工業網關及分布式技術在預焙陽極中的應用

張著旅　路輝　劉俊　閆朝寧　楊運川　莫代貴

〔摘 要〕介紹了預焙陽極生產數據采集現狀、工業網關的數據采集原理和采集運行軟件的設計，利用工業網關及分布式技術，解決鋁用炭素企業多設備、多協議、多網絡、多結構數據采集問題，對炭素車間生產管理數據進行分布式采集。應用實踐證明，工業網關數據采集技術可以實現鋁用炭素廠多個局域網車間單體設備的數據采集和集中統一管理，使生產管理過程實現全天候的實時監控，幫助管理者及時掌握生產狀況，便于生產決策分析。

〔關鍵詞〕工業網關；分布式；預焙陽極；數據采集

中圖分類號：TP273? ?? 文獻標志碼：Ｂ? 文章編號：1004-4345（2024）02-00３0-0４

Research on the Improvement of Settling Efficiency of Large-scale Tailings Thickener

ZHANG Zhulyu， LU Hui， LIU Jun， YAN Chaoning， YANG Yunchuan， MO Daigui

（Guiyang Aluminum Magnesium Design and Research Institute Co.， Ltd.， Guiyang， Guizhou 550081， China）

Abstract? This paper introduces the current situation of production data collection of pre-roasting anode， the data collection principle of industrial gateway and the design of data collection software. By using industrial gateway and distributed technology， the problem of multi-equipment， multi-protocol， multi-network and multi-structure data collection in aluminum carbon enterprise is solved， and the production management data of carbon workshop is distributed. The application practice has proved that the data acquisition technology of industrial gateway can realize the data acquisition and centralized and unified management of single equipment in multiple LAN workshops of aluminum carbon plant， so that the production management process can realize all-weather real-time monitoring， help managers to grasp the production status in time， and facilitate the production decision analysis.

Keywords? industrial gateway; distributed; pre-roasting anode; data acquisition

1? ?預焙陽極生產數據采集現狀

預焙陽極是以石油焦為原料，以煤瀝青為黏結劑，經過煅燒、中碎、篩分、磨粉、配料、混捏、成型、焙燒等工序加工制作而成的[1]。一個完整的預焙陽極要經過成型車間、焙燒車間、組裝車間3個車間的加工處理后才能輸送到電解車間進行電解，流程極其繁瑣，且各車間的生產設備基本處于孤立的局域網內，數據不能共享，管理復雜。同時，單體設備使用的控制器不統一，通信協議很多，無法對多樣化的異構數據源進行統一、規范地采集，形成了“數據孤島”。典型的鋁用炭素企業生產組織結構見圖1。

在此背景下，對預焙陽極生產過程數據采集的研究成為當前業內關注的熱點。通過整合多個獨立的數據源，建立統一的數據中心，可以更好地滿足用戶的需求[2]，因此研究如何有效地采集、傳輸和處理大量的數據，建立一套開放的數據結構標準，實現數據的最佳利用，是解決該問題的關鍵。

目前，常用的工業數據采集網關主要是以單片機為核心的普通網關和以工控板搭載 Windows 系統的工控機。以單片機為核心的普通網關多以32位芯片為硬件平臺，如STM32。這種網關由于接口資源少，存在數據采集方式、協議轉換功能單一，數據存儲、傳輸能力不夠等問題。工控機雖然性能出色，但體積龐大，功耗高，抗干擾能力較弱，因此通常采用非實時操作系統來滿足需求[3]。而且，這些網關的數據安全性較弱，協議也未統一標準，導致所采集的數據信息不具備完整性。隨著高性能嵌入式系統的出現和普及，市面上出現了通過工業網關來進行數據采集，并且支持 CAN 總線、RS-485 和以太網等多種傳送方式。下文擬利用設備物聯及工業網關技術解決鋁用炭素企業多設備、多協議、多網絡、多結構數據采集問題，實現對炭素車間生產管理數據的分布式采集。

2? ?工業網關概況

工業網關（Industrial Gateway）是一種用于連接云端平臺和工業設備的網絡連接器，它可以將多種不同的通信協議、數據格式或語言轉換成一種可用的形式，從而實現信息的快速上傳和下發[3]。通過與軟件系統結合，工業網關可實現工業領域多個局域網車間單體設備的數據采集，把零散的孤島數據融合在一起進行數據分析。工業網關應用Cortex-A8高性能嵌入式微處理器技術，提供多種端口，包括千兆工業以太網、RS232/RS485串行通信端口、USB接口以及WiFi和SIM卡等，可以實現高效的數據交換和通信功能，具體見圖2。

工業網關擁有強大的性能，它不僅支持Modbus RTU/ASCⅡ/TCP、MQTT和CAN這些常見的工業生產通信協議，而且還擁有將設備層的數據轉化成網絡層數據的功能，從而使現場總線控制系統和工業以太網通信系統之間的交互變得更加便捷和高效[3]。與傳統的數據收集方式相比，工業網關更加輕巧，不用進行布線，易于安裝，可以進行集中管理，并且適用于多樣化的工作場景，從而大大減少了運營成本。

2.1? 工業網關數據采集原理

工業網關作為工業數據采集中一種重要的設備，對于數據采集和轉發起到了至關重要的作用。工業網關功能模塊結構見圖3所示。

工業網關軟件采用嵌入式Linux系統，支持完整的 TCP／IP 協議棧，應用軟件的開發完全在 Linux 系統環境下完成。采集應用軟件主要包括數據采集、數據處理、數據傳輸3大功能[4]。

1） 數據采集。工業網關通過以太網與各種生產設備相連，能適配兼容多種協議的接入，并使用RS-485作為物理層，以 Modbus RTU作為數據傳輸介質，以二進制形式傳輸源端設備的數據，從而實現對整個系統的有效監控。

2） 數據處理。數據處理主要是對數據進行格式轉換和預處理，保證數據傳輸的安全性和可靠性。JSON作為一種簡單易懂的數據交互方法，可以有效支持多個節點和不同類型的信息流通。本項目使用JSON 封裝采集的數據，提高了數據處理效率。

3）數據傳輸。數據傳輸支持多種協議和傳輸方式進行發送和訂閱。MQTT是一種基于TCP/IP棧的高效遠程通信協議，不僅能在復雜的網絡環境中進行擴展，而且還適用于設備硬件存儲空間或網絡帶寬有限的場景[5-6]。使用 MQTT協議，消息發送者與接收者不受時間和空間的限制進行推送和訂閱。同時，MQTT協議成本極低，能夠滿足大規模應用的需求，無論是大型服務器，還是小型工控機，都能夠實現快速、穩定的數據交換。

本文通過EMQ X軟件作為消息代理服務器進行發布和訂閱消息。例如：

ClientId = G308000048&Demo；

ProductM = pm；

DeviceM = dm；

DeviceSecret = dsecret；

那么， MQTT 連接參數如下：

MqttClientId = G308000048|Demo|Signmethod

= hmacsha256

MqttUserName = pm&dm

MqttPassword = hmacsha256（“dsecret”， “pm&dm”）

簡而言之，工業網關可以向設備采集數據，并向云端轉發數據。采集數據是通過MODBUS RTU協議采集各種生產設備的源數據，然后進行數據封裝。通過MQTT協議把封裝好的數據推送至MQTT訂閱服務器[6]。為了便于用戶對數據采集點位的需求管理，以配置文件的形式存放需要采集的數據采集點。運行程序在添加對象時會首先讀取配置文件，并根據配置文件的內容進行添加。

以鋁用炭素企業為例，配置文件格式需要采集的點位數據見圖4。配置文件實例見圖5。

2.2? 采集運行軟件設計

為了保證設備與工業網關的進程通信載荷相互不受干擾，使得“通過MODBUS RTU協議采集各種生產設備的源數據”和“利用MQTT協議把封裝好的數據推送至MQTT訂閱服務器”兩個進程均能高效獨立地完成各自的隊列，本文設計了采集運行軟件幫助工業網關完成采集任務。

采集運行軟件對工業網關數據采集起到關鍵性作用，其需要通過上位機軟件進行指定軟元件的讀寫與監控，還需要工業網關具備一定的可配置性，包括獲取節點狀態、遠程讀寫、設置參數、配置MQTT對象信息等[7]。通過與上位機軟件的結合，工業網關可以實現對各種 PLC 設備的實時采集管理與監控配置。

采集運行程序采用eclipse軟件編程平臺的JAVA語言開發與設計上位機軟件。它的主要功能包括：1）建立連接/斷開連接，即與MOTT 服務器建立通信連接或斷開通信連接。2）設置參數，即配置接口參數，PLC采集點位地址映射數據，通過特定 MOTT 主題發送網關的系統參數設置消息。3）發送指令/接收消息，即根據需求發送特定 MOTT 主題的指令，或根據接收到的特定MOTT主題消息進行數據處理。4）數據處理，即對采集到的數據進行本地封裝，通過JSON 格式數據解析，以便完成進一步操作。5）數據傳輸，即根據訂閱的主題消息基于MQTT協議傳輸至服務器。采集運行軟件流程見圖6。

3? ?預焙陽極生產數據采集應用

基于工業網關數據采集原理和鋁用炭素企業的生產組織結構特點，該技術在具體應用時，擬在每個車間部署1臺匯聚交換機，整體網絡框架為3層架構，所有設備通過現場光纖接入核心交換機。每個車間控制柜集中的電氣室部署1臺接入交換機，設備通過網線連在一起，通過光纖接入匯聚交換機，形成分布式的網絡拓撲結構，見圖7。

本文針對預焙陽極生產數據設計的分布式采集系統構建了多種模式，包括多設備并發采集、多任務分頻采集、自動連續地址運算、多連接并發采集、驅動底層采集的連接池模式。工業網關與每個PLC建立多個連接，組成一個公共的并聯連接池資源，根據連接的狀態進行動態地負載均衡，在同一時間實現多路數據的并發采集[8]。圖8為分布式數據采集應用架構。

該系統已被應用于某電解鋁炭素生產企業。該系統的應用改變了該企業人工數據采集速度慢、采集數據質量差、工作效率低的現狀。系統正式運行之后，其網關采集運行穩定，管理者可實時監測成型、焙燒、組裝3個車間的生產設備的運行狀態，并進行集中管理，及時獲取車間的生產情況，根據實時數據進行分析，從而迅速地作出決策，有效縮短異常處理時間，指導工業生產。為炭塊跟蹤和質量追溯提供可靠的依據。監測數據通過可視化大屏的方式呈現，如圖9所示。

根據系統配置，當發生告警后，將告警內容（告警時間、告警編號、告警名稱、告警源）以文字方式實時推送到可視化大屏指定端，用戶可以點擊進入明細界面查看告警信息，以便實時處理異常情況。

4? ?結語

應用實踐證明，工業網關數據采集技術通過將工業網關與軟件系統相結合可以實現鋁用炭素廠多個局域網車間多設備、多協議、多網絡、多結構數據分布式采集和集中統一管理，實現生產管理過程全天候的實時監控，使管理者能及時了解生產狀況，發現問題，并進一步優化生產流程，進行決策分析，企業的設備維護成本也大幅降低。通過對數據的融合治理、分析使傳統鋁用炭素廠實現了從之前的人工錄單、手工填單往自動采集、無紙化辦公的轉變。當各類設備數據積累到一定數量時，廠方還可利用海量的基礎數據進行數據挖掘、數據建模，通過各類算法為未來的生產發展提供規劃，支撐企業的數字化轉型，為傳統企業探索出新的商業機制和盈利方式。

參考文獻

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[8] 禹鑫燚，唐權瑞，施甜峰，等. 基于OPC UA協議的工業網關系統設計與實現[J]. 高技術通訊，2021，31（9）：962-968.

收稿日期：2023-06-12

基金項目：黔科合平臺人才項目[項目編號：YQK（2023）001];貴陽市科技計劃項目[項目編號：筑科合同（2021）43-19號]

作者簡介：張著旅（1993—），男，工程師，主要研究方向為鋁工業智能制造、數據融合分析。