摘要：針對目前鋼鐵企業對能效要求的提高，企業需要建立一套能源管理系統。但是鋼鐵企業過程控制層控制裝置繁雜，通信協定繁多，難以實作資料的內建和共享。為此，文中提出了一種基于工業網關的資料采集系統，該系統作為一個标準的資料采集平台，可實作對多源異構的資料采集，為能源管理系統（EMS）以及後續的企業管理系統（ERP）提供統一的資料。随後，利用序列槽和Modbus工具對資料采集系統進行仿真實驗驗證。
關鍵詞：實時資料采集；工業網關；仿真
0引言
随着這些年引進技術以及自主研發，國内鋼鐵企業的自動化和資訊化水準有了長足的進步，各種新的資訊化、自動化技術在鋼鐵企業中得到了廣泛的應用。随着大資料技術的發展，企業對采集和管理全生産過程中的生産、營運資料有着迫切的需求，以改善企業生産管理，改進生産工藝[1]。但各種不同的技術、産品被部署到企業現場後，出現了一些問題：
（1）裝置種類多，地域分布廣，通訊鍊路比較複雜；
（2）傳輸标準多樣化，不同的通訊技術，通訊協定并存；
（3）部署、調試與維護管理的成本劇增。
鋼鐵企業的能源消耗直接決定了其生産成本，因而降低能耗對提升企業競争力有着非常重要的意義。同時，鋼鐵企業污染排放量大，如果能合理使用與平衡調配能源，對環境保護也有作用。能源管理系統（以下簡稱“EMS”）對全廠能源媒體計量實行集中監視，其主要功能是實作高爐瓦斯、轉爐瓦斯、天然氣、水蒸氣、氧氮氩、水、電等資料計量采集，對在公司層面優化瓦斯平衡、減少瓦斯放散、提高環保品質、降低噸鋼能耗、提高勞動生産率和能源管理水準将起到十分明顯的促進作用。
但是鋼鐵企業過程控制層控制裝置繁雜，通信協定繁多，難以實作資料的內建和共享。本文提出了一種基于工業網關的資料采集系統，作為一個資料采集平台，實作對多源異構的資料進行采集，為能源管理系統（EMS）以及後續企業管理系統（ERP）提供統一的資料。
1多源異構資料實時采集系統
根據鋼鐵EMS系統的特點，對資料采集子系統提出了以下幾個要求：
（1）可靠性。需要能夠在比較嚴酷的工業現場長時間可靠地工作，保證過程資料不丢失。
（2）适應性。要求系統能提供企業現場多傳感器、多協定的統一資料接口，開放式可擴充的資料采集架構，為資料後續的系統提供統一、實時的資料。
（3）可擴充性。考慮到能源系統随主系統不斷拓展的特點，資料采集的接口也需要能夠相應地拓展，以便将新的資料源接入到系統中來。
（4）可維護性。系統要能夠實作線上診斷、遠端維護等功能，友善找出有問題的采集結點并及時修複，減少人工巡檢的成本。
（5）安全性。一方面要確定采集到的資料能夠安全地傳送到EMS上層系統，另外一方面也要確定企業過程控制系統不受外部網絡威脅。
目前，企業需要接入ERP系統的各個現場控制系統現狀如表1所列。
表1某鋼鐵企業現場控制系統現狀
對原有PLC或DCS的系統，通過資料采集系統接入到上層系統即可。對空壓系統和水系統，則需要對其進行相應的改造，實作系統的PLC控制或者DCS控制，并用智能儀表來代替傳統儀表。
1.1異構資料采集系統架構設計
能源管理系統的構架如圖1所示，在組網方式上，考慮到各個廠區距離較遠，是以采用環形加心形的方式：各個工廠組成一個環網，而工廠裡各個采集點采用心形連接配接接入到環網中。将各個子系統采集到的資料通過交換機傳輸到伺服器中。
圖1某鋼鐵企業EMS系統
1.2多源異構資料采集系統标準化方案
為了滿足網絡和網際網路絡貫通，面對大範圍的介入，提供一種标準、可用、易用、易維護的方案。針對企業中RTU和PLC等廠家衆多，在與EMS系統互動時，沒有統一的資料接口的問題，資料采集系統通過使用工業網關來實作對各個系統資料的采集和标準化，進而将統一的資料上傳到EMS系統，友善實時資料伺服器對資料進行處理。對于圖1所示的系統中就采用了SymLink智能工業網關。
該網關與一些隻支援單一通信協定的網關相比，它能支援多種通信鍊路，比如RS-232/485、CAN總線、以太網、WiFi等，可以非常友善地實作與現場裝置進行互動；支援采集工業現場的多種工業裝置協定，并以多種工業裝置協定向其他系統或裝置提供資料分發服務，如：OPC、Modbus、IEC61850、IEC60870、PLC等；支援衆多功能，如腳本系統、資料存儲、裝置報警等，并能通過網際網路進行應用開發、線上調試、技術支援；圖形化的操作配置也相對比較友善操作。以SymLinkXM4101為例，其支援4路10/100Mb/s自适應以太網接口和10路RS232/485序列槽，在與下層裝置，比如PLC連接配接後，并在與網關配套的配置軟體SymLink開發系統中，進行對裝置和相應通信協定的配置，進而實作資料的采集與轉發。在配置軟體中建立工程後，系統嚴格的按照項目/裝置工程/應用三級進行分類管理，同時在磁盤上按樹狀結建構立檔案夾。
2資料采集
資料采集系統需要從工業現場的裝置上，比如PLC，RTU或者智能儀表上擷取EMS系統所屬的資料。要完成這個過程，需要在連接配接好網關和采集裝置的基礎上，明确與挂載裝置的通信協定，同時建立起采集點和SymLinkIO中的映射關系，進而在系統讀出現場采集、控制裝置上的資訊。利用Modbus工具和虛拟序列槽工具來對資料采集過程進行仿真。
2.1采集通道的建立
建立工程後，在采集服務下可以選擇建立通道，按提示對通道進行設定。以瓦斯系統為例，其采用西門子的S7-300PLC，是以在通道配置下選擇和S7-300通信的規約，廠家和規約資訊會自動填入到軟體中。規約庫裡内容非常豐富，基本涵蓋了目前常用的通信規約，對于一些特殊的通信協定，也可以根據協定開發出相應的規約驅動，加載到規約庫中。配置好通信規約後，繼續配置通訊所需要的主端口參數。建立通道後可以在通道下挂載裝置，一個通道下可以挂載多個裝置，可以定義每個裝置的名稱，描述裝置型号等資訊。如圖2所示，建立采集通道C1并在通道配置中選擇通信規約，如ModbusRTU，然後配置序列槽參數。
圖 2 建立采集通道
2.2采集點的建立
系統中的IO點是對所采集的底層裝置（如PLC，智能裝置，儀表等）中的信号映射。通過IO點的名稱、描述等屬性，可以準确表達所采集的底層裝置（如PLC，智能裝置，儀表等）中的信号（如溫度，壓力等）。在資料屬性中，我們可以定義有關該資料的描述、資料類型以及在目标裝置中的寄存器位址如圖3所示。該資料的類型包括模拟量、數字量、字元量、資料塊、信号量等類型，在IO點類型中我們可以選擇所采集的IO點對應的資料類型。
圖 3 資料參數設定
系統通過樹狀結構來管理、展現采集點資訊，對資料點采用的是分組管理的方式。這也展現在IO點的命名規則上，如在通道chn1裝置PLCS7-300下有一個組G1中的信号TAG1，那該資料所對應的名稱是db.chn1.PLCS7-300.G1.TAG1。在采集通道下建立裝置B1後，即可以在裡面添加采集點。簡單地采集瓦斯流量、溫度壓力等資訊，設定其信号類型，以及在PLC中的資料位址，資料類型等。采集到的資料可以在資料監視工具SymLink網關軟體中檢視，隻要在裝置清單中添加裝置，填入SymLink工業網關的IP，就可以檢視其采集到的資料資訊。同時還包括轉發服務、通信封包、裝置狀态、日志資訊等。工程師可以利用這款軟體監控工業網關的工作狀态，進行遠端的診斷維護等。系統監控畫面如圖4所示。
圖4系統監視畫面
2.3資料服務
采集到的資料要傳送到實時資料伺服器中去，這個通過網關的資料服務來實作。類似資料采集，在資料服務下建立通道，選擇好通信協定後，在通道配置界面下選擇加載采集資訊。在資料采集中定義的IO采集點會被加載到該界面下。采集點添加完成後，還需要将采集點與轉發通道的協定進行位址資訊關聯，否則，第三方系統還是無法擷取采集點的資料。
3控制系統安全隔離
企業PCS與ERP、MES系統之間需要通過網絡進行必要的互通互聯，完成經營、生産管理層對過程控制層的雙向資訊互動，保證企業對生産情況的掌握和控制。但是確定過程控制網絡的安全性不受外部通過企業管理網絡對控制網絡進行攻擊，控制網絡一旦受到病毒、蠕蟲等攻擊，可能導緻整個工廠的自動化生産線停産[6]。目前主要采用實體隔離或者防火牆的方式來對系統進行隔離。但是實體隔離的方式往往需要通過人工來進行資料拷貝、抄表等比較低效的方式。我們采用SymLink-GAP工業網關，硬體上利用兩個單獨的主機與内網和SCADA控制網絡相連接配接，兩台主機之間采用一塊隔離通信卡實作資料從内網向外網的單向傳輸。通過這種硬體上的設計，既可以實作資料通過網絡上傳，又能夠確定過程控制系統的安全。
4 安科瑞網關介紹
4.1通信管理機
4.1.1概述
本系列智能通信管理機是一款采用嵌入式硬體計算機平台，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網絡接口，用于将一個目标區域内所有的智能監控/保護裝置的通信資料整理彙總後，實時上傳主站系統，完成遙信、遙測等能源資料采集功能。
同時，本系列智能通信管理機支援接收上級主站系統下達的指令，并轉發給目标區域内的智能系列單元，完成對廠站内各開關裝置的分、合閘遠方控制或裝置的參數整定，實作遙控和遙調功能，以達到遠動輸出排程指令的目标。
4.1.2産品介紹
| 名稱 | 型号 | 圖檔 | 功能 |
| 通信管理機 | ANet-1E1S1 | | 通用網關，1路網口，1路RS485，可選配4G通訊、LORA通訊 |
| ANet-1E2S1 | 通用網關，1路網口，2路RS485，可選配4G通訊，LORA通訊 | ||
| ANet-2E4S1 | 通用網關，2路網口，4路RS485 | ||
| ANet-2E8S1 | 通用網關，2路網口，8路RS485 | ||
| ANet-2E4SM | | 通用網關，2路網口，4路RS485，可選配LORA通訊，斷電告警 |
4.2資料轉換子產品
4.2.1概述
AF-GSM是安科瑞電氣推出的新型的4G遠端無線資料采集設條，采用嵌入式設計。内嵌TCP/IP協定棧，同時采用了功能強大的微處理晶片，配合内置看門狗，性能可靠穩定。
本産品提供标準RS485資料接口，可以友善的連接配接RTU、PLC、工控機等裝置，僅需一次性完成初始化配置。就可以完成對MODBUS裝置的資料采集，并且與安科瑞伺服器進行通訊。
5.2.2産品介紹
| 名稱 | 型号 | 圖檔 | 功能 |
| AF-GSM資料轉換子產品 | AF-GSM300 | | 通用版，1路網口，1路LORA，可選轉4G、CE通訊 |
| AF-GSM400 | 通用版，1路網口，1路LORA，可選轉4G、CE、NB、2G通訊 | ||
| AF-GSM500 | | 點陣液晶顯示、4G通訊、全網通7模、LORA通訊、斷點續傳、U盤拷貝、内嵌8G SD卡、事件記錄，可選擇2路序列槽或6路序列槽 |
4.3 無線通訊轉換器
4.3.1概述
AEW110系列無線通訊轉換器主要用于輔助RS485裝置進行無線組網，通過将通訊資料在RS485信号與無線信号之間互轉，完成普通RS485裝置的無線通訊。降低使用者通訊組網的施工成本與改造時間。可與RS485通訊裝置靈活安裝，實作局部通訊的無線組網。
4.3.2産品介紹
| 名稱 | 型号 | 圖檔 | 功能 |
| AEW110無線通訊轉換器 | AEW110-LX | | RS485通訊接口、470MHz無線通訊、紅外通訊，用于輔助RS485裝置進行無線組網或充當無線通訊中繼器使用 |
4.4無線通訊終端
4.4.1概述
AWT100資料轉換子產品是安科瑞電氣推出的新型資料轉換DTU，通訊資料轉換包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN，GPS,WiFi,CE,DP 等通訊方式，下行接口提供了标準RS485資料接口，可以友善的連接配接電力儀表、RTU、PLC、工控機等裝置，僅需一次性完成初始化配置，就可以完成對MODBUS裝置的資料采集；同時AWT100系列無線通訊終端采用了功能強大的微處理晶片，配合内置看門狗技術，性能可靠穩定。
AWT200資料通訊網關應用于各種終端裝置的資料采集與資料分析。實作裝置的監測、控制、計算，為系統與裝置之間建立通訊紐帶，實作雙向的資料通訊。實時監測并及時發現異常資料，同時自身根據使用者規則進行邏輯判斷，大大的節省了人力和通訊成本。
4.4.2産品介紹
| 名稱 | 型号 | 圖檔 | 功能 |
| AWT100無線通訊終端 | AWT100-4G | | 4G通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485裝置無線通訊 |
| AWT100-4GHW | 4G通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485裝置無線通訊 | ||
| AWT100-NB | NB-IoT通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485裝置無線通訊 | ||
| AWT100-LoRa | LoRa通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485裝置無線通訊 | ||
| AWT100-LW | LoRaWAN通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485裝置無線通訊 | ||
| AWT100-LW868 | 海外，下行RS485，上行LoRaWAN無線通訊 | ||
| AWT100-LW923 | 海外，下行RS485.上行LoRaWAN無線通訊 | ||
| AWT100-CE | RS485通訊接口，以太網通訊雙向透明傳輸 | ||
| AWT100-GPS | RS485通訊接口，GPS定位 | ||
| AWT100-WiFi | RS485通訊接口，WiFi無線雙向透明傳輸 | ||
| AWT100-DP | RS485通訊接口，Profibus通訊雙向透明傳輸 | ||
| AWT200無線通訊終端 | AWT200-1E4S | 4路序列槽，不帶顯示按鍵 | |
| AWT200-1E4S-4G | 4路序列槽，不帶顯示按鍵，4G通訊 | ||
| AWT200-1E4S-4G/K | 4路序列槽，不帶顯示按鍵，4G通訊、開關量功能 | ||
| AWT200-1E4S-4G/LR | 4路序列槽，不帶顯示按鍵，4G通訊、LORA通訊 | ||
| | 4路序列槽，帶顯示按鍵 | ||
| AWT200-1E4SL-4G | 4路序列槽，帶顯示按鍵，4G通訊 | ||
| AWT200-1E4SL-4G/K | 4路序列槽，帶顯示按鍵，4G通訊、開關量功能 | ||
| AWT200-1E4SL-4G/LR | 4路序列槽，帶顯示按鍵，4G通訊、LORA通訊 | ||
| AWT200-1E8SL | 8路序列槽，帶顯示按鍵 | ||
| AWT200-1E8SL-4G | 8路序列槽，帶顯示按鍵，4G通訊 |
5結語
本文研究了目前鋼鐵企業建設能源管理系統時面臨的企業現場不同裝置，多傳輸協定的複雜現狀，提出了利用工業網關作為一個統一的平台來實作對工業現場資料采集。同時，還可以将采集的資料用于企業的生産管理、産品工藝改進等過程，對企業的生産有較大的經濟價值。由于企業經營狀況的變動，需要采集點的數量可能會相應增加或者減少，不同的現場對接口的需求可能也有所不同。是以子產品化的工業網關也會成為一個可能的發展趨勢。