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基于边缘计算的钢铁企业电力实时数据采集的研究

 更新日期:2023-08-08 点击量:275

摘要:针对目前钢铁企业对能效要求的提高,企业需要建立一套能源管理系统。但是钢铁企业过程控制层控制设备繁杂,通信协议繁多,难以实现数据的集成和共享。为此,文中提出了一种基于工业网关的数据采集系统,该系统作为一个标准的数据采集平台,可实现对多源异构的数据采集,为能源管理系统(EMS)以及后续的企业管理系统(ERP)提供统一的数据。随后,利用串口和Modbus工具对数据采集系统进行仿真实验验证。

关键词:实时数据采集;工业网关;仿真

0引言

随着这些年引进技术以及自主研发,国内钢铁企业的自动化和信息化水平有了长足的进步,各种新的信息化、自动化技术在钢铁企业中得到了广泛的应用。随着大数据技术的发展,企业对采集和管理全生产过程中的生产、运营数据有着迫切的需求,以改善企业生产管理,改进生产工艺[1]。但各种不同的技术、产品被部署到企业现场后,出现了一些问题:

(1)设备种类多,地域分布广,通讯链路比较复杂;

(2)传输标准多样化,不同的通讯技术,通讯协议并存;

(3)部署、调试与维护管理的成本剧增。

钢铁企业的能源消耗直接决定了其生产成本,因而降低能耗对提升企业竞争力有着非常重要的意义。同时,钢铁企业污染排放量大,如果能合理使用与平衡调配能源,对环境保护也有作用。能源管理系统(以下简称“EMS")对全厂能源介质计量实行集中监视,其主要功能是实现高炉煤气、转炉煤气、天然气、水蒸气、氧氮氩、水、电等数据计量采集,对在公司层面优化煤气平衡、减少煤气放散、提高环保质量、降低吨钢能耗、提高劳动生产率和能源管理水平将起到十分明显的促进作用。

但是钢铁企业过程控制层控制设备繁杂,通信协议繁多,难以实现数据的集成和共享。本文提出了一种基于工业网关的数据采集系统,作为一个数据采集平台,实现对多源异构的数据进行采集,为能源管理系统(EMS)以及后续企业管理系统(ERP)提供统一的数据。

1多源异构数据实时采集系统

根据钢铁EMS系统的特点,对数据采集子系统提出了以下几个要求:

(1)可靠性。需要能够在比较严酷的工业现场长时间可靠地工作,保证过程数据不丢失。

(2)适应性。要求系统能提供企业现场多传感器、多协议的统一数据接口,开放式可扩展的数据采集框架,为数据后续的系统提供统一、实时的数据。

(3)可扩展性。考虑到能源系统随主系统不断拓展的特点,数据采集的接口也需要能够相应地拓展,以便将新的数据源接入到系统中来。

(4)可维护性。系统要能够实现在线诊断、远程维护等功能,方便找出有问题的采集结点并及时修复,减少人工巡检的成本。

(5)安全性。一方面要确保采集到的数据能够安全地传送到EMS上层系统,另外一方面也要确保企业过程控制系统不受外部网络威胁。

目前,企业需要接入ERP系统的各个现场控制系统现状如表1所列。

表1某钢铁企业现场控制系统现状

对原有PLC或DCS的系统,通过数据采集系统接入到上层系统即可。对空压系统和水系统,则需要对其进行相应的改造,实现系统的PLC控制或者DCS控制,并用智能仪表来代替传统仪表。

1.1异构数据采集系统框架设计

能源管理系统的构架如图1所示,在组网方式上,考虑到各个厂区距离较远,所以采用环形加心形的方式:各个工厂组成一个环网,而工厂里各个采集点采用心形连接接入到环网中。将各个子系统采集到的数据通过交换机传输到服务器中。

图1某钢铁企业EMS系统

1.2多源异构数据采集系统标准化方案

为了满足网络和互联网络贯通,面对大范围的介入,提供一种标准、可用、易用、易维护的方案。针对企业中RTU和PLC等厂家众多,在与EMS系统交互时,没有统一的数据接口的问题,数据采集系统通过使用工业网关来实现对各个系统数据的采集和标准化,从而将统一的数据上传到EMS系统,方便实时数据服务器对数据进行处理。对于图1所示的系统中就采用了SymLink智能工业网关。

该网关与一些只支持单一通信协议的网关相比,它能支持多种通信链路,比如RS-232/485、CAN总线、以太网、WiFi等,可以非常方便地实现与现场设备进行交互;支持采集工业现场的多种工业设备协议,并以多种工业设备协议向其他系统或设备提供数据分发服务,如:OPC、Modbus、IEC61850、IEC60870、PLC等;支持众多功能,如脚本系统、数据存储、设备报警等,并能通过互联网进行应用开发、在线调试、技术支持;图形化的操作配置也相对比较方便操作。以SymLinkXM4101为例,其支持4路10/100Mb/s自适应以太网接口和10路RS232/485串口,在与下层设备,比如PLC连接后,并在与网关配套的配置软件SymLink开发系统中,进行对设备和相应通信协议的配置,从而实现数据的采集与转发。在配置软件中新建工程后,系统严格的按照项目/装置工程/应用三级进行分类管理,同时在磁盘上按树状结构创建文件夹。

2数据采集

数据采集系统需要从工业现场的设备上,比如PLC,RTU或者智能仪表上获取EMS系统所属的数据。要完成这个过程,需要在连接好网关和采集设备的基础上,明确与挂载设备的通信协议,同时建立起采集点和SymLinkIO中的映射关系,从而在系统读出现场采集、控制设备上的信息。利用Modbus工具和虚拟串口工具来对数据采集过程进行仿真。

2.1采集通道的建立

建立工程后,在采集服务下可以选择新建通道,按提示对通道进行设置。以燃气系统为例,其采用西门子的S7-300PLC,所以在通道配置下选择和S7-300通信的规约,厂家和规约信息会自动填入到软件中。规约库里内容非常丰富,基本涵盖了目前常用的通信规约,对于一些特殊的通信协议,也可以根据协议开发出相应的规约驱动,加载到规约库中。配置好通信规约后,继续配置通讯所需要的主端口参数。建立通道后可以在通道下挂载设备,一个通道下可以挂载多个设备,可以定义每个设备的名称,描述设备型号等信息。如图2所示,建立采集通道C1并在通道配置中选择通信规约,如ModbusRTU,然后配置串口参数。

图 2 建立采集通道

2.2采集点的建立

系统中的IO点是对所采集的底层设备(如PLC,智能设备,仪表等)中的信号映射。通过IO点的名称、描述等属性,可以准确表达所采集的底层设备(如PLC,智能设备,仪表等)中的信号(如温度,压力等)。在数据属性中,我们可以定义有关该数据的描述、数据类型以及在目标设备中的寄存器地址如图3所示。该数据的类型包括模拟量、数字量、字符量、数据块、信号量等类型,在IO点类型中我们可以选择所采集的IO点对应的数据类型。

图 3 数据参数设置

系统通过树状结构来管理、展现采集点信息,对数据点采用的是分组管理的方式。这也体现在IO点的命名规则上,如在通道chn1设备PLCS7-300下有一个组G1中的信号TAG1,那该数据所对应的名称是db.chn1.PLCS7-300.G1.TAG1。在采集通道下新建设备B1后,即可以在里面添加采集点。简单地采集燃气流量、温度压力等信息,设置其信号类型,以及在PLC中的数据地址,数据类型等。采集到的数据可以在数据监视工具SymLink网关软件中查看,只要在设备列表中添加设备,填入SymLink工业网关的IP,就可以查看其采集到的数据信息。同时还包括转发服务、通信报文、设备状态、日志信息等。工程师可以利用这款软件监控工业网关的工作状态,进行远程的诊断维护等。系统监控画面如图4所示。

图4系统监视画面

2.3数据服务

采集到的数据要传送到实时数据服务器中去,这个通过网关的数据服务来实现。类似数据采集,在数据服务下新建通道,选择好通信协议后,在通道配置界面下选择加载采集信息。在数据采集中定义的IO采集点会被加载到该界面下。采集点添加完成后,还需要将采集点与转发通道的协议进行地址信息关联,否则,第三方系统还是无法获取采集点的数据。

3控制系统安全隔离

企业PCS与ERP、MES系统之间需要通过网络进行必要的互通互联,完成经营、生产管理层对过程控制层的双向信息交互,保证企业对生产情况的掌握和控制。但是确保过程控制网络的安全性不受外部通过企业管理网络对控制网络进行攻击,控制网络一旦受到病毒、蠕虫等攻击,可能导致整个工厂的自动化生产线停产[6]。目前主要采用物理隔离或者防火墙的方式来对系统进行隔离。但是物理隔离的方式往往需要通过人工来进行数据拷贝、抄表等比较低效的方式。我们采用SymLink-GAP工业网关,硬件上利用两个单独的主机与内网和SCADA控制网络相连接,两台主机之间采用一块隔离通信卡实现数据从内网向外网的单向传输。通过这种硬件上的设计,既可以实现数据通过网络上传,又能够确保过程控制系统的安全。

4 安科瑞网关介绍

4.1通信管理机

4.1.1概述

本系列智能通信管理机是一款采用嵌入式硬件计算机平台,具有多个下行通信接口及一个或者多个上行网络接口,用于将一个目标区域内所有的智能监控/保护装置的通信数据整理汇总后,实时上传主站系统,完成遥信、遥测等能源数据采集功能。

同时,本系列智能通信管理机支持接收上级主站系统下达的命令,并转发给目标区域内的智能系列单元,完成对厂站内各开关设备的分、合闸远方控制或装置的参数整定,实现遥控和遥调功能,以达到远动输出调度命令的目标。

4.1.2产品介绍

名称

型号

图片

功能

通信管理机

ANet-1E1S1

IMG_0430

通用网关,1路网口,1路RS485,可选配4G通讯、LORA通讯

ANet-1E2S1

通用网关,1路网口,2路RS485,可选配4G通讯,LORA通讯

ANet-2E4S1

通用网关,2路网口,4路RS485

ANet-2E8S1

通用网关,2路网口,8路RS485

ANet-2E4SM

2E4SM2

通用网关,2路网口,4路RS485,可选配LORA通讯,断电告警

4.2数据转换模块

4.2.1概述

AF-GSM是安科瑞电气推出的新型的4G远程无线数据采集设条,采用嵌入式设计。内嵌TCP/IP协议栈,同时采用了功能强大的微处理芯片,配合内置看门狗,性能可靠稳定。

本产品提供标准RS485数据接口,可以方便的连接RTU、PLC、工控机等设备,仅需一次性完成初始化配置。就可以完成对MODBUS设备的数据采集,并且与安科瑞服务器进行通讯。

5.2.2产品介绍

名称

型号

图片

功能

AF-GSM数据转换模块

AF-GSM300

HG9A9854

通用版,1路网口,1路LORA,可选转4G、CE通讯

AF-GSM400

通用版,1路网口,1路LORA,可选转4G、CE、NB、2G通讯


AF-GSM500

HG9A5213 拷贝

点阵液晶显示、4G通讯、全网通7模、LORA通讯、断点续传、U盘拷贝、内嵌8G SD卡、事件记录,可选择2路串口或6路串口


4.3 无线通讯转换器

4.3.1概述

AEW110系列无线通讯转换器主要用于辅助RS485设备进行无线组网,通过将通讯数据在RS485信号与无线信号之间互转,完成普通RS485设备的无线通讯。降低用户通讯组网的施工成本与改造时间。可与RS485通讯设备灵活安装,实现局部通讯的无线组网。

4.3.2产品介绍

名称

型号

图片

功能

AEW110无线通讯转换器

AEW110-LX

HG9A2473

RS485通讯接口、470MHz无线通讯、红外通讯,用于辅助RS485设备进行无线组网或充当无线通讯中继器使用

4.4无线通讯终端

4.4.1概述

AWT100数据转换模块是安科瑞电气推出的新型数据转换DTU,通讯数据转换包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN,GPS,WiFi,CE,DP 等通讯方式,下行接口提供了标准RS485数据接口,可以方便的连接电力仪表、RTU、PLC、工控机等设备,仅需一次性完成初始化配置,就可以完成对MODBUS设备的数据采集;同时AWT100系列无线通讯终端采用了功能强大的微处理芯片,配合内置看门狗技术,性能可靠稳定。

AWT200数据通讯网关应用于各种终端设备的数据采集与数据分析。实现设备的监测、控制、计算,为系统与设备之间建立通讯纽带,实现双向的数据通讯。实时监测并及时发现异常数据,同时自身根据用户规则进行逻辑判断,大大的节省了人力和通讯成本。

4.4.2产品介绍

名称

型号

图片

功能

AWT100无线通讯终端

AWT100-4G

IMG_0380

4G通讯、RS485通讯接口,用于辅助RS485设备无线通讯

AWT100-4GHW

4G通讯、RS485通讯接口,用于辅助RS485设备无线通讯

AWT100-NB

NB-IoT通讯、RS485通讯接口,用于辅助RS485设备无线通讯

AWT100-LoRa

LoRa通讯、RS485通讯接口,用于辅助RS485设备无线通讯

AWT100-LW

LoRaWAN通讯、RS485通讯接口,用于辅助RS485设备无线通讯

AWT100-LW868

海外,下行RS485,上行LoRaWAN无线通讯

AWT100-LW923

海外,下行RS485.上行LoRaWAN无线通讯

AWT100-CE

RS485通讯接口,以太网通讯双向透明传输

AWT100-GPS

RS485通讯接口,GPS定位

AWT100-WiFi

RS485通讯接口,WiFi无线双向透明传输

AWT100-DP

RS485通讯接口,Profibus通讯双向透明传输

AWT200无线通讯终端

AWT200-1E4S


4路串口,不带显示按键

AWT200-1E4S-4G

4路串口,不带显示按键,4G通讯

AWT200-1E4S-4G/K

4路串口,不带显示按键,4G通讯、开关量功能

AWT200-1E4S-4G/LR

4路串口,不带显示按键,4G通讯、LORA通讯

1_副本AWT200-1E4SL

4路串口,带显示按键

AWT200-1E4SL-4G

4路串口,带显示按键,4G通讯

AWT200-1E4SL-4G/K

4路串口,带显示按键,4G通讯、开关量功能

AWT200-1E4SL-4G/LR

4路串口,带显示按键,4G通讯、LORA通讯

AWT200-1E8SL

8路串口,带显示按键

AWT200-1E8SL-4G

8路串口,带显示按键,4G通讯

5结语

本文研究了目前钢铁企业建设能源管理系统时面临的企业现场不同设备,多传输协议的复杂现状,提出了利用工业网关作为一个统一的平台来实现对工业现场数据采集。同时,还可以将采集的数据用于企业的生产管理、产品工艺改进等过程,对企业的生产有较大的经济价值。由于企业经营状况的变动,需要采集点的数量可能会相应增加或者减少,不同的现场对接口的需求可能也有所不同。所以模块化的工业网关也会成为一个可能的发展趋势。

参考文献

[1]王永川,陈光明.钢铁企业能源管理系统方案研究[J].冶金能源,2003,22(6):5-8.

[2]郭蓝天.数据采集网关的研制及其在中型热电厂运行管理系统中的应用[D].青岛:青岛科技大学,2012.

[3]智能电网用户端电力监控/电能管理/电气安全(产品报价手册).2023.01版

[4]企业微电网设计与应用手册.2022.05版.