基于工业网关的钢铁企业实时数据采集技术

引 言

随着这些年引进技术以及自主研发，国内钢铁企业的自动化和信息化水平有了长足的进步，各种新的信息化、自动化技术在钢铁企业中得到了广泛的应用。随着大数据技术的发展，企业对采集和管理全生产过程中的生产、运营数据有着迫切的需求，以改善企业生产管理，改进生产工艺[1]。但各种不同的技术、产品被部署到企业现场后，出现了一些问题 ：

(1) 设备种类多，地域分布广，通讯链路比较复杂 ；

(2) 传输标准多样化，不同的通讯技术，通讯协议并存；

(3) 部署、调试与维护管理的成本剧增 [2]。

钢铁企业的能源消耗直接决定了其生产成本，因而降低能耗对提升企业竞争力有着非常重要的意义。同时，钢铁企业污染排放量大，如果能合理使用与平衡调配能源，对环境保护也有积极作用。能源管理系统（以下简称“EMS”）对全厂能源介质计量实行集中监视，其主要功能是实现高炉煤气、转炉煤气、天然气、水蒸气、氧氮氩、水、电等数据计量采集， 对在公司层面优化煤气平衡、减少煤气放散、提高环保质量、降低吨钢能耗、提高劳动生产率和能源管理水平将起到十分明显的促进作用。

但是钢铁企业过程控制层控制设备繁杂，通信协议繁多， 难以实现数据的集成和共享。本文提出了一种基于工业网关的数据采集系统，作为一个数据采集平台，实现对多源异构的数据进行采集，为能源管理系统（EMS）以及后续企业管理系统（ERP）提供统一的数据。

1 多源异构数据实时采集系统

根据钢铁EMS 系统的特点，对数据采集子系统提出了以下几个要求：

(1) 可靠性。需要能够在比较严酷的工业现场长时间可靠地工作，保证过程数据不丢失。

(2) 适应性。要求系统能提供企业现场多传感器、多协议的统一数据接口，开放式可扩展的数据采集框架，为数据后续的系统提供统一、全面、实时的数据。

(3) 可扩展性。考虑到能源系统随主系统不断拓展的特点，数据采集的接口也需要能够相应地拓展，以便将新的数据源接入到系统中来。

(4) 可维护性。系统最好能够实现在线诊断、远程维护等功能，方便找出有问题的采集结点并及时修复，减少人工巡检的成本[3]。

(5) 安全性。一方面要确保采集到的数据能够安全地传送到EMS上层系统，另外一方面也要确保企业过程控制系统不受外部网络威胁。

目前，企业需要接入ERP 系统的各个现场控制系统现状如表 1 所列。

对原先有 PLC 或 DCS 的系统，通过数据采集系统接入到上层系统即可。对空压系统和水系统，则需要对其进行相应的改造，实现系统的PLC 控制或者DCS 控制，并用智能仪表来代替传统仪表。

1.1 异构数据采集系统框架设计

能源管理系统的构架如图 1 所示，在组网方式上，考虑到各个厂区距离较远，所以采用环形加心形的方式 ：各个工厂组成一个环网，而工厂里各个采集点采用心形连接接入到环网中。将各个子系统采集到的数据通过交换机传输到服务器中。

1.2 多源异构数据采集系统标准化方案 

为了满足网络和互联网络融合，面对大范围的介入，提 供一种标准、可用、易用、易维护的方案。针对企业中 RTU 和 PLC 等厂家众多，在与 EMS 系统交互时，没有统一的数据 接口的问题，数据采集系统通过使用工业网关来实现对各个 系统数据的采集和标准化，最终将统一的数据上传到 EMS 系 统，方便实时数据服务器对数据进行处理 [4]。

对于图 1 所示的系统中就采用了 SymLink 智能工业网关。 该网关与一些只支持单一通信协议的网关相比，它能支持多种 通信链路，比如 RS-232/485、CAN 总线、以太网、WiFi 等， 可以非常方便地实现与现场设备进行交互 ；支持采集工业现 场的多种工业设备协议，并以多种工业设备协议向其他系统 或设备提供数据分发服务，如 ：OPC、Modbus、IEC61850、 IEC60870、PLC 等 ；支持众多的高级功能，如脚本系统、数 据存储、设备报警等，并能通过互联网进行应用开发、在线 调试、技术支持 ；图形化的操作配置也相对比较方便操作 [5]。

以 SymLink XM4101 为例，其支持 4 路 10/100 Mb/s 自 适应以太网接口和 10 路 RS 232/485 串口，在与下层设备，比 如 PLC 连接后，并在与网关配套的配置软件 SymLink 开发系 统中，进行对设备和相应通信协议的配置，从而实现数据的 采集与转发。在配置软件中新建工程后，系统严格的按照项目 / 装置工程 / 应用三级进行分类管理，同时在磁盘上按树状结 构创建文件夹。

2 数据采集 

数据采集系统需要从工业现场的设备上，比如 PLC， RTU 或者智能仪表上获取 EMS 系统所属的数据。要完成这 个过程，需要在连接好网关和采集设备的基础上，明确与挂 载设备的通信协议，同时建立起采集点和 SymLink IO 中的映 射关系，从而在系统读出现场采集、控制设备上的信息。利用Modbus工具和虚拟串口工具来对数据采集过程进行仿真。

2.1 采集通道的建立 

建立工程后，在采集服务下可以选择新建通道，按提示 对通道进行设置。以燃气系统为例，其采用西门子的 S7-300 PLC，所以在通道配置下选择和 S7-300 通信的规约，厂家和 规约信息会自动填入到软件中。规约库里内容非常丰富，基本 涵盖了目前常用的通信规约，对于一些特殊的通信协议，也可 以根据协议开发出相应的规约驱动，加载到规约库中。配置 好通信规约后，继续配置通讯所需要的主端口参数。建立通 道后可以在通道下挂载设备，一个通道下可以挂载多个设备， 可以定义每个设备的名称，描述设备型号等信息。如图 2 所示， 建立采集通道 C1 并在通道配置中选择通信规约，如 Modbus RTU，然后配置串口参数。

2.2 采集点的建立 

系统中的 IO 点是对所采集的底层设备（如 PLC，智能设 备，仪表等）中的信号映射。通过 IO 点的名称、描述等属性， 可以准确表达所采集的底层设备（如 PLC，智能设备，仪表等） 中的信号（如温度，压力等）。在数据属性中，我们可以定义 有关该数据的描述、数据类型以及在目标设备中的寄存器地 址如图 3 所示。该数据的类型包括模拟量、数字量、字符量、 数据块、信号量等类型，在 IO 点类型中我们可以选择所采集 的 IO 点对应的数据类型。

系统通过树状结构来管理、展现采集点信息，对数据 点采用的是分组管理的方式。这也体现在 IO 点的命名规则 上，如在通道 chn1 设备 PLC S7-300 下有第一个组 G1 中的 信号 TAG1，那该数据所对应的名称是 db.chn1.PLC S7-300. G1.TAG1。在采集通道下新建设备 B1 后，即可以在里面添加 采集点。简单地采集燃气流量、温度压力等信息，设置其信号类型，以及在 PLC 中的数据地址，数据类型等。 

采集到的数据可以在数据监视工具 SymLink 网关软件中 查看，只要在设备列表中添加设备，填入 SymLink工业网关 的 IP，就可以查看其采集到的数据信息。同时还包括转发服务、 通信报文、设备状态、日志信息等。工程师可以利用这款软件 监控工业网关的工作状态，进行远程的诊断维护等。系统监 控画面如图 4 所示。

2.3 数据服务

采集到的数据要传送到实时数据服务器中去，这个通过网关的数据服务来实现。类似数据采集，在数据服务下新建通道，选择好通信协议后，在通道配置界面下选择加载采集信息。在数据采集中定义的IO 采集点会被加载到该界面下。采集点添加完成后，还需要将采集点与转发通道的协议进行地址信息关联，否则，第三方系统还是无法获取采集点的数据。

3 控制系统安全隔离

企业 PCS 与ERP、MES 系统之间需要通过网络进行必要的互通互联，完成经营、生产管理层对过程控制层的双向信息交互，保证企业对生产情况的掌握和控制。但是确保过程控制网络的安全性不受外部通过企业管理网络对控制网络进行攻击，控制网络一旦受到病毒、蠕虫等攻击，可能导致整个工厂的自动化生产线停产 [6]。目前主要采用物理隔离或者防火墙的方式来对系统进行隔离。但是物理隔离的方式往往需要通过人工来进行数据拷贝、抄表等比较低效的方式[7]。

我们采用SymLink-GAP 工业网关，硬件上利用两个独立的主机与内网和SCADA 控制网络相连接，两台主机之间采用一块隔离通信卡实现数据从内网向外网的单向传输。通过这种硬件上的设计，既可以实现数据通过网络上传，又能够确保过程控制系统的安全。

结 语

本文研究了目前钢铁企业建设能源管理系统时面临的企业现场不同设备，多传输协议的复杂现状，提出了利用工业网关作为一个统一的平台来实现对工业现场数据采集。同时， 还可以将采集的数据用于企业的生产管理、产品工艺改进等过程，对企业的生产有较大的经济价值。由于企业经营状况的变动，需要采集点的数量可能会相应增加或者减少，不同的现场对接口的需求可能也有所不同。所以模块化的工业网关也会成为一个可能的发展趋势。