摘要：針對(duì)目前鋼鐵企業(yè)能效要求的提高，企業(yè)需要建立能源管理系統(tǒng)。但鋼鐵企業(yè)過程控制層控制設(shè)備復(fù)雜，通信協(xié)議多，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和共享。因此，本文提出了一個(gè)基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)采集，為能源管理系統(tǒng)（EMS）以及后續(xù)的企業(yè)管理系統(tǒng)（ERP）提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。隨后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過串口和Modbus工具進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

關(guān)鍵字：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；工業(yè)網(wǎng)關(guān)；模擬

引言

隨著近年來技術(shù)的引進(jìn)和自主研發(fā)，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的自動(dòng)化和信息化水平取得了長足的進(jìn)步，各種新的信息化和自動(dòng)化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)迫切需要收集和管理整個(gè)生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)和運(yùn)營數(shù)據(jù)，以改善企業(yè)的生產(chǎn)管理和生產(chǎn)過程[1]。然而，在企業(yè)現(xiàn)場部署了各種技術(shù)和產(chǎn)品后，出現(xiàn)了一些問題:

設(shè)備種類繁多，地域分布廣泛，通信鏈路復(fù)雜；

傳輸標(biāo)準(zhǔn)多樣化，通信技術(shù)不同，通信協(xié)議并存；

部署、調(diào)試和維護(hù)管理的成本急劇增加；

鋼鐵企業(yè)的能耗直接決定了其生產(chǎn)成本，因此降低能耗對(duì)于提高企業(yè)競爭力具有重要意義。與此同時(shí)，鋼鐵企業(yè)污染排放量大，如果能夠合理利用和平衡能源，對(duì)環(huán)境保護(hù)也有作用。能源管理系統(tǒng)(以下簡稱“EMS)對(duì)全廠能源介質(zhì)的計(jì)量進(jìn)行集中監(jiān)控，其主要功能是實(shí)現(xiàn)高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、天然氣、水蒸氣、氧氮?dú)?、水、電等?shù)據(jù)的計(jì)量采集，對(duì)公司層面優(yōu)化煤氣平衡、減少煤氣放散、提高環(huán)保質(zhì)量、降低噸鋼能耗、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和能源管理水平將起到非常明顯的促進(jìn)作用。

但鋼鐵企業(yè)過程控制層控制設(shè)備復(fù)雜，通信協(xié)議多，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和共享。本文提出了一個(gè)基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，作為一個(gè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，可以為能源管理系統(tǒng)采集多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。（EMS）以及后續(xù)的企業(yè)管理系統(tǒng)（ERP）提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。、

1實(shí)時(shí)采集多源異構(gòu)數(shù)據(jù)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)根據(jù)鋼鐵EMS系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了以下要求：

(1)可靠性。要能在較為嚴(yán)酷的工業(yè)現(xiàn)場長時(shí)間可靠地工作，確保流程數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

(2)適應(yīng)性。要求系統(tǒng)提供企業(yè)現(xiàn)場多傳感器、多協(xié)議的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，開放可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集框架，為后續(xù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

(3)可擴(kuò)展性?？紤]到能源系統(tǒng)隨主系統(tǒng)不斷擴(kuò)展的特點(diǎn)，為了將新的數(shù)據(jù)源連接到系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集的接口也需要能夠相應(yīng)擴(kuò)展。

(4)可維護(hù)性。系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)在線診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能，便于找出有問題的收集點(diǎn)并及時(shí)修復(fù)，降低人工檢查成本。

(5)安全。一方面要保證收集到的數(shù)據(jù)能夠安全傳輸?shù)紼MS上層系統(tǒng)，另一方面也要保證企業(yè)過程控制系統(tǒng)不受外部網(wǎng)絡(luò)的威脅。

當(dāng)前，企業(yè)需要訪問ERP系統(tǒng)的各種現(xiàn)場控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀如表1所列。

表1某鋼鐵企業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

對(duì)于原有的PLC或DCS系統(tǒng)，上層系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。對(duì)于空氣壓縮系統(tǒng)和水系統(tǒng)，需要進(jìn)行相應(yīng)的改造，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PLC控制或DCS控制，并用智能儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器。

1.1異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

能源管理系統(tǒng)的框架如圖1所示。在網(wǎng)絡(luò)組裝方式上，考慮到每個(gè)工廠之間的距離很遠(yuǎn)，采用環(huán)形和心形的方式:每個(gè)工廠形成一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，工廠的每個(gè)收集點(diǎn)都采用心形連接到環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。通過交換機(jī)將每個(gè)子系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。

圖1某鋼鐵企業(yè)EMS系統(tǒng)

1.2多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化方案

面對(duì)廣泛的介入，為了滿足網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的連接，提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、可用性、易用性和易于維護(hù)的方案。針對(duì)RTU、PLC等眾多企業(yè)，在與EMS系統(tǒng)互動(dòng)時(shí)沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口問題，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用工業(yè)網(wǎng)關(guān)對(duì)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和標(biāo)準(zhǔn)化，從而將統(tǒng)一的數(shù)據(jù)上傳到EMS系統(tǒng)，方便實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器處理數(shù)據(jù)。SymLink智能工業(yè)網(wǎng)關(guān)被用于圖1所示的系統(tǒng)。

與一些只支持單一通信協(xié)議的網(wǎng)關(guān)相比，該網(wǎng)關(guān)可以支持RS-232/485等多種通信鏈接。、CAN總線、以太網(wǎng)、WiFi等。，可以非常方便地與現(xiàn)場設(shè)備互動(dòng)；支持在工業(yè)現(xiàn)場收集各種工業(yè)設(shè)備協(xié)議，并通過各種工業(yè)設(shè)備協(xié)議向其他系統(tǒng)或設(shè)備提供數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，如:OPC、Modbus、IEC61850、IEC60870、PLC等；支持腳本系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備報(bào)警等多種功能。，并且可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)、在線調(diào)試和技術(shù)支持；圖形操作配置也相對(duì)方便操作。以SymLinkXM4101為例，它支持4路10/100Mb/s自適應(yīng)以太網(wǎng)接口和10路RS232/485串口，在與PLC等下層設(shè)備連接后，在SymLink開發(fā)系統(tǒng)中配置設(shè)備和相應(yīng)的通信協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)發(fā)。新建工程配置軟件后，系統(tǒng)嚴(yán)格按照工程/設(shè)備工程/應(yīng)用三個(gè)層次進(jìn)行分類管理，同時(shí)根據(jù)樹形結(jié)構(gòu)在磁盤上創(chuàng)建文件夾。

2數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要從PLC、RTU或智能儀器等工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中獲取EMS系統(tǒng)所屬的數(shù)據(jù)。為了完成這一過程，需要在連接網(wǎng)關(guān)和采集設(shè)備的基礎(chǔ)上明確與裝載設(shè)備的通信協(xié)議，并在SymLinkIO中建立采集點(diǎn)和映射關(guān)系，從而在系統(tǒng)中讀取現(xiàn)場采集和控制設(shè)備上的信息。利用Modbus工具和虛擬串口工具模擬數(shù)據(jù)采集過程。

3控制系統(tǒng)安全隔離

公司PCS和ERP、MES系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行必要的互聯(lián)互通，完成業(yè)務(wù)和生產(chǎn)管理層對(duì)過程控制層的雙向信息交互，保證企業(yè)對(duì)生產(chǎn)狀況的掌握和控制。然而，為了保證過程控制網(wǎng)絡(luò)的安全性，控制網(wǎng)絡(luò)的安全性不會(huì)受到外部企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)的攻擊。一旦控制網(wǎng)絡(luò)受到病毒和蠕蟲的攻擊，整個(gè)工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)線可能會(huì)停止生產(chǎn)[6]。目前系統(tǒng)主要采用物理隔離或防火墻隔離的方式。然而，物理隔離通常需要手動(dòng)復(fù)制數(shù)據(jù)，我們可以使用相對(duì)低效的方式，例如，使用A...

4安科瑞網(wǎng)關(guān)介紹

（1）概述

本系列智能通信管理機(jī)采用嵌入式硬件計(jì)算機(jī)平臺(tái)，具有多個(gè)下行通信接口和一個(gè)或多個(gè)上行網(wǎng)絡(luò)接口。整理匯總一個(gè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有智能監(jiān)控/保護(hù)裝置的通信數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)上傳主站系統(tǒng)，完成遙信、遙測等能源數(shù)據(jù)采集功能。

同時(shí)，該系列智能通信管理機(jī)支持接收上級(jí)主站系統(tǒng)下達(dá)的命令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)區(qū)域的智能系列單元，以達(dá)到遠(yuǎn)程輸出調(diào)度命令的目的，完成工廠站內(nèi)各開關(guān)設(shè)備的分離、關(guān)閉遠(yuǎn)程控制或設(shè)備參數(shù)的整定，實(shí)現(xiàn)遙控和遠(yuǎn)程調(diào)度功能。

（2）產(chǎn)品介紹

5結(jié)語

本文研究了目前鋼鐵企業(yè)在建設(shè)能源管理系統(tǒng)時(shí)面臨的企業(yè)現(xiàn)場不同設(shè)備和多傳輸協(xié)議的復(fù)雜現(xiàn)狀，提出利用工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為統(tǒng)一的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，采集的數(shù)據(jù)也可用于企業(yè)的生產(chǎn)管理和產(chǎn)品技術(shù)改進(jìn)，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于企業(yè)經(jīng)營狀況的變化，需要采集點(diǎn)的數(shù)量可能會(huì)相應(yīng)增加或減少，不同的現(xiàn)場對(duì)接口的需求可能會(huì)有所不同。因此，模塊化工業(yè)網(wǎng)關(guān)也將成為一種可能的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]王永川，陳光明.鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)方案研究[J].冶金能源，2003，22（6）：5-8.

[2]郭藍(lán)天.數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的研制及其在中型熱電廠運(yùn)行管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].青島：青島科技大學(xué)，2012.

[3]智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控/電能管理/電氣安全（產(chǎn)品報(bào)價(jià)手冊(cè)）.2023.01版

[4]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版.