基于邊緣計算的鋼鐵企業(yè)電力實(shí)時(shí)數據采集的研究

摘要：針對目前鋼鐵企業(yè)對能效要求的提高，企業(yè)需要建立一套能源管理系統。但是鋼鐵企業(yè)過(guò)程控制層控制設備繁雜，通信協(xié)議繁多，難以實(shí)現數據的集成和共享。為此，文中提出了一種基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)的數據采集系統，該系統作為一個(gè)標準的數據采集平臺，可實(shí)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(yè)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(jìn)行仿真實(shí)驗驗證。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)數據采集；工業(yè)網(wǎng)關(guān)；仿真

0引言

隨著(zhù)這些年引進(jìn)技術(shù)以及自主研發(fā)，國內鋼鐵企業(yè)的自動(dòng)化和信息化水平有了長(cháng)足的進(jìn)步，各種新的信息化、自動(dòng)化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中得到了廣泛的應用。隨著(zhù)大數據技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)對采集和管理全生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)、運營(yíng)數據有著(zhù)迫切的需求，以改善企業(yè)生產(chǎn)管理，改進(jìn)生產(chǎn)工藝[1]。但各種不同的技術(shù)、產(chǎn)品被部署到企業(yè)現場(chǎng)后，出現了一些問(wèn)題：

（1）設備種類(lèi)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(shù)，通訊協(xié)議并存；

（3）部署、調試與維護管理的成本劇增。

鋼鐵企業(yè)的能源消耗直接決定了其生產(chǎn)成本，因而降低能耗對提升企業(yè)競爭力有著(zhù)非常重要的意義。同時(shí)，鋼鐵企業(yè)污染排放量大，如果能合理使用與平衡調配能源，對環(huán)境保護也有作用。能源管理系統（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“EMS"）對全廠(chǎng)能源介質(zhì)計量實(shí)行集中監視，其主要功能是實(shí)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(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十分明顯的促進(jìn)作用。

但是鋼鐵企業(yè)過(guò)程控制層控制設備繁雜，通信協(xié)議繁多，難以實(shí)現數據的集成和共享。本文提出了一種基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)的數據采集系統，作為一個(gè)數據采集平臺，實(shí)現對多源異構的數據進(jìn)行采集，為能源管理系統（EMS）以及后續企業(yè)管理系統（ERP）提供統一的數據。

1多源異構數據實(shí)時(shí)采集系統

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

（1）可靠性。需要能夠在比較嚴酷的工業(yè)現場(chǎng)長(cháng)時(shí)間可靠地工作，保證過(guò)程數據不丟失。

（2）適應性。要求系統能提供企業(yè)現場(chǎng)多傳感器、多協(xié)議的統一數據接口，開(kāi)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(shí)時(shí)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(diǎn)，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(lái)。

（4）可維護性。系統要能夠實(shí)現在線(xiàn)診斷、遠程維護等功能，方便找出有問(wèn)題的采集結點(diǎn)并及時(shí)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(yè)過(guò)程控制系統不受外部網(wǎng)絡(luò )威脅。

目前，企業(yè)需要接入ERP系統的各個(gè)現場(chǎng)控制系統現狀如表1所列。

表1某鋼鐵企業(yè)現場(chǎng)控制系統現狀

對原有PLC或DCS的系統，通過(guò)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(jìn)行相應的改造，實(shí)現系統的PLC控制或者DCS控制，并用智能儀表來(lái)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(wǎng)方式上，考慮到各個(gè)廠(chǎng)區距離較遠，所以采用環(huán)形加心形的方式：各個(gè)工廠(chǎng)組成一個(gè)環(huán)網(wǎng)，而工廠(chǎng)里各個(gè)采集點(diǎn)采用心形連接接入到環(huán)網(wǎng)中。將各個(gè)子系統采集到的數據通過(guò)交換機傳輸到服務(wù)器中。

圖1某鋼鐵企業(yè)EMS系統

1.2多源異構數據采集系統標準化方案

為了滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )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(yè)中RTU和PLC等廠(chǎng)家眾多，在與EMS系統交互時(shí)，沒(méi)有統一的數據接口的問(wèn)題，數據采集系統通過(guò)使用工業(yè)網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現對各個(gè)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(shí)時(shí)數據服務(wù)器對數據進(jìn)行處理。對于圖1所示的系統中就采用了SymLink智能工業(yè)網(wǎng)關(guān)。

該網(wǎng)關(guān)與一些只支持單一通信協(xié)議的網(wǎng)關(guān)相比，它能支持多種通信鏈路，比如RS-232/485、CAN總線(xiàn)、以太網(wǎng)、WiFi等，可以非常方便地實(shí)現與現場(chǎng)設備進(jìn)行交互；支持采集工業(yè)現場(chǎng)的多種工業(yè)設備協(xié)議，并以多種工業(yè)設備協(xié)議向其他系統或設備提供數據分發(fā)服務(wù)，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(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行應用開(kāi)發(fā)、在線(xiàn)調試、技術(shù)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(wǎng)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(wǎng)關(guān)配套的配置軟件SymLink開(kāi)發(fā)系統中，進(jìn)行對設備和相應通信協(xié)議的配置，從而實(shí)現數據的采集與轉發(fā)。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(jìn)行分類(lèi)管理，同時(shí)在磁盤(pán)上按樹(shù)狀結構創(chuàng )建文件夾。

2數據采集

數據采集系統需要從工業(yè)現場(chǎng)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(gè)過(guò)程，需要在連接好網(wǎng)關(guān)和采集設備的基礎上，明確與掛載設備的通信協(xié)議，同時(shí)建立起采集點(diǎn)和SymLinkIO中的映射關(guān)系，從而在系統讀出現場(chǎng)采集、控制設備上的信息。利用Modbus工具和虛擬串口工具來(lái)對數據采集過(guò)程進(jìn)行仿真。

2.1采集通道的建立

建立工程后，在采集服務(wù)下可以選擇新建通道，按提示對通道進(jìn)行設置。以燃氣系統為例，其采用西門(mén)子的S7-300PLC，所以在通道配置下選擇和S7-300通信的規約，廠(chǎng)家和規約信息會(huì )自動(dòng)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(xié)議，也可以根據協(xié)議開(kāi)發(fā)出相應的規約驅動(dòng)，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(gè)通道下可以?huà)燧d多個(gè)設備，可以定義每個(gè)設備的名稱(chēng)，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(diǎn)的建立

系統中的IO點(diǎn)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(guò)IO點(diǎn)的名稱(chēng)、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(guān)該數據的描述、數據類(lèi)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(lèi)型包括模擬量、數字量、字符量、數據塊、信號量等類(lèi)型，在IO點(diǎn)類(lèi)型中我們可以選擇所采集的IO點(diǎn)對應的數據類(lèi)型。

圖 3 數據參數設置

系統通過(guò)樹(shù)狀結構來(lái)管理、展現采集點(diǎn)信息，對數據點(diǎn)采用的是分組管理的方式。這也體現在IO點(diǎn)的命名規則上，如在通道chn1設備PLCS7-300下有一個(gè)組G1中的信號TAG1，那該數據所對應的名稱(chēng)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(diǎn)。簡(jiǎn)單地采集燃氣流量、溫度壓力等信息，設置其信號類(lèi)型，以及在PLC中的數據地址，數據類(lèi)型等。采集到的數據可以在數據監視工具SymLink網(wǎng)關(guān)軟件中查看，只要在設備列表中添加設備，填入SymLink工業(yè)網(wǎng)關(guān)的IP，就可以查看其采集到的數據信息。同時(shí)還包括轉發(fā)服務(wù)、通信報文、設備狀態(tài)、日志信息等。工程師可以利用這款軟件監控工業(yè)網(wǎng)關(guān)的工作狀態(tài)，進(jìn)行遠程的診斷維護等。系統監控畫(huà)面如圖4所示。

圖4系統監視畫(huà)面

2.3數據服務(wù)

采集到的數據要傳送到實(shí)時(shí)數據服務(wù)器中去，這個(gè)通過(guò)網(wǎng)關(guān)的數據服務(wù)來(lái)實(shí)現。類(lèi)似數據采集，在數據服務(wù)下新建通道，選擇好通信協(xié)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(diǎn)會(huì )被加載到該界面下。采集點(diǎn)添加完成后，還需要將采集點(diǎn)與轉發(fā)通道的協(xié)議進(jìn)行地址信息關(guān)聯(lián)，否則，第三方系統還是無(wú)法獲取采集點(diǎn)的數據。

3控制系統安全隔離

企業(yè)PCS與ERP、MES系統之間需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行必要的互通互聯(lián)，完成經(jīng)營(yíng)、生產(chǎn)管理層對過(guò)程控制層的雙向信息交互，保證企業(yè)對生產(chǎn)情況的掌握和控制。但是確保過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò )的安全性不受外部通過(guò)企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò )對控制網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行攻擊，控制網(wǎng)絡(luò )一旦受到病毒、蠕蟲(chóng)等攻擊，可能導致整個(gè)工廠(chǎng)的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)停產(chǎn)[6]。目前主要采用物理隔離或者防火墻的方式來(lái)對系統進(jìn)行隔離。但是物理隔離的方式往往需要通過(guò)人工來(lái)進(jìn)行數據拷貝、抄表等比較低效的方式。我們采用SymLink-GAP工業(yè)網(wǎng)關(guān)，硬件上利用兩個(gè)單獨的主機與內網(wǎng)和SCADA控制網(wǎng)絡(luò )相連接，兩臺主機之間采用一塊隔離通信卡實(shí)現數據從內網(wǎng)向外網(wǎng)的單向傳輸。通過(guò)這種硬件上的設計，既可以實(shí)現數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳，又能夠確保過(guò)程控制系統的安全。

4 安科瑞網(wǎng)關(guān)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(gè)下行通信接口及一個(gè)或者多個(gè)上行網(wǎng)絡(luò )接口，用于將一個(gè)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(shí)時(shí)上傳主站系統，完成遙信、遙測等能源數據采集功能。

同時(shí)，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(fā)給目標區域內的智能系列單元，完成對廠(chǎng)站內各開(kāi)關(guān)設備的分、合閘遠方控制或裝置的參數整定，實(shí)現遙控和遙調功能，以達到遠動(dòng)輸出調度命令的目標。

4.1.2產(chǎn)品介紹

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(wú)線(xiàn)數據采集設條，采用嵌入式設計。內嵌TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)采用了功能強大的微處理芯片，配合內置看門(mén)狗，性能可靠穩定。

本產(chǎn)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(wù)器進(jìn)行通訊。

5.2.2產(chǎn)品介紹

4.3 無(wú)線(xiàn)通訊轉換器

4.3.1概述

AEW110系列無(wú)線(xiàn)通訊轉換器主要用于輔助RS485設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，通過(guò)將通訊數據在RS485信號與無(wú)線(xiàn)信號之間互轉，完成普通RS485設備的無(wú)線(xiàn)通訊。降低用戶(hù)通訊組網(wǎng)的施工成本與改造時(shí)間?？膳cRS485通訊設備靈活安裝，實(shí)現局部通訊的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)。

4.3.2產(chǎn)品介紹

4.4無(wú)線(xiàn)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(shí)AWT100系列無(wú)線(xiàn)通訊終端采用了功能強大的微處理芯片，配合內置看門(mén)狗技術(shù)，性能可靠穩定。

AWT200數據通訊網(wǎng)關(guān)應用于各種終端設備的數據采集與數據分析。實(shí)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(shí)現雙向的數據通訊。實(shí)時(shí)監測并及時(shí)發(fā)現異常數據，同時(shí)自身根據用戶(hù)規則進(jìn)行邏輯判斷，大大的節省了人力和通訊成本。

4.4.2產(chǎn)品介紹

5結語(yǔ)

本文研究了目前鋼鐵企業(yè)建設能源管理系統時(shí)面臨的企業(yè)現場(chǎng)不同設備，多傳輸協(xié)議的復雜現狀，提出了利用工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為一個(gè)統一的平臺來(lái)實(shí)現對工業(yè)現場(chǎng)數據采集。同時(shí)，還可以將采集的數據用于企業(yè)的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品工藝改進(jìn)等過(guò)程，對企業(yè)的生產(chǎn)有較大的經(jīng)濟價(jià)值。由于企業(yè)經(jīng)營(yíng)狀況的變動(dòng)，需要采集點(diǎn)的數量可能會(huì )相應增加或者減少，不同的現場(chǎng)對接口的需求可能也有所不同。所以模塊化的工業(yè)網(wǎng)關(guān)也會(huì )成為一個(gè)可能的發(fā)展趨勢。

參考文獻

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

[2]郭藍天.數據采集網(wǎng)關(guān)的研制及其在中型熱電廠(chǎng)運行管理系統中的應用[D].青島：青島科技大學(xué)，2012.

[3]智能電網(wǎng)用戶(hù)端電力監控/電能管理/電氣安全（產(chǎn)品報價(jià)手冊）.2023.01版

[4]企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.