涂装车间能源管理系统自主开发及节能实践

牟海阔 张红刚 谭里民 黄弋蘅 史章潞 陈太波 马庭尧

摘 要：介绍了涂装车间能源管理的现状，目前的管理方法无法有效的应对精细化的节能降耗的需求。详细描述了通过自主编程实现能源管理信息系统的过程，包括数据采集、数据存储、数据可视化过程，并且给出了每一步的配置方案。探讨了在自主开发的能源管理系统的监控过程中所发现的节能案例，并且构建了相应的能源管理体系，为节能降耗提供了丰富的案例支撑。

关键词：汽车涂装;能源管理;节能减排

中图分类号：TP315  文獻标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）20-151-05

Abstract： The current situation of energy management in painting workshop is introduced. The current management method can not effectively meet the demand of refined energy saving and consumption reduction. The process of realizing energy management information system through independent programming is described in detail， including data collection， data storage， data visualization process， and the configuration scheme of each step is given. This paper discusses the energy- saving cases found in the monitoring process of self-developed energy management system， and constructs the corresponding energy management system， which provides rich case support for energy conservation and consumption reduction.

Keywords： Automobile coating; Energy management; Energy saving and emission reduction

CLC NO.： TP315  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）20-151-05

1 能源管理系统背景

2018年一汽-大众成都分公司总能耗金额达到2.3亿元，其中冲压、焊装、涂装、总装车间累计能耗达到1.5亿元。在四大车间中题注总能耗费用为0.89亿元，占到了四大车间中的58.6%，是生产中能耗最高的过程。在2019年上半年实际生产中，电能6次、燃气3次、工业水2次未完成月度能源单耗目标，如图1所示。目前的车间能源管理缺乏有效的监控手段，无法回答具体如下的问题：“在什么时间，哪个功能组的哪一个电柜，由于何种原因导致了多少能源的异常消耗”。因此为了达到精细管理的目的，开发一个能源管理信息系统就显得尤为必要。

2 能源管理系统架构

能源管理系统的技术路线是：利用Wincc完成现场58个PLC能耗数据的采集;利用MS SQL server作为数据库进行数据存储;利用Excel VBA进行数据的读取、归类及可视化。系统架构设计如图2所示。

2.1 数据采集

使用Wincc配置了与现场PLC的连接，在此基础上建立与每一个计量表通讯的变量，以每秒一次的频率对现场的158块计量表进行信息采集。并且利用VBS脚本通过ODBC（Open Database Connectivity开放数据库互连）这个API建立与数据库的通讯如图3所示。通过编写VBS脚本将现场所有仪表的实时能耗数据写入到SQL server数据库中，如图4所示。

2.2 数据存储

建立了能源管理的数据库，在该数据库中不仅保存了每一个能源表的历史数据，还保存了该计量表的属性数据，例如该表所属的功能组、区域、以及所计量的能源类型等，为下一步的数据切片、分类汇总等提供基础信息。如图5所示。

2.3 数据可视化

利用Excel VBA中的ADO（Active Data Objects）方式访问数据库。通过调用SQL server中预先定义的存储函数，实现了以能源类型、功能组、区域，生产线为区分维度的数据透视功能。如图6所示。

以上的技术架构由于采用的是现场已有的软件实现了整个通讯过程，零成本，经济性好。而且预留了相应的数据接口，可以快速的实现功能拓展。

3 核心技术方案

3.1 S7连接的建立

将PLC的以太网口开放，并且配置功能组之间的S7连接，通过调用通讯功能块BSEND/BRCV实现能源数据的汇总。

3.2 Wincc及VBS脚本配置

Wincc及VBS脚本配置是实现现场数据采集的核心，其控制框架如下图7所示：

（1）利用wincc中的“连接”功能，实现wincc与每一个功能组PLC的通讯配置

（2）为每一个功能组PLC的计量表建立一个变量，设置采集时间为1s。此处需要设置采集模式为“循环连续”。该模式下，无论HMI画面是否选择该变量，均会在后台进行连续更新。

（3）通过建立一个ADODB的连接对象来实现wincc与SQL server的通讯，关键代码为：

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Set conn = CreateObject（"ADODB.Connection"）

conn. Open "Provider = MSDASQL; Initial Catalog="&" mhk" & "; DSN=Wincc2SQL"

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（4）因为每个PLC下所连接的计量表数量及类型不完全一样，要想对现场所有的功能组变量进行遍历就必须建立一个字典的数据结构，字典的键为每个PLC的名称，字典的键值为每个功能组下的计量表名，以面漆一线工艺空调功能组为例，关键代码为：

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Dim LV0241

LV0241=Array（"10S2-A1"，"10S3-A1"，"10S4-A1"，"10S5-A1"，"10S6-A1"， "10S7-A1"，"10S8-A1"，"S9WH114-F12"）

其中LV0241是PLC名称，数组中的元素为每个计量表的名称

Dim FGSensor ' Create a variable.

Set FGSensor = CreateObject（"Scripting.Dictionary"）

FGSensor.Add "LV0241"， LV0241

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其中FGSensor属于字典数据类型，其中定义了相应的键与键值

（5）通过一个While True的循环实现一个死循环，在循环中判断当前系统时间是否为59秒。如果是则记录当前的时间作为此次所有计量表的时间并且执行双重for循环语句。首先遍历所有的PLC，然后遍历该PLC中所有的计量表变量，最后在最里层循环中构造了相应的变量名的规则，实现了对Wincc runtime中变量名的索引，并且利用SmarTags功能实现了数据写入。

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While True

Do While （Second（Now） Mod 59 = 0）

mydatetime = SmartTags（"date1"）

For i=0 To FGSensor.Count ' ergodic all the function group

SensorLength=arraylen（FGSensor.Item（FGKeys（i）））

For j=0 To SensorLength 'ergodic all the sensors

SensorName = FGKeys（i） + "-" + FGSensor.Item （FGKeys （i））（j）

SensorValue = FGKeys（i） + "-" + "Value-"+FGSensor. Item （FGKeys（i））（j）

SQL_Table="INSERT INTO"&"AllValue Table"&" VAL UES （'" & SmartTags（SensorName） & "' ， '" & mydatetime & "'， '" & HmiRuntime.SmartTags（SensorValue） & "'）"

Set rst = conn.Execute（SQL_Table）

Next

Next

Loop

Wend

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3.3 SQL server配置

数据库中表结构的设计是影响后期查询结果输出的关键因素。整个数据库设计过程中的表结构及主外键关系如图所示。在该数据库系统中我们只采集当前时刻的变量名、时间、读数等三个信息并将其写入到AllValueTable中，后续的数据分类汇总功能则通过AllValueTable和TagInfo表的內联查询实现，如图8所示。

3.4 Excel VBA脚本配置

为了实现Excel VBA与SQL server的数据通讯，必须启用ADO对象

定义VBA与数据库的连接字符串

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Public Const Conn As String = "Provider= SQLOLEDB; Initial Catalog=" & "mhk" & "; Data Source=" &"LAPTOP- JVIRUAF2＼SQLEXPRESS" & "; Integrated Security=SSPI; Persist Security Info=True;"

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本机用其中Catalog需要填写对应的数据库名称，Data Source为服务器名称;

定义数据库连接函数

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Public Sub Connect（）     '连接数据库

If IsConnect = True Then  '如果连接标记为真，则返回。否则会出错

Exit Sub

End If

Set cnn = New ADODB.Connection '关键New用于创建新对象cnn

cnn.ConnectionString= Conn '设置连接字符串Connection String属性

cnn.CommandTimeout = 300 '设置连接超时时间

cnn.Open '打开到数据库的连接

If cnn.State <> adStateOpen Then '判断连接的状态

MsgBox "数据库连接失败" '如果连接不成功，则显示提示信息，退出程序

End

End If

IsConnect = True '设置连接标记，表示已经连接到数据库

End Sub

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定义断开连接函数

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Public Sub Disconnect（）  '断开与数据库的连接

If IsConnect = False Then '如果连接标记为假，标明已经断开连接，则直接返回

Exit Sub

End If

cnn.Close         '关闭连接

Set cnn = Nothing   '释放cnn

IsConnect = False   '设置连接标记，表示已经断开与数据库的连接

End Sub

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定义数据库查询函数

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Public Function QueryExt（ByVal TmpSQLstmt As String） As ADODB.Recordset

Dim rst As New ADODB.Recordset '创建Recordset对象rst

Connect '连接到数据库

Set rst.ActiveConnection = cnn '设置rst的Active Connec -tion属性，指定与其关联的数据库连接

rst.CursorType = adOpenKeyset  '设置游标类型

rst.LockType = adLockOptimistic '设置锁定类型

rst.Open TmpSQLstmt         '打开记录集

Set QueryExt = rst            '返回记录集

End Function

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通过调用数据库查询函数QueryExt即可实现对数据库的访问并且将结果集返回到Excel中进行数据可视化，最终的呈现结果如下图9所示。

4 能源管理系统发现的节能潜力点

涂装车间的生产工艺中存在大量的大型高能耗工艺设备（例如前处理电泳、电泳/面漆烘干炉、面漆工艺空调、室体通风等），占整个车间能源消耗的80%以上。

此类设备能源消耗体现为大功率电机、燃烧器、循环泵等。通过自主开发的能源管理信息系统，在生产工艺中找到了18个节能潜力点，累计节约费用超过150万/年，下面介绍2个典型案例。

（1）案例1：凌晨0-5点没有生产，电泳漆烘房LV0128 S2/S3每小时消耗100度电能，如图10所示。

电泳烘房循环风机设定温度低于40度时才能够停机，按照目前的单班次生产安排，即使早晨八点依然无法滿足40的条件，造成电能的浪费。预计该能潜力点每日节约电量= 130*5*2 = 1300度，如图11所示。

（2）案例2：车间18点下班后喷漆室工艺空调天然气仍然有消耗，如图12所示。

下班后喷房进入清洁模式，喷房喷房温度仍然控制在23℃，需要通过天然气加热来进行升温。而此时只有部分保洁工作，仅需供新风即可。该节能潜力测算： 每日节约天然气 = 6*30*2 = 360m?，如图13所示。

5 展望与总结

涂装车间是四大工艺中能耗占比最高的环节，对涂装过程中的关键能耗设备开展节能管理将会大幅的降低能源消耗。通过能源管理系统的开发，能够依据统计数据对能源消耗开展精细管理。

在以往的管理过程中由于没有相应的历史信息记录，无法为每个设备分配相应的能耗指标。通过该系统能为设备负责人设定能耗目标值，强化责任意识，真正将降耗目标落实到基层执行层面。通过每日、每月报表的输出，分析、整改现场浪费点，并且将类似经验进行横展。

以电泳强冷风机为例，在2019年10月的能耗与产量的相关系数只有0.5左右，通过优化在2019年11月能耗与产量的相关系数已经达到0.9，意味着该设备达到了能耗能够很好的跟随产量的变化趋势，减少了大量的空运行时间。通过技术手段与管理手段相结合，目前涂装车间已经形成了一定的节能意识，为进一步深入优化节能潜力提供了坚实的基础。