基于物聯網的冶金企業(yè)應急管理平臺設計

張宏利

（承德鋼鐵集團有限公司，河北 承德 067000）

物聯網(Thc Intcrnct of things)概念是1999年由麻省理工學院自動標識中心(MITAuto-ID Center)提出,早期的定義很簡單：把所有物品通過射頻識別標簽等信息傳感設備與互聯網連接起來,實現智能化識別和管理[1]。通常來說物聯網由感知層、網絡層和應用層組成[2]。物聯網被看作信息領域一次重大的發(fā)展和變革機遇．歐盟委員會認為物聯網的發(fā)展應用將在未來5～15年中為解決現代社會問題帶來極大貢獻，2009年以來，一些發(fā)達國家紛紛出臺物聯網發(fā)展計劃進行相關技術和產業(yè)的前瞻布局我國也將物聯網作為戰(zhàn)略性的新興產業(yè)予以重點關注和推進[3]。物聯網的技術促進了世界上人與機器、與自然、社會之間的交流，讓人們的生活變得更加便捷和美好。

1 應急管理系統的組成

應急管理系統整體架構共分為三層，分別為數據采集層、數據處理層、數據展示層。結構圖如下：

1.1 數據采集層

數據采集層主要采集現場PLC、DCS、儀表設備信息數據，可以將所有設備通過交換機匯總到一起，輸出匯總后連接采集模塊（模塊具備存儲功能，在斷網等異常情況下，本身可以存儲一定量的歷史數據），設備連接到數據處理層的實時數據庫。

1.2 數據處理層

數據處理層主要負責對提取上來的儀表數據進行處理和存儲，為系統程序的開發(fā)提供基礎信息。對歷史數據進行處理，滿足監(jiān)控需求，同時可以根據信息展示要求頻率，頻率可以達到秒級。

1.3 數據展示層

數據展示層主要負責對現場設備及儀表中提取的重要能源數據按照用戶要求進行系統頁面開發(fā)最終展現給用戶。其中系統展示層所具備的功能大致劃分分為：設備及儀表數據實時展示、診斷報警、歷史查詢、工藝規(guī)程管理、重大危險源監(jiān)控、數據報表、能源消耗、能源調差、系統日志以及用戶權限管理等。

2 硬件設計

2.1 串口服務器設計

串口服務器的作用是將RS485通信轉換為網絡通信，通過網絡進行傳輸，突破RS485通信距離最遠1200米的限制。串口服務器具備RS485和網絡通信端口，RS485端口接入儀器儀表組網，網絡通信端口接入儀表數據網關，實現儀器儀表與儀表數據網關的通信連接和數據采集。

2.2 數據采集網關設計

PLC、DCS數據網關用于實現PLC、DCS等生產主控設備的數據采集，利用網絡通過工業(yè)數據采集協議進行采集，具備最大10000點數據采集能力。PLC、DCS數據網關具備網絡隔離功能，分為控制端和轉發(fā)端，兩端彼此隔離不能通信，以保障生產網絡安全?？刂贫擞糜诮玉gPLC、DCS等生產主控設備以及用于網關的配置調試，轉發(fā)端用于接駁實時數據庫，實現了生產網絡與應急平臺網絡的有效隔離。

2.3 網絡設計

工業(yè)網絡的設計通常采用環(huán)網設計，環(huán)網設計方案具備較高的可靠性，可保證網絡某一節(jié)點的故障不影響系統的整體使用，同時環(huán)網分為單環(huán)與雙環(huán)。雙環(huán)要求兩個環(huán)網走不同的路徑，成本較高。另外，為了加大帶寬，采用鏈路聚合技術進行管理，以實現高帶寬通道的需求，其目的是將一千兆的帶寬擴展到兩千兆。拓寬帶寬的同時，由于使用兩對光纖，也提高了系統的可靠性[4]。

在網絡的安全性方面：各類設備包括DCS、PLC和儀表采用獨立的VLAN隔離，保證了各個系統之間互相不會受到影響。生產網絡接入到MES網絡采用防火墻進行隔離。支持豐富的攻擊防范功能。包括IP分片報文、ARP欺騙、ARP主動反向查詢、TCP報文標志位不合法、超大ICMP報文、地址掃描、端口掃描等攻擊防范，保證正常的生產網絡不受影響。

2.4 服務器設計

在保障系統運行穩(wěn)定的前提下，充分考慮未來企業(yè)生產經營發(fā)展需要，做出合理的規(guī)劃設計。整個系統平臺物理架構由服務器，前置機，KVM以及服務器機柜以及附屬PDU構成。應用服務器采用VMware-ESXi虛擬化技術平臺，用于關系數據庫和系統應用，主要提供對相關業(yè)務系統的數據庫和應用服務，采用冗余設計，1臺服務器宕機，另1臺服務器接管，保證系統穩(wěn)定運行。數據服務器用于實時數據庫服務。應用和數據服務器采用RAID5、數據備份等技術提供安全、穩(wěn)定、可靠的存儲服務，通過KVM進行切換顯示維護，放置同一個機柜中。前置機用于DMZ區(qū)與外網通信服務。整個架構擴展靈活，能很好地適應未來信息系統等業(yè)務的復雜性。

2.5 數據采集方案設計

數據的采集實際上是對冶金企業(yè)生產現場的儀表數據進行采集，有一些儀表采集的介質值直接參與生產，這一類的信號往往已經進DCS。還有些儀表不參與生產，這類儀表通常是具備4-20MA的電流信號輸出，還有一些儀表具備485通訊功能，針對這些情況需要制定不同的數據采集方案。

針對于DCS數據采集通常用到OPC數據通訊技術。所用的OPC即OLE for Process Control，是用于過程控制的OLE(Object Linking and Embedding )技術．它是世界上多個自動化公司、軟硬件供應商與徽軟合作開發(fā)的一套工業(yè)標準、是專為在現場設備、自控應用、企業(yè)管理應用軟件之間實現系統無縫集成而設計的接口規(guī)范[5]。OPC所具有的靈活性和機動性使硬件設備驅動器的開發(fā)變得單一化，同時用戶可以選用不同的商業(yè)軟件包，使得系統構成的成本大為降低[6]。采集DCS數據常用的硬件為工業(yè)網閘，網閘是一種具有數據采集、數據轉發(fā)功能的硬件，具備數據采集穩(wěn)定、支持多種儀表通訊協議與物理隔離等特點。網閘轉發(fā)的數據可直接采集進實時庫中。

對于485/232、模擬量、數字量等接口儀器儀表，此類儀表處于離散的分布狀態(tài)且不具備直接接入條件，對于這一類型數據，通過對離散的儀表進行組網，部署串口服務器和數據網關，統一轉換成網絡通信協議后進行數據采集，對于采集的數據，由數據網關轉發(fā)給實時數據庫，實現數據采集。

3 軟件設計

應用層的主體業(yè)務模塊分為數據實時監(jiān)控、視頻布防、監(jiān)測點歷史趨勢查詢、報警推送、應急指揮、應急培訓等模塊。

數據實時監(jiān)控：數據實時監(jiān)控主要是對采集到的危險源數據進行集中展示，如溫度、壓力、流量的瞬時值等，需要保持頁面顯示和現場設備及儀表顯示同步，使值班人員可在一個平臺上查看全廠危險源數據，為安全生產調度提供數據支撐。

歷史趨勢查詢：歷史趨勢查詢主要是對危險源的過程數據進行記錄生成歷史數據，并以圖形化的方式展示歷史趨勢，用于過程分析或者原因分析。

實時報警功能：系統設計兩種報警方式，分別為趨勢報警與超閾值報警。趨勢報警為當某一監(jiān)測點的數據持續(xù)升高或者降低，系統自動生生一條趨勢報警數據，并推送給相關管理人員。另一種報警方式為超閾值報警，該功能需要用戶提前設定好每一個監(jiān)測點的報警閾值，當實時數據超過或者低于該閾值時系統也會自動產生一條報警信息。系統報警方式為彈出窗口與聲光報警，該方式可將報警信息及時推送給值班員，同時系統會對報警信息進行統計與存儲，便于提示用戶及時處理和事后分析。

風險研判：風險研判是對危險源的過程數據、實時數據、報警數據、周邊氣候條件、事故發(fā)展規(guī)律等信息進行匯總并通過數據模型進行計算，預測安全生產事件發(fā)生的可能性、規(guī)模、影響范圍從而得出目前企業(yè)風險等級與風險點，為決策者提供數據依據。

預警信息發(fā)布：當系統綜合研判得出風險等級、影響范圍和嚴重程度等信息后及時通過短信、微信、電話、廣播的形式通知到預判影響范圍內的工作人員做好防范措施或者組織撤離等。

應急指揮：系統實時掌握應急方案建設情況、應急人員、物資分布、視頻對講等情況。當出現應急情況時平臺會輔助指揮人員制定應急方案以及人員物資調度，同時會將應急情況及時匯報給有關方面，實現多方面信息共享，應急情況聯合指揮等。

視頻實時監(jiān)控：在危險區(qū)域進行視頻布防，并通過算法對采集到的視頻信號進行分析，一旦出現特殊情況及時報警。

應急培訓：按照國家相關要求，需要對冶金行業(yè)從業(yè)人員定時進行相關的應急培訓，系統為冶金企業(yè)提供網絡培訓功能。從業(yè)人員可通過已經錄制好的應急培訓視頻學習也可參加在線的網絡培訓，從而提高從業(yè)人員對風險認識度以及應急處置能力。同時應該大力開展實物操作培訓。主要是通過實物或模型建立的用于展示和操練的真實場景。展示部分包括勞保用品展示,冶金實訓裝置的展示,火災報警器及消防設備設施的展示,施工工器具的展示,直接作業(yè)環(huán)節(jié)中各施工場景的模型展示等。實物操練部分包括勞保用品的正確使用,消防設備設施的正確使用,施工工具的正確使用,直接作業(yè)環(huán)節(jié)和設備本質安全模塊中真實設備設施的操作練習,現場急救模塊中的心臟復蘇、傷口包扎等救護技能的體驗練習,重物模型的搬運練習等[7]。平臺會根據不同的培訓類型提供不同的記錄表單，管理人員在表單上記錄培訓的相關情況，作為應急培訓記錄留存，做到了培訓數據可追溯。

4 方案優(yōu)勢

4.1 方案高穩(wěn)定性

方案在硬件與軟件設計方面充分考慮了穩(wěn)定性，保障了系統提供 7×24 小時的連續(xù)運行，低故障率，故障可在最短時間內快速修復。

4.2 方案高可用性

方案負載均衡和群集技術，提供數據緩存和負載均衡機制，可服務于更多的用戶，并獲得良好的執(zhí)行效率。

4.3 方案高安全性

對于信息化系統而言，數據的安全性非常重要。對于應急管理數據通常作為應急指揮、事故分析的依據，因此必須保障系統數據的安全性。在系統設計時充分考慮了外部網絡攻擊、數據損壞等極端情況，采用了數據加密存儲、數據異地備份、網絡隔離等措施。

5 結語

隨著科學技術的發(fā)展，越來越多的新技術為冶金企業(yè)安全生產提供了新的解決方案，應急管理平臺建設就是物聯網應用的典型案例。在應急管理平臺建設中要以科技為核心，解決實際問題為目的，讓科技的力量為冶金企業(yè)的安全生產提供更有利的保障。