基于串口轉(zhuǎn)換器的鋼廠能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

馬 健，董園園

（1.河鋼集團(tuán)唐山不銹鋼有限責(zé)任公司，河北 063105；2.唐鋼國際工程技術(shù)有限公司河北 063000）

0 引言

節(jié)能降耗是企業(yè)的生存之本，企業(yè)日常運營需樹立“降低能耗,杜絕浪費,提高效益”的節(jié)能意識，利用現(xiàn)代化的管理手段對能源介質(zhì)進(jìn)行科學(xué)管控，可有效降低企業(yè)能源使用成本，實現(xiàn)企業(yè)效益的最大化。傳統(tǒng)的人工抄錄數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)能源數(shù)據(jù)虛報、漏報等現(xiàn)象，能源管理易出現(xiàn)偏差，通過能源數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，對能源計量數(shù)據(jù)自動采集、統(tǒng)計，可以實現(xiàn)對能源數(shù)據(jù)和能源使用情況進(jìn)行有效管控，從而使數(shù)據(jù)統(tǒng)計做到了及時、準(zhǔn)確、完整、有效，杜絕人工抄數(shù)等形式出現(xiàn)的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、不全、滯后的現(xiàn)象。

本文介紹唐鋼不銹鋼公司（簡稱不銹鋼公司）構(gòu)建能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要意義以及系統(tǒng)構(gòu)建過程，詳細(xì)介紹了能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件功能，并對系統(tǒng)投運后企業(yè)節(jié)能成效和能源數(shù)據(jù)管理成效進(jìn)行了分析總結(jié)。

1 構(gòu)建能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的必要性

不銹鋼公司是一所年產(chǎn)300萬噸鋼材的國有企業(yè)，現(xiàn)有主生產(chǎn)線包括：一座2 000 m3容積高爐、一臺132 m2燒結(jié)機、一臺265 m2燒結(jié)機、三座100 t轉(zhuǎn)爐，三座100 tLF精煉爐、一座RH爐、3臺板坯連鑄機以及一條1580熱軋生產(chǎn)線。隨著國內(nèi)鋼鐵市場競爭形勢日益嚴(yán)峻，節(jié)能降耗成了企業(yè)降本增效的重要手段。節(jié)能降耗需要科學(xué)有效的能源管理為支撐，需要科學(xué)計量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)保障。因此，構(gòu)建實時能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)迫在眉睫。

實時能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是鋼鐵企業(yè)能源管理中心建設(shè)的重要支撐，主要是通過計算機系統(tǒng)對企業(yè)的電、水、燃?xì)?、熱力介質(zhì)和動力介質(zhì)等能源介質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集。通過對數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計和展示，可以對全公司的能源介質(zhì)使用情況進(jìn)行管理和監(jiān)督，對動態(tài)掌握全公司能源使用狀況、優(yōu)化能源使用結(jié)構(gòu)，減少煤氣放散、降低噸鋼能耗、提高勞動生產(chǎn)率和能源管理水平將起到十分顯著的促進(jìn)作用，因而是十分必要的。

2 能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是由實時能源數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集串口轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場計量儀表、通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用軟件等構(gòu)成，系統(tǒng)具有時能源數(shù)據(jù)查詢和展示功能。

2.1 實時能源數(shù)據(jù)庫

能源數(shù)據(jù)的特點是實時性強，尤其是結(jié)算儀表，對數(shù)據(jù)的及時性和準(zhǔn)確率都有較高的要求。能源歷史數(shù)據(jù)量大，每個測點的存儲一般都是秒級，按照5秒每個的頻率，每年單個測點需存儲20萬個數(shù)據(jù)，不銹鋼的能源數(shù)據(jù)存在5000個測點，則一年數(shù)據(jù)存儲量高達(dá)10億。另外能源數(shù)據(jù)多種多樣，需使用多種表達(dá)方式綜合展示數(shù)據(jù)。經(jīng)過多方考察和比對，我們選用了PI實時數(shù)據(jù)庫和Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

PI實時數(shù)據(jù)庫采用鍵值對的方式存儲數(shù)據(jù)，key值為時間，value為數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更加清晰。每塊儀表采取獨立存儲數(shù)據(jù)，互不影響；對數(shù)據(jù)存儲進(jìn)行二次壓縮，能夠做到200小時數(shù)據(jù)僅占據(jù)4G磁盤存儲空間[1]，使能源歷史數(shù)據(jù)得以長期存儲，甚至可以查看幾年間的能源趨勢走向，更有利于能源數(shù)據(jù)管理；多樣式高效展示數(shù)據(jù)形式，既能夠?qū)ΜF(xiàn)有曲線趨勢數(shù)據(jù)進(jìn)行瞬時量查詢，又可以通過報表形式進(jìn)行能源的周期性統(tǒng)計，形式靈活多變。

Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫通過靈活的SQL查詢和廉價的維護(hù)成本，使得存儲系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)時得心應(yīng)手，只需在數(shù)據(jù)庫中將配置改變，系統(tǒng)重啟后即可實現(xiàn)“一處修改，處處變換”。所以能源采集系統(tǒng)的所有配置數(shù)據(jù)，均放在Oracle的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。

2.2 數(shù)據(jù)采集串口轉(zhuǎn)換器

無論是計量水、電、煤氣，還是壓空、氮氣、氧氣等介質(zhì)，其計量儀表基本都是由單片機構(gòu)成，一般會在其內(nèi)部設(shè)置串口通訊模塊，可以通過RS485通訊接口與儀表進(jìn)行交互。眾所周知，目前局域網(wǎng)通訊是最快捷、簡便的形式，幾乎每個公司都有內(nèi)部局域網(wǎng)，用以通訊和數(shù)據(jù)傳輸。如何將儀表和內(nèi)網(wǎng)連接起來，用以采集相關(guān)的儀表數(shù)據(jù)呢？基于TCP/IP及串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)拇谵D(zhuǎn)換器應(yīng)運而生，它不但能起到橋梁作用，將RS485通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP數(shù)據(jù)，而且通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，也實現(xiàn)了隔離病毒，保護(hù)儀表的效果。

通過串口轉(zhuǎn)換器的方案[2]，可以將現(xiàn)場就近的幾個計量儀表的數(shù)據(jù)集中起來進(jìn)行傳輸，最大限度地利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的布線，減少設(shè)備投資成本。由于工廠早期安裝的儀表設(shè)備均有串口通訊，通過這種解決方案，無需過早淘汰原有設(shè)備，最大限度提高現(xiàn)有設(shè)備利用率，進(jìn)而節(jié)約設(shè)備投資。

一個串口轉(zhuǎn)換器作為服務(wù)器時，能夠與多個串口設(shè)備（儀表）進(jìn)行連接，通過與每臺設(shè)備通訊，將串口數(shù)據(jù)流進(jìn)行篩分和處理。通過RS485通訊接口轉(zhuǎn)換為TCP數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程主機與現(xiàn)場儀表的實時互動。儀表數(shù)據(jù)采集示意圖如圖1所示。

2.3 通訊協(xié)議

Modbus是工業(yè)中經(jīng)常用到的一種通訊協(xié)議，能源計量儀表一般均支持Modbus RTU,它通過主機發(fā)送的廣播報文，根據(jù)其自身地址，選擇性地接收Modbus報文。當(dāng)?shù)刂?、?shù)據(jù)長度、CRC、效驗均滿足要求時，對報文數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，根據(jù)其任務(wù)要求查詢內(nèi)存數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包成報文形式發(fā)送給主機。其報文格式為地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)、CRC效驗碼，例如01 03 07 C6 00 02 25 42這個報文的意思就是主機需要地址為1的能源儀表，提供寄存器地址07C6和07C7的數(shù)據(jù)。叢機返回01 03 04 00 00 CB 43 EC F2，其報文含義為地址為1的能源儀表返回4個字節(jié)數(shù)據(jù)0000CB43，按照正確順序解碼后得到406的數(shù)值，此值即為儀表顯示屏顯示的數(shù)據(jù)值。

2.4 能源數(shù)據(jù)采集

當(dāng)硬件設(shè)備全部安裝到位后，即進(jìn)入軟件編寫與調(diào)試階段，數(shù)據(jù)采集是采用的遠(yuǎn)程服務(wù)集中采集模式。程序啟動后，會先從Oracle數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)配置數(shù)據(jù)，包括采集方式、儀表類型、儀表地址、寄存器地址等相關(guān)信息；數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后得到Modbus形式的字符串?dāng)?shù)據(jù)，然后與相應(yīng)IP地址的串口轉(zhuǎn)換器進(jìn)行Socket通訊，串口轉(zhuǎn)換器收到數(shù)據(jù)后通過RS485通訊接口向連接的儀表進(jìn)行廣播；對應(yīng)地址的儀表收到信息后反饋相應(yīng)字符串?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)換器由程序接收，程序?qū)ζ溥M(jìn)行相關(guān)解碼，得到需要采集的實時數(shù)據(jù),并寫到PI實時數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

2.5 數(shù)據(jù)展示

充分利用PI實時數(shù)據(jù)庫的相關(guān)軟件，即可實現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)展示，提供數(shù)據(jù)展示工具，可方便查詢實時數(shù)據(jù)，查看歷史趨勢，對比分析各能源數(shù)據(jù)問題，可在windows各個版本使用，界面友好，修改便捷，形式靈活。

使用內(nèi)嵌PI組件Excel報表，可分別制作水、電、氣等能源報表，統(tǒng)計班、天、周、月、年的能源介質(zhì)使用情況。Excel報表特點為查詢和編輯方便：一鍵式查詢所錄入時間的報表數(shù)據(jù)，在Excel表格中瞬間展現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)；編輯報表時，在相應(yīng)表格位置錄入相關(guān)參數(shù)即可，使報表編輯更加靈活方便。Excel報表提取能源數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 Excel報表提取能源數(shù)據(jù)

使用ProssBook軟件，經(jīng)過畫面編輯，連接變量后，即生成項目文件，其內(nèi)部支持VBA，能夠進(jìn)行編程，使得內(nèi)容更加靈活方便，ProcessBook展現(xiàn)能源數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 ProcessBook展現(xiàn)能源數(shù)據(jù)

3 實施效果

能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的投運，使能源管理更加科學(xué)高效，有效降低企業(yè)能源使用成本，促進(jìn)了企業(yè)節(jié)能減排工作向更高層次轉(zhuǎn)變。

能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可分別制作水、電、氣等能源介質(zhì)報表；按時間可查詢所錄入的報表數(shù)據(jù)，查看歷史趨勢，對比分析各能源數(shù)據(jù)問題；可通過ProssBook軟件生成項目文件，展現(xiàn)能源數(shù)據(jù)。

2020年不銹鋼公司各能源介質(zhì)消耗情況與2018年相比較：噸鋼電耗由477 kwh/t降低到460 kwh/t，降低3.6%；熱電發(fā)電量提高20 kwh/t，增加幅度約為14%；用水降低0.75 t/t鋼，降低幅度約為20%。

4 結(jié)語

利用現(xiàn)代化的能源管理手段對公司能源介質(zhì)進(jìn)行管控，使不銹鋼公司能源管理水平顯著提高，實現(xiàn)了對公司能源數(shù)據(jù)和能源使用情況的有效管控。能源數(shù)據(jù)的采集統(tǒng)計做到了及時、準(zhǔn)確、完整、有效，杜絕了人工抄數(shù)等形式出現(xiàn)的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、不全、滯后的現(xiàn)象。

系統(tǒng)投運后，公司能源管理和績效考核有了數(shù)據(jù)支撐和保障。公司各能源介質(zhì)消耗不同程度有所降低，提高了能源管控的時效性，顯著提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。