賀松松 ，楊婧雯 ，王宇浩 ，魏耀華 ，劉善燕

（1.渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，南京210061;2.廣西民族大學(xué)，南寧 530006；3.東北煉化工程有限公司沈陽夢溪信息技術(shù)分公司，沈陽110000;4.渤海裝備設(shè)計研究院，河北 青縣062658）

在市場競爭日益激烈的今天，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和能源管理系統(tǒng)在焊管制造行業(yè)中得到了廣泛關(guān)注，并且在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。MES 的定位是對整個生產(chǎn)過程的優(yōu)化管理，是溝通企業(yè)經(jīng)營管理與現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)的重要橋梁，電能是焊管制造行業(yè)生產(chǎn)過程中重要的能源要素，電能成本在企業(yè)生產(chǎn)過程中占有較大比重，因此電能管理得到了企業(yè)經(jīng)營者的高度重視。

筆者根據(jù)某直縫埋弧焊管企業(yè)實際管理需要，將企業(yè)MES 系統(tǒng)與電能數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)進(jìn)行集成，實現(xiàn)焊管產(chǎn)量與電能消耗的細(xì)化管理，從而構(gòu)建新的能耗與產(chǎn)量的管理模型，提高企業(yè)精細(xì)化管理水平，同時為企業(yè)的生產(chǎn)和能耗管理提供參考[1-2]。

1 系統(tǒng)概述

本研究通過對某焊管生產(chǎn)線大型主機(jī)設(shè)備安裝RS-485 接口的智能采集電表，使其與RTU控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，再通過IGS 數(shù)據(jù)采集軟件以Modbus 通訊協(xié)議的形式對智能電表數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，安全隔離網(wǎng)閘設(shè)備讀取IGS 轉(zhuǎn)發(fā)的能耗數(shù)據(jù)，并最終以O(shè)PC Server 的形式將數(shù)據(jù)傳輸至生產(chǎn)網(wǎng)，在保證信息安全的前提下為MES系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。MES 系統(tǒng)通過實時讀取電能數(shù)據(jù)，結(jié)合開發(fā)設(shè)計的電力一次系統(tǒng)圖的實時監(jiān)控畫面功能，實時監(jiān)測每臺主機(jī)設(shè)備的當(dāng)前電表讀數(shù)、功率因素、電流電壓等參數(shù)；并通過設(shè)計開發(fā)的電能統(tǒng)計分析功能，實現(xiàn)對每臺設(shè)備不同時段的電能進(jìn)行有效的統(tǒng)計分析，實時計算每臺設(shè)備的耗電量和電費(fèi)明細(xì)，從而為企業(yè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而實現(xiàn)企業(yè)降本增效的目的。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：控制層網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)?？刂茖泳W(wǎng)絡(luò)用于連接RTU 設(shè)備。生產(chǎn)執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)用于MES 系統(tǒng)的專用網(wǎng)絡(luò)，與控制層網(wǎng)絡(luò)之間通過安全隔離網(wǎng)閘設(shè)備進(jìn)行物理安全隔離。辦公網(wǎng)絡(luò)用于MES 系統(tǒng)的WEB 訪問。

為保證控制層網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)的安全性，同時確保信息能夠?qū)崟r傳輸、實時共享，因此在生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)絡(luò)之間增加一套防火墻設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全隔離，在生產(chǎn)執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)與控制層網(wǎng)絡(luò)之間增加一套安全隔離網(wǎng)閘設(shè)備實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行安全隔離，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3 硬件安裝

在配電室內(nèi)安放電力計量柜，內(nèi)裝RTU 數(shù)據(jù)采集器、多臺智能電表，其中對每臺智能電表均接入耗能設(shè)備，針對不同的耗能設(shè)備分別從其低壓配電柜內(nèi)的電流互感器引出三相電流接線至智能電表，從低壓配電柜的進(jìn)線母排上引出三相電壓接線至智能電表。數(shù)據(jù)傳輸是以RS-485的接線方式分別將每臺智能電表統(tǒng)一接入RTU數(shù)據(jù)采集器[3]，通過 MULTIPROG Express 軟件對RTU 數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行系統(tǒng)編程，實現(xiàn)自動采集智能電表數(shù)據(jù)的功能，包括實時電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、有功電能等。再將 RTU 數(shù)據(jù)采集器接入控制層網(wǎng)絡(luò)，最終以Modbus 協(xié)議的形式為IGS 數(shù)據(jù)采集軟件提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 利用MULTIPROG Express軟件對RTU控制器編程

4 軟件設(shè)計

4.1 電能數(shù)據(jù)采集

IGS 是GE 公司（美國通用電氣公司）集成多種通訊協(xié)議的一款數(shù)據(jù)采集軟件，支持上千種工業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，且同時支持OPC、Modbus 等國際通用協(xié)議，實現(xiàn)傳統(tǒng) OPC 服務(wù)器、Modbus 服務(wù)器所不具備的通用性。為確保網(wǎng)絡(luò)信息安全，本設(shè)計將IGS 服務(wù)器部署在控制層網(wǎng)絡(luò)，采用Modbus 協(xié)議對各臺智能電表的有功電能、有功功率、功率因數(shù)、三相電流、三相電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，再通過網(wǎng)閘設(shè)備采集IGS 的電能數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)為OPC 協(xié)議，最終將能耗數(shù)據(jù)傳輸至生產(chǎn)網(wǎng)，從而為MES 系統(tǒng)提供底層數(shù)據(jù)[4-6]。

在 IGS 服務(wù)器中建立數(shù)據(jù)通道，命名為Power_Management，并將該數(shù)據(jù)通道的通訊協(xié)議選擇為 Modbus TCP/IP Ethernet；然后建立新設(shè)備驅(qū)動用于連接每臺RTU 的實時數(shù)據(jù)，由于本次設(shè)計共安裝5 臺RTU，因此需要建立5個設(shè)備驅(qū)動，同時配置好每臺RTU 采集器的IP 地址；然后在設(shè)備驅(qū)動中建立數(shù)據(jù)采集變量。采集的電能數(shù)據(jù)分別為有功電能、有功功率、功率因數(shù)、A 相電流、B 相電流、C 相電流、A 相電壓、B 相電壓、C 相電壓。因此需要建立相應(yīng)的變量名，并配置對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)地址和采集速率。如擴(kuò)徑機(jī)有功電能變量地址為：410002，點(diǎn)名為 KJJ_Power_YG。數(shù)據(jù)類型為：Dword，采集周期為 100 ms，如圖3所示。

圖3 IGS采集電能數(shù)據(jù)

4.2 網(wǎng)閘配置

安全網(wǎng)閘隔離是一種由帶有多種控制功能的專用硬件設(shè)備，可以切斷網(wǎng)絡(luò)之間的鏈路層連接，并能夠在網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行安全適度的應(yīng)用數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備。安全網(wǎng)閘隔離設(shè)備的一端接入生產(chǎn)網(wǎng)、一端接入控制網(wǎng)，通過硬件設(shè)備的形式確保生產(chǎn)網(wǎng)和控制網(wǎng)之間的安全隔離，以軟件的形式從控制網(wǎng)層獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至生產(chǎn)網(wǎng)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)網(wǎng)和控制網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)安全隔離[7]。

安全網(wǎng)閘隔離設(shè)備軟件配置方法是首先控制端建立數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)通道協(xié)議選擇為OPC Client，服務(wù)器節(jié)點(diǎn)輸入IGS 采集器所在的服務(wù)器地址，然后建立設(shè)備驅(qū)動，在設(shè)備通道中建立相應(yīng)的電能數(shù)據(jù)采集點(diǎn)變量，變量名應(yīng)與IGS 采集點(diǎn)名稱一致。最后再將建立好的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)在信息端以O(shè)PC Server 的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而為企業(yè)MES 系統(tǒng)提供安全可靠的能耗數(shù)據(jù)。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計

Cimplicity 軟件為GE 公司智能平臺產(chǎn)品，是面向?qū)ο蟮姆植际紺/S 體系結(jié)構(gòu)的HMI/SCADA監(jiān)控軟件，提供過程可視化、數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控等功能，為數(shù)據(jù)化生產(chǎn)管理奠定了堅實可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，主要包括：組態(tài)總控制臺（包括界面、點(diǎn)、設(shè)備、用戶等配置）、圖形界面組態(tài)、報警組態(tài)、趨勢圖組態(tài)、網(wǎng)頁發(fā)布等功能[8]。

4.3.1 系統(tǒng)變量配置

通過在Cimplicity 軟件中配置變量以連接電能數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)端口到設(shè)備，到點(diǎn)的全過程。配置方法首先在Cimplicity 軟件中添加端口驅(qū)動，將通訊協(xié)議選擇為OPC Client；再建立設(shè)備驅(qū)動，設(shè)置好相關(guān)屬性，并在OPC Server 的地址欄當(dāng)中輸入網(wǎng)閘設(shè)備的地址，確保Cimplicity 能夠正確連接電能數(shù)據(jù)采集點(diǎn)；然后建立數(shù)據(jù)變量，建數(shù)據(jù)變量時應(yīng)設(shè)置好變量名稱、數(shù)據(jù)類型、設(shè)備驅(qū)動應(yīng)選擇上一步已建立好的驅(qū)動名稱、輸入數(shù)據(jù)地址時可通過在設(shè)備驅(qū)動中逐個選擇點(diǎn)名的方式實現(xiàn)。配置數(shù)據(jù)變量時，應(yīng)配置好每臺能耗設(shè)備的有功電能、有功功率、功率因數(shù)、A 相電壓、B 相電壓、C 相電壓、A 相電流、B 相電流、C 相電流等關(guān)鍵電力參數(shù)，如圖4所示。

圖4 利用Cimplicity軟件建立數(shù)據(jù)變量

4.3.2 實時監(jiān)控界面設(shè)計

Cimplicity 軟件的圖形編輯器具有創(chuàng)建和動態(tài)修改過程畫面的功能，本研究采用動態(tài)變量實時顯示的方式實現(xiàn)配電室低壓系統(tǒng)電能實時監(jiān)測和設(shè)備開停機(jī)狀態(tài)實時顯示功能。根據(jù)工廠流程設(shè)計，本研究將電能實時監(jiān)測畫面分為三個區(qū)域：東配電室、西配電室、防腐配電室。分別繪制這三個區(qū)域的低壓系統(tǒng)電能實時監(jiān)測畫面，并通過頁面中間位置的箭頭進(jìn)行三個頁面之間的切換功能。東配電室低壓系統(tǒng)電能實時監(jiān)測過程如圖5所示。設(shè)備實時狀態(tài)顯示為紅色表明設(shè)備處于開機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，顯示為綠色表明設(shè)備處于停機(jī)狀態(tài)，實時顯示的數(shù)值是智能電表的有功電能的實時讀數(shù)。當(dāng)鼠標(biāo)放在電表讀數(shù)上時，系統(tǒng)彈出新的界面，可實時監(jiān)測到當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行時的有功電能、有功功率、功率因數(shù)、A相電壓、B 相電壓、C 相電壓、A 相電流、B 相電流、C 相電流等參數(shù)。

圖5 東配電室低壓系統(tǒng)電能實時監(jiān)測

4.3.3 能耗統(tǒng)計分析功能設(shè)計

Cimplicity 的基本控制引擎是以Windows 服務(wù)的形式在服務(wù)器后臺運(yùn)行，用于實時監(jiān)測變量值的變化狀態(tài)并負(fù)責(zé)執(zhí)行相應(yīng)的事件動作，并可以定時器的方式觸發(fā)運(yùn)行腳本語言。因此采用在基本控制引擎中添加事件編輯器用于實時監(jiān)測每臺設(shè)備的有功電能變量值，并以每小時一次的時間間隔執(zhí)行Cimplicity 的標(biāo)準(zhǔn)腳本語言，在腳本語言中以O(shè)LEDB 的方式實現(xiàn)SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫的訪問與存儲，并將變量名、變量值、時間等參數(shù)以每小時一次的間隔寫入SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫，為電能統(tǒng)計分析提供最基本的數(shù)據(jù)支持[9]。

在設(shè)備能耗統(tǒng)計分析功能中，為方便管理人員操作，將設(shè)備區(qū)域劃分為：制管車間南跨設(shè)備、制管車間北跨設(shè)備、防腐車間設(shè)備、車間外圍設(shè)備。在操作時，選擇設(shè)備名稱和時間范圍，點(diǎn)擊查詢即可顯示該設(shè)備總電量、總電費(fèi)以及該時間范圍內(nèi)每天相應(yīng)時間段的總電量值及總電費(fèi)值。

根據(jù)江蘇省電力公司的電費(fèi)計量規(guī)范，工業(yè)用電的計價區(qū)間劃分為：峰值電量 1（08∶00～12∶00）、平值電量 1（12：00～17：00）、峰值電量 2（17∶00～21∶00）、平值電量 2（21∶00～00∶00）、谷值電量（00∶00～08∶00）。不同區(qū)間的電費(fèi)劃分為：峰值為1.112 元/kWh、平值為0.667元/kWh、谷值為0.322 元/kWh。

本研究設(shè)計的設(shè)備能耗統(tǒng)計分析功能是根據(jù)江蘇省電力公司的峰平谷電費(fèi)值對每臺設(shè)備的電費(fèi)進(jìn)行統(tǒng)計分析，用戶可針對不同時間段對每臺設(shè)備精確計量總電費(fèi)、總電量、總峰值電量、總平值電量、總谷值電量、總峰值電費(fèi)、總平值電費(fèi)、總谷值電費(fèi)等關(guān)鍵電費(fèi)參數(shù)，如圖6所示。用戶根據(jù)這些能耗數(shù)據(jù)，結(jié)合MES 系統(tǒng)績效統(tǒng)計模塊中各崗位實際生產(chǎn)量進(jìn)行精確的能耗對標(biāo)分析，從而為企業(yè)的設(shè)備電能精細(xì)化管理提供決策依據(jù)，實現(xiàn)降本增效的目的。

圖6 設(shè)備能耗統(tǒng)計分析

4.3.4 Web 發(fā)布

Cimplicity 軟件具有Web頁面發(fā)布功能，具體配置的步驟如下：①發(fā)布過程畫面。在系統(tǒng)開始菜單中選擇Cimplicity Options，在GlobalView菜單中創(chuàng)建Web 界面，并生成為相應(yīng)的html 文件，保存到系統(tǒng)指定文件夾。②配置IIS。在服務(wù)器管理工具中配置 IIS，并設(shè)置 Web 站點(diǎn)，Web 訪問的路徑為html 文件路徑，并設(shè)置好網(wǎng)址及端口號，此時在生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)可通過瀏覽器的形式訪問系統(tǒng)，但辦公網(wǎng)無法訪問。③防火墻端口映射[10]。由于生產(chǎn)網(wǎng)和辦公網(wǎng)之間通過防火墻進(jìn)行了保護(hù)性隔離，為確保企業(yè)管理人員能夠在辦公網(wǎng)訪問系統(tǒng)，因此需要在防火墻進(jìn)行端口映射，并指定開放的端口號。

5 實施效果

本研究以某焊管企業(yè)作為研究對象，在制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）基礎(chǔ)上，進(jìn)行能源管理系統(tǒng)的理論研究和系統(tǒng)開發(fā)，在系統(tǒng)上線運(yùn)行以來，生產(chǎn)效率得到較為顯著的提升。本研究主要工作成果有以下幾個方面：

（1）通過對MES 集成能源管理的系統(tǒng)研究，并與生產(chǎn)計劃相結(jié)合，使計劃的制定有更充分的依據(jù)、計劃的有效性得到顯著增強(qiáng)。

（2）通過MES 與能源管理功能的集成實現(xiàn)，節(jié)約了企業(yè)投資，按照以前的做法，MES 和能源管理系統(tǒng)是兩套系統(tǒng)，企業(yè)需要分兩次投資，建設(shè)周期長，投資大，并且對現(xiàn)場自動化設(shè)備、儀表的改造會影響到正常生產(chǎn)。而MES 集成能源管理后，企業(yè)僅需一次投資，一次實施，即可完成生產(chǎn)與能源的統(tǒng)一管理。

（3）通過 MES 集成能耗數(shù)據(jù)，結(jié)合績效統(tǒng)計功能，實現(xiàn)不同崗位的能耗對標(biāo)分析，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的MES 缺少生產(chǎn)現(xiàn)場能源消耗情況的缺憾，使生產(chǎn)現(xiàn)場的信息真正做到透明、全面。

（4）通過系統(tǒng)實施，提高能源利用效率，使能源預(yù)測更加準(zhǔn)確，結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)的支撐，能源管理部門在進(jìn)行能源預(yù)測的時候，可以綜合考慮下一周期的生產(chǎn)安排及設(shè)備運(yùn)行計劃，從而更準(zhǔn)確地結(jié)合定額管理進(jìn)行能源消耗的預(yù)測。

6 結(jié)束語

對于MES 和能源管理系統(tǒng)，集成化和精細(xì)化管理將是未來發(fā)展趨勢，對于企業(yè)，可不用投資建設(shè)兩套系統(tǒng)，從而避免 “信息孤島” 和資金浪費(fèi)。在MES 和能源管理系統(tǒng)得到越來越廣泛應(yīng)用的今天，兩大解決方案如何進(jìn)行應(yīng)用整合，集成能源管理的MES 如何構(gòu)架管理模型，將是焊管企業(yè)信息化架構(gòu)研究的內(nèi)容之一，本研究所述方法已成功在焊管生產(chǎn)線中實踐，能夠給計劃實施MES 的焊管企業(yè)提供參考借鑒。