貴冶智能工廠安環(huán)能源支撐系統(tǒng)建設(shè)

胡國軍，曾饒兵，陳 耕，孫寶華

（1．中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330038;2. 江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

江西銅業(yè)股份有限公司（簡稱江銅）下屬貴溪冶煉廠（簡稱貴冶）是中國第一家采用世界先進閃速熔煉技術(shù)的銅冶煉工廠，經(jīng)過30余年的發(fā)展貴冶已成為中國最大的銅、硫化工、稀貴金屬產(chǎn)品生產(chǎn)基地，年產(chǎn)陰極銅百萬噸以上，是世界首個單廠陰極銅產(chǎn)量超百萬噸的煉銅工廠。在《中國制造2025》［1］大背景下，江銅積極響應(yīng)國家智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，2016年申報工信部“銅冶煉智能工廠試點示范”項目獲得批準，貴冶成為銅冶煉行業(yè)唯一一家智能制造試點示范工廠。

當今信息技術(shù)飛速發(fā)展，互聯(lián)互通、高效協(xié)作是大勢所趨。以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)與工業(yè)的創(chuàng)新融合，以及以智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化為核心特征的智能工廠模式正在成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展和變革的重要方向［2］。貴冶智能工廠建設(shè)規(guī)劃主要包括IT平臺、軟件系統(tǒng)與自動化三個方面，通過過程控制、生產(chǎn)運營管理和決策分析三層應(yīng)用，逐步推進企業(yè)建立精細、精準、高效、智慧的管控模式，實現(xiàn)從傳統(tǒng)工廠到智能工廠的轉(zhuǎn)型。貴冶智能工廠融合互聯(lián)網(wǎng)與智能制造的基礎(chǔ)技術(shù)，基于用友工業(yè)Paas云平臺（iuap）打造［3］，通過與第三方軟件系統(tǒng)、智能采集設(shè)備或傳感器、數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備、數(shù)字化檢測設(shè)備、數(shù)字化檢驗設(shè)備等的集成，構(gòu)建企業(yè)智能化平臺，是實現(xiàn)工廠轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效、綠色發(fā)展的重要途徑和支撐。

在江銅“追求綠色可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略下，貴冶致力于構(gòu)建“效率最高、技術(shù)最優(yōu)、能耗最小、成本最低、環(huán)保最好”的銅冶煉新模式。安全環(huán)保是企業(yè)生存發(fā)展之根本，節(jié)能降耗是企業(yè)降低成本、提高效益的重要途徑。智能工廠建設(shè)，安環(huán)和能源是其不可或缺的重要組成部分。安環(huán)、能源支撐系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)充分利用企業(yè)現(xiàn)有資源補足短板，并確保其先進性、可靠性、兼容性和可擴充性。

2 智能工廠安環(huán)、能源支撐系統(tǒng)

2.1 概述

貴冶所屬鷹潭市是國家新型工業(yè)化物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)示范基地。市政府明確表示要以窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）為技術(shù)主線，加強物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用，支持貴冶智能化工廠改造項目，加快推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在傳統(tǒng)制造企業(yè)中的示范應(yīng)用。NB-IoT技術(shù)是移動物聯(lián)網(wǎng)家族的一員，其功耗低、連接廣、信號傳輸穩(wěn)定，是5G的前奏和基礎(chǔ)［4］。移動、聯(lián)通、電信三大運營商已在鷹潭建成三張NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，開通的NB-IoT基站已實現(xiàn)城區(qū)、縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)全域覆蓋。在充分考慮貴冶實際情況的基礎(chǔ)上，充分利用NB-IoT技術(shù)為工業(yè)生產(chǎn)更好的服務(wù)，貴冶安環(huán)、能源支撐系統(tǒng)搭建了一個采用NB-IoT技術(shù)的系統(tǒng)平臺，用于采集現(xiàn)場的流量、液位、pH、噪音等檢測數(shù)據(jù)。

貴冶現(xiàn)有生產(chǎn)工藝以DCS系統(tǒng)控制為主，輔以PLC控制，經(jīng)過多年的優(yōu)化改造，備用的I/O通道已經(jīng)不多。除電能表外，其他介質(zhì)能源計量儀表大多與生產(chǎn)工藝緊密相關(guān)，這些計量儀表均接入各相應(yīng)區(qū)域的DCS/PLC系統(tǒng)，安環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集也由DCS/PLC系統(tǒng)完成。貴冶配備有PI實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，PI系統(tǒng)采集由DCS、PLC等上傳的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，通過瀏覽器訪問PI系統(tǒng)，管理和技術(shù)人員可通過辦公網(wǎng)絡(luò)了解當前和歷史的生產(chǎn)運行狀況。智能工廠云平臺已明確要求通過PI數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一接收生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，安環(huán)、能源支撐系統(tǒng)新增數(shù)據(jù)都必須采入PI系統(tǒng)。

2.2 在線檢測儀表NB-IoT技術(shù)應(yīng)用

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要分支，只占用很窄的帶寬（大約180KHz），可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級［5］。

物聯(lián)網(wǎng)時代萬物互聯(lián)，傳統(tǒng)的寬帶網(wǎng)絡(luò)無法支撐數(shù)量龐大的傳感器進行數(shù)據(jù)傳輸。NB-IoT技術(shù)可滿足對低功耗、長待機、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業(yè)務(wù)［6］，更適合靜態(tài)、對時延低敏感、非連續(xù)移動和對實時性要求不高的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用場景。NB-IoT技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用也是政府鼓勵探索的課題。

智能工廠需要在原有安環(huán)監(jiān)視平臺上增加在線檢測、分析儀表，這些設(shè)備主要用于廢水管理、廢氣、固廢及環(huán)境空氣管理、職業(yè)衛(wèi)生及重要危險源管控的自動監(jiān)測、分析等。新增安環(huán)在線檢測裝備主要有廠房內(nèi)和廠界噪音監(jiān)測儀、pH計、二氧化硫濃度監(jiān)測儀、粉塵監(jiān)測儀、酸霧在線檢測儀、雷達液位計和超聲波液位計等。能源系統(tǒng)也需要增加和更新大量的電能表以及流量計?？紤]到電能表計安裝在配電室取電方便，且對實時性要求較高，因此沒有將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于全廠電力SCADA系統(tǒng)。

因為安環(huán)監(jiān)視系統(tǒng)的廠界噪音監(jiān)測位于廠界四周，信號接入DCS/PLC系統(tǒng)、供電比較困難，施工難度大，所以采用NB-IoT技術(shù)采集數(shù)據(jù)，并且使用太陽能供電。部分不需要實時監(jiān)測的雷達液位計和pH檢測也采用NB-IoT進行數(shù)據(jù)采集。

此次新增的流量計大部分位于電解車間和新材料車間，只用于水、蒸汽、雜用風等介質(zhì)的能源計量，這些對實時性要求不高的流量計儀表采用NB-IoT進行數(shù)據(jù)采集。

選擇以上檢測裝備采用NB-IoT技術(shù)無線傳輸檢測數(shù)據(jù)，每隔一個小時將數(shù)據(jù)發(fā)送到NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺，通過NB-IoT軟件平臺送入PI數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用可帶來以下好處：

（1）減少電纜敷設(shè)，縮短施工周期。

（2）避免現(xiàn)有DCS/PLC控制系統(tǒng)的擴建，因為需要增加的I/O點較多，可能造成DCS/PLC控制系統(tǒng)擴建的困難。將來我們還可以擴大NB-IoT的應(yīng)用范圍，例如電纜中間接頭的溫度監(jiān)測等。

其他需要實時監(jiān)控的安環(huán)檢測儀表和能源系統(tǒng)計量流量采用模擬信號或FF總線接入DCS/PLC系統(tǒng)。

智能工廠基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺，其數(shù)據(jù)采集和上傳的過程如下：

（1）遠傳設(shè)備RTU與現(xiàn)場儀表（電磁流量計、渦街流量計、噪音監(jiān)測儀等）通過RS-485（MODBUS協(xié)議）或4～20mA.DC通訊方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

（2）遠傳設(shè)備RTU采集的數(shù)據(jù)通過NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)上傳到電信公司，工廠NB-IoT數(shù)據(jù)服務(wù)器通過有線網(wǎng)絡(luò)從電信公司取回數(shù)據(jù)并解包。

（3）PI數(shù)據(jù)庫經(jīng)過防火墻隔離過濾讀取NBIoT數(shù)據(jù)管理平臺數(shù)據(jù)。

圖1 NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)圖

圖2 太陽能供電的噪音儀

圖3 NB-IoT數(shù)據(jù)平臺采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)

2.3 全廠電力SCADA系統(tǒng)

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)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)備進行監(jiān)視和控制，實現(xiàn)“四遙”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)發(fā)展也不完全相同［7］。SCADA系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，是能源管理系統(tǒng)（EMS系統(tǒng)）的一個最主要的子系統(tǒng)，建立企業(yè)完善的電力SCADA系統(tǒng)是智能工廠必須具備的條件。

貴冶有兩座110kV總降、34個6kV配電室和約70個380V配電室。2個總降各為一個獨立的系統(tǒng)，分別為工廠兩個生產(chǎn)系統(tǒng)供電，兩個系統(tǒng) 6kV中性點接地方式不同不能并列運行。除2個總降建有獨立的較為完善的監(jiān)控系統(tǒng)外，大部分配電室都沒有進行數(shù)據(jù)通訊和監(jiān)控。6kV及以上繼電保護裝置均采用微機保護裝置，但品牌較多且個別品牌的產(chǎn)品線時間跨度很大。在6kV配電室仍裝有許多機械式電能表，而且有的回路采用綜保裝置來進行能源計量，電能表的配備不能滿足工序能耗考核更達不到班組能耗考核的要求。

SCADA系統(tǒng)建設(shè)根據(jù)工廠生產(chǎn)的實際情況和項目建設(shè)周期分步驟進行，一期構(gòu)建一個完善的6kV及以上監(jiān)控系統(tǒng)的框架，補齊和更新所有6kV配電室的多功能電能表，低壓部分表計以二系統(tǒng)為主，在試點車間配備齊全的表計以滿足班組能耗考核要求。一系統(tǒng)低壓部分待智能工廠二期配備完善。

全廠電力SCADA系統(tǒng)主要功能如下：

（1）將全廠2個110kV總降、所有6kV配電室、約70個380V配電室子站系統(tǒng)連接，建立全廠電力SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)對工廠供配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視控制等管理功能。

（2）通訊骨干網(wǎng)絡(luò)按光纖自愈雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建配置，即110kV總降、全廠6kV配電室采用光纖環(huán)網(wǎng)交換機接入光纖自愈雙網(wǎng)。各6kV配電房的直流系統(tǒng)、微機綜保、小電流接地選線裝置等通過通信管理機接入光纖自愈雙網(wǎng)；380V配電室子站智能電表及馬達保護裝置通過智能通信采集控制器和光纖收發(fā)器接入光纖雙環(huán)網(wǎng)。。

圖4 全廠電力SCADA系統(tǒng)示意圖

（3）2個總降原有監(jiān)控系統(tǒng)通過104規(guī)約接入。

（4）高低壓電能表的接入及數(shù)據(jù)采集，政府補貼項目安裝的電能表從其數(shù)據(jù)采集器網(wǎng)口讀取數(shù)據(jù)。

（5）各品牌繼電器保護裝置（主要為美國SEL、南京因泰萊、GE、萬利達）、監(jiān)控計量裝置等設(shè)備接入集控系統(tǒng)并提供相對應(yīng)的軟件驅(qū)動模塊二次開發(fā)，實現(xiàn)四遙功能。不同規(guī)約、不同品牌的智能裝置不能配置在同一網(wǎng)段。

（6）SCADA系統(tǒng)通過OPC協(xié)議將實時數(shù)據(jù)發(fā)送給PI數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，SCADA系統(tǒng)的報警記錄寫入中間數(shù)據(jù)表由PI系統(tǒng)讀取。

（7）配置WEB服務(wù)器，在辦公網(wǎng)絡(luò)通過瀏覽器可監(jiān)視工廠供配電系統(tǒng)狀況及讀取電力報表等。

3 結(jié)語

智能工廠建設(shè)對企業(yè)安環(huán)、能源管理系統(tǒng)提出了更高要求，對數(shù)據(jù)獲取的支撐系統(tǒng)進行擴充和升級改造是構(gòu)建完善的安環(huán)、能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。目前NB-IoT和SCADA系統(tǒng)平臺建設(shè)已經(jīng)完成，數(shù)據(jù)已經(jīng)打通。窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)適用于DCS、PLC基礎(chǔ)系統(tǒng)不作升級下的能源計量和環(huán)境監(jiān)測；電力SCADA系統(tǒng)框架、關(guān)鍵設(shè)備、通訊與采集方式選擇等在保持技術(shù)先進性的同時還應(yīng)充分考慮穩(wěn)定、可靠性和兼容性、擴充性。貴冶電力SCADA系統(tǒng)改造和新增儀表的安裝涉及面廣，需在不影響生產(chǎn)的情況下進行，實施難度較大，類似情況的企業(yè)可考慮有計劃分階段實施。智能工廠的建設(shè)，需要不斷的探索和實踐新的技術(shù)和設(shè)備。