基于工業網關的鋼鐵企業實時數據采集技術

毛蘇杭　宋蘊璞　劉林

摘 要：針對目前鋼鐵企業對能效要求的提高，企業需要建立一套能源管理系統。但是鋼鐵企業過程控制層控制設備繁雜，通信協議繁多，難以實現數據的集成和共享。為此，文中提出了一種基于工業網關的數據采集系統，該系統作為一個標準的數據采集平臺，可實現對多源異構的數據采集，為能源管理系統（EMS）以及后續的企業管理系統（ERP）提供統一的數據。最后，利用串口和Modbus工具對數據采集系統進行仿真實驗驗證。

關鍵詞：實時數據采集；能源管理系統；工業網關；仿真

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

隨著這些年引進技術以及自主研發，國內鋼鐵企業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中得到了廣泛的應用。隨著大數據技術的發展，企業對采集和管理全生產過程中的生產、運營數據有著迫切的需求，以改善企業生產管理，改進生產工藝[1]。但各種不同的技術、產品被部署到企業現場后，出現了一些問題：

（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，通訊協議并存；

（3）部署、調試與維護管理的成本劇增[2]。

鋼鐵企業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競爭力有著非常重要的意義。同時，鋼鐵企業污染排放量大，如果能合理使用與平衡調配能源，對環境保護也有積極作用。能源管理系統（以下簡稱“EMS”）對全廠能源介質計量實行集中監視，其主要功能是實現高爐煤氣、轉爐煤氣、天然氣、水蒸氣、氧氮氬、水、電等數據計量采集，對在公司層面優化煤氣平衡、減少煤氣放散、提高環保質量、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。

但是鋼鐵企業過程控制層控制設備繁雜，通信協議繁多，難以實現數據的集成和共享。本文提出了一種基于工業網關的數據采集系統，作為一個數據采集平臺，實現對多源異構的數據進行采集，為能源管理系統（EMS）以及后續企業管理系統（ERP）提供統一的數據。

1 多源異構數據實時采集系統

根據鋼鐵EMS系統的特點，對數據采集子系統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現場長時間可靠地工作，保證過程數據不丟失。

（2）適應性。要求系統能提供企業現場多傳感器、多協議的統一數據接口，開放式可擴展的數據采集框架，為數據后續的系統提供統一、全面、實時的數據。

（3）可擴展性。考慮到能源系統隨主系統不斷拓展的特點，數據采集的接口也需要能夠相應地拓展，以便將新的數據源接入到系統中來。

（4）可維護性。系統最好能夠實現在線診斷、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據能夠安全地傳送到EMS上層系統，另外一方面也要確保企業過程控制系統不受外部網絡威脅。

目前，企業需要接入ERP系統的各個現場控制系統現狀如表1所列。

對原先有PLC或DCS的系統，通過數據采集系統接入到上層系統即可。對空壓系統和水系統，則需要對其進行相應的改造，實現系統的PLC控制或者DCS控制，并用智能儀表來代替傳統儀表。

1.1 異構數據采集系統框架設計

能源管理系統的構架如圖1所示，在組網方式上，考慮到各個廠區距離較遠，所以采用環形加心形的方式：各個工廠組成一個環網，而工廠里各個采集點采用心形連接接入到環網中。將各個子系統采集到的數據通過交換機傳輸到服務器中。

1.2 多源異構數據采集系統標準化方案

為了滿足網絡和互聯網絡融合，面對大范圍的介入，提供一種標準、可用、易用、易維護的方案。針對企業中RTU和PLC等廠家眾多，在與EMS系統交互時，沒有統一的數據接口的問題，數據采集系統通過使用工業網關來實現對各個系統數據的采集和標準化，最終將統一的數據上傳到EMS系統，方便實時數據服務器對數據進行處理[4]。

對于圖1所示的系統中就采用了SymLink智能工業網關。該網關與一些只支持單一通信協議的網關相比，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與現場設備進行交互；支持采集工業現場的多種工業設備協議，并以多種工業設備協議向其他系統或設備提供數據分發服務，如：OPC、Modbus、IEC61850、IEC60870、PLC等；支持眾多的高級功能，如腳本系統、數據存儲、設備報警等，并能通過互聯網進行應用開發、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開發系統中，進行對設備和相應通信協議的配置，從而實現數據的采集與轉發。在配置軟件中新建工程后，系統嚴格的按照項目/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建文件夾。

2 數據采集

數據采集系統需要從工業現場的設備上，比如PLC，RTU或者智能儀表上獲取EMS系統所屬的數據。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議，同時建立起采集點和SymLink IO中的映射關系，從而在系統讀出現場采集、控制設備上的信息。利用Modbus工具和虛擬串口工具來對數據采集過程進行仿真。

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通信的規約，廠家和規約信息會自動填入到軟件中。規約庫里內容非常豐富，基本涵蓋了目前常用的通信規約，對于一些特殊的通信協議，也可以根據協議開發出相應的規約驅動，加載到規約庫中。配置好通信規約后，繼續配置通訊所需要的主端口參數。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約，如Modbus RTU，然后配置串口參數。

2.2 采集點的建立

系統中的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）。在數據屬性中，我們可以定義有關該數據的描述、數據類型以及在目標設備中的寄存器地址如圖3所示。該數據的類型包括模擬量、數字量、字符量、數據塊、信號量等類型，在IO點類型中我們可以選擇所采集的IO點對應的數據類型。

系統通過樹狀結構來管理、展現采集點信息，對數據點采用的是分組管理的方式。這也體現在IO點的命名規則上，如在通道chn1設備PLC S7-300下有第一個組G1中的信號TAG1，那該數據所對應的名稱是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中的數據地址，數據類型等。

采集到的數據可以在數據監視工具SymLink網關軟件中查看，只要在設備列表中添加設備，填入SymLink工業網關的IP，就可以查看其采集到的數據信息。同時還包括轉發服務、通信報文、設備狀態、日志信息等。工程師可以利用這款軟件監控工業網關的工作狀態，進行遠程的診斷維護等。系統監控畫面如圖4所示。

2.3 數據服務

采集到的數據要傳送到實時數據服務器中去，這個通過網關的數據服務來實現。類似數據采集，在數據服務下新建通道，選擇好通信協議后，在通道配置界面下選擇加載采集信息。在數據采集中定義的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通道的協議進行地址信息關聯，否則，第三方系統還是無法獲取采集點的數據。

3 控制系統安全隔離

企業PCS與ERP、MES系統之間需要通過網絡進行必要的互通互聯，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據拷貝、抄表等比較低效的方式[7]。

我們采用SymLink-GAP工業網關，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數據從內網向外網的單向傳輸。通過這種硬件上的設計，既可以實現數據通過網絡上傳，又能夠確保過程控制系統的安全。

4 結 語

本文研究了目前鋼鐵企業建設能源管理系統時面臨的企業現場不同設備，多傳輸協議的復雜現狀，提出了利用工業網關作為一個統一的平臺來實現對工業現場數據采集。同時，還可以將采集的數據用于企業的生產管理、產品工藝改進等過程，對企業的生產有較大的經濟價值。由于企業經營狀況的變動，需要采集點的數量可能會相應增加或者減少，不同的現場對接口的需求可能也有所不同。所以模塊化的工業網關也會成為一個可能的發展趨勢。

參考文獻

[1]王永川，陳光明.鋼鐵企業能源管理系統方案研究[J].冶金能源，2003，22（6）：5-8.

[2]郭藍天.數據采集網關的研制及其在中型熱電廠運行管理系統中的應用[D].青島：青島科技大學，2012.

[3]魏海明.冶金能源管理系統的發展[J].寶鋼技術，2007（5）：28-34.

[4]何建忠.基于MODBUS協議的工業網關設計與實現[D].呼和浩特：內蒙古大學，2013.

[5]唐昱佳.基于物聯網的能源管理系統設計[J].計算機應用與軟件，2011，28（12）： 161-164.

[6]朱鵬.基于TCP/IP協議的工業控制網絡遠程數據通信網關的安全技術研究[D].昆明：昆明理工大學，2013.

[7]胡家銘.企業計算機網絡安全問題分析及應對方案[D].長春：吉林大學，2014.