1 引言
烟草行业向来是耗能大户，随着国外先进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。例如：卷烟生产要求车间保持恒温、恒湿，这将直接影响烟丝的质量，决定了成品烟的质量，所以需要大量的空调设备和除尘设备，再加上生产设备的耗电，这意味着烟草行业对电量的需求是相当大的。烟草行业的生产设备多是依靠气体的推动力生产，那么要生产设备所需要的气体，要消耗煤、油把水加热成蒸汽，或是通过耗电能的设备把空气压缩生成空压气。可见大型的卷烟生产厂每天都要消耗大量的能源，因此降低能源的损耗、合理调配能源将直接提高其生产效益。
随着市场经济的逐渐深入，采用计算机辅助管理系统的观念越来越深入人心。为了减轻员工的负担提高工作的效率，完善自己的经营管理，该卷烟厂决定建立自己的计算机辅助管理系统，主要完成能源的监测管理功能。建立该监测管理系统可以给企业带来巨大的效益。具体地可以带来如下好处：
(1)使用本系统能使用户全面了解生产过程的能源、物料消耗情况，及时发现问题，并解决问题，以便最大限度地提高能源、物料的利用率，从而达到全面节能降耗的目的，与此同时也就提高了经济效率和管理水平。
(2)提高了数据的可靠性和正确性，提高了计算准确率，减少了由于人为计算不准确和误差造成的损失。
(3)极大的节约了人员，也减轻了统计办公室实际操作人员计算的负担，减少了计算时间。
2 能源监控管理系统总体设计
要合理使用和调配能源的前提是要清楚的了解能源的使用情况，这就需要把生产现场的实时耗能数据采集汇总。一个大型的烟草生产企业，要采集数据的地点分布在整个厂区，而且数量也很多，在数据采集和传输方面需解决分布广，数量多的问题。为了解决这个问题，在传统的DCS系统上，尝试引进了现场总线技术，提出了基于现场总线的DCS控制系统。现场总线技术是当今工业自动化领域技术发展的热点，适用于现场仪表、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、多点、多站的通讯系统，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线将现场设备和控制器连接起来，可将控制分散在整个网内，现场设备也可以通过现场总线直接供电。
该卷烟厂能源管理监测系统主要用来实现该卷烟厂各部门233个点的数据采集、数据的汇总处理、耗能数据的实时显示、时段数据的查询、报表的打印和班次的考核等功能。
该系统采用德国西门子公司的现场控制设备SIMATIC PCS7系列产品搭建，其中包括1个S7－400主站和1个S7－300主站，下设9个ET200M子站，完成了蒸汽、空压气、水量和电量的233个点的采集任务。其中包括二期工程中的15个蒸汽流量，15个蒸汽压力，15个蒸汽温度，7个空压气流量，7个空压气压力，9个水流量、131个电量和一期工程的2个蒸汽流量、2个蒸汽压力、2个蒸汽温度、1个用煤量、2个用油量、19个电量、3个水流量、1个空压气流量、1个空压气压力、1个空压气温度。PLC的编程使用西门子开发的STEP7编程软件，下载到PLC的程序主要完成数据的存储和计算。上位机组态同样使用西门子公司的SIMATIC WINCC，通过形象的工控画面在线监视各部门耗能情况，实现时段查询和耗能明细报表打印功能。为了更好的实现统计分析、成本核算和班次考核功能，我们使用Visual Basic6.0编制了能源监测评估软件，该软件通过自编的OPC简单程序与WINCC内部集成的OPC程序接口相连进行数据传输。该软件可对记录的现场数据进行更细致分析，得到成本核算和班次考核结果，给各个部门的考核工作提供可靠依据，提高了管理水平。同时，通过该软件绘制的各种能耗曲线图，为分析生产耗能趋势提供依据。
本系统可大体分为三部分：上位机、主站（300主站和400主站）及其子站（总共9个ET200M子站）如图1所示。上位机由一台服务器和三台客户机组成，我们把服务器并入企业网，因为西门子公司的上位机组态软件WINCC内置了OPC通讯功能，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，然后进行简单的设置就可以作为一台客户机使用。为了方便锅炉操作工的工作，我们在锅炉操作间和油炉操作间分别添加了一台客户机，实时显示有关锅炉操作的数据。为了企业管理层可以实时掌握生产耗能情况，我们在办公楼设备管理处用同样的方式添加了第三台客户机。400PLC主站及300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PROFIBUS-DP相连。这种组网方式可在保证数据采集性能要求的前提下，使硬件费用达到最低。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然后通过通讯模块送到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。PLC300站以满足就近采集传感器信号和高速计数器的要求。
PLC编程使用西门子公司编程软件STEP7，上位机监控使用西门子公司SIMATIC WINCC实现，统计办公室的能源监测评估应用软件使用Visual Basic6.0语言开发。STEP7编程实现PLC对过程数据的初步处理。上位软件完成数据的实时显示、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，为提高厂内能源管理使用水平提供了可信依据。
图1 系统总体结构图
3 能源监控管理系统具体实现
3.1软件设计
本系统PLC编程使用西门子公司编程软件STEP7，上位机监控使用西门子公司SIMATICWINCC实现，统计办公室的能源监测评估程序采用VisualBasic6.0语言编写。
STEP7编程实现PLC对过程数据的初步处理。上位软件完成数据的实时显示、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。
STEP7是用于SIMATICS7300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图或语句表3种方式编写具体程序。
在根据工程实际要求编程前，首先要确定系统中用到的主要硬件设备，比如PLC型号，信号采集模块类型，通讯模块等，并根据实际情况在STEP7的SIMATICManager窗口中，给工程添加相应的硬件组态。把PLC主站与服务器通过CP5611网卡连接好，通过STEP7在线的将编好的PLC控制程序下载到PLC的CPU中，下面以S7-400PLC程序为例介绍。
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（包括蒸汽流量补偿和蒸汽温度计算），并记录各个变量的累积量。
（1）主程序（组织块OB1）
主程序流程图：
用到的主要FC简介：
①FC1数据采集：将现场采集的数字量分别放入各个子站对应的数据块中，等待处理。
②FC10全局数据分配：用于分配一些全局数据，便于以后调用和修改，减少错误机率。程序中定义的M存储区如表1所示：
表1 程序中定义的主要M存储区
③FC100累积量清零：用于将存放累积量的数据块存储单元清零。
④FC106功率线性化：调用FC107，实现对现场采集的功率信号根据量程转换。
⑤FC107功率线性化：功率千瓦值＝（现场数字量/27648）×功率表量程
