基于工業(yè)網關的鋼鐵企業(yè)實時數(shù)據(jù)采集技術

引 言

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過程中的生產、運營數(shù)據(jù)有著迫切的需求，以改善企業(yè)生產管理，改進生產工藝[1]。但各種不同的技術、產品被部署到企業(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 [2]。

鋼鐵企業(yè)的能源消耗直接決定了其生產成本，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)境保護也有積極作用。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、全面、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)最好能夠實現(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[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)過程控制系統(tǒng)不受外部網絡威脅。

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。

對原先有 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，而工廠里各個采集點采用心形連接接入到環(huán)網中。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?/span>

1.2 多源異構數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)標準化方案 

為了滿足網絡和互聯(lián)網絡融合，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)網關來實現(xiàn)對各個 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和標準化，最終將統(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 [4]。

對于圖 1 所示的系統(tǒng)中就采用了 SymLink 智能工業(yè)網關。 該網關與一些只支持單一通信協(xié)議的網關相比，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(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 ；支持眾多的高級功能，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 [5]。

以 SymLink XM4101 為例，其支持 4 路 10/100 Mb/s 自 適應以太網接口和 10 路 RS 232/485 串口，在與下層設備，比 如 PLC 連接后，并在與網關配套的配置軟件 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 SymLink IO 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 S7-300 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 Modbus RTU，然后配置串口參數(shù)。

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。

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 PLC S7-300 下有第一個組 G1 中的 信號 TAG1，那該數(shù)據(jù)所對應的名稱是 db.chn1.PLC S7-300. 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。

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)之間需要通過網絡進行必要的互通互聯(lián)，完成經營、生產管理層對過程控制層的雙向信息交互，保證企業(yè)對生產情況的掌握和控制。但是確保過程控制網絡的安全性不受外部通過企業(yè)管理網絡對控制網絡進行攻擊，控制網絡一旦受到病毒、蠕蟲等攻擊，可能導致整個工廠的自動化生產線停產 [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[7]。

我們采用SymLink-GAP 工業(yè)網關，硬件上利用兩個獨立的主機與內網和SCADA 控制網絡相連接，兩臺主機之間采用一塊隔離通信卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)從內網向外網的單向傳輸。通過這種硬件上的設計，既可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通過網絡上傳，又能夠確保過程控制系統(tǒng)的安全。

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)的生產管理、產品工藝改進等過程，對企業(yè)的生產有較大的經濟價值。由于企業(yè)經營狀況的變動，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)網關也會成為一個可能的發(fā)展趨勢。