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                  基于邊緣計算的鋼鐵企業電力實時數據采集的研究

                   更新日期:2023-08-08 點擊量:113

                  摘要:針對目前鋼鐵企業對能效要求的提高,企業需要建立一套能源管理系統。但是鋼鐵企業過程控制層控制設備繁雜,通信協議繁多,難以實現數據的集成和共享。為此,文中提出了一種基于工業網關的數據采集系統,該系統作為一個標準的數據采集平臺,可實現對多源異構的數據采集,為能源管理系統(EMS)以及后續的企業管理系統(ERP)提供統一的數據。隨后,利用串口和Modbus工具對數據采集系統進行仿真實驗驗證。

                  關鍵詞:實時數據采集;工業網關;仿真

                  0引言

                  隨著這些年引進技術以及自主研發,國內鋼鐵企業的自動化和信息化水平有了長足的進步,各種新的信息化、自動化技術在鋼鐵企業中得到了廣泛的應用。隨著大數據技術的發展,企業對采集和管理全生產過程中的生產、運營數據有著迫切的需求,以改善企業生產管理,改進生產工藝[1]。但各種不同的技術、產品被部署到企業現場后,出現了一些問題:

                  (1)設備種類多,地域分布廣,通訊鏈路比較復雜;

                  (2)傳輸標準多樣化,不同的通訊技術,通訊協議并存;

                  (3)部署、調試與維護管理的成本劇增。

                  鋼鐵企業的能源消耗直接決定了其生產成本,因而降低能耗對提升企業競爭力有著非常重要的意義。同時,鋼鐵企業污染排放量大,如果能合理使用與平衡調配能源,對環境保護也有作用。能源管理系統(以下簡稱“EMS")對全廠能源介質計量實行集中監視,其主要功能是實現高爐煤氣、轉爐煤氣、天然氣、水蒸氣、氧氮氬、水、電等數據計量采集,對在公司層面優化煤氣平衡、減少煤氣放散、提高環保質量、降低噸鋼能耗、提高勞動生產率和能源管理水平將起到十分明顯的促進作用。

                  但是鋼鐵企業過程控制層控制設備繁雜,通信協議繁多,難以實現數據的集成和共享。本文提出了一種基于工業網關的數據采集系統,作為一個數據采集平臺,實現對多源異構的數據進行采集,為能源管理系統(EMS)以及后續企業管理系統(ERP)提供統一的數據。

                  1多源異構數據實時采集系統

                  根據鋼鐵EMS系統的特點,對數據采集子系統提出了以下幾個要求:

                  (1)可靠性。需要能夠在比較嚴酷的工業現場長時間可靠地工作,保證過程數據不丟失。

                  (2)適應性。要求系統能提供企業現場多傳感器、多協議的統一數據接口,開放式可擴展的數據采集框架,為數據后續的系統提供統一、實時的數據。

                  (3)可擴展性??紤]到能源系統隨主系統不斷拓展的特點,數據采集的接口也需要能夠相應地拓展,以便將新的數據源接入到系統中來。

                  (4)可維護性。系統要能夠實現在線診斷、遠程維護等功能,方便找出有問題的采集結點并及時修復,減少人工巡檢的成本。

                  (5)安全性。一方面要確保采集到的數據能夠安全地傳送到EMS上層系統,另外一方面也要確保企業過程控制系統不受外部網絡威脅。

                  目前,企業需要接入ERP系統的各個現場控制系統現狀如表1所列。

                  表1某鋼鐵企業現場控制系統現狀

                  對原有PLC或DCS的系統,通過數據采集系統接入到上層系統即可。對空壓系統和水系統,則需要對其進行相應的改造,實現系統的PLC控制或者DCS控制,并用智能儀表來代替傳統儀表。

                  1.1異構數據采集系統框架設計

                  能源管理系統的構架如圖1所示,在組網方式上,考慮到各個廠區距離較遠,所以采用環形加心形的方式:各個工廠組成一個環網,而工廠里各個采集點采用心形連接接入到環網中。將各個子系統采集到的數據通過交換機傳輸到服務器中。

                  圖1某鋼鐵企業EMS系統

                  1.2多源異構數據采集系統標準化方案

                  為了滿足網絡和互聯網絡貫通,面對大范圍的介入,提供一種標準、可用、易用、易維護的方案。針對企業中RTU和PLC等廠家眾多,在與EMS系統交互時,沒有統一的數據接口的問題,數據采集系統通過使用工業網關來實現對各個系統數據的采集和標準化,從而將統一的數據上傳到EMS系統,方便實時數據服務器對數據進行處理。對于圖1所示的系統中就采用了SymLink智能工業網關。

                  該網關與一些只支持單一通信協議的網關相比,它能支持多種通信鏈路,比如RS-232/485、CAN總線、以太網、WiFi等,可以非常方便地實現與現場設備進行交互;支持采集工業現場的多種工業設備協議,并以多種工業設備協議向其他系統或設備提供數據分發服務,如:OPC、Modbus、IEC61850、IEC60870、PLC等;支持眾多功能,如腳本系統、數據存儲、設備報警等,并能通過互聯網進行應用開發、在線調試、技術支持;圖形化的操作配置也相對比較方便操作。以SymLinkXM4101為例,其支持4路10/100Mb/s自適應以太網接口和10路RS232/485串口,在與下層設備,比如PLC連接后,并在與網關配套的配置軟件SymLink開發系統中,進行對設備和相應通信協議的配置,從而實現數據的采集與轉發。在配置軟件中新建工程后,系統嚴格的按照項目/裝置工程/應用三級進行分類管理,同時在磁盤上按樹狀結構創建文件夾。

                  2數據采集

                  數據采集系統需要從工業現場的設備上,比如PLC,RTU或者智能儀表上獲取EMS系統所屬的數據。要完成這個過程,需要在連接好網關和采集設備的基礎上,明確與掛載設備的通信協議,同時建立起采集點和SymLinkIO中的映射關系,從而在系統讀出現場采集、控制設備上的信息。利用Modbus工具和虛擬串口工具來對數據采集過程進行仿真。

                  2.1采集通道的建立

                  建立工程后,在采集服務下可以選擇新建通道,按提示對通道進行設置。以燃氣系統為例,其采用西門子的S7-300PLC,所以在通道配置下選擇和S7-300通信的規約,廠家和規約信息會自動填入到軟件中。規約庫里內容非常豐富,基本涵蓋了目前常用的通信規約,對于一些特殊的通信協議,也可以根據協議開發出相應的規約驅動,加載到規約庫中。配置好通信規約后,繼續配置通訊所需要的主端口參數。建立通道后可以在通道下掛載設備,一個通道下可以掛載多個設備,可以定義每個設備的名稱,描述設備型號等信息。如圖2所示,建立采集通道C1并在通道配置中選擇通信規約,如ModbusRTU,然后配置串口參數。

                  圖 2 建立采集通道

                  2.2采集點的建立

                  系統中的IO點是對所采集的底層設備(如PLC,智能設備,儀表等)中的信號映射。通過IO點的名稱、描述等屬性,可以準確表達所采集的底層設備(如PLC,智能設備,儀表等)中的信號(如溫度,壓力等)。在數據屬性中,我們可以定義有關該數據的描述、數據類型以及在目標設備中的寄存器地址如圖3所示。該數據的類型包括模擬量、數字量、字符量、數據塊、信號量等類型,在IO點類型中我們可以選擇所采集的IO點對應的數據類型。

                  圖 3 數據參數設置

                  系統通過樹狀結構來管理、展現采集點信息,對數據點采用的是分組管理的方式。這也體現在IO點的命名規則上,如在通道chn1設備PLCS7-300下有一個組G1中的信號TAG1,那該數據所對應的名稱是db.chn1.PLCS7-300.G1.TAG1。在采集通道下新建設備B1后,即可以在里面添加采集點。簡單地采集燃氣流量、溫度壓力等信息,設置其信號類型,以及在PLC中的數據地址,數據類型等。采集到的數據可以在數據監視工具SymLink網關軟件中查看,只要在設備列表中添加設備,填入SymLink工業網關的IP,就可以查看其采集到的數據信息。同時還包括轉發服務、通信報文、設備狀態、日志信息等。工程師可以利用這款軟件監控工業網關的工作狀態,進行遠程的診斷維護等。系統監控畫面如圖4所示。

                  圖4系統監視畫面

                  2.3數據服務

                  采集到的數據要傳送到實時數據服務器中去,這個通過網關的數據服務來實現。類似數據采集,在數據服務下新建通道,選擇好通信協議后,在通道配置界面下選擇加載采集信息。在數據采集中定義的IO采集點會被加載到該界面下。采集點添加完成后,還需要將采集點與轉發通道的協議進行地址信息關聯,否則,第三方系統還是無法獲取采集點的數據。

                  3控制系統安全隔離

                  企業PCS與ERP、MES系統之間需要通過網絡進行必要的互通互聯,完成經營、生產管理層對過程控制層的雙向信息交互,保證企業對生產情況的掌握和控制。但是確保過程控制網絡的安全性不受外部通過企業管理網絡對控制網絡進行攻擊,控制網絡一旦受到病毒、蠕蟲等攻擊,可能導致整個工廠的自動化生產線停產[6]。目前主要采用物理隔離或者防火墻的方式來對系統進行隔離。但是物理隔離的方式往往需要通過人工來進行數據拷貝、抄表等比較低效的方式。我們采用SymLink-GAP工業網關,硬件上利用兩個單獨的主機與內網和SCADA控制網絡相連接,兩臺主機之間采用一塊隔離通信卡實現數據從內網向外網的單向傳輸。通過這種硬件上的設計,既可以實現數據通過網絡上傳,又能夠確保過程控制系統的安全。

                  4 安科瑞網關介紹

                  4.1通信管理機

                  4.1.1概述

                  本系列智能通信管理機是一款采用嵌入式硬件計算機平臺,具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網絡接口,用于將一個目標區域內所有的智能監控/保護裝置的通信數據整理匯總后,實時上傳主站系統,完成遙信、遙測等能源數據采集功能。

                  同時,本系列智能通信管理機支持接收上級主站系統下達的命令,并轉發給目標區域內的智能系列單元,完成對廠站內各開關設備的分、合閘遠方控制或裝置的參數整定,實現遙控和遙調功能,以達到遠動輸出調度命令的目標。

                  4.1.2產品介紹

                  名稱

                  型號

                  圖片

                  功能

                  通信管理機

                  ANet-1E1S1

                  IMG_0430

                  通用網關,1路網口,1路RS485,可選配4G通訊、LORA通訊

                  ANet-1E2S1

                  通用網關,1路網口,2路RS485,可選配4G通訊,LORA通訊

                  ANet-2E4S1

                  通用網關,2路網口,4路RS485

                  ANet-2E8S1

                  通用網關,2路網口,8路RS485

                  ANet-2E4SM

                  2E4SM2

                  通用網關,2路網口,4路RS485,可選配LORA通訊,斷電告警

                  4.2數據轉換模塊

                  4.2.1概述

                  AF-GSM是安科瑞電氣推出的新型的4G遠程無線數據采集設條,采用嵌入式設計。內嵌TCP/IP協議棧,同時采用了功能強大的微處理芯片,配合內置看門狗,性能可靠穩定。

                  本產品提供標準RS485數據接口,可以方便的連接RTU、PLC、工控機等設備,僅需一次性完成初始化配置。就可以完成對MODBUS設備的數據采集,并且與安科瑞服務器進行通訊。

                  5.2.2產品介紹

                  名稱

                  型號

                  圖片

                  功能

                  AF-GSM數據轉換模塊

                  AF-GSM300

                  HG9A9854

                  通用版,1路網口,1路LORA,可選轉4G、CE通訊

                  AF-GSM400

                  通用版,1路網口,1路LORA,可選轉4G、CE、NB、2G通訊


                  AF-GSM500

                  HG9A5213 拷貝

                  點陣液晶顯示、4G通訊、全網通7模、LORA通訊、斷點續傳、U盤拷貝、內嵌8G SD卡、事件記錄,可選擇2路串口或6路串口


                  4.3 無線通訊轉換器

                  4.3.1概述

                  AEW110系列無線通訊轉換器主要用于輔助RS485設備進行無線組網,通過將通訊數據在RS485信號與無線信號之間互轉,完成普通RS485設備的無線通訊。降低用戶通訊組網的施工成本與改造時間??膳cRS485通訊設備靈活安裝,實現局部通訊的無線組網。

                  4.3.2產品介紹

                  名稱

                  型號

                  圖片

                  功能

                  AEW110無線通訊轉換器

                  AEW110-LX

                  HG9A2473

                  RS485通訊接口、470MHz無線通訊、紅外通訊,用于輔助RS485設備進行無線組網或充當無線通訊中繼器使用

                  4.4無線通訊終端

                  4.4.1概述

                  AWT100數據轉換模塊是安科瑞電氣推出的新型數據轉換DTU,通訊數據轉換包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN,GPS,WiFi,CE,DP 等通訊方式,下行接口提供了標準RS485數據接口,可以方便的連接電力儀表、RTU、PLC、工控機等設備,僅需一次性完成初始化配置,就可以完成對MODBUS設備的數據采集;同時AWT100系列無線通訊終端采用了功能強大的微處理芯片,配合內置看門狗技術,性能可靠穩定。

                  AWT200數據通訊網關應用于各種終端設備的數據采集與數據分析。實現設備的監測、控制、計算,為系統與設備之間建立通訊紐帶,實現雙向的數據通訊。實時監測并及時發現異常數據,同時自身根據用戶規則進行邏輯判斷,大大的節省了人力和通訊成本。

                  4.4.2產品介紹

                  名稱

                  型號

                  圖片

                  功能

                  AWT100無線通訊終端

                  AWT100-4G

                  IMG_0380

                  4G通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設備無線通訊

                  AWT100-4GHW

                  4G通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設備無線通訊

                  AWT100-NB

                  NB-IoT通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設備無線通訊

                  AWT100-LoRa

                  LoRa通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設備無線通訊

                  AWT100-LW

                  LoRaWAN通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設備無線通訊

                  AWT100-LW868

                  海外,下行RS485,上行LoRaWAN無線通訊

                  AWT100-LW923

                  海外,下行RS485.上行LoRaWAN無線通訊

                  AWT100-CE

                  RS485通訊接口,以太網通訊雙向透明傳輸

                  AWT100-GPS

                  RS485通訊接口,GPS定位

                  AWT100-WiFi

                  RS485通訊接口,WiFi無線雙向透明傳輸

                  AWT100-DP

                  RS485通訊接口,Profibus通訊雙向透明傳輸

                  AWT200無線通訊終端

                  AWT200-1E4S


                  4路串口,不帶顯示按鍵

                  AWT200-1E4S-4G

                  4路串口,不帶顯示按鍵,4G通訊

                  AWT200-1E4S-4G/K

                  4路串口,不帶顯示按鍵,4G通訊、開關量功能

                  AWT200-1E4S-4G/LR

                  4路串口,不帶顯示按鍵,4G通訊、LORA通訊

                  1_副本AWT200-1E4SL

                  4路串口,帶顯示按鍵

                  AWT200-1E4SL-4G

                  4路串口,帶顯示按鍵,4G通訊

                  AWT200-1E4SL-4G/K

                  4路串口,帶顯示按鍵,4G通訊、開關量功能

                  AWT200-1E4SL-4G/LR

                  4路串口,帶顯示按鍵,4G通訊、LORA通訊

                  AWT200-1E8SL

                  8路串口,帶顯示按鍵

                  AWT200-1E8SL-4G

                  8路串口,帶顯示按鍵,4G通訊

                  5結語

                  本文研究了目前鋼鐵企業建設能源管理系統時面臨的企業現場不同設備,多傳輸協議的復雜現狀,提出了利用工業網關作為一個統一的平臺來實現對工業現場數據采集。同時,還可以將采集的數據用于企業的生產管理、產品工藝改進等過程,對企業的生產有較大的經濟價值。由于企業經營狀況的變動,需要采集點的數量可能會相應增加或者減少,不同的現場對接口的需求可能也有所不同。所以模塊化的工業網關也會成為一個可能的發展趨勢。

                  參考文獻

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                  [3]智能電網用戶端電力監控/電能管理/電氣安全(產品報價手冊).2023.01版

                  [4]企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.


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