基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)的鋼鐵企業(yè)實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)

毛蘇杭　宋蘊(yùn)璞　劉林

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(tǒng)。但是鋼鐵企業(yè)過程控制層控制設(shè)備繁雜，通信協(xié)議繁多，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集平臺，可實現(xiàn)對多源異構(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)。最后，利用串口和Modbus工具對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗驗證。

關(guān)鍵詞：實時數(shù)據(jù)采集；能源管理系統(tǒng)；工業(yè)網(wǎng)關(guān)；仿真

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

隨著這些年引進(jìn)技術(shù)以及自主研發(fā)，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的自動化和信息化水平有了長足的進(jìn)步，各種新的信息化、自動化技術(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)對采集和管理全生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)、運(yùn)營數(shù)據(jù)有著迫切的需求，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(xiàn)場后，出現(xiàn)了一些問題：

（1）設(shè)備種類多，地域分布廣，通訊鏈路比較復(fù)雜；

（2）傳輸標(biāo)準(zhǔn)多樣化，不同的通訊技術(shù)，通訊協(xié)議并存；

（3）部署、調(diào)試與維護(hù)管理的成本劇增[2]。

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)競爭力有著非常重要的意義。同時，鋼鐵企業(yè)污染排放量大，如果能合理使用與平衡調(diào)配能源，對環(huán)境保護(hù)也有積極作用。能源管理系統(tǒng)（以下簡稱“EMS”）對全廠能源介質(zhì)計量實行集中監(jiān)視，其主要功能是實現(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)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)過程控制層控制設(shè)備繁雜，通信協(xié)議繁多，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成和共享。本文提出了一種基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，作為一個數(shù)據(jù)采集平臺，實現(xiàn)對多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，為能源管理系統(tǒng)（EMS）以及后續(xù)企業(yè)管理系統(tǒng)（ERP）提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。

1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)

根據(jù)鋼鐵EMS系統(tǒng)的特點(diǎn)，對數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)提出了以下幾個要求：

（1）可靠性。需要能夠在比較嚴(yán)酷的工業(yè)現(xiàn)場長時間可靠地工作，保證過程數(shù)據(jù)不丟失。

（2）適應(yīng)性。要求系統(tǒng)能提供企業(yè)現(xiàn)場多傳感器、多協(xié)議的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，開放式可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集框架，為數(shù)據(jù)后續(xù)的系統(tǒng)提供統(tǒng)一、全面、實時的數(shù)據(jù)。

（3）可擴(kuò)展性。考慮到能源系統(tǒng)隨主系統(tǒng)不斷拓展的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集的接口也需要能夠相應(yīng)地拓展，以便將新的數(shù)據(jù)源接入到系統(tǒng)中來。

（4）可維護(hù)性。系統(tǒng)最好能夠?qū)崿F(xiàn)在線診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能，方便找出有問題的采集結(jié)點(diǎn)并及時修復(fù)，減少人工巡檢的成本[3]。

（5）安全性。一方面要確保采集到的數(shù)據(jù)能夠安全地傳送到EMS上層系統(tǒng)，另外一方面也要確保企業(yè)過程控制系統(tǒng)不受外部網(wǎng)絡(luò)威脅。

目前，企業(yè)需要接入ERP系統(tǒng)的各個現(xiàn)場控制系統(tǒng)現(xiàn)狀如表1所列。

對原先有PLC或DCS的系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入到上層系統(tǒng)即可。對空壓系統(tǒng)和水系統(tǒng)，則需要對其進(jìn)行相應(yīng)的改造，實現(xiàn)系統(tǒng)的PLC控制或者DCS控制，并用智能儀表來代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表。

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

能源管理系統(tǒng)的構(gòu)架如圖1所示，在組網(wǎng)方式上，考慮到各個廠區(qū)距離較遠(yuǎn)，所以采用環(huán)形加心形的方式：各個工廠組成一個環(huán)網(wǎng)，而工廠里各個采集點(diǎn)采用心形連接接入到環(huán)網(wǎng)中。將各個子系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過交換機(jī)傳輸?shù)椒?wù)器中。

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

為了滿足網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)融合，面對大范圍的介入，提供一種標(biāo)準(zhǔn)、可用、易用、易維護(hù)的方案。針對企業(yè)中RTU和PLC等廠家眾多，在與EMS系統(tǒng)交互時，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口的問題，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過使用工業(yè)網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)對各個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和標(biāo)準(zhǔn)化，最終將統(tǒng)一的數(shù)據(jù)上傳到EMS系統(tǒng)，方便實時數(shù)據(jù)服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[4]。

對于圖1所示的系統(tǒng)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、以太網(wǎng)、WiFi等，可以非常方便地實現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行交互；支持采集工業(yè)現(xiàn)場的多種工業(yè)設(shè)備協(xié)議，并以多種工業(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；支持眾多的高級功能，如腳本系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲、設(shè)備報警等，并能通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)、在線調(diào)試、技術(shù)支持；圖形化的操作配置也相對比較方便操作[5]。

以SymLink XM4101為例，其支持4路10/100 Mb/s自適應(yīng)以太網(wǎng)接口和10路RS 232/485串口，在與下層設(shè)備，比如PLC連接后，并在與網(wǎng)關(guān)配套的配置軟件SymLink開發(fā)系統(tǒng)中，進(jìn)行對設(shè)備和相應(yīng)通信協(xié)議的配置，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)發(fā)。在配置軟件中新建工程后，系統(tǒng)嚴(yán)格的按照項目/裝置工程/應(yīng)用三級進(jìn)行分類管理，同時在磁盤上按樹狀結(jié)構(gòu)創(chuàng)建文件夾。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要從工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備上，比如PLC，RTU或者智能儀表上獲取EMS系統(tǒng)所屬的數(shù)據(jù)。要完成這個過程，需要在連接好網(wǎng)關(guān)和采集設(shè)備的基礎(chǔ)上，明確與掛載設(shè)備的通信協(xié)議，同時建立起采集點(diǎn)和SymLink IO中的映射關(guān)系，從而在系統(tǒng)讀出現(xiàn)場采集、控制設(shè)備上的信息。利用Modbus工具和虛擬串口工具來對數(shù)據(jù)采集過程進(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(shè)置。以燃?xì)庀到y(tǒng)為例，其采用西門子的S7-300 PLC，所以在通道配置下選擇和S7-300通信的規(guī)約，廠家和規(guī)約信息會自動填入到軟件中。規(guī)約庫里內(nèi)容非常豐富，基本涵蓋了目前常用的通信規(guī)約，對于一些特殊的通信協(xié)議，也可以根據(jù)協(xié)議開發(fā)出相應(yīng)的規(guī)約驅(qū)動，加載到規(guī)約庫中。配置好通信規(guī)約后，繼續(xù)配置通訊所需要的主端口參數(shù)。建立通道后可以在通道下掛載設(shè)備，一個通道下可以掛載多個設(shè)備，可以定義每個設(shè)備的名稱，描述設(shè)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(guī)約，如Modbus RTU，然后配置串口參數(shù)。

2.2 采集點(diǎn)的建立

系統(tǒng)中的IO點(diǎn)是對所采集的底層設(shè)備（如PLC，智能設(shè)備，儀表等）中的信號映射。通過IO點(diǎn)的名稱、描述等屬性，可以準(zhǔn)確表達(dá)所采集的底層設(shè)備（如PLC，智能設(shè)備，儀表等）中的信號（如溫度，壓力等）。在數(shù)據(jù)屬性中，我們可以定義有關(guān)該數(shù)據(jù)的描述、數(shù)據(jù)類型以及在目標(biāo)設(shè)備中的寄存器地址如圖3所示。該數(shù)據(jù)的類型包括模擬量、數(shù)字量、字符量、數(shù)據(jù)塊、信號量等類型，在IO點(diǎn)類型中我們可以選擇所采集的IO點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。

系統(tǒng)通過樹狀結(jié)構(gòu)來管理、展現(xiàn)采集點(diǎn)信息，對數(shù)據(jù)點(diǎn)采用的是分組管理的方式。這也體現(xiàn)在IO點(diǎn)的命名規(guī)則上，如在通道chn1設(shè)備PLC S7-300下有第一個組G1中的信號TAG1，那該數(shù)據(jù)所對應(yīng)的名稱是db.chn1.PLC S7-300.G1.TAG1。在采集通道下新建設(shè)備B1后，即可以在里面添加采集點(diǎn)。簡單地采集燃?xì)饬髁?、溫度壓力等信息，設(shè)置其信號類型，以及在PLC中的數(shù)據(jù)地址，數(shù)據(jù)類型等。

采集到的數(shù)據(jù)可以在數(shù)據(jù)監(jiān)視工具SymLink網(wǎng)關(guān)軟件中查看，只要在設(shè)備列表中添加設(shè)備，填入SymLink工業(yè)網(wǎng)關(guān)的IP，就可以查看其采集到的數(shù)據(jù)信息。同時還包括轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)、通信報文、設(shè)備狀態(tài)、日志信息等。工程師可以利用這款軟件監(jiān)控工業(yè)網(wǎng)關(guān)的工作狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷維護(hù)等。系統(tǒng)監(jiān)控畫面如圖4所示。

2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)

采集到的數(shù)據(jù)要傳送到實時數(shù)據(jù)服務(wù)器中去，這個通過網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)來實現(xiàn)。類似數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集中定義的IO采集點(diǎn)會被加載到該界面下。采集點(diǎn)添加完成后，還需要將采集點(diǎn)與轉(zhuǎn)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(tǒng)還是無法獲取采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

3 控制系統(tǒng)安全隔離

企業(yè)PCS與ERP、MES系統(tǒng)之間需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行必要的互通互聯(lián)，完成經(jīng)營、生產(chǎn)管理層對過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。但是確保過程控制網(wǎng)絡(luò)的安全性不受外部通過企業(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、蠕蟲等攻擊，可能導(dǎo)致整個工廠的自動化生產(chǎn)線停產(chǎn)[6]。目前主要采用物理隔離或者防火墻的方式來對系統(tǒng)進(jìn)行隔離。但是物理隔離的方式往往需要通過人工來進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝、抄表等比較低效的方式[7]。

我們采用SymLink-GAP工業(yè)網(wǎng)關(guān)，硬件上利用兩個獨(dú)立的主機(jī)與內(nèi)網(wǎng)和SCADA控制網(wǎng)絡(luò)相連接，兩臺主機(jī)之間采用一塊隔離通信卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)從內(nèi)網(wǎng)向外網(wǎng)的單向傳輸。通過這種硬件上的設(shè)計，既可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳，又能夠確保過程控制系統(tǒng)的安全。

4 結(jié) 語

本文研究了目前鋼鐵企業(yè)建設(shè)能源管理系統(tǒng)時面臨的企業(yè)現(xiàn)場不同設(shè)備，多傳輸協(xié)議的復(fù)雜現(xiàn)狀，提出了利用工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為一個統(tǒng)一的平臺來實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。同時，還可以將采集的數(shù)據(jù)用于企業(yè)的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品工藝改進(jìn)等過程，對企業(yè)的生產(chǎn)有較大的經(jīng)濟(jì)價值。由于企業(yè)經(jīng)營狀況的變動，需要采集點(diǎn)的數(shù)量可能會相應(yīng)增加或者減少，不同的現(xiàn)場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)也會成為一個可能的發(fā)展趨勢。

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]魏海明.冶金能源管理系統(tǒng)的發(fā)展[J].寶鋼技術(shù)，2007（5）：28-34.

[4]何建忠.基于MODBUS協(xié)議的工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2013.

[5]唐昱佳.基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28（12）： 161-164.

[6]朱鵬.基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)的安全技術(shù)研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2013.

[7]胡家銘.企業(yè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全問題分析及應(yīng)對方案[D].長春：吉林大學(xué)，2014.