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摘要：可视化节能管理系统是一套为上海某公司量身的能源监测系统，利用CC-Link现场总线技术，MES接口模块来转换底层的现场能耗数据，并将其大量的导入SQL Server数据库，另外采用ADO.NET、ASP.NET MVC和C#编程语言设计和实现系统的软件。完成了数据的采集监测、工艺的改进、能源的节省及产品的成本控制的目标，为企业管理者和现场人员提供决策支持和提高效率的功能。
关键词：可视化节能；MES接口模块；数据库
1009-3044(2012)20-5009-05
Visual Energy Consumption Managing System Based on MES Interface Module
ZHOU Tian-jiao
(College of Electronics and Information Engineering,Tongji University, Shanghai 201804, China)
Abstract: The Visual Energy Consumption Managing System is an energy monitoring system customized to a company in Shanghai. And it use the CC-link fieldbus technology and MES interface module to convert the data from the bottom of the energy consumption, then a large number of data will be imported into SQL Sever database. In addition, the system adopt ADO.NET,ASP.NET and C# programming language design and implement system software. It completes the goal of data collection, process improvements, energy sings and product cost control, and provide decision support and improve the efficiency of the function for enterprise managers and workers.
Key words: visual energy-sing; MES Interface Module; database
改革开放30余年来，我国经济始终保持着较快的增长速度，经济总量一度超过德国、日本，现已位居世界第二。然而由于我国的经济增长方式的粗放性：1）我国的能源利用效率目前仅为33%，比发达国家落后20年，相差10个百分点。2）能源消费强度大大高于发达国家及世界平均水平，约为美国的3倍，日本的7.2倍。3）我国的单位产值能耗是世界上最高的国家之一，每千克标准煤产出的国内生产总值仅为0.36美元，而日本为5.58美元，世界平均值为1.86美元。4）不仅如此，我国人口基数大，人均能源可采储量远低于世界平均水平，2000年人均石油开采储量只有2.6吨，人均天然气可采储量90吨，分别为世界平均值的11.1%和4.3%。这些因素严重制约我国的可持续发展进程，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐。在此背景之下，节能减排被提上日程，中国“十一五”规划纲要提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%。
一个国家的能源总消耗量是各个企业的能源消耗量的总和，而企业产品单耗又取决于该企业技术工艺的先进程度、用能设备效率的高低及企业管理水平高低。我国企业来能耗普遍较大，应该努力改进以上指标，如此不仅有利于企业自身提高生产效率，而且有利于提高国家的能源率。要想提高能源利用率，首先需要企业的能耗进行监控，获得正确的能耗数据，这将为管理人员采取正确的能耗管理决策提供重要依据，也为后续能耗模型的建立，科学的能耗预测及合理的管理制度的提出打下重要基础。
1可视化节能管理系统概述和结构
1)通过采集工业生产现场数据，详细监测和记录每个炉子、车间、厂、企业的能耗及炉子的温度、压力值；
2)在此基础上，对这些监测点提供当前实时查询和历史查询功能，查询包括列表和折线图两种形式；
3)提供各种数据分析处理手段，帮助客户企业找出能源浪费的环节及根源；
4)提供对客户企业各类产品生产过程中能耗的全程追踪，从而对工艺的改进、能源的节省及产品的成本控制具有积极意义。总的目标：通过对生产现场能耗、温度、压力数据的采集、处理、统计与分析，为企业管理者及现场人员提供以下功能。
决策支持:根据公司的要求及时提供所需报表及文件,并在适当时候对各部门领导给予能源管理、生产工艺等方面的提示。提高效率:利用软件进行管理,避免人工管理的失误以及延迟性,从而实现高效率的管理
1）监测显示，主要显示监测点的实时信息及趋势。当鼠标悬停于监测点的图像上时，显示指定点的实时数据。当用户进入某监测点的页面时，显示该点的瞬时流量和累积量、前区温度、后区温度、压力的趋势图，每5分钟刷新一次；同时显示实时数据值，每2秒刷新一次。
2）数据分析，主要包括折线图查看和图像导出功能，并有单点查看、多点同一时间段查看、单点多个时间段查看和能耗数据查看。
3）警报管理，主要对现场设备运行数据(能耗、温度和压力)的监控，超过预设的范围会发出相应的警报，包括预警、报警、历史警报管理三大块。
4）报表管理，主要根据用户的权限，赋予用户下载报表的功能，用能数据按照不同的时间对应不同的报表文件。
比如：用能数据时报表：根据从MES接口模块采集到的数据，每5分钟作一次记录，每小时作12次记录；详细记录企业具体用能情况，对于节能分析、故障分析提供具体的数据依据；支持XLS格式导出报表；可选择报表中某些项目显示或不显示，便于现场统计人员选择；设定打印报表人员权限，无权限人员无法对报表进行选择或打印。
考虑到数据的安全性以及示范企业对能耗数据监测和管理系统的要求，再将优化后，如下图2所示。现场能耗数据通过现场测量单元经过CC-Link总线采集后，经MES接口模块设置一定的格式和表结构后，转换处理后上传至数据库怎么写作器，然后Web程序可以方便的实时访问数据库怎么写作器上的能耗数据。
2基于MES模块的方案设计
1）不再需要编写数据通讯的PLC程序，只需通过简单的设置来实现与信息系统的连接，从而可以直接操作Oracle、SQL Server、Access等数据库。
2）可以减轻信息系统的负荷。可以通过MES接口模块进行数据监视，在条件成立的情况下将数据发送至信息系统。
3）用于正确获取或发送数据的缓冲功能，当传输的要求超过了系统或者网络的带宽，MES接口将信息缓存入内存。时间同步确保了信息系统数据的正确性。
4）可以获取访问异常时的日志。在与数据库连接的情况下发生了数据库访问异常时，数据库可将异常内容作为日志加以保留。通过对日志进行分析，可以进行数据保护及异常分析。
5）可以实现信息系统的指示以及必要的双向通信。可以通过信息系统的应用程序启动登录在MES接口模块中的处理，这样，可以实现信息系统的制造指示等。
6）兼容多种多样的数据库，支持多种主流数据库：Oracle 9i Standard Edition、Oracle 10g Standard Edition、Microsoft SQL、Server 2000 Standard Edition、Access。
7）可以在无需考虑数据库表格的构成的情况下访问。在数据库的访问中，可以使用自由设计的数据库。
8）可以使用SNTP实现时间同步。通过与SNTP怎么写作器用个人计算机进行通信，可以设置MES接口模块以及可编程控制器的CPU的时间，从而实现整个系统的时间同步。
9）可以设置读写数据库的触发条件（数值触发、时间和周期触发等），并包含计算功能。
目前基于三菱PLC的数据采集、监测、工业控制方案总共有以下四种：
1）EcoWebServerII方案。该方案主要利用三菱电机推出的EcoWebServerII模块，该模块具备了数据采集、转换与存储等基本功能，另外还集成了一套节能管理支援数据收集软件。这套软件具备测量、输出、显示、保存、监测、通信等功能，其显示功能包括能耗数据实时值显示、能耗数据曲线图以及能耗数据对比曲线图等，很好地体现了三菱电机“可视化”节能的理念。该方案目前已被风洞中心采纳，系统结构图如图2所示。
缺点：软件固化在设备中，无法根据不同项目的需求进行不同的更改，灵活性较差。图表显示方式单一，无法实现对能耗的预测及提供能耗分析工具。需安装JA控件才可进行显示。历史数据存储在设备中，存储量小，无法实现长时间段的数据积累分析及预测。设备昂贵。修改时需用专门的配置软件，增加了成本。软件每年需要额外的费用。
优点：无需额外编程，仅需配置。无需考虑底层通讯的实现方法。
图3EcoWebServerII方案
2）EcoWebServerII扩展方案。该方案仍然采用EcoWebServerII模块，系统结构可分为四层，分别为数据采集层、数据存储层、怎么写作器层和用户层。数据采集层仍利用三菱电机相应的电子测量仪模块进行数据采集，并通过Q06HCPU将CC-Link总线将采集到的数据通过RS-485通讯模块传送至EcoWebserverII模块。优点：可以灵活的按需求配置软件的功能，可以根据客户的要求实现更加多样化。可以存储更大的数据量。为后期能耗模型的研究及建立提供重要依据。
缺点：因为需要占用一定的怎么写作器资源，相对方案一成本更高。且需要额外编程。
3）以太网模块方案。如图4所示，数据测量监控层与方案三相同，传输控制层采用一台Q系列PLC负责CC-Link网络的管理，并通过以太网模块(QJ71E71-100)将数据送到Web怎么写作器，在管理监控层的Web怎么写作器端软件分为怎么写作器和浏览器两种。怎么写作器
缺点：底层数据的收发及纠错机制完全需要在编程时进行考虑，编程难度及开发周期最大。底层的数据处理方式与之前的方案不兼容，如果需要以前的数据进行能耗分析需要加入额外的控件进行数据格式的转换。
优点：数据吞吐量最大，可以通过缓存进行设计，数据采样时间配置更灵活，实时性更好，可以更好的实现控制功能，控制的实时性更好，硬件成本最低。
图5以太网模块方案
4）MES接口模块方案。如图6所示，系统仍然采用四层结构，数据测量监控层仍然采用三菱的电子测量仪模块进行数据采集，传输控制层由QCPU+CCLINK主站模块+MES模块组成,MES模块通过以太网与怎么写作器相连，通过预先配置可实现将底层的数据实时更新到怎么写作器的数据库中，实现数据的采集。在管理监测层，怎么写作器上的软件实现项目管理，项目配置，数据管理，系统维护，生成报表，监测数据等功能。当数据监测事件（比如能量用量超过上下限或者系统重启）发生时，系统发送邮件至TP怎么写作器通知。此外，系统定期上传报表文件至FTP怎么写作器。以太网内的用户可以通过IE浏览器进行数据、报表的查看及下载。
优点：编程时无需过多的考虑底层数据收发机制，只需将数据库中更新的数据定期进行转换，简化了开发过程。软件上既有方案三的灵活性，又较前两个方案成本更低。
缺点：需求开发人员熟悉MES接口模块，成本较高。
综上，方案四在硬件和软件的综合成本上较方案一、二有较明显的优势，且软件配置上更为灵活，扩展性强。方案三与方案四相比较，成本上方案三占优，但方案三代码量较大，且底层数据通讯方面需要考虑较多，需要有比较成熟与底层通讯相关的类库做支撑才可较好的实现需要的功能。且在继承性方面，方案四能更好的与现有的正在使用的方案兼容。在需求分析方面，方案四适合做数据监测，方案三较适合监测与控制共存的情况。本次开发的系统主要作用为数据的收集、查看及分析功能，对实时的控制要求不高，因此，本系统采用方案四实现。
3结束语
该文首先对可视化能耗监测和管理系统的需求和可行性进行了详细的分析，并根据企业管理的需要将系统分为五大块：实时监测、数据分析、报警管理、报表管理和系统管理。然后介绍了三菱电机推出的MES接口模块的工作原理及应用，并比较了当前基于CC-Link的四种典型的数据采集与监测系统设计方案，确定了总体设计方案。最后，描述了可视化能耗监测和管理系统的程序结构。
参考文献：
三菱多用电子测量仪ME96NSR[Z].三菱电机株式会社,2009.
三菱电子测量仪ME96NSR型[Z].MITSHUBISHI ELECTRIC COMPANY.2008.
[3]三菱电机.Q系列串行口通讯模块用户参考手册:基础篇[Z].
[4] MES模块用户参考手册[Z].Mitsubishi Electric.
[5]刘甲,刘丽媗,赵霞,等.风洞能耗可视化监测平台[J].控制工程,2009,(S4).
[6]江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J].暖通空调,2005,35(5):30-40.
[7]郑明明,陈硕.建筑能耗监测平台的研究[J].建筑节能,2009,37(9):65-67.
关键词：可视化节能；MES接口模块；数据库
1009-3044(2012)20-5009-05
Visual Energy Consumption Managing System Based on MES Interface Module
ZHOU Tian-jiao
(College of Electronics and Information Engineering,Tongji University, Shanghai 201804, China)
Abstract: The Visual Energy Consumption Managing System is an energy monitoring system customized to a company in Shanghai. And it use the CC-link fieldbus technology and MES interface module to convert the data from the bottom of the energy consumption, then a large number of data will be imported into SQL Sever database. In addition, the system adopt ADO.NET,ASP.NET and C# programming language design and implement system software. It completes the goal of data collection, process improvements, energy sings and product cost control, and provide decision support and improve the efficiency of the function for enterprise managers and workers.
Key words: visual energy-sing; MES Interface Module; database
改革开放30余年来，我国经济始终保持着较快的增长速度，经济总量一度超过德国、日本，现已位居世界第二。然而由于我国的经济增长方式的粗放性：1）我国的能源利用效率目前仅为33%，比发达国家落后20年，相差10个百分点。2）能源消费强度大大高于发达国家及世界平均水平，约为美国的3倍，日本的7.2倍。3）我国的单位产值能耗是世界上最高的国家之一，每千克标准煤产出的国内生产总值仅为0.36美元，而日本为5.58美元，世界平均值为1.86美元。4）不仅如此，我国人口基数大，人均能源可采储量远低于世界平均水平，2000年人均石油开采储量只有2.6吨，人均天然气可采储量90吨，分别为世界平均值的11.1%和4.3%。这些因素严重制约我国的可持续发展进程，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐。在此背景之下，节能减排被提上日程，中国“十一五”规划纲要提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%。
一个国家的能源总消耗量是各个企业的能源消耗量的总和，而企业产品单耗又取决于该企业技术工艺的先进程度、用能设备效率的高低及企业管理水平高低。我国企业来能耗普遍较大，应该努力改进以上指标，如此不仅有利于企业自身提高生产效率，而且有利于提高国家的能源率。要想提高能源利用率，首先需要企业的能耗进行监控，获得正确的能耗数据，这将为管理人员采取正确的能耗管理决策提供重要依据，也为后续能耗模型的建立，科学的能耗预测及合理的管理制度的提出打下重要基础。
1可视化节能管理系统概述和结构
1.1系统概述
本“可视化节能管理系统”是一套为上海某公司量身的能源管理系统，其主要功能是：1)通过采集工业生产现场数据，详细监测和记录每个炉子、车间、厂、企业的能耗及炉子的温度、压力值；
2)在此基础上，对这些监测点提供当前实时查询和历史查询功能，查询包括列表和折线图两种形式；
3)提供各种数据分析处理手段，帮助客户企业找出能源浪费的环节及根源；
4)提供对客户企业各类产品生产过程中能耗的全程追踪，从而对工艺的改进、能源的节省及产品的成本控制具有积极意义。总的目标：通过对生产现场能耗、温度、压力数据的采集、处理、统计与分析，为企业管理者及现场人员提供以下功能。
决策支持:根据公司的要求及时提供所需报表及文件,并在适当时候对各部门领导给予能源管理、生产工艺等方面的提示。提高效率:利用软件进行管理,避免人工管理的失误以及延迟性,从而实现高效率的管理
1.2系统结构
整个系统分为两个部分：1）数据库怎么写作器；2）WEB怎么写作器。如图1所示。1）监测显示，主要显示监测点的实时信息及趋势。当鼠标悬停于监测点的图像上时，显示指定点的实时数据。当用户进入某监测点的页面时，显示该点的瞬时流量和累积量、前区温度、后区温度、压力的趋势图，每5分钟刷新一次；同时显示实时数据值，每2秒刷新一次。
2）数据分析，主要包括折线图查看和图像导出功能，并有单点查看、多点同一时间段查看、单点多个时间段查看和能耗数据查看。
3）警报管理，主要对现场设备运行数据(能耗、温度和压力)的监控，超过预设的范围会发出相应的警报，包括预警、报警、历史警报管理三大块。
4）报表管理，主要根据用户的权限，赋予用户下载报表的功能，用能数据按照不同的时间对应不同的报表文件。
比如：用能数据时报表：根据从MES接口模块采集到的数据，每5分钟作一次记录，每小时作12次记录；详细记录企业具体用能情况，对于节能分析、故障分析提供具体的数据依据；支持XLS格式导出报表；可选择报表中某些项目显示或不显示，便于现场统计人员选择；设定打印报表人员权限，无权限人员无法对报表进行选择或打印。
考虑到数据的安全性以及示范企业对能耗数据监测和管理系统的要求，再将优化后，如下图2所示。现场能耗数据通过现场测量单元经过CC-Link总线采集后，经MES接口模块设置一定的格式和表结构后，转换处理后上传至数据库怎么写作器，然后Web程序可以方便的实时访问数据库怎么写作器上的能耗数据。
2基于MES模块的方案设计
2.1 MES接口模块
三菱电机于2007年成功开发出可用于Qplc的MES[4]（全称为Manufacturing Execute System，制造执行系统）接口模块QJ71MES96。MES接口模块可将底层CC-Link控制系统和上层信息管理系统直接连接起来。而在此之前，信息管理控制系统和现场控制系统由于采用的信息形式不同，没有可以直接交换的层次，所以传统信息控制系统都是采用计算机作为中间层，负责采集现场设备的信息，然后向信息层发送数据。而MES模块可以直接从现场设备采集数据，节省数据采集系统的设置和运行成本，达到生产现场与MES之间低成本简单连接并且实现无PC、无程序的环境。其主要特点如下：1）不再需要编写数据通讯的PLC程序，只需通过简单的设置来实现与信息系统的连接，从而可以直接操作Oracle、SQL Server、Access等数据库。
2）可以减轻信息系统的负荷。可以通过MES接口模块进行数据监视，在条件成立的情况下将数据发送至信息系统。
3）用于正确获取或发送数据的缓冲功能，当传输的要求超过了系统或者网络的带宽，MES接口将信息缓存入内存。时间同步确保了信息系统数据的正确性。
4）可以获取访问异常时的日志。在与数据库连接的情况下发生了数据库访问异常时，数据库可将异常内容作为日志加以保留。通过对日志进行分析，可以进行数据保护及异常分析。
5）可以实现信息系统的指示以及必要的双向通信。可以通过信息系统的应用程序启动登录在MES接口模块中的处理，这样，可以实现信息系统的制造指示等。
6）兼容多种多样的数据库，支持多种主流数据库：Oracle 9i Standard Edition、Oracle 10g Standard Edition、Microsoft SQL、Server 2000 Standard Edition、Access。
7）可以在无需考虑数据库表格的构成的情况下访问。在数据库的访问中，可以使用自由设计的数据库。
8）可以使用SNTP实现时间同步。通过与SNTP怎么写作器用个人计算机进行通信，可以设置MES接口模块以及可编程控制器的CPU的时间，从而实现整个系统的时间同步。
9）可以设置读写数据库的触发条件（数值触发、时间和周期触发等），并包含计算功能。
2.2方案比较
本课题利用CC-Link现场总线技术并借助三菱电机相关产品而设计，由于三菱产品特性的多样性，可视化能源监管系统的实现方案存在多种选择。下面将目前四种主要方案进行介绍并对不同方案进行比较，最终确定系统的总体设计方案。目前基于三菱PLC的数据采集、监测、工业控制方案总共有以下四种：
1）EcoWebServerII方案。该方案主要利用三菱电机推出的EcoWebServerII模块，该模块具备了数据采集、转换与存储等基本功能，另外还集成了一套节能管理支援数据收集软件。这套软件具备测量、输出、显示、保存、监测、通信等功能，其显示功能包括能耗数据实时值显示、能耗数据曲线图以及能耗数据对比曲线图等，很好地体现了三菱电机“可视化”节能的理念。该方案目前已被风洞中心采纳，系统结构图如图2所示。
缺点：软件固化在设备中，无法根据不同项目的需求进行不同的更改，灵活性较差。图表显示方式单一，无法实现对能耗的预测及提供能耗分析工具。需安装JA控件才可进行显示。历史数据存储在设备中，存储量小，无法实现长时间段的数据积累分析及预测。设备昂贵。修改时需用专门的配置软件，增加了成本。软件每年需要额外的费用。
优点：无需额外编程，仅需配置。无需考虑底层通讯的实现方法。
图3EcoWebServerII方案
2）EcoWebServerII扩展方案。该方案仍然采用EcoWebServerII模块，系统结构可分为四层，分别为数据采集层、数据存储层、怎么写作器层和用户层。数据采集层仍利用三菱电机相应的电子测量仪模块进行数据采集，并通过Q06HCPU将CC-Link总线将采集到的数据通过RS-485通讯模块传送至EcoWebserverII模块。优点：可以灵活的按需求配置软件的功能，可以根据客户的要求实现更加多样化。可以存储更大的数据量。为后期能耗模型的研究及建立提供重要依据。
缺点：因为需要占用一定的怎么写作器资源，相对方案一成本更高。且需要额外编程。
3）以太网模块方案。如图4所示，数据测量监控层与方案三相同，传输控制层采用一台Q系列PLC负责CC-Link网络的管理，并通过以太网模块(QJ71E71-100)将数据送到Web怎么写作器，在管理监控层的Web怎么写作器端软件分为怎么写作器和浏览器两种。怎么写作器
源于：论文封面www.udooo.com
上的软件实现项目管理，项目配置，数据管理，系统维护，生成报表，监测数据等功能。当数据监测事件（比如能量用量超过上下限或者系统重启）发生时，系统发送邮件至TP怎么写作器通知。缺点：底层数据的收发及纠错机制完全需要在编程时进行考虑，编程难度及开发周期最大。底层的数据处理方式与之前的方案不兼容，如果需要以前的数据进行能耗分析需要加入额外的控件进行数据格式的转换。
优点：数据吞吐量最大，可以通过缓存进行设计，数据采样时间配置更灵活，实时性更好，可以更好的实现控制功能，控制的实时性更好，硬件成本最低。
图5以太网模块方案
4）MES接口模块方案。如图6所示，系统仍然采用四层结构，数据测量监控层仍然采用三菱的电子测量仪模块进行数据采集，传输控制层由QCPU+CCLINK主站模块+MES模块组成,MES模块通过以太网与怎么写作器相连，通过预先配置可实现将底层的数据实时更新到怎么写作器的数据库中，实现数据的采集。在管理监测层，怎么写作器上的软件实现项目管理，项目配置，数据管理，系统维护，生成报表，监测数据等功能。当数据监测事件（比如能量用量超过上下限或者系统重启）发生时，系统发送邮件至TP怎么写作器通知。此外，系统定期上传报表文件至FTP怎么写作器。以太网内的用户可以通过IE浏览器进行数据、报表的查看及下载。
优点：编程时无需过多的考虑底层数据收发机制，只需将数据库中更新的数据定期进行转换，简化了开发过程。软件上既有方案三的灵活性，又较前两个方案成本更低。
缺点：需求开发人员熟悉MES接口模块，成本较高。
综上，方案四在硬件和软件的综合成本上较方案一、二有较明显的优势，且软件配置上更为灵活，扩展性强。方案三与方案四相比较，成本上方案三占优，但方案三代码量较大，且底层数据通讯方面需要考虑较多，需要有比较成熟与底层通讯相关的类库做支撑才可较好的实现需要的功能。且在继承性方面，方案四能更好的与现有的正在使用的方案兼容。在需求分析方面，方案四适合做数据监测，方案三较适合监测与控制共存的情况。本次开发的系统主要作用为数据的收集、查看及分析功能，对实时的控制要求不高，因此，本系统采用方案四实现。
3结束语
该文首先对可视化能耗监测和管理系统的需求和可行性进行了详细的分析，并根据企业管理的需要将系统分为五大块：实时监测、数据分析、报警管理、报表管理和系统管理。然后介绍了三菱电机推出的MES接口模块的工作原理及应用，并比较了当前基于CC-Link的四种典型的数据采集与监测系统设计方案，确定了总体设计方案。最后，描述了可视化能耗监测和管理系统的程序结构。
参考文献：
三菱多用电子测量仪ME96NSR[Z].三菱电机株式会社,2009.
三菱电子测量仪ME96NSR型[Z].MITSHUBISHI ELECTRIC COMPANY.2008.
[3]三菱电机.Q系列串行口通讯模块用户参考手册:基础篇[Z].
[4] MES模块用户参考手册[Z].Mitsubishi Electric.
[5]刘甲,刘丽媗,赵霞,等.风洞能耗可视化监测平台[J].控制工程,2009,(S4).
[6]江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J].暖通空调,2005,35(5):30-40.
[7]郑明明,陈硕.建筑能耗监测平台的研究[J].建筑节能,2009,37(9):65-67.