通讯网关在EMS数据采集中的应用和研究*

孙小红

(江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏　江阴 214429)



通讯网关在EMS数据采集中的应用和研究*

孙小红

(江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴 214429)

介绍了一种利用通讯网关采集数据的方法，应用于EMS项目数据采集过程中。通过实际应用，取得了很好的效果。

数据采集； 能源管理系统(EMS)； RTU网关

引言

“十二五”时期，随着工业化、城镇化建设进程的加快，中国能源需求呈刚性增长趋势，受国内资源保障能力和环境容量制约，资源环境约束日趋增强，节能减排的任务仍然十分艰巨。钢铁、有色、化工等重工业作为能耗大户，历来是节能减排的重点领域。加强企业能源管理，建设能源管理中心，可有效提升能源利用效率，是降本增效、减轻环境压力、提高企业竞争力的有效措施[1]。

为了响应国家节能减排要求，能源管理系统EMS(Energy Management System)作为系统节能的典型方案，近年来在很多大型企业中推广建设，取得了很好的经济效益，在实施过程中，应用了很多新技术、新设备，积累了很多值得推广的经验。

1　能源管理系统简介

能源管理系统(Energy Management System，以下简称EMS)是指采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业能源系统的生产、输配和消耗环节实施集中扁平化的动态监控和数字化管理，改进和优化能源平衡，实现系统性节能降耗的管控一体化系统[2]。从上世纪80年代开始，这种能源集中管理的思想、大规模计算机监控的应用就为宝钢集团所采用，经过多年的发展，目前已经推广到整个宝钢集团和国内各大钢厂，并且逐步拓展到制造、化工等行业。EMS是企业自动化和信息化的重要组成部分，企业需要完善的能源信息的采集系统，对能源数据进行分析、处理和加工，从而在公司全局角度审视能源的基本管理需求，满足能源工艺系统分散特性和能源管理需要集中的客观要求，以适应企业的战略发展需要。

2　EMS中数据采集的现状和问题

作为整个企业的能源管理系统，需要采集与能源相关的大量数据，包括各级能源计量数据、重要工序数据、环保信号等。这些信号通常分布在各个不同的控制系统中，EMS需要和它们分别通讯。

以钢铁厂为例，按系统类型分为：PLC控制系统，DCS控制系统，传统仪表盘控制系统，变电站综保系统，环保在线分析系统等等。按照数据传输类型分为：以太网，串口和各种总线。系统支持的规约也是五花八门，包括TCP/IP，OPC，Modbus，IEC104，DLT645等通用规约和大量厂家自有的规约。

目前常用的数据采集方法分为三类：

1) 直接从L1现场控制设备(包括PLC，DCS，电力综保等)采集数据。

2) 进行自动化改造，加装PLC或无纸记录仪，利用I/O的方式采集数据。

3) 和现场控制系统自带的L2服务器(采集数据库)通讯，一般需要编写脚本实现。

对于方法1，由于企业工艺流程复杂，单从控制系统类型上就有PLC、DCS和电力综保系统等等，加之系统建设年代不同，自动化水平参差不齐，同类型控制系统还会有不同型号，不同协议规约等的区别，导致EMS系统直接和L1现场控制设备通讯变得十分复杂。目前主流的上位机软件诸如IFix，Wonderware等都无法实现全部种类的控制系统通讯，特别是DCS系统。

对于方法2，原控制系统的信号需要逐一接入，涉及到大量的现场改造，这种改造会受到现场工况限制，实施周期较长。该方法的系统扩展性较差，如果后期信号增加，需要增加设备。

对于方法3，涉及到很多数据库方面的编程，各系统的差异性也最大，本文不做展开论述。

3　网关在EMS项目中的应用

在EMS项目实施的过程中，采用了一种新的通讯方案：使用RTU网关，采集各种控制系统的信号，再转发给上位机。

3.1RTU网关简介

RTU网关的核心是一个脱离于具体硬件设备的接口通信服务平台，依据其开放的实时数据库，简化系统中不同协议的转换和系统联网过程，不同协议可转换为标准协议(如Modbus或OPC方式)，并且转发到网络中。本文以炫思科技公司的Symlink系列网关做介绍。

3.2RTU通讯方案介绍

选用4网口6串口的RTU网关，其中1个网口用来上联，其他的网口和串口都用来连接现场设备。该方案的架构如图1所示。

图1　RTU采集现场设备方案

3.2.1RTU连接PLC

对于PLC，需要自带RJ45接口，并且支持以太网协议。通过选择不同的PLC品牌、型号，设置IP就可以建立与PLC的通讯，然后配置信号点，就可以实现数据的采集。如图2～4所示的实例采集了西门子系列S7-300的PLC中，DB5DD0, DB5DD8, DB2DD0, DB2DD8这4个寄存器的数据。

图2　PLC在RTU中的配置1

图3　PLC在RTU中的配置2

图4PLC在RTU中的配置3

3.2.2RTU连接DCS

由于DCS系统的相对封闭性，目前没有上位机可支持直接通讯，考虑到主流DCS都支持OPC协议，RTU采用OPC的方式采集DCS数据。通常采用这种方式需要配置DCOM，由于DCOM和操作系统的安全体系结合在一起，各版本操作系统(9x、NT、2000、XP、2003等)的安全体系又有所区别，增加了配置的难度。这里使用OPC Tunneller软件作为桥梁，在工程师站上安装OPC Tunneller采集DCS的数据，同时OPC Tunneller还作为客户端为RTU提供数据，通过这个软件可以避免跨系统配置DCOM这个难点。如图5～6所示的实例采集了横河DCS中点名为FCS0101!PT-103.PV、FCS0101!PT-104.PV、FCS0101!FT-601.PV和FCS0101!FT-301.PV的四个变量的数据。

图5　DCS在RTU中的配置1

图6　DCS在RTU中的配置2

3.2.3RTU连接电量表

电量表自带串口，支持DLT645或者IEC102等标准规约，RTU有6个串口，最多可以接6路电量表。RTU支持上述标准规约，通过设置串口号(通道号)、通讯速率、数据位、校验方式、停止位等参数，即可实现与电量表的通讯，如图7所示。

图7　串口电量表在RTU中的配置

3.2.4RTU和上位机的通讯

RTU完成与各种现场设备的通讯后，可以转发成Modbus-TCP和OPC协议，传给上位机。对于部分主流上位软件，已经有标准驱动，例如IFix的PFC驱动，通过上位机配置驱动，即可读取数据。

3.3方案实施效果

该方案首次在河北省邯郸多个钢铁厂(金鼎重工、裕华钢铁、兴华钢铁等)的EMS建设中大规模使用，完成了众多岗位设备的接入，包括高炉、转炉、

焦炉、TRT、锅炉、干熄焦、风机房、空压站、燃机、CCPP、水站、制氧站等。其中PLC牌号包括西门子、AB、施耐德等；DCS牌号包括和利时、横河、Ovation、浙大中控、浙江中自等；电量表牌号包括许继、威盛、东方电子等。

该方案的实施，体现了以下三方面的优点：1)降低了整体投资，最大限度地保留了现有控制系统架构；2)大大降低了现场施工改造的工作量，编程调试方便；3)系统整体运行稳定可靠，故障率低，扩展性好，后期维护方便。因此，该方案得到了用户的普遍认可。

4　结束语

基础自动化L1数据的采集，是建设企业EMS的基础和保障。利用网关采集数据的方案，克服了以往传统方案的各种不足，通过在众多EMS项目的现场实施，取得了良好的效果，对于其他类似企业的EMS建设有着良好的借鉴作用。

[1]丛力群，吴毅平，冯为民．EMS能源管家[J]．中国制造业信息化．2010，(14)：19-21.

[2]高东华, 吴毅平, 黄自强．OPC通信方案在能源管理系统中的应用[J].控制工程．2009，16(S2)：188-191.

2016-03-26

孙小红(1974-)，女，高级工程师。电话：13506168352

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