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劉細鳳
安科瑞電氣股份限公司 上海嘉定 201801
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)作為一個標準的數(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)。隨后,利用串口和Modbus工具對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行仿真實驗驗證。
關(guān)鍵詞:實時數(shù)據(jù)采集;工業(yè)網(wǎng)關(guān);仿真
0引言
隨著這些年引進技術(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(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)傳輸標準多樣化,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(diào)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(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(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,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(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(yīng)地拓展,以便將新的數(shù)據(jù)源接入到系統(tǒng)中來。
(4)可維護性。系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)在線診斷、遠程維護等功能,方便找出有問題的采集結(jié)點并及時修復(fù),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(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。
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(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,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?wù)器中。
圖1某鋼鐵企業(yè)EMS系統(tǒng)
1.2多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)標準化方案
為了滿足網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(wù)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(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。以SymLinkXM4101為例,其支持4路10/100Mb/s自適應(yīng)以太網(wǎng)接口和10路RS232/485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)嚴格的按照項目/裝置工程/應(yīng)用三級進行分類管理,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,同時建立起采集點和SymLinkIO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,按提示對通道進行設(shè)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(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(shè)備(如PLC,智能設(shè)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(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點類型中我們可以選擇所采集的IO點對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。
圖 3 數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置
系統(tǒng)通過樹狀結(jié)構(gòu)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(shè)備PLCS7-300下有一個組G1中的信號TAG1,那該數(shù)據(jù)所對應(yīng)的名稱是db.chn1.PLCS7-300.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。簡單地采集燃氣流量、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(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(zhuǎn)發(fā)通道的協(xié)議進行地址信息關(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(guān),硬件上利用兩個單獨的主機與內(nèi)網(wǎng)和SCADA控制網(wǎng)絡(luò)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(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 安科瑞網(wǎng)關(guān)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(luò)接口,用于將一個目標區(qū)域內(nèi)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(zhuǎn)發(fā)給目標區(qū)域內(nèi)的智能系列單元,完成對廠站內(nèi)各開關(guān)設(shè)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(diào)功能,以達到遠動輸出調(diào)度命令的目標。
4.1.2產(chǎn)品介紹
名稱 | 型號 | 圖片 | 功能 |
通信管理機 | ANet-1E1S1 | 通用網(wǎng)關(guān),1路網(wǎng)口,1路RS485,可選配4G通訊、LORA通訊 | |
ANet-1E2S1 | 通用網(wǎng)關(guān),1路網(wǎng)口,2路RS485,可選配4G通訊,LORA通訊 | ||
ANet-2E4S1 | 通用網(wǎng)關(guān),2路網(wǎng)口,4路RS485 | ||
ANet-2E8S1 | 通用網(wǎng)關(guān),2路網(wǎng)口,8路RS485 | ||
ANet-2E4SM | 通用網(wǎng)關(guān),2路網(wǎng)口,4路RS485,可選配LORA通訊,斷電告警 |
4.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shè)條,采用嵌入式設(shè)計。內(nèi)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(nèi)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(shè)備,僅需一次性完成初始化配置。就可以完成對MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)采集,并且與安科瑞服務(wù)器進行通訊。
5.2.2產(chǎn)品介紹
名稱 | 型號 | 圖片 | 功能 | |
AF-GSM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊 | AF-GSM300 | 通用版,1路網(wǎng)口,1路LORA,可選轉(zhuǎn)4G、CE通訊 | ||
AF-GSM400 | 通用版,1路網(wǎng)口,1路LORA,可選轉(zhuǎn)4G、CE、NB、2G通訊 | |||
AF-GSM500 | 點陣液晶顯示、4G通訊、全網(wǎng)通7模、LORA通訊、斷點續(xù)傳、U盤拷貝、內(nèi)嵌8G SD卡、事件記錄,可選擇2路串口或6路串口 |
4.3 無線通訊轉(zhuǎn)換器
4.3.1概述
AEW110系列無線通訊轉(zhuǎn)換器主要用于輔助RS485設(shè)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(zhuǎn),完成普通RS485設(shè)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(shè)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
名稱 | 型號 | 圖片 | 功能 |
AEW110無線通訊轉(zhuǎn)換器 | AEW110-LX | RS485通訊接口、470MHz無線通訊、紅外通訊,用于輔助RS485設(shè)備進行無線組網(wǎng)或充當無線通訊中繼器使用 |
4.4無線通訊終端
4.4.1概述
AWT100數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊是安科瑞電氣推出的新型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換DTU,通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shè)備,僅需一次性完成初始化配置,就可以完成對MODBUS設(shè)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(nèi)置看門狗技術(shù),性能可靠穩(wěn)定。
AWT200數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于各種終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析。實現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)測、控制、計算,為系統(tǒng)與設(shè)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
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,用于輔助RS485設(shè)備無線通訊 | |
AWT100-4GHW | 4G通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設(shè)備無線通訊 | ||
AWT100-NB | NB-IoT通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設(shè)備無線通訊 | ||
AWT100-LoRa | LoRa通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設(shè)備無線通訊 | ||
AWT100-LW | LoRaWAN通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設(shè)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(wǎng)通訊雙向透明傳輸 | ||
AWT100-GPS | RS485通訊接口,GPS定位 | ||
AWT100-WiFi | RS485通訊接口,WiFi無線雙向透明傳輸 | ||
AWT100-DP | RS485通訊接口,Profibus通訊雙向透明傳輸 | ||
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(guān)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(guān)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(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(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
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[3]智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控/電能管理/電氣安全(產(chǎn)品報價手冊).2023.01版
[4]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版.
作者簡介
劉細鳳,女,現(xiàn)任職于江蘇安科瑞電器制造有限公司,主要從事物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研發(fā)與應(yīng)用。