[Zusammenfassung] Der Energieverbrauch ist ein wichtiger, steuerbarer Kostenfaktor in Unternehmen, und seine Reduzierung ist ein wichtiger Weg zur Kostensenkung. Dieser Artikel beschreibt die Anwendung von Siemens SPS und Feldbus im Energiemonitoring- und -managementsystem einer Zigarettenfabrik. Er erläutert detailliert das Hardware- und Softwaredesign des Systems sowie die Anbindung an das Kommunikationsnetzwerk. [Schlüsselwörter] SPS, Feldbus, WinCC, VB6.0, Energiemonitoring. Die General Tobacco Group Co., Ltd., gegründet 1993 mit Sitz in Jinan, Provinz Shandong, ist ein diversifizierter Konzern mit Tabak als Hauptgeschäftsfeld, der in verschiedenen Regionen, Branchen und Ländern aktiv ist. Das Kernunternehmen, die Jinan Cigarette Factory, verfügt über die weltweit modernsten Anlagen und das branchenweit fortschrittlichste Technologiezentrum für die Zigarettenproduktion. Das Unternehmen beschäftigt derzeit über 5.000 Mitarbeiter und verfügt über ein Gesamtvermögen von 7,3 Milliarden Yuan. Es zählt zu den 36 Schlüsselunternehmen der chinesischen Tabakindustrie. Dieses Energiemonitoringsystem dient hauptsächlich der Überwachung, statistischen Analyse, Berichterstellung und dem Ausdruck von Energieverbrauchsdaten verschiedener Abteilungen der Jinan Zigarettenfabrik. Zu den wichtigsten Überwachungsparametern gehören Strom-, Wasser-, Dampf- und Druckluftwerte für alle Abteilungen des Werks. II. Systemskürzung: Das System besteht aus einem dreistufigen Energiemonitoring- und -managementsystem, bestehend aus dem Energiestatistikbüro, der Kesselbetriebszentrale und der Anlagenverwaltung. Sensoren, die im gesamten Werk verteilt sind, erfassen Parameter an 233 Punkten (Dampf, Druckluft, Wasser und Strom) und übertragen diese an den Server. Die Kesselbetriebszentrale und die Anlagenverwaltung sind für die Echtzeitüberwachung von Parametern und Anlagen zuständig. Das Energiestatistikbüro zeigt Daten in Echtzeit an, stellt tägliche und monatliche kumulative Energieverbrauchsdaten bereit, ermöglicht die Abfrage von Tages-, Monats- und Zeitdaten für kumulierte Werte und erstellt Berichte. Das Energiemonitoring- und -bewertungsprogramm des Statistikamtes führt für jede Schicht verschiedene Leistungsbewertungen durch, analysiert statistisch die Ein- und Ausgänge der Energieversorgungsabteilung des Werks sowie den Energieverbrauch der Nutzer und erstellt eine Kostenrechnung. Dadurch wird eine verlässliche Grundlage für die Verbesserung des Energiemanagements und der Energieauslastung des Werks geschaffen. Das System nutzt die Siemens-Steuerungen Simatic S7-400 CPU414-2DP und S7-300 CPU314 als Masterstation. Die 400er-SPS-Masterstation ist mit neun ET200M-Unterstationen ausgestattet. Die CPU414-2DP verfügt über MPI- und Profibus-DP-Schnittstellen. Jede Unterstation ist über Profibus-DP mit der 400er-SPS-Masterstation verbunden, wodurch die Hardwarekosten minimiert und gleichzeitig die Anforderungen an die Datenerfassung erfüllt werden. Parallel dazu kommuniziert die 400er-SPS-Masterstation über die MPI-Schnittstelle mit dem Host-Rechner. Auch die 300er-SPS-Masterstation kommuniziert über die MPI-Schnittstelle mit dem Host-Rechner. Simatic WinCC dient als Host-Überwachungssoftware, und VB6.0 wird zur Bearbeitung des Energieüberwachungs- und -auswertungsprogramms des Statistikamtes verwendet. Die Systemliste ist in Tabelle 3 dargestellt. Zusammensetzung des Steuerungssystems: 1. Systemstruktur: Die Systemkonfiguration ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1: Diagramm des Energiemanagement-Überwachungssystems. Das System ist in drei Hauptkomponenten unterteilt: die übergeordnete Überwachungszentrale, die SPS-Masterstation und die SPS-Slave-Stationen. Die übergeordnete Zentrale besteht aus einem Server und drei Client-Computern. Der Server ist in das Unternehmensnetzwerk integriert, wodurch die Erweiterung der Client-Computer äußerst einfach ist: Der Computer wird einfach mit dem lokalen Netzwerk verbunden und einige wenige Einstellungen vorgenommen, um ihn als Client-Computer zu verwenden. Die SPS-Masterstation 400 ist über das MPI-Protokoll mit dem Server verbunden. MPI kann sowohl auf Geräte- als auch auf Feldebene eingesetzt werden und ermöglicht die kostengünstige Anbindung einer kleinen Anzahl von Stationen. Die Masterstation 400 und ihre Slave-Stationen sind über Profibus DP verbunden. Diese Netzwerkmethode minimiert die Hardwarekosten und gewährleistet gleichzeitig die Anforderungen an die Datenerfassungsleistung. Der Datenerfassungsprozess läuft im Wesentlichen wie folgt ab: Die Ausgangssignale der Feldsensoren werden mithilfe der Signalvorlagen jeder Station erfasst, in entsprechende digitale Signale umgewandelt und anschließend über das Kommunikationsmodul an die 400er-SPS-Masterstation gesendet. Die 400er-SPS-Masterstation verarbeitet die von den Stationen gesendeten Daten bedarfsgerecht und leitet sie anschließend über das MPI-Netzwerk an den Server weiter. Die Datenübertragung zwischen Client und Server erfolgt über OPC. 2. Software-Design: Die Programmierung der SPS-Master- und SPS-Slave-Stationen dieses Systems erfolgt in STEP 7, um die initiale Verarbeitung der Prozessdaten durch die SPS zu realisieren. Die Überwachung auf dem Host-Rechner erfolgt mittels SIMATIC WinCC. Server- (WinCC Server) und Client-Software (WinCC Client) ermöglichen die Echtzeit-Datenanzeige, die tägliche und monatliche kumulative Anzeige des Energieverbrauchs, die Abfrage von Tages-, Monats- und Zeitdaten sowie den Berichtsdruck. Das Energieüberwachungs- und Auswertungsprogramm der Statistikabteilung wurde in Visual Basic 6.0 entwickelt, um die Bewertung verschiedener Schichtindikatoren durchzuführen. (1) SPS-Hauptstationsprogramm: Dieses Programm umfasst 6 OB-Blöcke, 20 FC-Blöcke und 15 DB-Blöcke zur Verarbeitung der vor Ort erfassten Daten zu Druckluft, Dampf, Strom und Wasser (einschließlich Dampfstromkompensation und Dampftemperaturberechnung) und zur Erfassung der kumulierten Werte der einzelnen Variablen. Das Ablaufdiagramm des Hauptprogramms (Organisationsblock OB1) ist in Abbildung 3 dargestellt. (2) WinCC-Programm für den Oberrechner: Gemäß den Kundenanforderungen wurde mit WinCC eine benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle für den Oberrechner entwickelt. Abbildung 2 zeigt die Benutzeroberfläche des Oberrechners für die Luftkompressorverteilung. 3. Auswahl des Designschemas für das Energiemonitoring- und -bewertungsprogramm des Statistikamtes: Das Energiemonitoring- und -bewertungsprogramm ist eine mit VB6.0 entwickelte Anwendung, die auf dem Client-Rechner des Statistikamtes installiert ist. Es dient der monatlichen Bewertung verschiedener Abteilungen und der entsprechenden Berechnung von Bonuszahlungen. Das Programm muss die Änderungen von über 70 Einheiten in Kesselraum, Kompressorstation, Blechwerkstatt und Hauptverteilungsraum erfassen und die entsprechenden Daten verarbeiten, um die Leistung der Mitarbeiter in den einzelnen Abteilungen und Schichten zu bewerten. Gleichzeitig müssen Produktionskosten berechnet und detaillierte Monatsberichte erstellt werden, was einen erheblichen Arbeitsaufwand bedeutet. In der Praxis wurden die folgenden Lösungsansätze für die Kommunikation zwischen Programm und Server verwendet: (1) Lösung 1: Entwicklung einer OPC-Client-Anwendung mit VB6.0 zur Kommunikation mit dem Server. Nachteile: Die Client-Anwendung verfügt nicht über vollständige Fehlertoleranz und Fehlerdiagnosefunktionen. Bei einem kurzzeitigen Serverfehler wird die OPC-Verbindung unterbrochen, was zu einem Systemabsturz führt. (2) Lösung 2: Integration eines Diagnoseprogramms in den Client. Durch die kontinuierliche Verbindung zum Server kann festgestellt werden, ob ein Serverfehler vorliegt. Im Fehlerfall wird die Systemsoftware neu gestartet, um die Fehlerdiagnose und -behebung durchzuführen. Nachteile: Häufige Verbindungsabbrüche und -verbindungen zwischen Client und Server führen zu einem hohen Verbrauch von Serverressourcen. (3) Lösung 3: Die OPC-Kommunikation ist zweigeteilt: Im ersten Teil wird eine kleine WinCC-Clientanwendung auf dem Client entwickelt, die die in WinCC integrierte OPC-Schnittstelle zur Datenübertragung zwischen Server und Client nutzt. Im zweiten Teil wird eine OPC-Clientanwendung mit VB6.0 entwickelt, um die Kommunikation zwischen dem Programm und WinCC auf dem Client zu realisieren. Vorteile: Die Datenübertragung zwischen Server und Client über die in WinCC integrierte OPC-Schnittstelle bietet eine höhere Stabilität, eine umfassendere Fehlerdiagnose und -behandlung und vermeidet Abstürze vollständig. (4) Lösungsauswahl: Unter Berücksichtigung der Vor- und Nachteile der oben genannten Lösungen wird die dritte Lösung gewählt. Siehe Abbildung 3. Abbildung 3: Schematische Darstellung von Lösung 3. IV. Funktionen des Steuerungssystems: 1. Die Hauptfunktionen des Systems sind: Das System dient hauptsächlich der Erfassung von vier Parametern (Dampf, Druckluft, Wasser und Strom) in jeder Produktionshalle für statistische Berechnungen und zur Bereitstellung einer Datengrundlage für die Produktionsplanung. Die spezifischen Funktionen sind wie folgt: (1) Echtzeitanzeige: Das System umfasst fünf Betriebszustandsdiagramme zur Echtzeitdarstellung von Produktionsparametern. Diese Diagramme zeigen den Gesamtbetriebszustand des Systems, den Betriebszustand der Garnherstellung, der Spul- und Verpackungsabteilung, der Energieabteilung sowie der übrigen Abteilungen. (2) Statuskurve: Die Statuskurve visualisiert die in den einzelnen Werkstätten erfassten Daten, einschließlich der momentanen Veränderungstrends für Gesamtmenge, Garnherstellung, Spul- und Verpackungsabteilung, Energieabteilung und sonstige Abteilungen. (3) Statistische Auswertung: Die Daten der einzelnen Abteilungen werden in einer 8-Stunden-Datenbank und einer Tagesdatenbank erfasst und statistisch analysiert. Die Auswertung erfolgt im Halbstundentakt. (4) Statistische Berichte: Die Daten der einzelnen Abteilungen werden bei Bedarf in Berichten dargestellt. (5) Parametereinstellungen: Die Systemparameter, einschließlich Schichtparameter, Schichttabelle, Passwort und Kurvenparameter, können konfiguriert werden. 2. Zu den technischen Herausforderungen des Projekts gehörte die Notwendigkeit, über 70 Datenmengen aus dem Heizraum, der Luftkompressorstation, der Blechwerkstatt und dem Hauptverteilerraum zu erfassen und zu verarbeiten. Dies erforderte diverse komplexe Berichtsausgaben: Tages-, Zehn-Tages-, Monats-, Quartals- und Jahresberichte in unterschiedlichen Formaten. Die Umsetzung mit WinCC erwies sich als komplex, weshalb die flexiblen und komfortablen Berichtserstellungsfunktionen von VB in Betracht gezogen wurden. In der gewählten Lösung spielt WinCC.Client eine besondere Rolle: Es fungiert als Client für WinCC.Server und gleichzeitig als Server für die Energiemanagement-Software. V. Fazit: Das System ist im Einsatz und arbeitet zuverlässig und stabil. Es verbessert die Datenzuverlässigkeit, -genauigkeit und Berechnungspräzision und reduziert Verluste durch menschliche Fehler und Ungenauigkeiten. Zudem hat es den Personalaufwand erheblich reduziert, die Rechenlast für die Bediener verringert und positive soziale und wirtschaftliche Vorteile erzielt. Referenzen: 1. Li Pan, Zhang Jiayi, Cheng Zhe u. a., „Entwicklungstrends der Automatisierungstechnik in Zigarettenunternehmen“, Tobacco Science and Technology, Februar 2002. 2. Li Chaoqun, „Steuerungssystem für eine Produktionslinie für rekonstituierten Tabak auf Basis der PROFIBUS-Bustechnologie“, Tobacco Science and Technology, Januar 2003. 3. Lu Yi, Visual Basic 6.0: Beispiele für Datenbankdesign, Science Press, Februar 2001. 4. Zhou Aihua, Wang Renzhi, Technische Spezifikationen der OPC-Schnittstelle (Band 1, 2 und 3), World Instrumentation and Automation, 2003. 5. Zhang Xuxu, Liu Wenhuang, Li Xiu u. a., „Implementierung eines computergestützten Managementsystems in Zigarettenunternehmen“, Tobacco Science and Technology, Januar 2002. 6. SIEMENS STEP7 5.0 Programmierhandbuch 7. SIEMENS WINCC Konfigurationshandbuch 8. SIEMENS S7-300 Hardware-Installations- und Template-Spezifikationshandbuch 9. SIEMENS FM350-2 Technisches Funktionsmodul Installations- und Konfigurationshandbuch 10. SIEMENS S7-400 Hardware-Installations- und Template-Spezifikationshandbuch Über die Autoren: Ma Sile, männlich, geboren im Februar 1964, außerordentlicher Professor und Masterbetreuer, Fakultät für Regelungstechnik, Universität Shandong. Forschungsschwerpunkt: Computersteuerung und intelligente Systeme. Zhang Jiming, männlich, geboren im Juni 1979, Masterstudent, Fakultät für Regelungstechnik, Universität Shandong. Forschungsschwerpunkt: Computersteuerung und intelligente Systeme. Sehr geehrte Redaktion, ich bin Masterstudent an der Fakultät für Regelungstechnik der Universität Shandong. Als treuer Leser Ihrer Zeitschrift reiche ich hiermit mein Manuskript ein. Ich hoffe, Sie können es trotz Ihres vollen Terminkalenders prüfen. Falls die Arbeit nicht den Anforderungen Ihrer Zeitschrift entspricht, wäre ich Ihnen für Ihre Hinweise und Ihr Feedback dankbar, insbesondere für die Schilderung der Schwächen und Mängel des Beitrags. Vielen Dank! Kontaktinformationen: Postleitzahl: 250061 Postanschrift: Raum 102, Gebäude 4, Südcampus, Shandong-Universität, Jingshi-Straße 73, Jinan Mobiltelefon: +86 13153016434 Tel.: +86 531-82964682 E-Mail: [email protected]