電解鋁廠整流所綜合自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法研究

張川登,張 浩,賴 敏

(1.云南文山鋁業(yè)有限責任公司,云南 文山 663099;2.云南工商學院,云南 昆明 651700;3.文山學院,云南 文山 663099)

電解鋁廠電解槽要求連續(xù)工作,而供電設(shè)備的效率、可靠性和利用率是操作者最為關(guān)注的因素。電解鋁廠整流所綜合自動化系統(tǒng)可實現(xiàn)對整流所的綜合自動化管理,確保整流所安全、平穩(wěn)供電[1]。但智能工廠的建設(shè)需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通,需要采集整流所綜合自動化系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)至全廠中央數(shù)據(jù)庫。由于綜自系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備眾多,各設(shè)備通訊接口及輸出數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一,為數(shù)據(jù)的集中采集帶來了較大困難。且綜自系統(tǒng)計量點較多,長時間運行會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),更加大了數(shù)據(jù)實時快速采集的難度。當前,整流所綜合自動化系統(tǒng)根據(jù)廠家的不同可以提供不同的數(shù)據(jù)接口。本文以某電解鋁廠整流所綜合自動化系統(tǒng)為例,介紹一種整流所綜自系統(tǒng)IEC協(xié)議數(shù)據(jù)采集方法,其將綜自系統(tǒng)電能量計量等數(shù)據(jù)存儲到全廠服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通有無,為后期智能工廠能源管理等方面服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如下圖1所示,整流所綜合自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器通過綜自系統(tǒng)防火墻,連接到綜自采集接口機[2]。綜自系統(tǒng)設(shè)置采集接口機為主站,通過IEC104協(xié)議向主站(即采集接口機)發(fā)送報文(即通過IEC104協(xié)議處理后的數(shù)據(jù)),接口機通過解析綜自系統(tǒng)(從站)發(fā)送過來的IEC104協(xié)議報文,獲取綜自數(shù)據(jù),存儲到MES主服務(wù)器中。綜自系統(tǒng)和MES系統(tǒng)網(wǎng)段不同,接口機設(shè)多個網(wǎng)卡,一個網(wǎng)卡對應(yīng)綜自系統(tǒng),一個網(wǎng)卡對應(yīng)MES系統(tǒng),通過接口機實現(xiàn)MES服務(wù)器和綜自系統(tǒng)的通訊[3]。

圖1 綜自系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)采集方法

本系統(tǒng)通過IEC104協(xié)議與綜自系統(tǒng)進行通信, IEC104規(guī)約由國際電工委員會制定,用于監(jiān)控數(shù)據(jù)使用。1104規(guī)約幀報文分為三大類:I幀、S幀、U幀。I幀是信息幀,可用于傳輸具體的通信數(shù)據(jù),長度必大于6個字節(jié)。S幀可用于確認接收的I幀,即當接收到I幀后需要返回一個S幀,長度等于6個字節(jié)。U幀為控制幀,可用于控制啟動/停止子站進行數(shù)據(jù)傳輸,或測試TCP鏈路連接,長度等于6個字節(jié)[4]。

本系統(tǒng)設(shè)計與綜自系統(tǒng)通過IEC104協(xié)議傳輸流程如下(主站為采集接口機,從站為綜自系統(tǒng)):

(1)建立tcp連接。

(2)主站給從站發(fā)送啟動幀。

(3)從站收到啟動幀,給主站發(fā)送啟動確認幀。

(4)主站給從站發(fā)送總召喚。

(5)從站收到主站的總召喚命令,給主站發(fā)送總召喚確認。

(6)從站上傳遙信,遙測,電度等I幀信息幀,發(fā)送完畢從站發(fā)送總召喚結(jié)束幀。IEC104 常用的類型標識包括遙測、遙信、SOE、KWH[5]。遙測:09帶品質(zhì)描述的測量值,每個遙測值占3個字節(jié);0a帶3個字節(jié)時標的且具有品質(zhì)描述的測量值,每個遙測值占6個字節(jié);0b不帶時標的標度化值,每個遙測值占3個字節(jié);0c帶3個時標的標度化值,每個遙測值占6個字節(jié);0d帶品質(zhì)描述的浮點值,每個遙測值占5個字節(jié);0e帶3個字節(jié)時標且具有品質(zhì)描述的浮點值,每個遙測值占8個字節(jié);15不帶品質(zhì)描述的遙測值,每個遙測值占2個字節(jié)。遙信:01不帶時標的單點遙信,每個遙信占1個字節(jié);03不帶時標的雙點遙信,每個遙信占1個字節(jié);14具有狀態(tài)變位檢出的成組單點遙信,每個字節(jié)8個遙信。SOE:02帶3個字節(jié)短時標的單點遙信;04帶3個字節(jié)短時標的雙點遙信;1e帶7個字節(jié)時標的單點遙信;1f帶7個字節(jié)時標的雙點遙信。KWH:0f不帶時標的電能量,每個電能量占5個字節(jié);10帶3個字節(jié)短時標的電能量,每個電能量占8個字節(jié);25帶7個字節(jié)短時標的電能量,每個電能量占12個字節(jié)[6]。

(7)主站收到從站發(fā)送的結(jié)束幀,會回復一個S幀的確認幀。

(8)進入下一個周期(其中如果數(shù)據(jù)有變化,從站需要主動上報)。

通過以上流程,接口機就可以同綜自系統(tǒng)進行穩(wěn)定的通訊連接。而系統(tǒng)接收到綜自系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)后,需要對數(shù)據(jù)進行解析。綜自數(shù)據(jù)最常用的數(shù)據(jù)為電表實時數(shù)據(jù)值和實時累計值,即遙測數(shù)據(jù)和電度數(shù)據(jù)。以某電解鋁廠綜自數(shù)據(jù)的報文為例,下面分別進行遙測數(shù)據(jù)和電度數(shù)據(jù)的報文解析。IEC104協(xié)議的傳輸報文的每個字節(jié)都是16進制的,所以獲取的數(shù)據(jù)在進行計算、存儲的時候要轉(zhuǎn)換成10進制數(shù)據(jù)。

遙測報文的解析,現(xiàn)場收到的遙測報文數(shù)據(jù)如下:68 12 07 00 12 00 0d 03 03 00 11 00 42 40 01 00 61 f3 b4 00 50 41 00 f0 9b b9 3f 00 51 41 00 81 a9 18 40 00 57 41 00 ad 56 17 40 00 59 41 00 3c 55 1e 40 00 5a 41 00 eb ef 86 41 00 5b 41 00 e8 bd a4 41 00 5c 41 00 53 f3 d4 41 00 5d 41 00 3a 37 22 3f 00。68為啟動符,為IEC104協(xié)議默認的,12為長度,數(shù)值為18。07 00 為發(fā)送信號,1200為接收信號。0d為遙測類型,帶品質(zhì)描述的浮點值,每個遙測值占5個字節(jié)。03為可變限定結(jié)構(gòu)詞,表示有3個數(shù)據(jù)傳輸。0300為傳送原因,這種多個字節(jié)標示一個數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換成16進制的時候,后邊的數(shù)據(jù)應(yīng)該在前,即傳送原因數(shù)據(jù)為0003,傳送原因為突發(fā),即電表數(shù)據(jù)變化了,從站數(shù)據(jù)自動傳給主站。1100公共地址。42 40 01為信息體地址,16進制值為014042,轉(zhuǎn)換成10進制為81986,即該點的地址為81986。0061 f3 b4 為數(shù)據(jù)值,轉(zhuǎn)換成浮點型數(shù)字。00為品質(zhì)描述。之后報文信息與之前格式一致,從信息體地址開始處理。

電度報文的解析,現(xiàn)場收到的遙測報文數(shù)據(jù)如下:68 34 32 01 04 00 0f a0 25 00 01 00 01 64 00 20 02 00 00 00 00 00 00 00 00 86 00 00 00 00 00 00 00 00 00 21 02 00 00 00 00 00 00 00 00 87 00 00 00 00 00 00 00 00 00 20 02 00 00 00 00 00 00 00 00 86 00 00 00 00 00 00 00 00 00 21 02 00 00 00 00 00 00 00 00 87 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ae 00 00 00 00 00 00 00 00 00 6b 00 00 00 00 00 00 00 00 00 9d 00 00 00 00 00 00 00 00 00 66 00 00 00 00 00 00 00 00 00 89 02 00 00 00 00 00 00 00 00 a0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 8a 02 00 00 00 00 00 00 00 00 ac 00 00 00 00 00 00 00 00 00。68為啟動符,為IEC104協(xié)議默認的,34為長度,為52。32 01 為發(fā)送信號,04 00為接收信號。0f為電度類型,不帶時標的電能量,每個電能量占5個字節(jié)。a0為可變限定結(jié)構(gòu)詞。25 00為傳送原因,16進制值為0025,轉(zhuǎn)換后為37,傳送原因為響應(yīng)累積量召喚,即響應(yīng)電度累積量的總召喚,統(tǒng)一發(fā)送電度數(shù)據(jù)。0100公共地址。0164 00 為信息體地址,16進制值為006401,轉(zhuǎn)換成10進制為25601,即該點的地址為25601。20 02 00 00為數(shù)據(jù)值,轉(zhuǎn)換成整數(shù)字。00為品質(zhì)描述。之后報文信息與之前格式一致,信息體地址為前一地址加1,從數(shù)據(jù)值開始處理。

3 綜自采集系統(tǒng)程序設(shè)計

采集程序使用winfrom實現(xiàn),使用socket通訊與綜自服務(wù)器連接通訊,使用winfrom自帶的BackgroundWorker方法監(jiān)控報文接收并進行處理。軟件界面如圖2所示,輸入綜自系統(tǒng)IP地址,點擊連接按鈕,就可以建立同綜自系統(tǒng)的連接,而后本軟件即可實現(xiàn)對綜自系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動采集,并保存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。

圖2 綜自系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件頁面

本軟件的程序流程圖如圖3所示。按照IEC104協(xié)議的標準流程,程序開始運行時,發(fā)送首次連接信息,連接成功后,進行對時操作,對時成功后,發(fā)送總召喚命令,獲取所有遙測信息,通過BackgroundWorker異步獲取報文并處理。總召喚后,只要通訊連接一直存在,一旦遙測數(shù)據(jù)發(fā)生變化,從站(綜自數(shù)據(jù)服務(wù)器)就會將變化的數(shù)據(jù)發(fā)送給主站,程序通過socket接收報文信息,通過BackgroundWorker異步程序監(jiān)測,處理數(shù)據(jù)并進行存儲。由于電度信息未能通過總召喚獲取,故單獨定時發(fā)送電度總召喚信息,獲取電度信息。其處理方式與遙測一致。信息的發(fā)送使用報文的形式通過socket發(fā)送。報文存儲在一個隊列中。每次獲取到報文信息或者達到電度總召定時時間時,即向隊列中添加一個報文。

圖3 綜自系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件程序流程圖

4 工程應(yīng)用

本軟件已成功部署于某電解鋁廠,該電解鋁廠綜自系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):站控層、通訊管理層、間隔層。站控層負責220 kV及10 kV系統(tǒng)所有各類數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、命令發(fā)布、數(shù)據(jù)庫的建立及管理、并提供用戶各類人機界面、數(shù)據(jù)報表,含兩臺數(shù)據(jù)服務(wù)器及兩臺監(jiān)控主機。通訊管理層以多臺智能通訊管理機為核心,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、監(jiān)控。間隔層由微機繼電保護裝置、智能監(jiān)控裝置和其他設(shè)備的控制器、IED智能裝置等組成,負責電氣設(shè)備的各類保護、現(xiàn)場遙信、遙測數(shù)據(jù)的采集、遙控命令的執(zhí)行,并通過通訊接口執(zhí)行數(shù)據(jù)的處理及傳送。

本軟件安裝在綜自采集接口機上,通過與站控層進行通訊,實現(xiàn)對綜自系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集。該采集系統(tǒng)投運后已經(jīng)穩(wěn)定運行2年以上,該采集程序能夠快速的將綜自數(shù)據(jù)保存到中央服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中,軟件運行穩(wěn)定流暢,響應(yīng)快速,用戶反映良好。

5 結(jié) 語

本文在分析了IEC104協(xié)議的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種電解鋁廠整流所綜合自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采該方法,并基于該方法開發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件,實現(xiàn)了對整流所綜自系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集。該數(shù)據(jù)采集軟件已經(jīng)成功部署于某電解鋁廠,實踐表明該軟件運行穩(wěn)定可靠,通過該系統(tǒng)能夠?qū)⒄魉C自系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集至中央數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的互通,為后期智能工廠能源管理等方面服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。