基于边缘计算的钢铁企业电力实时数据采集的研究

摘要：针对目前钢铁企业能效要求的提高，企业需要建立能源管理系统。但钢铁企业过程控制层控制设备复杂，通信协议多，难以实现数据集成和共享。因此，本文提出了一个基于工业网关的数据采集系统。作为一个标准的数据采集平台，该系统可以实现多源异构的数据采集，为能源管理系统（EMS）以及后续的企业管理系统（ERP）提供统一的数据。随后，数据采集系统通过串口和Modbus工具进行模拟验证。

关键字：实时数据采集；工业网关；模拟

引言

随着近年来技术的引进和自主研发，国内钢铁企业的自动化和信息化水平取得了长足的进步，各种新的信息化和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，企业迫切需要收集和管理整个生产过程中的生产和运营数据，以改善企业的生产管理和生产过程[1]。然而，在企业现场部署了各种技术和产品后，出现了一些问题:

设备种类繁多，地域分布广泛，通信链路复杂；

传输标准多样化，通信技术不同，通信协议并存；

部署、调试和维护管理的成本急剧增加；

钢铁企业的能耗直接决定了其生产成本，因此降低能耗对于提高企业竞争力具有重要意义。与此同时，钢铁企业污染排放量大，如果能够合理利用和平衡能源，对环境保护也有作用。能源管理系统(以下简称“EMS)对全厂能源介质的计量进行集中监控，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、电等数据的计量采集，对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非常明显的促进作用。

但钢铁企业过程控制层控制设备复杂，通信协议多，难以实现数据集成和共享。本文提出了一个基于工业网关的数据采集系统，作为一个数据采集平台，可以为能源管理系统采集多源异构数据。（EMS）以及后续的企业管理系统（ERP）提供统一的数据。、

1实时采集多源异构数据系统

数据采集子系统根据钢铁EMS系统的特点，提出了以下要求：

(1)可靠性。要能在较为严酷的工业现场长时间可靠地工作，确保流程数据不会丢失。

(2)适应性。要求系统提供企业现场多传感器、多协议的统一数据接口，开放可扩展的数据采集框架，为后续数据系统提供统一实时的数据。

(3)可扩展性。考虑到能源系统随主系统不断扩展的特点，为了将新的数据源连接到系统中，数据采集的接口也需要能够相应扩展。

(4)可维护性。系统应能实现在线诊断、远程维护等功能，便于找出有问题的收集点并及时修复，降低人工检查成本。

(5)安全。一方面要保证收集到的数据能够安全传输到EMS上层系统，另一方面也要保证企业过程控制系统不受外部网络的威胁。

当前，企业需要访问ERP系统的各种现场控制系统的现状如表1所列。

表1某钢铁企业现场控制系统现状

对于原有的PLC或DCS系统，上层系统可以通过数据采集系统连接。对于空气压缩系统和水系统，需要进行相应的改造，以实现系统的PLC控制或DCS控制，并用智能仪器代替传统仪器。

1.1异构数据采集系统框架设计

能源管理系统的框架如图1所示。在网络组装方式上，考虑到每个工厂之间的距离很远，采用环形和心形的方式:每个工厂形成一个环形网络，工厂的每个收集点都采用心形连接到环形网络。通过交换机将每个子系统收集的数据传输到服务器。

图1某钢铁企业EMS系统

1.2多源异构数据采集系统标准化方案

面对广泛的介入，为了满足网络和互联网的连接，提供了一个标准、可用性、易用性和易于维护的方案。针对RTU、PLC等众多企业，在与EMS系统互动时没有统一的数据接口问题，数据采集系统利用工业网关对各系统数据进行采集和标准化，从而将统一的数据上传到EMS系统，方便实时数据服务器处理数据。SymLink智能工业网关被用于图1所示的系统。

与一些只支持单一通信协议的网关相比，该网关可以支持RS-232/485等多种通信链接。、CAN总线、以太网、WiFi等。，可以非常方便地与现场设备互动；支持在工业现场收集各种工业设备协议，并通过各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；支持脚本系统、数据存储、设备报警等多种功能。，并且可以通过互联网进行应用开发、在线调试和技术支持；图形操作配置也相对方便操作。以SymLinkXM4101为例，它支持4路10/100Mb/s自适应以太网接口和10路RS232/485串口，在与PLC等下层设备连接后，在SymLink开发系统中配置设备和相应的通信协议，从而实现数据的收集和转发。新建工程配置软件后，系统严格按照工程/设备工程/应用三个层次进行分类管理，同时根据树形结构在磁盘上创建文件夹。

2数据采集

数据采集系统需要从PLC、RTU或智能仪器等工业现场设备中获取EMS系统所属的数据。为了完成这一过程，需要在连接网关和采集设备的基础上明确与装载设备的通信协议，并在SymLinkIO中建立采集点和映射关系，从而在系统中读取现场采集和控制设备上的信息。利用Modbus工具和虚拟串口工具模拟数据采集过程。

3控制系统安全隔离

公司PCS和ERP、MES系统需要通过网络进行必要的互联互通，完成业务和生产管理层对过程控制层的双向信息交互，保证企业对生产状况的掌握和控制。然而，为了保证过程控制网络的安全性，控制网络的安全性不会受到外部企业管理网络的攻击。一旦控制网络受到病毒和蠕虫的攻击，整个工厂的自动化生产线可能会停止生产[6]。目前系统主要采用物理隔离或防火墙隔离的方式。然而，物理隔离通常需要手动复制数据，我们可以使用相对低效的方式，例如，使用A...

4安科瑞网关介绍

（1）概述

本系列智能通信管理机采用嵌入式硬件计算机平台，具有多个下行通信接口和一个或多个上行网络接口。整理汇总一个目标区域内所有智能监控/保护装置的通信数据后，实时上传主站系统，完成遥信、遥测等能源数据采集功能。

同时，该系列智能通信管理机支持接收上级主站系统下达的命令，并将其转发给目标区域的智能系列单元，以达到远程输出调度命令的目的，完成工厂站内各开关设备的分离、关闭远程控制或设备参数的整定，实现遥控和远程调度功能。

（2）产品介绍

5结语

本文研究了目前钢铁企业在建设能源管理系统时面临的企业现场不同设备和多传输协议的复杂现状，提出利用工业网关作为统一的平台，实现工业现场数据采集。同时，采集的数据也可用于企业的生产管理和产品技术改进，对企业的生产具有很大的经济价值。由于企业经营状况的变化，需要采集点的数量可能会相应增加或减少，不同的现场对接口的需求可能会有所不同。因此，模块化工业网关也将成为一种可能的发展趋势。

参考文献

[1]王永川，陈光明.钢铁企业能源管理系统方案研究[J].冶金能源，2003，22（6）：5-8.

[2]郭蓝天.数据采集网关的研制及其在中型热电厂运行管理系统中的应用[D].青岛：青岛科技大学，2012.

[3]智能电网用户端电力监控/电能管理/电气安全（产品报价手册）.2023.01版

[4]企业微电网设计与应用手册.2022.05版.