SCADA系統(tǒng)在冶金行業(yè)能源系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

陳志，周海倫（首鋼自動化信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100041）

走新型工業(yè)化是我國鋼鐵工業(yè)由鋼鐵大國向鋼鐵強國發(fā)展的必由之路。通過能源管控，降低鋼鐵生產(chǎn)成本，實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)是我們面臨的新課題。要實現(xiàn)能源的管控，首先要對能源數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的采集、科學(xué)的分析與優(yōu)化，能源管控才能見成效。目前冶金企業(yè)公司能源中心的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)主要是對風(fēng)、水、電、氣（汽）等能源介質(zhì)和重要設(shè)備運行狀態(tài)、閥門開度等能源介質(zhì)信息進(jìn)行監(jiān)控。為了更好實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，首先要滿足能源中心數(shù)據(jù)采集的需求。實現(xiàn)能源計量與能源管理的分布式多級控制，使SCADA系統(tǒng)與ERP和MES系統(tǒng)進(jìn)行無縫連接。數(shù)據(jù)的采集及執(zhí)行是能源管理系統(tǒng)中最重要的一環(huán)，關(guān)系到系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性，并且為包含能源平衡分析及預(yù)測、能源計劃調(diào)度等內(nèi)容的能源管理系統(tǒng)提供堅實可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 SCADA系統(tǒng)的構(gòu)成

SCADA（Supervisory ControI And Data AcquiSition）系統(tǒng)是對分布距離遠(yuǎn)，生產(chǎn)單位分散的生產(chǎn)系統(tǒng)的一種數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制系統(tǒng)。SCADA是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、高效調(diào)節(jié)以及各類信號報警等功能。由于各個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CADA的要求不同，所以不同應(yīng)用領(lǐng)域的SCADA系統(tǒng)的發(fā)展也不完全相同。

能源SCADA系統(tǒng)主要針對能源主要設(shè)施進(jìn)行監(jiān)視與控制，涉及風(fēng)、水、電、氣（汽）各種能源介質(zhì)。

1.1 數(shù)據(jù)采集功能

將能源管理中心所需全公司的能源數(shù)據(jù)采集進(jìn)入系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)控、監(jiān)視、報警、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度指揮；并與計量中心、MES、ERP管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換獲得能源產(chǎn)供計劃、生產(chǎn)計劃、作業(yè)線設(shè)備檢修計劃等重要

1.2 監(jiān)控功能

能源管控系統(tǒng)中充分利用無人值守管理技術(shù)，實現(xiàn)變電站等供配電區(qū)域，煤氣柜、煤氣加壓站、煤氣放散、煤氣混合等燃?xì)鈪^(qū)域，換熱站等熱電區(qū)域及空壓站等區(qū)域無人值守，由能源中心進(jìn)行集中監(jiān)控。這不但大幅度提高鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)勞動生產(chǎn)率，而且對能源平衡的及時調(diào)整以減少煤氣放散，增加轉(zhuǎn)爐煤氣回收，對異常運行情況快速處理以提高能源系統(tǒng)的整體安全性都有明顯的實際效果。

對能源管理中心管轄的供配電站（220千伏、110千伏）、燃?xì)?、壓縮空氣站、10kV配電、煤氣混合站所、海水取排、換熱站、強排泵、高、焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)、儲存與使用等系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和實時調(diào)整。

SCADA系統(tǒng)物理架構(gòu)主要由三部分組成：主站端、通訊系統(tǒng)和遠(yuǎn)程終端單元。

（1）主站系統(tǒng)

隨著計算機系統(tǒng)的發(fā)展，特別是PC機的發(fā)展，PC機和PC機上運行的操作系統(tǒng)在扮演著越來越重要的角色。主站系統(tǒng)一般包括如下內(nèi)容：

通訊前置系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)解析各種不同的規(guī)約，完成通訊接口數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。包括前置計算機、串口池或者M(jìn)ODEM 池、機架、防雷措施和網(wǎng)絡(luò)接口。

實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：主要包括運行實時數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器。

工程師工作站：負(fù)責(zé)系統(tǒng)的組態(tài)、畫面制作和系統(tǒng)的各種維護。

生產(chǎn)調(diào)度工作站：是監(jiān)控系統(tǒng)的主要用戶、顯示畫面、畫面瀏覽、實現(xiàn)各種報警等。

各種監(jiān)控工作站：主要用于特別龐大的系統(tǒng)，幾個人已經(jīng)無法監(jiān)控的情況，這時會根據(jù)需要，設(shè)立各種監(jiān)控工作站，每個工作站有人員工作。

歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，是SCADA系統(tǒng)保存歷史數(shù)據(jù)的服務(wù)器。

上層應(yīng)用工作站：主要用于實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的挖掘工作。在電力系統(tǒng)比如潮流分析、負(fù)荷預(yù)測、事故追憶、電網(wǎng)穩(wěn)定性分析、能量管理等。在自來水行業(yè)包括管網(wǎng)壓力損耗分析、管網(wǎng)經(jīng)濟性分析、管網(wǎng)漏失分析等。在采油工程上，包括示功圖顯示、示功圖分析、泵況分析、功圖計產(chǎn)等。作為SCADA主站系統(tǒng)，大的系統(tǒng)可能有幾十個上百個工作站，多個服務(wù)器。為了保證系統(tǒng)的可靠性，采用雙前置系統(tǒng)，多服務(wù)器系統(tǒng)，兩個網(wǎng)絡(luò)。

設(shè)置WEB服務(wù)器，是現(xiàn)在SCADA主站系統(tǒng)的一個流行趨勢，只要用戶裝有瀏覽器軟件，得到相應(yīng)的授權(quán)，就可以訪問相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

（2） 通信系統(tǒng)

SCADA通訊系統(tǒng)是最豐富多彩的，一般來講，大體可以分為兩類，有線和無線。但是隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，基于各種網(wǎng)絡(luò)的通訊方式也發(fā)展很快，有些通訊方式很難歸結(jié)到有線或者無線的范疇，所以也可以單獨作為一類。

有線方式主要包括：音頻電纜、架空明線、載波電纜、同軸電纜、光纖、電力載波等。在有線上傳輸大體分為基帶傳輸和調(diào)制傳輸，基帶傳輸是在介質(zhì)上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，可能也要經(jīng)過信號變化。調(diào)制解調(diào)傳輸要經(jīng)過模擬數(shù)字變換的傳輸。很多介質(zhì)既可以作為基帶傳輸也可以作為調(diào)制傳輸。

無線方式主要包括: 電臺、微波、衛(wèi)星、光線、聲波等手段。

網(wǎng)絡(luò)方式是通訊系統(tǒng)架構(gòu)在一個計算機網(wǎng)絡(luò)之上，比如幀中繼、ATM.、IP網(wǎng)，這種通訊方式可能是有線的也可能是無線的，甚至多次跨越無線和有線。其性能也明顯區(qū)分于有線和無線系統(tǒng)。比如不用考慮誤碼，不用考慮報文的大小，不用考慮系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是網(wǎng)絡(luò)的時延可能比較大。通過GPRS（Gerneral Packet Radio Service 通用分組無線服務(wù)）網(wǎng)絡(luò)或者CDMA傳輸SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)就是典型的例子。在首鋼能源SCADA系統(tǒng)中，由于涉及到的數(shù)據(jù)采集量大、數(shù)據(jù)點位量也比較復(fù)雜，所以根據(jù)實際情況，上述通信方式都有采用。

（3） SCADA的遠(yuǎn)程終端單元系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端單元有一個專門的詞匯RTU，現(xiàn)在術(shù)語中稱為Tele Control（遠(yuǎn)程控制）。

RTU（Remote Terminal Unit，遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)。）一般包括通訊處理單元、開關(guān)量采集單元、脈沖量采集單元、模擬量采集單元、模擬量輸出單元、開關(guān)量輸出單元和脈沖量輸出單元等構(gòu)成。還有一些其它的接口方式，比如電力變壓器的分接頭、氣象的格雷碼接口、水文的BCD碼接口等。

遠(yuǎn)方的通訊一般和RTU安裝在一起，這樣便于接線。

現(xiàn)在的RTU在完成本身的數(shù)據(jù)采集工作和協(xié)議處理之外，還要完成和各種IED（Intelligent Electronic Device，智能電子設(shè)備）設(shè)備的接口和協(xié)議轉(zhuǎn)換工作。而且RTU的通訊處理單元的能力越來越強大，但相應(yīng)的采集工作卻在逐漸的弱化，由各種IED設(shè)備代替了。

2 現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)視及改造

首鋼能源SCADA系統(tǒng)實施，首先把能源管理部門下屬的各個系統(tǒng)根據(jù)地理位置的遠(yuǎn)近設(shè)置為不同的數(shù)據(jù)采集點。每個數(shù)據(jù)采集點相當(dāng)于一個遠(yuǎn)程站。該遠(yuǎn)程站只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集功能，然后把所有的數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送到能源中心，由能源中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理工作。

優(yōu)點：

（1）根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況設(shè)計的改造方案可最大限度的利用現(xiàn)有資源 ，避免了資源浪費。

（2）現(xiàn)場PLC（Programmable Logic Controller可編程控制器）進(jìn)行控制和運算，分擔(dān)了能源中心大部分工作，能源中心的SCADA系統(tǒng)只是負(fù)責(zé)參數(shù)監(jiān)視和部分系統(tǒng)的控制功能，所以整套系統(tǒng)的負(fù)荷減小了，系統(tǒng)的整體性能得到了提高。

（3）如果出現(xiàn)通訊故障，現(xiàn)場的PLC控制系統(tǒng)仍然能獨立工作，現(xiàn)場的工藝生產(chǎn)情況不受影響。

3 首鋼SCADA系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 能源中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖1所示）

3.2 現(xiàn)場有PLC控制系統(tǒng)的，可以采用兩種方法，對系統(tǒng)進(jìn)行改造

（1）現(xiàn)場MPI總線系統(tǒng)通信方式轉(zhuǎn)換為OPC協(xié)議

圖1 能源中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場控制系統(tǒng)采用PLC與其上位機組成一個獨立的MPI總線，為了徹底隔離病毒，確保數(shù)據(jù)采集的安全可靠，可以新增一臺配置了通信卡的采集站接入到原MPI（Message Passing Interface)是消息傳遞并行程序設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)之一，是一種適用于小范圍、少多點通訊，一條線上可以連好幾個站點。適合與現(xiàn)場級的通訊方式。只能有兩個站點的叫PPI通訊（點對點通訊）總線網(wǎng)絡(luò)，并讀取各PLC數(shù)據(jù)，再與能源SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。該服務(wù)器和能源中心之間的通訊協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的OPC（OLE for process control）通信協(xié)議。采集方式如圖2所示。

（2）PLC上配置以太網(wǎng)卡，采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信協(xié)議

現(xiàn)場有PLC控制系統(tǒng)的，可配置以太網(wǎng)卡，能源中心直接從以太網(wǎng)卡上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種通訊方案中用網(wǎng)線直接把交換機和PLC以太網(wǎng)模塊連接起來，然后經(jīng)能源中心網(wǎng)絡(luò)，通過MODBUS(一種用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議)協(xié)議，能源中心的SCADA系統(tǒng)可以直接與現(xiàn)場PLC網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行實時通訊，從而實現(xiàn)能源中心對現(xiàn)場各個一級PLC控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能。

3.3 應(yīng)用儀表系統(tǒng)構(gòu)建SCADA

（1） 具有RS232/485接口的儀表改造方案

現(xiàn)場獨立的計量表有RS485或RS232接口，可以直接采用RS485總線或RS232總線方式傳輸?shù)?RTU，由RTU轉(zhuǎn)換為Modbus協(xié)議，由RTU轉(zhuǎn)發(fā)傳送到能源網(wǎng)，使能源中心SCADA系統(tǒng)的I/O服務(wù)器采集到現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)能源中心SCADA系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控。具體的改造方案如圖4所示。

圖4 RS485總線轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)

（2）標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號輸出的儀表改造方案

現(xiàn)場獨立的能源計量儀表不帶RS485總線接口，但具備標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA變量輸出，可以通過RTU直接采集這些標(biāo)準(zhǔn)電信號，然后經(jīng)RTU轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)信號傳送到能源中心。具體的改造方案如圖5所示。

標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電信號

圖5 標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電信號儀表改造方案

4 首鋼SCADA電力系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 監(jiān)控功能

電力監(jiān)控包括所有廠級變電所內(nèi)，對進(jìn)線的開關(guān)閘刀、母聯(lián)開關(guān)閘刀、接地閘刀、主變有載調(diào)壓開關(guān)的狀態(tài)及故障信號進(jìn)行遙信。對進(jìn)線開關(guān)、隔離閘刀、部分接地閘刀、母聯(lián)開關(guān)、主變有載調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行遙控。對進(jìn)線電流、有功功率、無功功率、有功電量、無功電量、母線電壓、全站頻率進(jìn)行遙測。對主變壓器二次開關(guān)閘刀狀態(tài)及故障信號進(jìn)行遙信，對開關(guān)進(jìn)行遙控，對主變一次電流、二次電流、有功無功功率進(jìn)行遙測。對饋線開關(guān)閘刀狀態(tài)及故障信號進(jìn)行遙信，對開關(guān)進(jìn)行遙控，對饋線電流、有功無功功率、有功無功電量進(jìn)行遙測。

4.2 遙信功能

遙信分為位置狀態(tài)遙信和保護信號。

位置遙信包括各種開關(guān)、刀閘合分狀態(tài)、開關(guān)手車的工作、試驗位置狀態(tài)、變壓器分接開關(guān)位置等。保護信號分為事故信號和預(yù)告信號。事故信號指使設(shè)備停電、停運的信號、預(yù)告信號指不影響設(shè)備繼續(xù)運行的非正常信號。正常遙信狀態(tài)的傳送，系統(tǒng)優(yōu)先傳送故障信號和遙信變位信號?？梢酝ㄟ^操作命令人工設(shè)置遙信點的狀態(tài)，或禁止對遙信點的采集。對于禁止操作，數(shù)據(jù)庫中保留禁止前的狀態(tài)，所有禁止點進(jìn)入禁止點列表，并修改信息表相應(yīng)記錄的顏色，如信息對應(yīng)某一開關(guān)，則主接線圖上的圖表也改變成表示該設(shè)備處于非實時狀態(tài)的顏色。

4.3 遙測功能

各變電所內(nèi)測量對象的交流三相電壓、線電壓、三相交流電流、中性點對地電壓、中性點對地電流、直流電壓、直流電流、有功、無功功率、功率因素、變壓器溫度、檔位等電氣量。遙測信息可畫面顯示在主接線圖上，同時顯示在實時刷新的遙測量表，發(fā)生遙測量越限，系統(tǒng)發(fā)出報警，并改變所有越限遙測量的顏色，當(dāng)恢復(fù)到報警值以下時，同樣有提示信息，并將顏色復(fù)原，報警信息詳細(xì)寫入歷史記錄。專用畫面以曲線實時顯示部分重要模擬量，包括220kV站、110kV站各臺主變和重要饋出線的電流、功率、功率因素，各段母線電壓，發(fā)電機組電流、電壓、功率、功率因素、勵磁電流、勵磁電壓、頻率等。

4.4 報警功能

包括聲音報警、文字報警、打印報警、閃爍報警等幾種方式，可單獨使用，也可組合使用。報警程度分預(yù)告報警和事故報警。系統(tǒng)設(shè)有報警參數(shù)庫，可以按工作站設(shè)定，報警級別、報警條件、是否允許、報警形式、報警音響等均可由具有該操作權(quán)限的操作員設(shè)定。其中供配電系統(tǒng)報警主要分類為：保護事件、保護告警、開關(guān)動作反饋、系統(tǒng)報警、一般遙信、操作信息等。每條報警，都包含有發(fā)生時間、用戶、位置、區(qū)域、描述、分區(qū)、優(yōu)先級、分類等信息，方便操作者按照不同條件搜羅報警信息。

當(dāng)今世界正處于金融危機肆虐，能源消耗巨大、二氧化碳排放居高不下、全球氣候不斷惡化、地球生存環(huán)境不堪重負(fù)的時刻，要求節(jié)能減排、較少能源消耗，提高能源利用率的聲音四起。能源中心的建設(shè)對鋼鐵企業(yè)的能源節(jié)約、環(huán)境保護等產(chǎn)生了巨大效能，已經(jīng)越來越被國內(nèi)外企業(yè)所認(rèn)知和重視。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)設(shè)立能源中心已經(jīng)成為一種共識。隨著國家能源供需矛盾的進(jìn)一步擴大、環(huán)境保護政策的進(jìn)一步強化以及鋼鐵企業(yè)自身生產(chǎn)成本的不斷優(yōu)化,相信能源中心技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來必將為我國鋼鐵工業(yè)普遍采用，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)將迎來一個建設(shè)能源中心的高潮，這將對我國鋼鐵工業(yè)的節(jié)能降耗和可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極的，本文介紹基于鋼鐵企業(yè)現(xiàn)狀，進(jìn)行能源中心SCADA系統(tǒng)方案的研究。改造的成本、運行的穩(wěn)定程度、數(shù)據(jù)的實時性等充分滿足鋼鐵企業(yè)能源中心的實際需求。通過以上改造方案，能源中心SCADA系統(tǒng)可充分發(fā)揮其作用，并為鋼鐵企業(yè)能源管理和企業(yè)決策提供科學(xué)依據(jù)。