1、能源管理系统开发和设计凌晓炯浙江海洋学院 机电工程学院，浙江 舟山 316000摘要 随着时代的不断进步与发展，能源已经越来越成为需要迫切解决的问题了，在开发新能源的同时，对现有能源的系统管理也变得越来越重要，对能源的管理也要求信息化。从能源利用的角度来说，系统的管理能显著提高能源的实物资源的配置效率、将有力推动行业的整体技术进步、在更高层次上促进传统产业改造升级和产业结构优化、提升经济运行和管理水平。尤其是对于设备种类多、投资大、能耗大的行业来说，采用现代化的科学管理方法和手段来进行能源的科学管理，将有效提高企业的生产效率、减少能源消耗、极大地促进能源资源的高效利用、显著提高能源利用的经济效
2、益，具有十分重要的意义。 本文论述了能源管理系统的设计与实现：整个系统采用分布式布置、集中管理的模式，对生产工艺设备、用能设备的能量数据进行管理；采用组态王这一个工程软件作为控制系统的核心，以PLC为例来对组态王这软件进行初步了解与学习，最后用该软件对现场进行生产控制，现场数据采集，现场时刻报表以及现场报警提示等各项项目的监控，同时建立初步的生产模型监控系统，达到总车间或者总公司能时刻掌握各车间各设备生产运营的情况。关键词：能源管理系统；PLC；组态王；数据库；现场数据采集,1.1.1 立题的背景和意义能源的利用一直是当今时代的主题，随着时代的不断进步和发展，能源的逐步消耗，因此，能源的开发就
3、显得肯定重要和迫切！在我国的能源消耗中，工业是我国能源消耗的大户，能源消耗量占全国能源消耗总量的70%左右。中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议提出：“十一五”期末单位国内生产总值能源消耗比“十五”期末降低20%左右，这一指标是“十一五”规划目标中最重要的约束性指标之一，也是我国“十一五”期间节能工作的奋斗目标。因此，加强企业能源计量管理，开展企业节能降耗行动，提高能源利用率是减少资源消耗、保护环境的最有效途径，也是我国走新型工业化道路的重要内容，这对于提高企业经济效益，缓解社会经济发展面临的能源和环境约束，完成“十一五”规划目标有着十分重要的意义。为了能使企业更好的完成资
4、源调配、组织生产、部门结算、成本核算，需要建立一套有效的自动化能源数据获取系统，对能源供应进行监测，以便企业实时掌握能源状况，为实现能源自动化调控扎下坚实的数据基础，同时方便企业的计量和成本核算工作。能源数据具有标准化、专业化、科学化、时效性强的特点，采集难度较高。同时，考虑到能源数据对于企业决策的重要意义，以及能源本身具备危险性的特点，需要对企业建立的能源数据获取系统提出更高的要求。因此，企业能源管理系统（以下简称EMS）必须满足专业性强、实时性好、可进行远程资料交换、可用性强的需求。,本课题的研究思路本课题研究的大致思路如下：1研究国内外能源信息的管理及其企业信息化方面的现状，并确定的能源
5、信息管理的实际需求。2根据理论情况进行本系统开发的可行性分析以及分析本系统的功能和结构的。3系统设计部分，进行本系统研发平台的设计，并设计出能源信息管理及决策方面的实际模型。4借鉴了数据仓库的概念来帮助本系统实现异构平台的数据采集，并建立一个良好适用的数据库设计。5实际的开发阶段，利用组态王这一软件，完成系统由想法到产品的过程。,系统框架设计系统架构：能源管理系统以SCADA系统为核心，加以组态王这一工业软件，利用PLC作为接口连接数据采集和后台数据库，如图2.1所示。能源管理系统的构架可以从体系结构上分成3层，即数据采集系统，现场控制器（PLC或现场设备）及通信网络（RS232，RS485）
6、，能源管理监控中心(PC控制室)。整个系统以实时数据库和组态王软件为基础，结合网络通信，嵌入式技术组成一套先进的自动采集，存储，分析数据并进行预测。,能源管理监控中心 能源管理境况中心以SCADA软件和I/O Server实时数据服务器为核心，布置分布式数据采集管理系统，实现在线的数据监视，数据采集和实时传输等能源管理功能并支持二次开发和现场组态。通信网络 通信网络采用RS485和RS232连接，建立分区域的网络，层与层之间采用线性结构进行连接，从而建立高可靠，专有的能源数据采集通信网络。数据采集 数据采集系统以现场数据采集为核心，进行数据信号采集，处理，通信，协议转换等，将采集到的能源消耗数
7、据连续、真实、可靠的传输到系统数据库中，为能源管理系统的统计分析提供基础数据。,系统软件组态王 组态王是国产工控领域组态软件中应用较为普遍的一种，它可以与很多种类的PLC及其他现场工控设备连接，以实现对现场数据和设备状态的采集，控制，显示，储存。2.3.1 建立“变量”与PLC的连接2.3.2 建立新画面 2.3.3 添加文本显示 2.3.4 模拟量显示 2.3.5 模拟量及数据的输出 2.3.6 按钮控制输出 2.3.7 设备运行状态指示 2.3.8 程序下载 2.3.9 注意事项,数据流程 数据是由现场设备（PLC）进行采集，记录。这些采集到的数据格式不一定统一，还要进行整理和转换格式，使
8、它能够为系统处理的能源信息做好准备；最后，对这些能源数据进行平衡优化处理，就是要按照一定的规则和设定，对采集到的数据进行必要的分类、筛选、统计、计算等处理并对各厂的能源信息进行反馈控制。 网络传输与查询子系统是相对独立的子系统，是为不同层次，不同部门之间提供一个数据文件的传输功能和方便的交流查询功能。,3.1 PC与PLC串口通信程序 以三菱FX2n型PLC为例，可以通过自身的编程口和PC通信，也可以通过通信口和PC通信。通过编程口，PC只能和一台PLC通信，实现对PLC中软件的间接访问；通过通信口，一台PC可以和多太PLC通信，并实现对PLC中软件的直接访问，两者使用不同的通信协议。PC通过
9、FX2n的编程口构成的二级系统控制如图3.1所示，按钮，行程开光等得常开触点接PLC开关量输入1通道，PLC开关输出1通道接指示灯。,针对PLC端程序，为了保证FX2n-32MR型PLC能够与PC正常进行通信，需要在PLC中运行如图3.2所示的一段程序，其功能是设置PLC的通信参数：波特率为9600bit/s，7位数据位，1位停止位，偶校验，站号为0。,PLC通信参数设置程序,3.1.1 建立新工程项目1在工程管理器中选择菜单“文件/新建工程”或者快捷工具栏“新建”命令，出现“新建工程向导之一欢迎使用本向导”对话框。2单击“下一步”按钮，出现“新建工程向导之二选择工程所在路径”对话框，选择或者
10、指定工程所在路径。3单击“下一步”按钮，出现“新建工程向导之三工程名称和描述”对话框。4单击“确定”按钮,新工程建立。单击“是”按钮将新建工程设为组态王当前工程，此时组态王工程管理器中出现新建的工程。5双击新建的工程名，出现加密狗未找到的“提示”对话框，选择“忽略”项，出现演示方式“提示”对话框，单击“确定”按钮，进入程序浏览器对话框。3.1.2 制作图形换面在工程浏览器左侧树形菜单中选择“文件/画面”，在右侧视图中双击“新建”图标，出现画面属性对话框，输入画面名称“PC与PLC串口通信”，设置画面位置，大小等，然后单击“确定”按钮，进入组态王开发系统。,3.1.3 定义串口设备首先添加设备。
11、在组态王工程浏览器的左侧选择“设备/COM1”，在右侧双击“新建”图标，运行“设备配置向导”。3.1.4 定义变量定义变量按第二章的2.4.1步骤进行操作， 如图,同样的，定义8个“开关量输入”变量，变量名为“开关量输入0开关量输入7”，对应的寄存器分别为“X0X7”，其他属性相同。3.1.5 建立动画连接1建立指示灯对象X0X7的动画连接双击指示灯对象，出现“指示灯向导”对话框，将变量名（离散量）设定为“本站点灯1”，将正常颜色设置为绿色，报警颜色设置为红色，其他按所述步骤。 2建立开关对象Y0Y7的动画连接按上述步骤，只要把变量名设定为“本站点开关1”，同上按所述步骤。 3.1.6 编辑命
12、令语言进入工程浏览器，在左侧树形菜单中选择“命令语言数据改变命令语言”，在右侧双击“新建”，出现“数据改变命令语言”编辑对话框。在变量【域】文本中输入表达式：本站点开关量输入1，在编辑栏中输入程序：if本站点开关量输入1=1本站点灯1=1；else本站点灯1=0；,同样的方法编辑下面程序：if本站点开关1=1本站点开关量输出=1；else本站点开关量输出=0；变量【域】文本中输入表达式：本站点开关1 3.1.7 调试与运行 将设计的画面和程序全部存储并配置成主画面，启动运行系统。1.将线路中的输入端口如X1与COM端口短接，则PLC上输入信号指示灯1亮；将X1端口与COM断开，则PLC上输入信
13、号指示灯1灭。2启动或关闭程序画面中开关按钮，线路中PLC上对应的外接输出信号指示灯亮或者灭。,4.1 SQL访问管理器SQL访问管理器用来建立数据库列和组态王变量之间的联系，包括表格模板和记录体两部分功能。通过表格模板在数据库中建立表格；通过记录体建立数据库表格列和组态王之间的联系，允许组态王通过记录体直接操作数据库中的数据。表格模板和记录体都是在工程浏览器中建立的。1创建表格模板。在工程浏览器左侧工程目录显示区中选择“SQL访问管理器”下的“表格模板”项在右侧目录内容显示区中双击“新建”图标，弹出“创建表格模板”对话框。在表格中建立5个记录，字段名称，变量类型，字段长度，索引类型分别如图4
14、.1所示。,建立表格模板的目的在于定义一种格式，在后面用到SQLCreatTable()函数时以此格式在Access数据库中自动建立表格。2创建记录体。双击“SQL访问管理器”下的记录体，弹出“创建记录体”对话框，记录体定义了组态王变量$日期，$时间，原料油液位置等和Access 数据库表格中对应字段日期，时间，原料等之间的对应关系。3建立MS Access数据库。首先建立一个空Access文件，定名为mydb.mdb（将此文件当如建立的组态王工程文件中）。然后定义数据源。组态王SQL访问功能能够和其他外部数据库（支持ODBC访问接口）之间进行数据传输，实现数据传输必须在系统ODBC数据源中定
15、义相应数据库。双击控制面板中性能与维护选项管理工具下的“数据源（ODBC）”选项，弹出“ODBC数据源管理器”对话框。“ODBC数据源管理器”对话框中前两个选项卡分别是“用户DSN”和“系统DSN”。二者的共同点是，在他们中定义的数据源都存储了如何与指定数据提供者再连接的信息，但二者又有所区别。在“用户DSN”中定义的数据源只对当前用户可见，而且只能对用于当期机器上；在“系统DSN”中定义的数据源对于当前机器上所有用户可见，包括Windows NT服务。因此，用户将根据数据库使用的范围进行ODBC数据源的建立。选择“系统DSN”选项卡，并单击“添加”按钮。在弹出的“创建新数据源”对话框中，从列
16、表中选择“Mirosoft Access Driver”驱动程序，单击“完成”按钮，弹出“ODBC Mirosoft Access安装”对话框，定义数据源名：mine，单击“完成”按钮，从中选择相应路径下的数据库文件：mydb.mdb,单击“确定”按钮，完成对数据库的配置。4.2 对数据库的操作1连接数据库在数据词典定义新变量，变量名称：DeviceID，变量类型：内存整数。新建画面“数据库连接”，在画面上制作一个按钮：按钮文本为“连接数据库”。按钮“连接数据库”弹起时动画连接：SQLConnect(DeviceID,”dsn=mine;uid=;pwd=”);该命令用于和数据源名（dsn）为
17、mine 的数据库建立连接，uid表示登录数据库的用户ID，pwd是登录的密码，此处没有设置用户UD和密码。每次执行SQLConnect（）函数，都会返回一个DeviceID值，这个值在后面对所有连接的数据库的操作中都要用到。实际工程情况下将此命令写入：工程浏览器命令语言应用程序命令语言启动时，即运行时就进行连接。2创建表格。按钮文本“创建表格”，按按钮“弹起时”动画连接：SQLCreateTable(DeviceID,”Kingtable”, “Tablel”);该命令用于以表格目标“Tablel”的格式在数据库建立名为”Kingtable”德表格。在生成Kingtable表格中，将生成5个
18、字段，每个字段的变量类型，变量长度及索引类型由表格目标“Tablel”中的定义决定。此命令只需执行一次就好了，如果表格目标有改动，需要用户先将数据库中的表格删除后才能重新创建。此函数实际工程中写入：工程浏览器命令语言应用程序命令语言启动时。在工程调试阶段进入表格的创建，在表格创建完成后用户可以删除此函数或者将此函数转为注释。,单击“确定”按钮，完成对数据库的配置。4.2 对数据库的操作1连接数据库在数据词典定义新变量，变量名称：DeviceID，变量类型：内存整数。新建画面“数据库连接”，在画面上制作一个按钮：按钮文本为“连接数据库”。按钮“连接数据库”弹起时动画连接：SQLConnect(D
19、eviceID,”dsn=mine;uid=;pwd=”);该命令用于和数据源名（dsn）为mine 的数据库建立连接，uid表示登录数据库的用户ID，pwd是登录的密码，此处没有设置用户UD和密码。每次执行SQLConnect（）函数，都会返回一个DeviceID值，这个值在后面对所有连接的数据库的操作中都要用到。实际工程情况下将此命令写入：工程浏览器命令语言应用程序命令语言启动时，即运行时就进行连接。2创建表格。按钮文本“创建表格”，按按钮“弹起时”动画连接：SQLCreateTable(DeviceID,”Kingtable”, “Tablel”);该命令用于以表格目标“Tablel”的
20、格式在数据库建立名为”Kingtable”德表格。在生成Kingtable表格中，将生成5个字段，每个字段的变量类型，变量长度及索引类型由表格目标“Tablel”中的定义决定。此命令只需执行一次就好了，如果表格目标有改动，需要用户先将数据库中的表格删除后才能重新创建。此函数实际工程中写入：工程浏览器命令语言应用程序命令语言启动时。在工程调试阶段进入表格的创建，在表格创建完成后用户可以删除此函数或者将此函数转为注释。,3插入记录。制作按钮，按钮文本“插入记录”，该按钮“弹起时”动画连接：SQLInsert (DeviceID,”Kingtable”, “bindl”);该命令使用记录体bindl
21、中定义的连接，在表格KingTable中插入一个新的记录。该命令执行后，组态王运行系统会将与bindl中关联的组态王变量的当前值插入到Access数据库表格“KingTable”中生成一条记录。运行过程中可随时单击该按钮，执行插入操作。在数据库中生成多条新的记录，将变量的实时进行保存。4查询记录。在数据词典定义变量，这些变量用于返回数据库中记录的值。记录日期：内存字符串记录时间：内存字符串原料油液返回值：内存实型催化剂液返回值：内存实型成品油液返回值：内存实型定义记录体bind2,用于定义查询时的连接。在制作一个按钮，按钮文本“得到选择集”，该按钮“弹起时”动画连接：SQLSelect (De
22、viceID,”Kingtable”, “bind2”);该命令选择表格Kingtable中所有符合条件的记录，并以记录体bind2中定义的连接返回选择集中的第一条记录。此处没有设定条件，将返回表格中所有记录。,执行该命令后，运行系统会把得到的选择集得第一条记录的“日期”字段的值赋给记录体“bind2”中定义的与其连接的组态王变量“返回日期”。同样的，“Kingtable”表格中的时间等分别赋给组态王变量返回时间等返回值。查询返回值显示。在画面上制作文本，文本“#”对应的“模拟值输出”动画分别为：“返回日期”，“返回时间”，“ 原料油液返回值”，“ 催化剂液返回值”，“ 成品油液返回值”。在执
23、行SQLSelect（）函数后，首先返回选择集得第一记录，在画面上“#”将显示返回值。在画面上制作4个按钮用于查询记录，就可以了。5断开连接。在画面上制作一个按钮，“断开连接”，“弹起时”动画连接：SQLDisconnect(DevicelD)；该命令用于断开和数据库mydb.mdb的连接。此函数在实际应用中写入：工程浏览器命令语言应用程序命令语言退出时。,4.3 数据库查询控件 在组态王开发系统中选择菜单“编辑插入通用控件”命令，或者使用弹出“插入控件”对话框，选择KVDBGrid Class控件，如图4.4所示，在画面上添加控件。,该控件为数据库查询控件，结合数据库一节使用该控件。1双击控
24、件，定义控件名称，如grid，单击“确定”按钮。2右击控件。选择“控件属性”进行设置，如图4.5所示。单击“浏览”按钮可选择或新建ODBC数据源。在这里我们选择已建立的mine。选择数据源后“表名称”组合框中就自动填充了可选的表名称，可弹出下拉列表选择要显示的数据所在的表名称。选择表名称后，“有效字段”中自动填充表中的所有字段，可通过“添加”，“删除”，“上移”，“下移”按钮来选择要显示的字段和显示的顺序。3单击显示的字段，可在右侧设置字段显示的标题，格式及对齐等属性。使用按钮的命令语言，利用函数实现查询，打印功能。查询所有数据：Grid.FetehEnd();条件查询：Grid.Where=
25、“field5”；/查询条件Grid.FetchData();Grid.FentehEnd();打印：Grid.Print();,5.1 模型的设计概述1，打开组态王软件，然后建立新的画面，单击“新建”，添加新的监控画面，如图所示，在“新画面”对话框中，“画面名称”记为监控站数据库:；“对应文件”可以采用默认名；“画面位置”项可以采用默认的左边 、顶边 、显示宽度和显示高度为1024 、画面宽度和画面高度为768 ;“画面风格”可以采用默认的“大小可调” 、“背景色”为灰色和“覆盖式”。完成后单击“确定”按钮。2，添加画面内容 以总车间为例，将画面分成6个区域，分别代表1到6个不同的车间，当然
26、也可以是N个车间。在车间1的区域，从工具箱中点击图库，选择“反应器”中的图片作为整个车间反应的缩影，再添加报警指示灯，双击指示灯图标，弹出“指示灯向导”对话框，可以简单的按下图设置,继续对该画面该区域进行操作，建立“详细信息”的按钮。3，建立各个动画连接 双击总车间中反应车间1下面的“详细信息”按钮，出现“动画连接”对话框，点击“弹起时”，出现命令语言框，编辑命令语言，本例在此处的命令语言程序如下，完成后如图所示 ShowPicture(页眉);ShowPicture(SL);ShowPicture(反应车间);ShowPicture(副菜单);,按照此步骤分别建立监控站数据库，炼钢车间，实时
27、报表，报警窗口，历史曲线趋势，反应车间1等各种画面。并在不同的画面上，对各个按钮或者图片进行建立动画连接。4，建立好一系列的画面后，在开发系统的界面对画面进行截图，作为一个超级链接的图标，然后建立名为“SL”的新画面，将所截的图片在SL画面上有序的排列，如图所示：,最后对图标建立动画连接，命令语言如下：ShowPicture(车间1);ShowPicture(页眉);5，最后将此保存，然后运行VIEW，可以在软件中看到模型系统的运作。,5.2 运行结果与总结该模型完成后，点击“运行VIEW”后，组态王进行模型播放界面如图5.16所示，能够看到反应车间的一个动态值的变化（该变化是由连接的设备和画面中所记载的程序共同作用的结果），如图，也可以看到反应罐温度，反应罐液位等各项值的上升或者下降，同时会记录在数据库内。选择点击“SL”栏，不同的标签，可以进入各个窗口或车间的动态画面，以达到实时监控的目的。 通过第二章软件的介绍，第三章系统的设计，第四章数据库的建立以及最后第五章模型的设计，我们就能比较系统的对车间内所有设备仪器的运行情况，如温度，实时电压电流，耗电量，流量，流速等各种参数都有记录，存储与曲线图形的记录，达到监控，数据采集与记录，处理，预防的目的。,谢谢,
