基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)的鋼鐵企業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

引 言

隨著這些年引進(jìn)技術(shù)以及自主研發(fā)，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的自動(dòng)化和信息化水平有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，各種新的信息化、自動(dòng)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(duì)采集和管理全生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)有著迫切的需求，以改善企業(yè)生產(chǎn)管理，改進(jìn)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(chǎng)后，出現(xiàn)了一些問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)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(hù)管理的成本劇增 [2]。

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(duì)提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有著非常重要的意義。同時(shí)，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(duì)環(huán)境保護(hù)也有積極作用。能源管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“EMS”）對(duì)全廠能源介質(zhì)計(jì)量實(shí)行集中監(jiān)視，其主要功能是實(shí)現(xiàn)高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、天然氣、水蒸氣、氧氮?dú)?、水、電等?shù)據(jù)計(jì)量采集， 對(duì)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(dòng)生產(chǎn)率和能源管理水平將起到十分明顯的促進(jìn)作用。

但是鋼鐵企業(yè)過(guò)程控制層控制設(shè)備繁雜，通信協(xié)議繁多， 難以實(shí)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(gè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時(shí)采集系統(tǒng)

根據(jù)鋼鐵EMS 系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)提出了以下幾個(gè)要求：

(1) 可靠性。需要能夠在比較嚴(yán)酷的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間可靠地工作，保證過(guò)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(chǎng)多傳感器、多協(xié)議的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，開放式可擴(kuò)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、全面、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

(3) 可擴(kuò)展性。考慮到能源系統(tǒng)隨主系統(tǒng)不斷拓展的特點(diǎn)，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(lái)。

(4) 可維護(hù)性。系統(tǒng)最好能夠?qū)崿F(xiàn)在線診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能，方便找出有問(wèn)題的采集結(jié)點(diǎn)并及時(shí)修復(fù)，減少人工巡檢的成本[3]。

(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(guò)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀如表 1 所列。

對(duì)原先有 PLC 或 DCS 的系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入到上層系統(tǒng)即可。對(duì)空壓系統(tǒng)和水系統(tǒng)，則需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改造，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PLC 控制或者DCS 控制，并用智能儀表來(lái)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(jì)

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(gè)廠區(qū)距離較遠(yuǎn)，所以采用環(huán)形加心形的方式 ：各個(gè)工廠組成一個(gè)環(huán)網(wǎng)，而工廠里各個(gè)采集點(diǎn)采用心形連接接入到環(huán)網(wǎng)中。將各個(gè)子系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)交換機(jī)傳輸?shù)椒?wù)器中。

1.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化方案 

為了滿足網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)融合，面對(duì)大范圍的介入，提 供一種標(biāo)準(zhǔn)、可用、易用、易維護(hù)的方案。針對(duì)企業(yè)中 RTU 和 PLC 等廠家眾多，在與 EMS 系統(tǒng)交互時(shí)，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù) 接口的問(wèn)題，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)使用工業(yè)網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和標(biāo)準(zhǔn)化，最終將統(tǒng)一的數(shù)據(jù)上傳到 EMS 系 統(tǒng)，方便實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 [4]。

對(duì)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(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行交互 ；支持采集工業(yè)現(xiàn) 場(chǎng)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 ；支持眾多的高級(jí)功能，如腳本系統(tǒng)、數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備報(bào)警等，并能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)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(duì)比較方便操作 [5]。

以 SymLink XM4101 為例，其支持 4 路 10/100 Mb/s 自 適應(yīng)以太網(wǎng)接口和 10 路 RS 232/485 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(jìn)行對(duì)設(shè)備和相應(yīng)通信協(xié)議的配置，從而實(shí)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(yán)格的按照項(xiàng)目 / 裝置工程 / 應(yīng)用三級(jí)進(jìn)行分類管理，同時(shí)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(chǎng)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(gè)過(guò)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(shí)建立起采集點(diǎn)和 SymLink IO 中的映 射關(guān)系，從而在系統(tǒng)讀出現(xiàn)場(chǎng)采集、控制設(shè)備上的信息。利用Modbus工具和虛擬串口工具來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程進(jìn)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(duì)通道進(jìn)行設(shè)置。以燃?xì)庀到y(tǒng)為例，其采用西門子的 S7-300 PLC，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(huì)自動(dòng)填入到軟件中。規(guī)約庫(kù)里內(nèi)容非常豐富，基本 涵蓋了目前常用的通信規(guī)約，對(duì)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(dòng)，加載到規(guī)約庫(kù)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(gè)通道下可以掛載多個(gè)設(shè)備， 可以定義每個(gè)設(shè)備的名稱，描述設(shè)備型號(hào)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 Modbus RTU，然后配置串口參數(shù)。

2.2 采集點(diǎn)的建立 

系統(tǒng)中的 IO 點(diǎn)是對(duì)所采集的底層設(shè)備（如 PLC，智能設(shè) 備，儀表等）中的信號(hào)映射。通過(guò) IO 點(diǎn)的名稱、描述等屬性， 可以準(zhǔn)確表達(dá)所采集的底層設(shè)備（如 PLC，智能設(shè)備，儀表等） 中的信號(hào)（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(biāo)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(hào)量等類型，在 IO 點(diǎn)類型中我們可以選擇所采集 的 IO 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。

系統(tǒng)通過(guò)樹狀結(jié)構(gòu)來(lái)管理、展現(xiàn)采集點(diǎn)信息，對(duì)數(shù)據(jù) 點(diǎn)采用的是分組管理的方式。這也體現(xiàn)在 IO 點(diǎn)的命名規(guī)則 上，如在通道 chn1 設(shè)備 PLC S7-300 下有第一個(gè)組 G1 中的 信號(hào) TAG1，那該數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的名稱是 db.chn1.PLC S7-300. 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(diǎn)。簡(jiǎn)單地采集燃?xì)饬髁?、溫度壓力等信息，設(shè)置其信號(hào)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(shí)還包括轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)、 通信報(bào)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(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷維護(hù)等。系統(tǒng)監(jiān) 控畫面如圖 4 所示。

2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)

采集到的數(shù)據(jù)要傳送到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器中去，這個(gè)通過(guò)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)來(lái)實(shí)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(diǎn)會(huì)被加載到該界面下。采集點(diǎn)添加完成后，還需要將采集點(diǎn)與轉(zhuǎn)發(fā)通道的協(xié)議進(jìn)行地址信息關(guān)聯(lián)，否則，第三方系統(tǒng)還是無(wú)法獲取采集點(diǎn)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(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行必要的互通互聯(lián)，完成經(jīng)營(yíng)、生產(chǎn)管理層對(duì)過(guò)程控制層的雙向信息交互，保證企業(yè)對(duì)生產(chǎn)情況的掌握和控制。但是確保過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)的安全性不受外部通過(guò)企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(gè)工廠的自動(dòng)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(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行隔離。但是物理隔離的方式往往需要通過(guò)人工來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝、抄表等比較低效的方式[7]。

我們采用SymLink-GAP 工業(yè)網(wǎng)關(guān)，硬件上利用兩個(gè)獨(dú)立的主機(jī)與內(nèi)網(wǎng)和SCADA 控制網(wǎng)絡(luò)相連接，兩臺(tái)主機(jī)之間采用一塊隔離通信卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從內(nèi)網(wǎng)向外網(wǎng)的單向傳輸。通過(guò)這種硬件上的設(shè)計(jì)，既可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳，又能夠確保過(guò)程控制系統(tǒng)的安全。

結(jié) 語(yǔ)

本文研究了目前鋼鐵企業(yè)建設(shè)能源管理系統(tǒng)時(shí)面臨的企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。同時(shí)， 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(jìn)等過(guò)程，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于企業(yè)經(jīng)營(yíng)狀況的變動(dòng)，需要采集點(diǎn)的數(shù)量可能會(huì)相應(yīng)增加或者減少，不同的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(huì)成為一個(gè)可能的發(fā)展趨勢(shì)。