隨著這些年引進技術以及自主研發(fā),，國內鋼鐵企業(yè)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(yè)中得到了廣泛的應用。隨著大數(shù)據(jù)技術的發(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,，改進生產(chǎn)工藝[1],。但各種不同的技術、產(chǎn)品被部署到企業(yè)現(xiàn)場后,，出現(xiàn)了一些問題：

（1）設備種類多，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,，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配能源,，對環(huán)境保護也有作用。能源管理系統(tǒng)（以下簡稱“EMS"）對全廠能源介質計量實行集中監(jiān)視,，其主要功能是實現(xiàn)高爐煤氣,、轉爐煤氣、天然氣,、水蒸氣,、氧氮氬、水,、電等數(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作用,。

但是鋼鐵企業(yè)過程控制層控制設備繁雜,，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)對多源異構的數(shù)據(jù)進行采集,，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多源異構數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)

根據(jù)鋼鐵EMS系統(tǒng)的特點，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,、實時的數(shù)據(jù)。

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

（4）可維護性,。系統(tǒng)要能夠實現(xiàn)在線診斷、遠程維護等功能,，方便找出有問題的采集結點并及時修復,，減少人工巡檢的成本。

（5）安全性,。一方面要確保采集到的數(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,。

表1某鋼鐵企業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

對原有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),，則需要對其進行相應的改造，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異構數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架設計

能源管理系統(tǒng)的構架如圖1所示，在組網(wǎng)方式上,，考慮到各個廠區(qū)距離較遠,，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)通過交換機傳輸?shù)椒掌髦小?/p>

圖1某鋼鐵企業(yè)EMS系統(tǒng)

1.2多源異構數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)標準化方案

為了滿足網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)絡貫通,，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)關來實現(xiàn)對各個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和標準化,，從而將統(tǒng)一的數(shù)據(jù)上傳到EMS系統(tǒng)，方便實時數(shù)據(jù)服務器對數(shù)據(jù)進行處理,。對于圖1所示的系統(tǒng)中就采用了SymLink智能工業(yè)網(wǎng)關,。

該網(wǎng)關與一些只支持單一通信協(xié)議的網(wǎng)關相比，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)場設備進行交互；支持采集工業(yè)現(xiàn)場的多種工業(yè)設備協(xié)議,，并以多種工業(yè)設備協(xié)議向其他系統(tǒng)或設備提供數(shù)據(jù)分發(fā)服務,，如：OPC、Modbus,、IEC61850,、IEC60870、PLC等,；支持眾多功能,，如腳本系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲,、設備報警等,，并能通過互聯(lián)網(wǎng)進行應用開發(fā)、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)關配套的配置軟件SymLink開發(fā)系統(tǒng)中,，進行對設備和相應通信協(xié)議的配置，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與轉發(fā),。在配置軟件中新建工程后,，系統(tǒng)嚴格的按照項目/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(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)關和采集設備的基礎上，明確與掛載設備的通信協(xié)議,，同時建立起采集點和SymLinkIO中的映射關系,，從而在系統(tǒng)讀出現(xiàn)場采集、控制設備上的信息,。利用Modbus工具和虛擬串口工具來對數(shù)據(jù)采集過程進行仿真,。

2.1采集通道的建立

建立工程后，在采集服務下可以選擇新建通道，按提示對通道進行設置,。以燃氣系統(tǒng)為例,，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(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)出相應的規(guī)約驅動，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備,，一個通道下可以掛載多個設備,，可以定義每個設備的名稱，描述設備型號等信息,。如圖2所示,，建立采集通道C1并在通道配置中選擇通信規(guī)約，如ModbusRTU,，然后配置串口參數(shù),。

圖 2 建立采集通道

2.2采集點的建立

系統(tǒng)中的IO點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，我們可以定義有關該數(shù)據(jù)的描述,、數(shù)據(jù)類型以及在目標設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點類型中我們可以選擇所采集的IO點對應的數(shù)據(jù)類型,。

圖 3 數(shù)據(jù)參數(shù)設置

系統(tǒng)通過樹狀結構來管理,、展現(xiàn)采集點信息，對數(shù)據(jù)點采用的是分組管理的方式,。這也體現(xiàn)在IO點的命名規(guī)則上,，如在通道chn1設備PLCS7-300下有一個組G1中的信號TAG1，那該數(shù)據(jù)所對應的名稱是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,。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(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)關的IP，就可以查看其采集到的數(shù)據(jù)信息,。同時還包括轉發(fā)服務,、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(jiān)控工業(yè)網(wǎng)關的工作狀態(tài)，進行遠程的診斷維護等,。系統(tǒng)監(jiān)控畫面如圖4所示,。

圖4系統(tǒng)監(jiān)視畫面

2.3數(shù)據(jù)服務

采集到的數(shù)據(jù)要傳送到實時數(shù)據(jù)服務器中去，這個通過網(wǎng)關的數(shù)據(jù)服務來實現(xiàn),。類似數(shù)據(jù)采集,，在數(shù)據(jù)服務下新建通道，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采集點會被加載到該界面下。采集點添加完成后,，還需要將采集點與轉發(fā)通道的協(xié)議進行地址信息關聯(lián),，否則，第三方系統(tǒng)還是無法獲取采集點的數(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)絡進行必要的互通互聯(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)絡的安全性不受外部通過企業(yè)管理網(wǎng)絡對控制網(wǎng)絡進行攻擊，控制網(wǎng)絡一旦受到病毒,、蠕蟲等攻擊,，可能導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)進行隔離,。但是物理隔離的方式往往需要通過人工來進行數(shù)據(jù)拷貝,、抄表等比較低效的方式。我們采用SymLink-GAP工業(yè)網(wǎng)關,，硬件上利用兩個單獨的主機與內網(wǎng)和SCADA控制網(wǎng)絡相連接,，兩臺主機之間采用一塊隔離通信卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)從內網(wǎng)向外網(wǎng)的單向傳輸。通過這種硬件上的設計,，既可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡上傳,，又能夠確保過程控制系統(tǒng)的安全。

4 安科瑞網(wǎng)關介紹

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,，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網(wǎng)絡接口,，用于將一個目標區(qū)域內所有的智能監(jiān)控/保護裝置的通信數(shù)據(jù)整理匯總后，實時上傳主站系統(tǒng),，完成遙信,、遙測等能源數(shù)據(jù)采集功能。

同時,，本系列智能通信管理機支持接收上級主站系統(tǒng)下達的命令,，并轉發(fā)給目標區(qū)域內的智能系列單元，完成對廠站內各開關設備的分,、合閘遠方控制或裝置的參數(shù)整定,，實現(xiàn)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(chǎn)品介紹

4.2數(shù)據(jù)轉換模塊

4.2.1概述

AF-GSM是安科瑞電氣推出的新型的4G遠程無線數(shù)據(jù)采集設條,，采用嵌入式設計。內嵌TCP/IP協(xié)議棧,，同時采用了功能強大的微處理芯片,，配合內置看門狗，性能可靠穩(wěn)定,。

本產(chǎn)品提供標準RS485數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集,，并且與安科瑞服務器進行通訊。

5.2.2產(chǎn)品介紹

4.3 無線通訊轉換器

4.3.1概述

AEW110系列無線通訊轉換器主要用于輔助RS485設備進行無線組網(wǎng),，通過將通訊數(shù)據(jù)在RS485信號與無線信號之間互轉,，完成普通RS485設備的無線通訊。降低用戶通訊組網(wǎng)的施工成本與改造時間,?？膳cRS485通訊設備靈活安裝,，實現(xiàn)局部通訊的無線組網(wǎng)。

4.3.2產(chǎn)品介紹

4.4無線通訊終端

4.4.1概述

AWT100數(shù)據(jù)轉換模塊是安科瑞電氣推出的新型數(shù)據(jù)轉換DTU,，通訊數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集；同時AWT100系列無線通訊終端采用了功能強大的微處理芯片,，配合內置看門狗技術,，性能可靠穩(wěn)定。

AWT200數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關應用于各種終端設備的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析,。實現(xiàn)設備的監(jiān)測,、控制、計算,，為系統(tǒng)與設備之間建立通訊紐帶,，實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通訊。實時監(jiān)測并及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù),，同時自身根據(jù)用戶規(guī)則進行邏輯判斷,，大大的節(jié)省了人力和通訊成本。

4.4.2產(chǎn)品介紹

5結語

本文研究了目前鋼鐵企業(yè)建設能源管理系統(tǒng)時面臨的企業(yè)現(xiàn)場不同設備，多傳輸協(xié)議的復雜現(xiàn)狀,，提出了利用工業(yè)網(wǎng)關作為一個統(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)品工藝改進等過程,，對企業(yè)的生產(chǎn)有較大的經(jīng)濟價值。由于企業(yè)經(jīng)營狀況的變動,，需要采集點的數(shù)量可能會相應增加或者減少,，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)關也會成為一個可能的發(fā)展趨勢。

參考文獻

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