水泥工業(yè)遠程優(yōu)化控制系統(tǒng)平臺設(shè)計

孫莉

摘要：對水泥工業(yè)遠程優(yōu)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理部分進行了需求分析，分別從水泥采集的業(yè)務(wù)角度、系統(tǒng)的功能性需求（分為數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理兩個部分）角度、系統(tǒng)的非功能性角度三個方面進行，并對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計。

關(guān)鍵詞：水泥工業(yè)；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：TP273*.5 文件標識碼：A

現(xiàn)代的水泥工業(yè)離不開計算機信息技術(shù)，從生產(chǎn)過程中應(yīng)用的控制系統(tǒng)，到企業(yè)管理所使用的企業(yè)資源計劃系統(tǒng)，均是計算機技術(shù)的應(yīng)用。然而，當前這些系統(tǒng)之間并未很好地打通信息分享的通道，造成數(shù)據(jù)共享性差，數(shù)據(jù)重復采集等缺點。在我國有關(guān)方針政策以及互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的驅(qū)動下，水泥工業(yè)需要加強信息化建設(shè)，從綜合數(shù)據(jù)中提煉有用信息，優(yōu)化水泥工業(yè)的生產(chǎn)過程控制與企業(yè)運營管理。

1 水泥工業(yè)遠程優(yōu)化控制系統(tǒng)平臺

水泥工業(yè)遠程優(yōu)化控制系統(tǒng)平臺從數(shù)據(jù)的采集及處理到各個功能子系統(tǒng)的建立進行了整體的規(guī)劃建模，其中數(shù)據(jù)源包括DCS、PLC、ERP及散點數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)平臺的子系統(tǒng)包括配置及權(quán)限管理系統(tǒng)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)及優(yōu)化控制系統(tǒng)等。

水泥工業(yè)遠程優(yōu)化控制系統(tǒng)平臺通過OPC技術(shù)等采集現(xiàn)場DCS、PLC等設(shè)備中的數(shù)據(jù)，通過工廠現(xiàn)有ERP系統(tǒng)接口采集ERP中數(shù)據(jù)，通過錄入系統(tǒng)錄入散點數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的采集，并對數(shù)據(jù)進行分類處理，分模塊分功能將數(shù)據(jù)存放到SQL的不同數(shù)據(jù)表中，水泥工業(yè)遠程優(yōu)化控制系統(tǒng)平臺中的各個子系統(tǒng)則通過進一步分析并處理數(shù)據(jù)，獲取各自所需求的信息，并最終實現(xiàn)各個子系統(tǒng)所要完成的功能。

2 數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)分析

在水泥生產(chǎn)的過程中，遠程優(yōu)化控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要是水泥生產(chǎn)中的能耗信息和重點設(shè)備運行狀況信息點。數(shù)據(jù)采集主要從水泥生產(chǎn)現(xiàn)場的DCS控制系統(tǒng)中，這樣不僅節(jié)約了一些系統(tǒng)硬件的成本，而且還可以減少維護系統(tǒng)的工作量[1]。水泥生產(chǎn)過程中的能耗監(jiān)測信息點分布在水泥生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，并且數(shù)據(jù)采集種類多而且復雜，如一些重點設(shè)備溫度、電流、電能等同時還有生產(chǎn)過程中的生料喂料量、窯頭喂煤量、分解爐喂煤量、水泥產(chǎn)量等，而這些數(shù)據(jù)將會作為基本的數(shù)據(jù)被應(yīng)用到遠程優(yōu)化控制系統(tǒng)當中。

能源信息主要是包括電能、水、煤等。電能是水泥生產(chǎn)中主要的能耗，基本上所有水泥生產(chǎn)的環(huán)節(jié)部分都會用到電能，沒有電是無法進行水泥生產(chǎn)的，水泥生產(chǎn)線有很多的大功率耗能設(shè)備，比如原料磨、煤磨、回轉(zhuǎn)窯的主電機、高溫風機、循環(huán)風機、輥壓機、窯頭排風機、窯尾排風機、水泥磨等等[2]。因為這些大功率耗能的設(shè)備的存在，所以在此次系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中也會重點對這些設(shè)備進行電流以及電能的數(shù)據(jù)采集[3]。而煤粉的大部分消耗90%集中在水泥生產(chǎn)過程中的熟料燒成階段，回轉(zhuǎn)窯和分解爐在正常工作狀態(tài)下需要大量煤粉燃燒提供的熱量，才能將生料煅燒成熟料[4]。同時還存在消耗的水資源以及汽油和柴油等，在此次遠程優(yōu)化控制系統(tǒng)中，主要的采集數(shù)據(jù)集中在電能和煤耗。

能源數(shù)據(jù)采集的信息點，從信息點的采取方向分為水泥現(xiàn)場，而水泥現(xiàn)場的采集點主要根據(jù)水泥工序基本上分為五個環(huán)節(jié)：原料破碎以及預(yù)均化、生料制備、煤粉制備、熟料燒成系統(tǒng)、水泥粉磨；同時還有從ERP中得到水泥產(chǎn)量以及輸出量等。

3 系統(tǒng)功能性需求分析

3.1 數(shù)據(jù)采集需求分析

（1）訪問OPC的需求分析

目前水泥企業(yè)中大部分設(shè)備僅支持OPC，不支持OPC UA。而本系統(tǒng)開發(fā)平臺為.NET Framework，因此需要對原有的OPC進行封裝，以便使系統(tǒng)支持對現(xiàn)場設(shè)備的訪問。此封裝應(yīng)作為基礎(chǔ)通用庫，方便系統(tǒng)的各個層次進行調(diào)用。

（2）數(shù)據(jù)采集的需求分析

水泥工業(yè)中的過程數(shù)據(jù)按類型可分為模擬量與開關(guān)量。例如一條日產(chǎn)2500噸的生產(chǎn)線大約有2500個模擬量與3500個開關(guān)量，其中包括約50塊高壓電表，80-100塊低壓電表。為了從過程數(shù)據(jù)中總結(jié)提煉出有用的信息，我們要真實地還原某一個時間段內(nèi)該水泥生產(chǎn)線的運行情況，因此需要按照一定的頻率，對這些模擬量與開關(guān)量進行采集，從時間維度上形成一個數(shù)據(jù)集，并將其存儲起來。

由數(shù)據(jù)采集的需求分析可以看出，采集是有一定的頻率的，根據(jù)對水泥企業(yè)運行狀況的調(diào)研以及為了滿足優(yōu)化的實際需求，來自生產(chǎn)線DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以5至10秒鐘為周期進行采集為較好的選擇，該周期既可以及時的反應(yīng)出生產(chǎn)狀況，也不會對生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)造成較大的壓力；來自串口通訊的數(shù)據(jù)，則應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件選擇以2-10分鐘為周期進行采集，這是因為串口掛載的一般都是電表類的設(shè)備，這些設(shè)備統(tǒng)計周期比較長，且串口本身傳輸速率比較小，有時一個串口通訊卡上會拖帶多個設(shè)備，完整的一次查詢的時間自然就很長，因此需要根據(jù)現(xiàn)場情況與需求，選擇采集周期。

（3）數(shù)據(jù)緩存的需求分析

采集的過程具有周期性，因此每個周期采集的數(shù)據(jù)至少需要維持至下一個采集周期結(jié)束，這要求將所采集的數(shù)據(jù)進行持久化。而采集服務(wù)端是面向多個采集客戶端的，如果將采集的數(shù)據(jù)持久化到數(shù)據(jù)庫中，而這個周期內(nèi)有多個客戶端訪問采集的數(shù)據(jù)，會導致系統(tǒng)浪費大量的時間在I/O上。因此需要有數(shù)據(jù)緩存的機制，提高系統(tǒng)的吞吐量[5]。

3.2 數(shù)據(jù)處理需求分析

（1）數(shù)據(jù)存儲/查詢適配器需求分析

對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲于查詢，是采集系統(tǒng)中必不可少的過程，然而數(shù)據(jù)存取方式繁多，數(shù)據(jù)庫也有許多產(chǎn)品，又各有差異，如何能夠簡單統(tǒng)一地對數(shù)據(jù)進行存儲于查詢，簡化業(yè)務(wù)邏輯層的代碼復雜度，是系統(tǒng)需要解決的問題[41]。

經(jīng)過分析，系統(tǒng)需要在業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)訪問層之間，設(shè)計一個數(shù)據(jù)存儲/查詢中間件，使系統(tǒng)的業(yè)務(wù)層能夠?qū)Ｗ⒂跇I(yè)務(wù)邏輯，與具體的數(shù)據(jù)存取有關(guān)的部分進行解耦。

（2）數(shù)據(jù)庫設(shè)計需求分析

數(shù)據(jù)采集完畢以后，需要對其進行存儲。根據(jù)前面的需求分析，可以得出所需采集數(shù)據(jù)具有點數(shù)多、種類多、采集頻率較快、數(shù)據(jù)量大、每個采集點的標號也會因不同企業(yè)而有不同的命名規(guī)范等特點，這需要一個良好的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計，以滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲的需求。

4非功能性需求分析

4.1 性能需求

還是以一條日產(chǎn)2500噸的生產(chǎn)線為例子作為分析，其中大約有2500個模擬量與3500個開關(guān)量。以一個模擬量平均占用16bit的大小、一個開關(guān)量占用1bit的大小來計算，則每個周期采集所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)大小約為5.3KB。一般企業(yè)為節(jié)約成本，往往會租用網(wǎng)絡(luò)運營商提供的虛擬VPN，帶寬以10Mbit/s至20Mbit/s為多。以10M帶寬為例，其換算為千字節(jié)每秒時，帶寬為1280KByte/s，若傳輸周期為1秒，則采集所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量約占帶寬0.41%，其中不包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所產(chǎn)生的流量。如若要保持網(wǎng)絡(luò)占用帶寬在5%以下，則一個采集服務(wù)端可以有10個客戶端的連接。

4.2 安全需求

遠程采集與處理系統(tǒng)是部署在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是復雜且不可信任的，因此在采集的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，面臨著被盜取、劫持、偽造的風險，因此系統(tǒng)有對數(shù)據(jù)的安全性進行保障的需求。

5 結(jié)束語

分析了現(xiàn)代水泥工業(yè)對遠程優(yōu)化控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集與處理部分的需求。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)的實際需求，給出了遠程數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，為遠程優(yōu)化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)方面的支撐。

參考文獻：

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