基於邊緣計算的鋼鐵企業電力實時數據采集的研究

hth下载地址 陳聰

摘要：針對目前鋼鐵企業(ye) 對能效要求的提高，企業(ye) 需要建立一套能源管理係統。但是鋼鐵企業(ye) 過程控製層控製設備繁雜，通信協議繁多，難以實現數據的集成和共享。為(wei) 此，文中提出了一種基於(yu) 工業(ye) 網關(guan) 的數據采集係統，該係統作為(wei) 一個(ge) 標準的數據采集平台，可實現對多源異構的數據采集，為(wei) 能源管理係統（EMS）以及後續的企業(ye) 管理係統（ERP）提供統一的數據。隨後，利用串口和Modbus工具對數據采集係統進行仿真實驗驗證。

關(guan) 鍵詞：實時數據采集；工業(ye) 網關(guan) ；仿真

0引言

隨著這些年引進技術以及自主研發，國內(nei) 鋼鐵企業(ye) 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(ye) 中得到了廣泛的應用。隨著大數據技術的發展，企業(ye) 對采集和管理全生產(chan) 過程中的生產(chan) 、運營數據有著迫切的需求，以改善企業(ye) 生產(chan) 管理，改進生產(chan) 工藝[1]。但各種不同的技術、產(chan) 品被部署到企業(ye) 現場後，出現了一些問題：

（1）設備種類多，地域分布廣，通訊鏈路比較複雜；

（2）傳(chuan) 輸標準多樣化，不同的通訊技術，通訊協議並存；

（3）部署、調試與(yu) 維護管理的成本劇增。

鋼鐵企業(ye) 的能源消耗直接決(jue) 定了其生產(chan) 成本，因而降低能耗對提升企業(ye) 競爭(zheng) 力有著非常重要的意義(yi) 。同時，鋼鐵企業(ye) 汙染排放量大，如果能合理使用與(yu) 平衡調配能源，對環境保護也有作用。能源管理係統（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，對在公司層麵優(you) 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(chan) 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(ye) 過程控製層控製設備繁雜，通信協議繁多，難以實現數據的集成和共享。本文提出了一種基於(yu) 工業(ye) 網關(guan) 的數據采集係統，作為(wei) 一個(ge) 數據采集平台，實現對多源異構的數據進行采集，為(wei) 能源管理係統（EMS）以及後續企業(ye) 管理係統（ERP）提供統一的數據。

1多源異構數據實時采集係統

根據鋼鐵EMS係統的特點，對數據采集子係統提出了以下幾個(ge) 要求：

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

（2）適應性。要求係統能提供企業(ye) 現場多傳(chuan) 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(wei) 數據後續的係統提供統一、實時的數據。

（3）可擴展性。考慮到能源係統隨主係統不斷拓展的特點，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係統中來。

（4）可維護性。係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並及時修複，減少人工巡檢的成本。

（5）安全性。一方麵要確保采集到的數據能夠安全地傳(chuan) 送到EMS上層係統，另外一方麵也要確保企業(ye) 過程控製係統不受外部網絡威脅。

目前，企業(ye) 需要接入ERP係統的各個(ge) 現場控製係統現狀如表1所列。

表1某鋼鐵企業(ye) 現場控製係統現狀

對原有PLC或DCS的係統，通過數據采集係統接入到上層係統即可。對空壓係統和水係統，則需要對其進行相應的改造，實現係統的PLC控製或者DCS控製，並用智能儀(yi) 表來代替傳(chuan) 統儀(yi) 表。

1.1異構數據采集係統框架設計

能源管理係統的構架如圖1所示，在組網方式上，考慮到各個(ge) 廠區距離較遠，所以采用環形加心形的方式：各個(ge) 工廠組成一個(ge) 環網，而工廠裏各個(ge) 采集點采用心形連接接入到環網中。將各個(ge) 子係統采集到的數據通過交換機傳(chuan) 輸到服務器中。

圖1某鋼鐵企業(ye) EMS係統

1.2多源異構數據采集係統標準化方案

為(wei) 了滿足網絡和互聯網絡貫通，麵對大範圍的介入，提供一種標準、可用、易用、易維護的方案。針對企業(ye) 中RTU和PLC等廠家眾(zhong) 多，在與(yu) EMS係統交互時，沒有統一的數據接口的問題，數據采集係統通過使用工業(ye) 網關(guan) 來實現對各個(ge) 係統數據的采集和標準化，從(cong) 而將統一的數據上傳(chuan) 到EMS係統，方便實時數據服務器對數據進行處理。對於(yu) 圖1所示的係統中就采用了SymLink智能工業(ye) 網關(guan) 。

該網關(guan) 與(yu) 一些隻支持單一通信協議的網關(guan) 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(yu) 現場設備進行交互；支持采集工業(ye) 現場的多種工業(ye) 設備協議，並以多種工業(ye) 設備協議向其他係統或設備提供數據分發服務，如：OPC、Modbus、IEC61850、IEC60870、PLC等；支持眾(zhong) 多功能，如腳本係統、數據存儲(chu) 、設備報警等，並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(wei) 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(yu) 下層設備，比如PLC連接後，並在與(yu) 網關(guan) 配套的配置軟件SymLink開發係統中，進行對設備和相應通信協議的配置，從(cong) 而實現數據的采集與(yu) 轉發。在配置軟件中新建工程後，係統嚴(yan) 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

數據采集係統需要從(cong) 工業(ye) 現場的設備上，比如PLC，RTU或者智能儀(yi) 表上獲取EMS係統所屬的數據。要完成這個(ge) 過程，需要在連接好網關(guan) 和采集設備的基礎上，明確與(yu) 掛載設備的通信協議，同時建立起采集點和SymLinkIO中的映射關(guan) 係，從(cong) 而在係統讀出現場采集、控製設備上的信息。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

建立工程後，在采集服務下可以選擇新建通道，按提示對通道進行設置。以燃氣係統為(wei) 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(hui) 自動填入到軟件中。規約庫裏內(nei) 容非常豐(feng) 富，基本涵蓋了目前常用的通信規約，對於(yu) 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。配置好通信規約後，繼續配置通訊所需要的主端口參數。建立通道後可以在通道下掛載設備，一個(ge) 通道下可以掛載多個(ge) 設備，可以定義(yi) 每個(ge) 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並在通道配置中選擇通信規約，如ModbusRTU，然後配置串口參數。

圖 2 建立采集通道

2.2采集點的建立

係統中的IO點是對所采集的底層設備（如PLC，智能設備，儀(yi) 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(yi) 表等）中的信號（如溫度，壓力等）。在數據屬性中，我們(men) 可以定義(yi) 有關(guan) 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(men) 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

係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(ti) 現在IO點的命名規則上，如在通道chn1設備PLCS7-300下有一個(ge) 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後，即可以在裏麵添加采集點。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(guan) 軟件中查看，隻要在設備列表中添加設備，填入SymLink工業(ye) 網關(guan) 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、日誌信息等。工程師可以利用這款軟件監控工業(ye) 網關(guan) 的工作狀態，進行遠程的診斷維護等。係統監控畫麵如圖4所示。

圖4係統監視畫麵

2.3數據服務

采集到的數據要傳(chuan) 送到實時數據服務器中去，這個(ge) 通過網關(guan) 的數據服務來實現。類似數據采集，在數據服務下新建通道，選擇好通信協議後，在通道配置界麵下選擇加載采集信息。在數據采集中定義(yi) 的IO采集點會(hui) 被加載到該界麵下。采集點添加完成後，還需要將采集點與(yu) 轉發通道的協議進行地址信息關(guan) 聯，否則，第三方係統還是無法獲取采集點的數據。

3控製係統安全隔離

企業(ye) PCS與(yu) ERP、MES係統之間需要通過網絡進行必要的互通互聯，完成經營、生產(chan) 管理層對過程控製層的雙向信息交互，保證企業(ye) 對生產(chan) 情況的掌握和控製。但是確保過程控製網絡的安全性不受外部通過企業(ye) 管理網絡對控製網絡進行攻擊，控製網絡一旦受到病毒、蠕蟲等攻擊，可能導致整個(ge) 工廠的自動化生產(chan) 線停產(chan) [6]。目前主要采用物理隔離或者防火牆的方式來對係統進行隔離。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(men) 采用SymLink-GAP工業(ye) 網關(guan) ，硬件上利用兩(liang) 個(ge) 單獨的主機與(yu) 內(nei) 網和SCADA控製網絡相連接，兩(liang) 台主機之間采用一塊隔離通信卡實現數據從(cong) 內(nei) 網向外網的單向傳(chuan) 輸。通過這種硬件上的設計，既可以實現數據通過網絡上傳(chuan) ，又能夠確保過程控製係統的安全。

4 hth下载地址網關(guan) 介紹

4.1通信管理機

4.1.1概述

本係列智能通信管理機是一款采用嵌入式硬件計算機平台，具有多個(ge) 下行通信接口及一個(ge) 或者多個(ge) 上行網絡接口，用於(yu) 將一個(ge) 目標區域內(nei) 所有的智能監控/保護裝置的通信數據整理匯總後，實時上傳(chuan) 主站係統，完成遙信、遙測等能源數據采集功能。

同時，本係列智能通信管理機支持接收上級主站係統下達的命令，並轉發給目標區域內(nei) 的智能係列單元，完成對廠站內(nei) 各開關(guan) 設備的分、合閘遠方控製或裝置的參數整定，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(chan) 品介紹

4.2數據轉換模塊

4.2.1概述

AF-GSM是hth下载地址電氣推出的新型的4G遠程無線數據采集設條，采用嵌入式設計。內(nei) 嵌TCP/IP協議棧，同時采用了功能強大的微處理芯片，配合內(nei) 置看門狗，性能可靠穩定。

本產(chan) 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(jin) 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，並且與(yu) hth下载地址服務器進行通訊。

5.2.2產(chan) 品介紹

4.3 無線通訊轉換器

4.3.1概述

AEW110係列無線通訊轉換器主要用於(yu) 輔助RS485設備進行無線組網，通過將通訊數據在RS485信號與(yu) 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(yu) 改造時間。可與(yu) RS485通訊設備靈活安裝，實現局部通訊的無線組網。

4.3.2產(chan) 品介紹

4.4無線通訊終端

4.4.1概述

AWT100數據轉換模塊是hth下载地址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(yi) 表、RTU、PLC、工控機等設備，僅(jin) 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係列無線通訊終端采用了功能強大的微處理芯片，配合內(nei) 置看門狗技術，性能可靠穩定。

AWT200數據通訊網關(guan) 應用於(yu) 各種終端設備的數據采集與(yu) 數據分析。實現設備的監測、控製、計算，為(wei) 係統與(yu) 設備之間建立通訊紐帶，實現雙向的數據通訊。實時監測並及時發現異常數據，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(chan) 品介紹

名稱	型號	圖片	功能
AWT100無線通訊終端	AWT100-4G		4G通訊、RS485通訊接口，用於(yu) 輔助RS485設備無線通訊
	AWT100-4GHW		4G通訊、RS485通訊接口，用於(yu) 輔助RS485設備無線通訊
	AWT100-NB		NB-IoT通訊、RS485通訊接口，用於(yu) 輔助RS485設備無線通訊
	AWT100-LoRa		LoRa通訊、RS485通訊接口，用於(yu) 輔助RS485設備無線通訊
	AWT100-LW		LoRaWAN通訊、RS485通訊接口，用於(yu) 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(chuan) 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(chuan) 輸
	AWT100-DP		RS485通訊接口，Profibus通訊雙向透明傳(chuan) 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(guan) 量功能
	AWT200-1E4S-4G/LR		4路串口，不帶顯示按鍵，4G通訊、LORA通訊
	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(guan) 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(ye) 建設能源管理係統時麵臨(lin) 的企業(ye) 現場不同設備，多傳(chuan) 輸協議的複雜現狀，提出了利用工業(ye) 網關(guan) 作為(wei) 一個(ge) 統一的平台來實現對工業(ye) 現場數據采集。同時，還可以將采集的數據用於(yu) 企業(ye) 的生產(chan) 管理、產(chan) 品工藝改進等過程，對企業(ye) 的生產(chan) 有較大的經濟價(jia) 值。由於(yu) 企業(ye) 經營狀況的變動，需要采集點的數量可能會(hui) 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(ye) 網關(guan) 也會(hui) 成為(wei) 一個(ge) 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(chan) 品報價(jia) 手冊(ce) ）.2023.01版

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