 重复性：0 2 流体温度：一4 0 “+ 3 0 0 ( 一般型) ，一4 0 + 4 0 0 ( 高温型) 环境温度：一4 0 + 8 0 电源电压：2 0 4 2vi ) c 流体压力：一0 1 4 d p a 输出信号：4 2 0m a ( 模拟) 二线制，电压脉冲，三线制 可选择隔爆型和本安型。 基本性能： 山东大学硕士学位论文 精确发：液体：1 气体或蒸汽：- i - 1 ( 流速3 5mjs 以内) 1 5 ( 流速在3 5 7 5m s 范围以内) 重复性：o 2 ( 1 5 1 5 0m m 口径) 精确度的1 3 ( 2 0 0 r a m ，2 5 0 r a m ，3 0 0 m m ) 3 3 3 信号采集子站 3 3 3 1 综述 各子站采用s i m a t i ce t 2 0 0 分布式i o 系统用来采集现场信号。e t 2 0 0 m 基于s i m a t i cs 7 3 0 0 模块系列，且充分利用$ 7 3 0 0 信号模块的优点使系统具有 最优的性能价格比和更快速的晌应时间。使用模拟量模块时，e t 2 0 0 m 表现出极 大的灵活性。可以在软件组态中对不同的通道指定最多4 0 个不同的测量范围。 这不仅确保了高度的灵活性，而且还显著地降低了备品和备件的处理费用。在实 际运行时还具有综合诊断功能，能够迅速确定系统过程中故障位置并及时作出报 警。 3 3 3 2 子站设计 1 号子站设计： 1 号子站在一号配电室，共需监测点数为3 4 个，配置为1 块电源模块，l 块通 讯模块，六块模拟量输入模块，输入信号有配电室的总功率，切丝机1 7 的有功 功率，制叶丝段1 - 2 有功功率，梗处理1 3 有功率，空调1 3 有功功率，生产一 部五西空调、一部六制冷站等部门的蒸汽流量、压力、温度等。 2 号子站设计： 2 号子站在2 号配电室，共需监测点数为3 5 个，配置为1 块电源模块，1 块通讯模块，7 块模拟量输入模块，输入信号有配电室的总功率，卷接包除尘1 - 6 山东大学硕士学位论文 的有功功率，储丝段1 2 有功功率，烟叶配方库1 2 有功功率，空调5 7 ，1 5 一1 7 有功功率，生产一部二、一部四等空压气流量及压力。 3 号子站设计： 3 号子站在4 、5 号配电室，共需监测点数为3 3 个，配置为l 块电源模块，l 块通讯模块，5 块模拟量输入模块，输入信号有4 、5 配电室的总功率，生产二二 部三、二部二、真空机二部等部门的有功功率。 4 号子站设计： 4 号子站在6 号配电室，共需监测点数为1 9 个，配置为1 块电源模块，1 块通 讯模块，4 块模拟量输入模块，输入信号有配电室的总功率，食堂空调与动力、 冷库动力等有功功率，西换热站、食堂、澡章等蒸汽流量、压力、温度，食常和 澡嫩的水流量等。 5 号子站设计： 5 号子站在8 号配电室，共需监测点数为2 0 个，配置为l 块电源模块，1 块通 讯模块，4 块模拟量输入模块，输入信号有配电室的总功率，烟叶库动力、照明、 外抽水泵等有功功率，一部二( 水洗梗) 空压气压力与流量等。 6 号子站设计： 6 号子站在9 号配电室，共需监测点数为2 7 个，配置为l 块电源模块，l 块通 讯模块，5 块模拟量输入模块，输入信号有配电室的进线电压、功率因数、总功 率，计量室、薄片车间等的有功功率，一部三、一部四澡堂水的流量，一部三、 一部三空调、一部四、一部四空调、香料库等的蒸汽流量、压力、渝度一部三、 香料库空压气流量、压力等。 7 号子站设计： 7 号子站在1 0 号配电室，共需监测点数为3 5 个，配置为1 块电源模块，1 块 通讯模块，6 块模拟量输入模块，输入信号有配电室的进线电压、功率因数、总 功率，烟叶库、五金库、清水库、成品库、车队、污水处理等有功功率，东换热 战、黄烟库、水洗梗、车队、成品库等蒸汽流量、压力、温度，二部四、车队、 烟叶库水流量等。 山东大学硕士学位论文 8 号子站设计： 8 号子站在锅炉房，共需监测点数为2 6 个，配置为1 块电源模块，1 块通讯模 块，4 块模拟量输入模块，主要有锅炉房蒸汽】出口流量、压力、温度，经警、一 部一蒸汽流量、压力、温度、水流量等。 9 号子站设计： 9 号子站在总配电室，共需监测点数为2 0 个，配置为l 块电源模块，1 块通讯 模块，3 块模拟量输入模块，输入信号有1 1 0 配电室的功率因数、有功功率。 3 3 4 中央控制主站 自动化控制系统( a s ) 用于实现现场设备的运行状况监测、数据采集及处 理、自动闭环回路控制、电气设备开关控制等系统控制功能。 a s 中央处理器采用s 7 4 0 0 系列工业控制器中c p u 4 1 4 以已的c p u ，专为 过程控制设计，c p u 芯片的底层程序类p a s c a l 语言编写，为c f c 、s c f 等过 程控制语言提供平台。s 7 4 0 0 工业控制器的c p u 能力超强，位操作、字操作、 定点加等只需要o 1us ，浮点加也只有o 6us ，内置用户存储器可达2 0 m b ，最大 i o 处理量可以达到1 2 8 k 开关量8 k 模拟量。 s 的中央处理器模件采用标准尺寸和无风扇设计，结构峰i 倒，性能可靠稳 定。a s 的电源模块、中央处理单元( c p u ) 及工业以太网网络通讯模块等所有模 块均具有自动故障监测功能，并通过面板上的l e d 直观的显示出工作状态。中央 处理模件带有4 - 2 0 m 的r a m 存储器来存储系统数据和用户程序，并带有两个后备 电池，其中一个电池的更换不影响中央处理器正常工作。a s 的c p u e 集成了 p r o f i b u s d p 接口和工业以太网接口，可以同现场i 0 单元或操作管理层接连。 a s 的c p u 上有实时时钟，c p o 向上传达的数据和诊断信息都带有日期和时间 标签。c p u 集成了h m l 人机接口服务功能，在h m i 设备上，用户只需定义数据源 和目的地，系统就能自动的将数据周期的向上传送。 本站选用9 槽辅助机架、交流1 2 0 1 2 3 0 v 电源、c p u 4 1 4 2 d p 、4 0 0 0 k 字节的 主存、8 m 字节的e e p r o m 卡等模块。 山东大学硕士学位论文 3 3 5 上位监控站 对工程师操作站采用s i m a t i c 工控机，s i m a t i c1 p c 代表了工业p c 设计 中的最高技术水平，提供了今后技术发展和无风险的系统集成的保证。在功能性， 可靠性和可用性等方面s i m a t i ci p c 在其拯个寿命周期内有着最高水平的安全 性。s i m a t i ci p c 拥有用于工业环境的坚固结构，在表面处理上采用全面防腐 蚀的技术保障安全的使用。同时，s i m a t i ci p c 可适用于各种恶劣环境并提供各 种保护s i m a t i ci p c 通过自行设计和制造的母板保障了工作的连续性及兼容 性，在对要求连续运转及高可靠性的工作环境下极为适用。s i m a t i ci p c 提供 安全的工业兼容性并基于p c 标准。高保护水平，吸收震动的结构，电磁兼容性， 适用于各种工业环境。 本系统的e s 上位监控机使用s i m a t i c 。i p cp i i l 8 5 0 ，2 5 6 m r a m ，与a s 站的 通讯网卡是s i e m e n s 公司的c p 5 6 1l ，该网卡支持p r o f i b u sd p 协议，兼容 m p i 协议。o s 上位监控机使用联想p i v l 7 g ，2 5 6 m r a m ，内簧以太网卡连至厂内 局域网。 3 3 6 系统的抗干扰措施 随着自动化水平的不断提高，越来越多的微机装置替代了常规的控制设备。 为了使它们能安全、可靠地运行，必须消除来自外界或自身的各种干扰。 3 3 6 1 屏蔽 烟厂监测现场有许多严重的干扰源，比如大功率风机、室内高压母线、电力 及控制电缆等，为此，要做好屏蔽干扰的工作。 ( 1 ) 屏蔽干扰源 由于电力线终止于屏蔽体内，所以只要将干扰源的周围加上屏蔽体，并让其 一点接地，就可以把电场屏蔽掉，使它不对邻近的导线和回路产生干扰。为此， 监控装置相邻的电气设备应有密封的金属外壳，以屏蔽自身的电场，并对磁场干 扰也有一定的抑制作用。 3 0 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 使用双绞屏蔽线或电缆 一套监控系统总有许多外围采集电路和输出回路，它们一般沿着电缆盘遍布 全厂各个角落，途中可能与严重的干扰设备或电缆紧挨着，这些都是监控系统弓i 入干扰的主要途径。所以，虽然在现场已对许多干扰源进行屏蔽、接地等，但还 应当使用双绞屏蔽线路，以提高自身的抗干扰能力。双绞屏赦线或电缆集中了双 绞线和同轴电缆的优点：首先，它引用了屏蔽体终止电力线的原理，很好地屏蔽 了干扰电场，但这并不等于就能将电场干扰全部消除掉，其原因足电缆端部的引 出线总是外露的，所以在现场安装电缆时，一是电缆两端引线要尽量短：= 二足电 缆屏蔽层金