基于物联网的冶金企业应急管理平台设计

张宏利

（承德钢铁集团有限公司，河北 承德 067000）

物联网(Thc Intcrnct of things)概念是1999年由麻省理工学院自动标识中心(MITAuto-ID Center)提出,早期的定义很简单：把所有物品通过射频识别标签等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理[1]。通常来说物联网由感知层、网络层和应用层组成[2]。物联网被看作信息领域一次重大的发展和变革机遇．欧盟委员会认为物联网的发展应用将在未来5～15年中为解决现代社会问题带来极大贡献，2009年以来，一些发达国家纷纷出台物联网发展计划进行相关技术和产业的前瞻布局我国也将物联网作为战略性的新兴产业予以重点关注和推进[3]。物联网的技术促进了世界上人与机器、与自然、社会之间的交流，让人们的生活变得更加便捷和美好。

1 应急管理系统的组成

应急管理系统整体架构共分为三层，分别为数据采集层、数据处理层、数据展示层。结构图如下：

1.1 数据采集层

数据采集层主要采集现场PLC、DCS、仪表设备信息数据，可以将所有设备通过交换机汇总到一起，输出汇总后连接采集模块（模块具备存储功能，在断网等异常情况下，本身可以存储一定量的历史数据），设备连接到数据处理层的实时数据库。

1.2 数据处理层

数据处理层主要负责对提取上来的仪表数据进行处理和存储，为系统程序的开发提供基础信息。对历史数据进行处理，满足监控需求，同时可以根据信息展示要求频率，频率可以达到秒级。

1.3 数据展示层

数据展示层主要负责对现场设备及仪表中提取的重要能源数据按照用户要求进行系统页面开发最终展现给用户。其中系统展示层所具备的功能大致划分分为：设备及仪表数据实时展示、诊断报警、历史查询、工艺规程管理、重大危险源监控、数据报表、能源消耗、能源调差、系统日志以及用户权限管理等。

2 硬件设计

2.1 串口服务器设计

串口服务器的作用是将RS485通信转换为网络通信，通过网络进行传输，突破RS485通信距离最远1200米的限制。串口服务器具备RS485和网络通信端口，RS485端口接入仪器仪表组网，网络通信端口接入仪表数据网关，实现仪器仪表与仪表数据网关的通信连接和数据采集。

2.2 数据采集网关设计

PLC、DCS数据网关用于实现PLC、DCS等生产主控设备的数据采集，利用网络通过工业数据采集协议进行采集，具备最大10000点数据采集能力。PLC、DCS数据网关具备网络隔离功能，分为控制端和转发端，两端彼此隔离不能通信，以保障生产网络安全。控制端用于接驳PLC、DCS等生产主控设备以及用于网关的配置调试，转发端用于接驳实时数据库，实现了生产网络与应急平台网络的有效隔离。

2.3 网络设计

工业网络的设计通常采用环网设计，环网设计方案具备较高的可靠性，可保证网络某一节点的故障不影响系统的整体使用，同时环网分为单环与双环。双环要求两个环网走不同的路径，成本较高。另外，为了加大带宽，采用链路聚合技术进行管理，以实现高带宽通道的需求，其目的是将一千兆的带宽扩展到两千兆。拓宽带宽的同时，由于使用两对光纤，也提高了系统的可靠性[4]。

在网络的安全性方面：各类设备包括DCS、PLC和仪表采用独立的VLAN隔离，保证了各个系统之间互相不会受到影响。生产网络接入到MES网络采用防火墙进行隔离。支持丰富的攻击防范功能。包括IP分片报文、ARP欺骗、ARP主动反向查询、TCP报文标志位不合法、超大ICMP报文、地址扫描、端口扫描等攻击防范，保证正常的生产网络不受影响。

2.4 服务器设计

在保障系统运行稳定的前提下，充分考虑未来企业生产经营发展需要，做出合理的规划设计。整个系统平台物理架构由服务器，前置机，KVM以及服务器机柜以及附属PDU构成。应用服务器采用VMware-ESXi虚拟化技术平台，用于关系数据库和系统应用，主要提供对相关业务系统的数据库和应用服务，采用冗余设计，1台服务器宕机，另1台服务器接管，保证系统稳定运行。数据服务器用于实时数据库服务。应用和数据服务器采用RAID5、数据备份等技术提供安全、稳定、可靠的存储服务，通过KVM进行切换显示维护，放置同一个机柜中。前置机用于DMZ区与外网通信服务。整个架构扩展灵活，能很好地适应未来信息系统等业务的复杂性。

2.5 数据采集方案设计

数据的采集实际上是对冶金企业生产现场的仪表数据进行采集，有一些仪表采集的介质值直接参与生产，这一类的信号往往已经进DCS。还有些仪表不参与生产，这类仪表通常是具备4-20MA的电流信号输出，还有一些仪表具备485通讯功能，针对这些情况需要制定不同的数据采集方案。

针对于DCS数据采集通常用到OPC数据通讯技术。所用的OPC即OLE for Process Control，是用于过程控制的OLE(Object Linking and Embedding )技术．它是世界上多个自动化公司、软硬件供应商与徽软合作开发的一套工业标准、是专为在现场设备、自控应用、企业管理应用软件之间实现系统无缝集成而设计的接口规范[5]。OPC所具有的灵活性和机动性使硬件设备驱动器的开发变得单一化，同时用户可以选用不同的商业软件包，使得系统构成的成本大为降低[6]。采集DCS数据常用的硬件为工业网闸，网闸是一种具有数据采集、数据转发功能的硬件，具备数据采集稳定、支持多种仪表通讯协议与物理隔离等特点。网闸转发的数据可直接采集进实时库中。

对于485/232、模拟量、数字量等接口仪器仪表，此类仪表处于离散的分布状态且不具备直接接入条件，对于这一类型数据，通过对离散的仪表进行组网，部署串口服务器和数据网关，统一转换成网络通信协议后进行数据采集，对于采集的数据，由数据网关转发给实时数据库，实现数据采集。

3 软件设计

应用层的主体业务模块分为数据实时监控、视频布防、监测点历史趋势查询、报警推送、应急指挥、应急培训等模块。

数据实时监控：数据实时监控主要是对采集到的危险源数据进行集中展示，如温度、压力、流量的瞬时值等，需要保持页面显示和现场设备及仪表显示同步，使值班人员可在一个平台上查看全厂危险源数据，为安全生产调度提供数据支撑。

历史趋势查询：历史趋势查询主要是对危险源的过程数据进行记录生成历史数据，并以图形化的方式展示历史趋势，用于过程分析或者原因分析。

实时报警功能：系统设计两种报警方式，分别为趋势报警与超阈值报警。趋势报警为当某一监测点的数据持续升高或者降低，系统自动生生一条趋势报警数据，并推送给相关管理人员。另一种报警方式为超阈值报警，该功能需要用户提前设定好每一个监测点的报警阈值，当实时数据超过或者低于该阈值时系统也会自动产生一条报警信息。系统报警方式为弹出窗口与声光报警，该方式可将报警信息及时推送给值班员，同时系统会对报警信息进行统计与存储，便于提示用户及时处理和事后分析。

风险研判：风险研判是对危险源的过程数据、实时数据、报警数据、周边气候条件、事故发展规律等信息进行汇总并通过数据模型进行计算，预测安全生产事件发生的可能性、规模、影响范围从而得出目前企业风险等级与风险点，为决策者提供数据依据。

预警信息发布：当系统综合研判得出风险等级、影响范围和严重程度等信息后及时通过短信、微信、电话、广播的形式通知到预判影响范围内的工作人员做好防范措施或者组织撤离等。

应急指挥：系统实时掌握应急方案建设情况、应急人员、物资分布、视频对讲等情况。当出现应急情况时平台会辅助指挥人员制定应急方案以及人员物资调度，同时会将应急情况及时汇报给有关方面，实现多方面信息共享，应急情况联合指挥等。

视频实时监控：在危险区域进行视频布防，并通过算法对采集到的视频信号进行分析，一旦出现特殊情况及时报警。

应急培训：按照国家相关要求，需要对冶金行业从业人员定时进行相关的应急培训，系统为冶金企业提供网络培训功能。从业人员可通过已经录制好的应急培训视频学习也可参加在线的网络培训，从而提高从业人员对风险认识度以及应急处置能力。同时应该大力开展实物操作培训。主要是通过实物或模型建立的用于展示和操练的真实场景。展示部分包括劳保用品展示,冶金实训装置的展示,火灾报警器及消防设备设施的展示,施工工器具的展示,直接作业环节中各施工场景的模型展示等。实物操练部分包括劳保用品的正确使用,消防设备设施的正确使用,施工工具的正确使用,直接作业环节和设备本质安全模块中真实设备设施的操作练习,现场急救模块中的心脏复苏、伤口包扎等救护技能的体验练习,重物模型的搬运练习等[7]。平台会根据不同的培训类型提供不同的记录表单，管理人员在表单上记录培训的相关情况，作为应急培训记录留存，做到了培训数据可追溯。

4 方案优势

4.1 方案高稳定性

方案在硬件与软件设计方面充分考虑了稳定性，保障了系统提供 7×24 小时的连续运行，低故障率，故障可在最短时间内快速修复。

4.2 方案高可用性

方案负载均衡和群集技术，提供数据缓存和负载均衡机制，可服务于更多的用户，并获得良好的执行效率。

4.3 方案高安全性

对于信息化系统而言，数据的安全性非常重要。对于应急管理数据通常作为应急指挥、事故分析的依据，因此必须保障系统数据的安全性。在系统设计时充分考虑了外部网络攻击、数据损坏等极端情况，采用了数据加密存储、数据异地备份、网络隔离等措施。

5 结语

随着科学技术的发展，越来越多的新技术为冶金企业安全生产提供了新的解决方案，应急管理平台建设就是物联网应用的典型案例。在应急管理平台建设中要以科技为核心，解决实际问题为目的，让科技的力量为冶金企业的安全生产提供更有利的保障。