基于串口轉換器的鋼廠能源數據采集系統

馬 健，董園園

（1.河鋼集團唐山不銹鋼有限責任公司，河北 063105；2.唐鋼國際工程技術有限公司河北 063000）

0 引言

節能降耗是企業的生存之本，企業日常運營需樹立“降低能耗,杜絕浪費,提高效益”的節能意識，利用現代化的管理手段對能源介質進行科學管控，可有效降低企業能源使用成本，實現企業效益的最大化。傳統的人工抄錄數據可能出現能源數據虛報、漏報等現象，能源管理易出現偏差，通過能源數據自動采集系統，對能源計量數據自動采集、統計，可以實現對能源數據和能源使用情況進行有效管控，從而使數據統計做到了及時、準確、完整、有效，杜絕人工抄數等形式出現的數據不準、不全、滯后的現象。

本文介紹唐鋼不銹鋼公司（簡稱不銹鋼公司）構建能源數據采集系統的重要意義以及系統構建過程，詳細介紹了能源數據采集系統的硬件構成和軟件功能，并對系統投運后企業節能成效和能源數據管理成效進行了分析總結。

1 構建能源數據采集系統的必要性

不銹鋼公司是一所年產300萬噸鋼材的國有企業，現有主生產線包括：一座2 000 m3容積高爐、一臺132 m2燒結機、一臺265 m2燒結機、三座100 t轉爐，三座100 tLF精煉爐、一座RH爐、3臺板坯連鑄機以及一條1580熱軋生產線。隨著國內鋼鐵市場競爭形勢日益嚴峻，節能降耗成了企業降本增效的重要手段。節能降耗需要科學有效的能源管理為支撐，需要科學計量數據作為基礎保障。因此，構建實時能源數據采集系統迫在眉睫。

實時能源數據采集系統是鋼鐵企業能源管理中心建設的重要支撐，主要是通過計算機系統對企業的電、水、燃氣、熱力介質和動力介質等能源介質數據進行實時采集。通過對數據的整理、統計和展示，可以對全公司的能源介質使用情況進行管理和監督，對動態掌握全公司能源使用狀況、優化能源使用結構，減少煤氣放散、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顯著的促進作用，因而是十分必要的。

2 能源數據采集系統的構成及功能

能源數據采集系統主要是由實時能源數據庫服務器、數據采集串口轉換器、現場計量儀表、通訊協議和數據采集應用軟件等構成，系統具有時能源數據查詢和展示功能。

2.1 實時能源數據庫

能源數據的特點是實時性強，尤其是結算儀表，對數據的及時性和準確率都有較高的要求。能源歷史數據量大，每個測點的存儲一般都是秒級，按照5秒每個的頻率，每年單個測點需存儲20萬個數據，不銹鋼的能源數據存在5000個測點，則一年數據存儲量高達10億。另外能源數據多種多樣，需使用多種表達方式綜合展示數據。經過多方考察和比對，我們選用了PI實時數據庫和Oracle關系型數據庫。

PI實時數據庫采用鍵值對的方式存儲數據，key值為時間，value為數據，數據結構更加清晰。每塊儀表采取獨立存儲數據，互不影響；對數據存儲進行二次壓縮，能夠做到200小時數據僅占據4G磁盤存儲空間[1]，使能源歷史數據得以長期存儲，甚至可以查看幾年間的能源趨勢走向，更有利于能源數據管理；多樣式高效展示數據形式，既能夠對現有曲線趨勢數據進行瞬時量查詢，又可以通過報表形式進行能源的周期性統計，形式靈活多變。

Oracle關系型數據庫通過靈活的SQL查詢和廉價的維護成本，使得存儲系統配置數據時得心應手，只需在數據庫中將配置改變，系統重啟后即可實現“一處修改，處處變換”。所以能源采集系統的所有配置數據，均放在Oracle的數據庫當中。

2.2 數據采集串口轉換器

無論是計量水、電、煤氣，還是壓空、氮氣、氧氣等介質，其計量儀表基本都是由單片機構成，一般會在其內部設置串口通訊模塊，可以通過RS485通訊接口與儀表進行交互。眾所周知，目前局域網通訊是最快捷、簡便的形式，幾乎每個公司都有內部局域網，用以通訊和數據傳輸。如何將儀表和內網連接起來，用以采集相關的儀表數據呢？基于TCP/IP及串口數據流傳輸的串口轉換器應運而生，它不但能起到橋梁作用，將RS485通訊數據轉換為TCP數據，而且通過數據轉換，也實現了隔離病毒，保護儀表的效果。

通過串口轉換器的方案[2]，可以將現場就近的幾個計量儀表的數據集中起來進行傳輸，最大限度地利用現有網絡的布線，減少設備投資成本。由于工廠早期安裝的儀表設備均有串口通訊，通過這種解決方案，無需過早淘汰原有設備，最大限度提高現有設備利用率，進而節約設備投資。

一個串口轉換器作為服務器時，能夠與多個串口設備（儀表）進行連接，通過與每臺設備通訊，將串口數據流進行篩分和處理。通過RS485通訊接口轉換為TCP數據，實現了遠程主機與現場儀表的實時互動。儀表數據采集示意圖如圖1所示。

2.3 通訊協議

Modbus是工業中經常用到的一種通訊協議，能源計量儀表一般均支持Modbus RTU,它通過主機發送的廣播報文，根據其自身地址，選擇性地接收Modbus報文。當地址、數據長度、CRC、效驗均滿足要求時，對報文數據進行解析，根據其任務要求查詢內存數據，并將數據打包成報文形式發送給主機。其報文格式為地址碼、功能碼、數據區、CRC效驗碼，例如01 03 07 C6 00 02 25 42這個報文的意思就是主機需要地址為1的能源儀表，提供寄存器地址07C6和07C7的數據。叢機返回01 03 04 00 00 CB 43 EC F2，其報文含義為地址為1的能源儀表返回4個字節數據0000CB43，按照正確順序解碼后得到406的數值，此值即為儀表顯示屏顯示的數據值。

2.4 能源數據采集

當硬件設備全部安裝到位后，即進入軟件編寫與調試階段，數據采集是采用的遠程服務集中采集模式。程序啟動后，會先從Oracle數據庫中提取相應配置數據，包括采集方式、儀表類型、儀表地址、寄存器地址等相關信息；數據經過編碼后得到Modbus形式的字符串數據，然后與相應IP地址的串口轉換器進行Socket通訊，串口轉換器收到數據后通過RS485通訊接口向連接的儀表進行廣播；對應地址的儀表收到信息后反饋相應字符串數據，數據通過串口轉換器由程序接收，程序對其進行相關解碼，得到需要采集的實時數據,并寫到PI實時數據庫中。數據采集流程如圖2所示。

2.5 數據展示

充分利用PI實時數據庫的相關軟件，即可實現所需的數據展示，提供數據展示工具，可方便查詢實時數據，查看歷史趨勢，對比分析各能源數據問題，可在windows各個版本使用，界面友好，修改便捷，形式靈活。

使用內嵌PI組件Excel報表，可分別制作水、電、氣等能源報表，統計班、天、周、月、年的能源介質使用情況。Excel報表特點為查詢和編輯方便：一鍵式查詢所錄入時間的報表數據，在Excel表格中瞬間展現相應數據；編輯報表時，在相應表格位置錄入相關參數即可，使報表編輯更加靈活方便。Excel報表提取能源數據如圖3所示。

圖3 Excel報表提取能源數據

使用ProssBook軟件，經過畫面編輯，連接變量后，即生成項目文件，其內部支持VBA，能夠進行編程，使得內容更加靈活方便，ProcessBook展現能源數據如圖4所示。

圖4 ProcessBook展現能源數據

3 實施效果

能源數據采集系統的投運，使能源管理更加科學高效，有效降低企業能源使用成本，促進了企業節能減排工作向更高層次轉變。

能源數據采集系統可分別制作水、電、氣等能源介質報表；按時間可查詢所錄入的報表數據，查看歷史趨勢，對比分析各能源數據問題；可通過ProssBook軟件生成項目文件，展現能源數據。

2020年不銹鋼公司各能源介質消耗情況與2018年相比較：噸鋼電耗由477 kwh/t降低到460 kwh/t，降低3.6%；熱電發電量提高20 kwh/t，增加幅度約為14%；用水降低0.75 t/t鋼，降低幅度約為20%。

4 結語

利用現代化的能源管理手段對公司能源介質進行管控，使不銹鋼公司能源管理水平顯著提高，實現了對公司能源數據和能源使用情況的有效管控。能源數據的采集統計做到了及時、準確、完整、有效，杜絕了人工抄數等形式出現的數據不準、不全、滯后的現象。

系統投運后，公司能源管理和績效考核有了數據支撐和保障。公司各能源介質消耗不同程度有所降低，提高了能源管控的時效性，顯著提高了企業的經濟效益和社會效益。