通訊網(wǎng)關(guān)在EMS數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用和研究*

孫小紅

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇　江陰 214429)

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通訊網(wǎng)關(guān)在EMS數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用和研究*

孫小紅

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇江陰 214429)

介紹了一種利用通訊網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)的方法，應(yīng)用于EMS項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集過程中。通過實(shí)際應(yīng)用，取得了很好的效果。

數(shù)據(jù)采集； 能源管理系統(tǒng)(EMS)； RTU網(wǎng)關(guān)

引言

“十二五”時(shí)期，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快，中國能源需求呈剛性增長趨勢，受國內(nèi)資源保障能力和環(huán)境容量制約，資源環(huán)境約束日趨增強(qiáng)，節(jié)能減排的任務(wù)仍然十分艱巨。鋼鐵、有色、化工等重工業(yè)作為能耗大戶，歷來是節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域。加強(qiáng)企業(yè)能源管理，建設(shè)能源管理中心，可有效提升能源利用效率，是降本增效、減輕環(huán)境壓力、提高企業(yè)競爭力的有效措施[1]。

為了響應(yīng)國家節(jié)能減排要求，能源管理系統(tǒng)EMS(Energy Management System)作為系統(tǒng)節(jié)能的典型方案，近年來在很多大型企業(yè)中推廣建設(shè)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，在實(shí)施過程中，應(yīng)用了很多新技術(shù)、新設(shè)備，積累了很多值得推廣的經(jīng)驗(yàn)。

1　能源管理系統(tǒng)簡介

能源管理系統(tǒng)(Energy Management System，以下簡稱EMS)是指采用自動化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對企業(yè)能源系統(tǒng)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實(shí)施集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理，改進(jìn)和優(yōu)化能源平衡，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性節(jié)能降耗的管控一體化系統(tǒng)[2]。從上世紀(jì)80年代開始，這種能源集中管理的思想、大規(guī)模計(jì)算機(jī)監(jiān)控的應(yīng)用就為寶鋼集團(tuán)所采用，經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)推廣到整個寶鋼集團(tuán)和國內(nèi)各大鋼廠，并且逐步拓展到制造、化工等行業(yè)。EMS是企業(yè)自動化和信息化的重要組成部分，企業(yè)需要完善的能源信息的采集系統(tǒng)，對能源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和加工，從而在公司全局角度審視能源的基本管理需求，滿足能源工藝系統(tǒng)分散特性和能源管理需要集中的客觀要求，以適應(yīng)企業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展需要。

2　EMS中數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)狀和問題

作為整個企業(yè)的能源管理系統(tǒng)，需要采集與能源相關(guān)的大量數(shù)據(jù)，包括各級能源計(jì)量數(shù)據(jù)、重要工序數(shù)據(jù)、環(huán)保信號等。這些信號通常分布在各個不同的控制系統(tǒng)中，EMS需要和它們分別通訊。

以鋼鐵廠為例，按系統(tǒng)類型分為：PLC控制系統(tǒng)，DCS控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)儀表盤控制系統(tǒng)，變電站綜保系統(tǒng)，環(huán)保在線分析系統(tǒng)等等。按照數(shù)據(jù)傳輸類型分為：以太網(wǎng)，串口和各種總線。系統(tǒng)支持的規(guī)約也是五花八門，包括TCP/IP，OPC，Modbus，IEC104，DLT645等通用規(guī)約和大量廠家自有的規(guī)約。

目前常用的數(shù)據(jù)采集方法分為三類：

1) 直接從L1現(xiàn)場控制設(shè)備(包括PLC，DCS，電力綜保等)采集數(shù)據(jù)。

2) 進(jìn)行自動化改造，加裝PLC或無紙記錄儀，利用I/O的方式采集數(shù)據(jù)。

3) 和現(xiàn)場控制系統(tǒng)自帶的L2服務(wù)器(采集數(shù)據(jù)庫)通訊，一般需要編寫腳本實(shí)現(xiàn)。

對于方法1，由于企業(yè)工藝流程復(fù)雜，單從控制系統(tǒng)類型上就有PLC、DCS和電力綜保系統(tǒng)等等，加之系統(tǒng)建設(shè)年代不同，自動化水平參差不齊，同類型控制系統(tǒng)還會有不同型號，不同協(xié)議規(guī)約等的區(qū)別，導(dǎo)致EMS系統(tǒng)直接和L1現(xiàn)場控制設(shè)備通訊變得十分復(fù)雜。目前主流的上位機(jī)軟件諸如IFix，Wonderware等都無法實(shí)現(xiàn)全部種類的控制系統(tǒng)通訊，特別是DCS系統(tǒng)。

對于方法2，原控制系統(tǒng)的信號需要逐一接入，涉及到大量的現(xiàn)場改造，這種改造會受到現(xiàn)場工況限制，實(shí)施周期較長。該方法的系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，如果后期信號增加，需要增加設(shè)備。

對于方法3，涉及到很多數(shù)據(jù)庫方面的編程，各系統(tǒng)的差異性也最大，本文不做展開論述。

3　網(wǎng)關(guān)在EMS項(xiàng)目中的應(yīng)用

在EMS項(xiàng)目實(shí)施的過程中，采用了一種新的通訊方案：使用RTU網(wǎng)關(guān)，采集各種控制系統(tǒng)的信號，再轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。

3.1RTU網(wǎng)關(guān)簡介

RTU網(wǎng)關(guān)的核心是一個脫離于具體硬件設(shè)備的接口通信服務(wù)平臺，依據(jù)其開放的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，簡化系統(tǒng)中不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)過程，不同協(xié)議可轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(如Modbus或OPC方式)，并且轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中。本文以炫思科技公司的Symlink系列網(wǎng)關(guān)做介紹。

3.2RTU通訊方案介紹

選用4網(wǎng)口6串口的RTU網(wǎng)關(guān)，其中1個網(wǎng)口用來上聯(lián)，其他的網(wǎng)口和串口都用來連接現(xiàn)場設(shè)備。該方案的架構(gòu)如圖1所示。

圖1　RTU采集現(xiàn)場設(shè)備方案

3.2.1RTU連接PLC

對于PLC，需要自帶RJ45接口，并且支持以太網(wǎng)協(xié)議。通過選擇不同的PLC品牌、型號，設(shè)置IP就可以建立與PLC的通訊，然后配置信號點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。如圖2～4所示的實(shí)例采集了西門子系列S7-300的PLC中，DB5DD0, DB5DD8, DB2DD0, DB2DD8這4個寄存器的數(shù)據(jù)。

圖2　PLC在RTU中的配置1

圖3　PLC在RTU中的配置2

圖4PLC在RTU中的配置3

3.2.2RTU連接DCS

由于DCS系統(tǒng)的相對封閉性，目前沒有上位機(jī)可支持直接通訊，考慮到主流DCS都支持OPC協(xié)議，RTU采用OPC的方式采集DCS數(shù)據(jù)。通常采用這種方式需要配置DCOM，由于DCOM和操作系統(tǒng)的安全體系結(jié)合在一起，各版本操作系統(tǒng)(9x、NT、2000、XP、2003等)的安全體系又有所區(qū)別，增加了配置的難度。這里使用OPC Tunneller軟件作為橋梁，在工程師站上安裝OPC Tunneller采集DCS的數(shù)據(jù)，同時(shí)OPC Tunneller還作為客戶端為RTU提供數(shù)據(jù)，通過這個軟件可以避免跨系統(tǒng)配置DCOM這個難點(diǎn)。如圖5～6所示的實(shí)例采集了橫河DCS中點(diǎn)名為FCS0101!PT-103.PV、FCS0101!PT-104.PV、FCS0101!FT-601.PV和FCS0101!FT-301.PV的四個變量的數(shù)據(jù)。

圖5　DCS在RTU中的配置1

圖6　DCS在RTU中的配置2

3.2.3RTU連接電量表

電量表自帶串口，支持DLT645或者IEC102等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，RTU有6個串口，最多可以接6路電量表。RTU支持上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，通過設(shè)置串口號(通道號)、通訊速率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)方式、停止位等參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)與電量表的通訊，如圖7所示。

圖7　串口電量表在RTU中的配置

3.2.4RTU和上位機(jī)的通訊

RTU完成與各種現(xiàn)場設(shè)備的通訊后，可以轉(zhuǎn)發(fā)成Modbus-TCP和OPC協(xié)議，傳給上位機(jī)。對于部分主流上位軟件，已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動，例如IFix的PFC驅(qū)動，通過上位機(jī)配置驅(qū)動，即可讀取數(shù)據(jù)。

3.3方案實(shí)施效果

該方案首次在河北省邯鄲多個鋼鐵廠(金鼎重工、裕華鋼鐵、興華鋼鐵等)的EMS建設(shè)中大規(guī)模使用，完成了眾多崗位設(shè)備的接入，包括高爐、轉(zhuǎn)爐、

焦?fàn)t、TRT、鍋爐、干熄焦、風(fēng)機(jī)房、空壓站、燃機(jī)、CCPP、水站、制氧站等。其中PLC牌號包括西門子、AB、施耐德等；DCS牌號包括和利時(shí)、橫河、Ovation、浙大中控、浙江中自等；電量表牌號包括許繼、威盛、東方電子等。

該方案的實(shí)施，體現(xiàn)了以下三方面的優(yōu)點(diǎn)：1)降低了整體投資，最大限度地保留了現(xiàn)有控制系統(tǒng)架構(gòu)；2)大大降低了現(xiàn)場施工改造的工作量，編程調(diào)試方便；3)系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定可靠，故障率低，擴(kuò)展性好，后期維護(hù)方便。因此，該方案得到了用戶的普遍認(rèn)可。

4　結(jié)束語

基礎(chǔ)自動化L1數(shù)據(jù)的采集，是建設(shè)企業(yè)EMS的基礎(chǔ)和保障。利用網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)的方案，克服了以往傳統(tǒng)方案的各種不足，通過在眾多EMS項(xiàng)目的現(xiàn)場實(shí)施，取得了良好的效果，對于其他類似企業(yè)的EMS建設(shè)有著良好的借鑒作用。

[1]叢力群，吳毅平，馮為民．EMS能源管家[J]．中國制造業(yè)信息化．2010，(14)：19-21.

[2]高東華, 吳毅平, 黃自強(qiáng)．OPC通信方案在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].控制工程．2009，16(S2)：188-191.

2016-03-26

孫小紅(1974-)，女，高級工程師。電話：13506168352

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