力控通讯网关服务器pFieldComm在某钢厂EMS中的应用

1．行业背景
　　1.1．现状
　　钢铁企业是消耗能源的大户，在有的国家要占全国总能耗的15%，在我国也要占10%左右，因此如何搞好钢铁工业的能源管理，以达到节能增效的目的，是发展钢铁工业的重要任务之一。我国吨钢能耗比世界先进水平高出20—30%，主要原因是铁钢比高，高炉余压发电，干熄焦等大型有效的节能环保装置配备率低，高炉，转炉煤气等余能余热回收利用率低。同时，更重要的是钢铁工业节能措施，不能只对单个设备，单一工艺进行节能，而应从企业整体出发，进行全流程综合考虑和系统节能。这样才能以较少的投入，实现最大的节能效果，产生较大的经济效益。
　　1.2．需求分析
　　钢铁厂的能源消耗约占钢铁成本的比例约20%-30%，不同的装备水平，工艺流程，产品结构和能源管理水平对能源消耗都会产生不同的影响。把能源管理系统（EMS）作为大型企业自动化和信息化的重要组成部分，不仅对能源的统一调度、优化煤气平衡、减少煤气放散、提高环保质量、降低吨钢能耗和提高劳动生产率有重要作用，而且对于事故预案策略的制定和执行、事故原因的快速分析和及时判断处理、能源供需的合理调整和平衡以及在客观信息基础上的能源实绩分析、能源计划编制、能源质量管理、能源系统的预测等都将是十分有效的。
2．能耗计量系统的设计及开发
　　2.1．方案设计简介
　　能源管理系统的建立不仅对济钢能源的统一调度、提高劳动生产率、优化煤气平衡、减少煤气放散、提高环保质量、降低吨钢能耗都将发挥重要作用，而且它对于事故预案的制定和执行、事故原因的快速分析和事故的及时判断处理、正常和异常情况时的能源供需的合理调整和平衡都是十分有效的。
　　钢厂能源管理控制系统（Energy management system，简称EMS）是钢厂信息化系统的一个组成部分，对能源数据进行采集、加工、分析，处理以实现对能源设备、能源实绩、能源计划、能源平衡、能源预测等全方位的监控和管理功能。
　　钢厂能源管理控制系统（EMS）的设计，按照集过程监控、能源管理、能源调度为一体的厂级管控一体化计算机系统的理念进行。监控管理的主要能源介质有：电力、煤气（焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气、混合煤气）、压缩空气、氧气、氮气、氩、蒸汽、生产水、生活水等。能源管理控制系统的建立对济钢能源系统加快实现集中统一调度、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。通过能源管理控制中心实现对各种能源介质的优化决策调度，及时了解和掌握各种能源的生产、使用和运行工况，做到科学决策，正确指挥，确保安全、可靠、经济、优质运行，实现从经验型到分析型调度职能的转变。
　　整个EMS系统分成煤气调度监控系统、电力监控调度系统、水调度监控系统、气系统（氧气、氮气、压缩空气）及蒸汽等调度监控系统。
　　2.2钢厂能源系统建设目标
　　能源介质数据采集、能源设备状态监控、基本能源管理。
　　1)数据采集功能
　　将全公司的能源数据采集进入系统，供数据监视、报警、数据分析、数据计算、数据统计等用。
　　2)监控功能
　　工艺监视功能: 以大屏幕工艺图或者常规操作员站工艺图方式，对全厂能源系统的实时运行工况进行监视。
　　报警功能： 对全厂能源系统的设备异常，工艺异常，能源质量异常等给出分类声光警报；
　　历史趋势功能：通过数据历史曲线和实施趋势，进行运行状态分析。
　　远程控制功能：对煤气加压混合系统，煤气放散系统，发电变电系统用电调度，进行能源中心远程遥控。
　　煤气平衡预测功能：基于煤气管网模型以及煤气发生、耗用和放散历史数据，对煤气柜位进行实时预测，帮助调度人员进行煤气实时平衡调度。
　　运行报表功能：自动生成能源生产运行报表。
　　3)基本能源管理功能
　　将采集的数据进行归纳、分析和整理，结合生产计划的数据，进行能源管理工作，包括能源实绩分析管理、能源质量管理、能源平衡管理、能源预测分析、运行管理支持等。

　2.3 系统网拓扑图

　　典型能源系统架构包括能源调度管理中心、通讯网络、远程数据采集单元等三级物理结构（如图示）。
　　1） 以SCADA软件为核心，建立I/O Server实时数据服务器，实现在线的数据监视、工艺操作和实时的能源管理功能；基于数据库技术开发具有模型背景的能源管理功能并对外提供接口。
　　2） 采用工业级以太网交换机，建立分区域的冗余环网，环与环之间采用耦合拓扑结构进行连接，从而建立高可靠专有的能源数据采集通讯网络。
　　3） 以力控通信网管服务器pFieldComm产品为核心，通过数据采集、通讯、协议转换等技术手段，将能源介质参数的采集与生产控制系统隔离，提供连续、真实、可靠的数据依据。
3. SCADA软件
　　采用国际主流的SCADA软件建立I/O Server实时数据服务器功能，通过在线的数据采集实现动态流程图、参数表、趋势曲线等监控功能，并与关系数据库建立通讯。
　　1) 对企业能源进行集中监视、测量、控制和管理，实现能源实时及历史数据存储、查询、分析、统计、分析功能，实现能源管理的自动化。

　　2) 充分利用真实数据，作为节能运转分析的依据，避免了人为判断的疏失，帮助企业强化能源消耗、能源核算管理，使企业管理科学。

　　3) 帮助企业提高能源管理效率和质量，减少人力成本，强化基础信息设施建设，提高企业信息化水平。

　　4) 实时监测产品能源单耗、各工序能耗、大耗能设备的能源利用，分析各部门资源利用效率和节能潜力；统计各部门、各车间能源消耗状况。
　　5) 为企业信息系统提供包括企业能耗成本、企业能耗定额的管理，为整个企业管理系统的数据传递与共享，提供一个完备的信息平台。
　　6) 可根据需要设置或自动生成企业能源管理所需的各类报表(各类能源运行的值班记录表、日报、月报、年报表等)

　　7) 编制、下达、调整旬、月、季和年度能源计划，制定企业能源平衡表

　　技术特点如下：
　　软件体系采用真正的客户/服务器（C/S）体系结构； 能够完全做到实时数据服务器以及趋势、报警、报表和文件等功能模块的冗余； I/O通讯冗余，主通讯中断时自动切换到旁路；支持在线组态，即在不影响操作的情况下，允许全部或部分应用程序进行修改； 支持ODBC、OPC、API、DDE等标准数据交换方式； 网络通讯采用标准的NetBIOS，支持IPX/SPX、TCP/IP等协议； 支持多种关系型数据，包括Oracle、SQL Server、dBASE等。系统通过设置不同级别的用户操作权限而防止越权操作保护系统的安全。
4. SIXNET - 专业的工业以太网交换机
　　SIXNET具有30余年的工业自动化产品设计、制造经验，充分了解各种工业场合的应用需求，并将其成熟的工业自动化产品设计理念注入工业交换机产品中，使其能够真正经受各种恶劣工业环境的考验。SIXNET全系列工业以太网交换机具有卓越的工业品质，低功耗、无风扇散热电路设计，宽范围工作环境温度(-40°C~+85°C)，美国军标MIL-STD-1275防浪涌保护以及严格的国际质量认证(CE认证,UL认证,危险场所Zone2防爆认证、DNV认证等)特性确保在各种恶劣工业环境下长期稳定、可靠、安全使用。适合冶金、电力、交通、石化、石油天然气、水处理、煤矿、船舶、海上钻井平台、军工等行业应用。
5、力控®通讯网关pFieldComm®
　　由于能源管理系统涉及范围广、数量和类别较多，所采用的通信协议不一致，各个部门所采用的计量设备也千差万别，同时由于监控的设备种类繁多、协议多样化，并地理分散，企业的生产监控及信息化软件标准又不统一，导致解决系统联网中通信协议转换的问题越来越突出，由于信息不能共享，已严重影响到自动化系统的性能、工期、成本和系统稳定。
　　力控科技推出的pFieldComm网关服务器可以解决信息集成中由于各信息化软件系统、控制及数据采集设备通讯协议不一致、造成系统通讯连接和数据交换成本加大的困难，可广泛应用于发电、变电、化工、石油、楼宇、水利、冶金、机械、交通、环保等领域的异种系统互连及信息集成项目中。
　　5.1 力控通讯网关pFieldComm简介
　　力控pFeildComm系列工业通讯网关采用高性能的嵌入式计算平台，服务内核软件可运行于桌面操作系统或嵌入式操作系统中，是一个脱离于具体硬件设备接口的通讯服务平台，该系统拥有高性能的实时数据库系统（原型为Unix下标准C开发），具有多种通讯采集和转发规约库。可以实现采集多个不同子系统的数据，进行数据集中汇总、分类和预处理，可以简化系统中异种协议的转换和系统联网过程，异种协议容易接入并可转换为标准协议（如OPC方式）与其它系统联网。
　　力控pFeildComm支持对多个上级调度等平台系统进行数据转发与上传。可作为分布式数据采集装置、工业协议转换网关、电力通讯服务器或通讯前置机等使用，同时实现了多个互联子系统之间的物理级安全隔离，同时结合了软件和网络安全技术、远程组态技术，使得系统更加稳定、易于使用和维护。
　　5.2. 力控pFieldComm产品结构
　　力控pFieldComm系统是由嵌入式网关服务器（以下简称网关）和应用软件包两部分组成，嵌入式网关服务器自动完成数据的采集与转发，pFieldComm的应用软件包按照可以项目要求进行组态，来选择和配置相关采集与转发设备的通讯协议、物理地址、通道地址、参数名称等，完成系统应用，所有数据采集、转发均支持数据的读、写双向访问,根据安全需要可以设置成只读方式，保证系统数据的安全，系统说明如下：
　　1) 网关
　　网关由嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统和嵌入式运行系统三部分组成。
　　嵌入式硬件平台：采用的是集成了以太网、多串口功能的硬件平台，由于具备低功耗、无风扇、使用电子盘等特点，因此可以投运在恶劣的现场环境。
　　嵌入式操作系统：采用主流的嵌入式系统，并针对硬件平台进行了裁剪和优化。
　　嵌入式运行系统包括：实时数据库、数据采集、数据转发、事件记录等子系统。嵌入式运行系统占用的磁盘空间很小，运行系统运行在网关设备内，出厂时由厂家工程人员自动配置好。
　　2) 应用开发软件组成
　　软件由开发系统、运行系统、协议开发工具包（SDK）等构成， 开发维护软件运行在PC上，通过PC可以对通讯网关的运行软件进行上传、下载、远程启动、报文监测等功能。完成远程诊断与维护，
　　3) 实时数据处理
　　pFieldComm系统适用于处理不断更新的快速变化的数据及事件处理，能够以各种方式对数据库进行各种操作，包括：数据运算处理、历史数据存储、统计处理、报警处理、服务请求等。
　　pFieldComm系统利用实时技术为实时数据库提供时间驱动调度和资源分配算法，针对不同的应用需求和特点，它采用L树索引技术、专用的内存分配和管理方法、数据字典和结构化设计，并采用了多线程和并行处理方式等技术。
　　4) 物理级安全隔离
　　隔离措施：
　　•物理隔离：将以太网输入/输出转化为485/232总线型输出/输入，将以太网进行物理级安全隔离。
　　•安全通道隔离。即通过专用通信硬件和私有不可路由协议等安全机制来实现内外部网络的隔离和数据交换，有效地把内外部网络隔离开来，而且高效地实现了内外网数据的安全交换。

　　5) 通讯性能特点：
　　支持串口、以太网、现场总线、电话拨号、电台、GSM/GPRS/CDMA等多种通讯方式；
　　提供端到端的“协议转发”方案，灵活可扩展讯口多达32个；
　　支持数据包进行加密处理，可以将数据转化为规范化文本格式（XML格式）的数据包；
　　支持“ 多” 转“ 多” 的协议转换模式，方便不同上级系统共享相同数据；
　　支持根据数据中心命令采集和主动定时采集等数据采集模式，定时采集周期可灵活配置；
　　支持设备诊断，通讯中断的时候可以本地存储，同时数据可以进行断点续传；
　　数据采集器对数据中心（服务器）数据远传时支持国际标准：OPCServer、ODBC/JDBC、MODBUS/TCP、 DNP传送规范，支持OPC、DDE、ODBC等通讯方式的数据互相转换；
　　可以提供基于C/C++接口的数据采集程序开发包，可供用户独立增加、下载新的驱动程序；
　　对于不便公开的保密协议，用户可利用驱动开发包自行开发采集设备的驱动程序。
　　5.3 力控pFieldComm系统特点
　　1）多对多的协议转换：单台通讯服务期支持最多16个串口，6个以太网口。所有的端口均可自由指定接收或转发的协议类型。协议库种类达到上千种，包括国内外主流PLC、DCS、智能仪表、智能模块、IEC60870系列电力规约等；
　　2）完全工业级的产品：系统搭载串口均支持RS422/485/232跳线转换，支持RS485自动数据流控制，端口加载3000V隔离装置；采用千兆以太网；所有端口工作状态均有前面板指示灯供观察；所有芯片部件均采用高可靠元件；通过CE、EMC、FCC认证；
　　3）安全隔离：当数据采集接口网关为上位软件提供实时数据时，它一般位于自动化控制系统和上位软件服务器之间，由于pFieldComm采用了多网段隔离和单项数据传输技术，可达到自动化控制系统和上位软件服务器之间的安全隔离目的；
　　4）实时稳定：采用嵌入式低功耗设计，工业级DOM存储介质，导热管散热工艺，整机无任何机械部件；采用嵌入式实时操作系统，搭载大容量工业级实时数据库，具有很强的实时性和稳定性；
　　5）实用性强：pFieldComm不但支持通用的工业标准协议，还可以支持多种协议的变种。例如，电力的国标或国际规约通常各厂家的实现都不尽相同，pFieldComm已经实现了对国内主流厂家的兼容；同时提供定制功能，对非标协议或协议中的非标部分均可进行定制；
　　6）开发维护简便：可实现远程组态，远程上传、下载；不需要编写代码；
　　7）多级冗余设计，支持网关之间的冗余和多台网关组网的扩展功能；
　　8）多种数据集成接口：除了转换成多种标准规约外，pFieldComm同时提供对多种软件的内部接口，可实现上位机轻松组态，例如iFix、ForceControl、Intouch、PI、Infoplus、PHD等。在上述软件中，均可通过其自身的底层接口对pFieldComm进行组态和通讯；
5、4 pFieldComm软件配置与管理
　　5.4.1pFieldComm的软件简介
pFieldComm的软件系统分为开发系统和嵌入式运行系统，pFieldComm开发系统是一个集成的开发环境，可以创建I/O设备、转发设备、数据库、SOD，配置各种系统参数，工程组态的工作可完全在开发系统环境内完成。嵌入式运行系统对开发系统创建的工程进行解释执行，完成数据采集、协议转换、实时通信等过程。 嵌入式运行系统安装运行在网关内。当用开发系统完成工程组态后，需要将工程文件下载到网关里，再由嵌入式运行系统解释运行。

5.4.2 pFieldComm的开发系统
　　pFieldComm开发系统主要由工程管理器和开发工具Admin组成，工程管理器完成对多个工程数据的管理，开发工具Admin完成创建I/O设备、转发设备、数据库、SOD，配置各种系统参数。Admin提供FTP功能，可以对网关硬件平台完成工程文件的上传、下载，同时可通过以太网对网关实现远程启停、在线报文查看等功能。开发系统是一个单独的软件包，一般安装在工程师站上，用于完成对网关的全部组态功能。开发系统主要包括：工程管理器、开发工具Admin，分别用于应用工程的管理、工程组态。
　　5.4.3 pFieldComm的运行系统
　　pFieldComm通信服务器平台软件的运行系统主要由AngelServer ，I/O驱动程序、转发器程序、NetOPCServer等几部分组成：
AngelServer，进程调度机。负责管理和守护pFieldComm的所有进程，拥有完善的看门狗机制，同时与pFieldComm的硬件看门狗紧密配合；
　　IOServer，通讯调度机。负责通过不同的通讯链路与不同厂家的设备建立通讯，自身拥有一套完整的通讯调度，故障排查，故障恢复，负载均衡机制，I/O驱动程序是一个单独的软件包，包含了pFieldComm所支持的设备接口的配置文件。
　　DBServer，实时数据库。这是pFieldComm在通信服务器领域的一大突破。传统的通信服务器，由于不具备实时数据库平台，通常只能用于较小范围的应用。而搭载实时数据库的pFieldComm，目前的最大支持数据点已达到12.6万点；
　　NetServer，网络通讯调度机。用于构建通信服务器之间，或通信服务器与上级调度之间的网络通讯服务。该服务同时用于建立多级冗余机制；
　　DataServer，数据服务器。用于以多种方式向第三方系统，例如上级调度提供数据。支持多种链路和通讯规约。例如Modbus RTU，Modbus TCP，IEC60870-5-101，IEC60870-5-104等。转发器程序是一个单独的软件包，包含了转发协议接口的配置文件。
　　NetOPCServer：是一个单独的软件包，它为使用pFieldComm产品的用户提供了标准OPC访问接口（DA2.0）。NetOPCServer可以安装在具有OPC Client接口的SCADA工作站、通信前置机或其它运行HMI系统的工作站上，通过OPC方式实现工作站与pFieldComm通信服务器的数据通信。
　　配置与维护模块。pFieldComm支持本地/远程配置方式，上述所有部件功能均通过该模块进行配置。配置与维护模块可以安装在任意一台计算机上，通过网络和用户授权认证登入。
　　5.5 力控pFieldComm的应用
　　在本方案中主要用到的采集控制系统包括：
　　 Modicon Quatumm PLC系统Siemens S7-200、Siemens S7-300、SiemensS7-400、GE VersaMax PLC系统、GE 90-30 PLC系统GE 90-70 PLC系统、AB PLC5、AB ControlLogix5000系统、okogawa的CS1000、CS3000系统、 ABB AC800M DCS系统等。产品涉及厂家多，设备种类繁多、协议多样化。
　　引入力控pFieldComm通讯网关解决方案，有效隔离能源系统与现场控制系统，彻底解决联网安全问题:
　　1)、采用力控pFieldComm IOServer组件，实现对现场已有控制系统，如S7-300、GE 90-70、GE 90-30以及GEVersaMax进行通讯；
　　2）、采用力控pFieldComm NetServer组件，实现EMS系统和现场已有AB Controllogix5000系统进行通讯；
　　3）、采用力控pFieldComm IOServer组件，实现对现场TSX Quantum PLC、Siemens S7-400、ABB AC800M以及Siemens S7-200进行通讯；
　　4）、采用力控pFieldComm NetServer组件，实现对现场AB PLC5以及Yokogawa CS 1000和CS 3000 DCS系统进行通讯。
　　5）、采用先进的通讯协议DNP3.0、IEC104、IEC102（电度量通讯协议）。煤气系统和水系统采用DNP3.0，电力系统采用IEC104，IEC102协议。

6.总结
　　该钢厂能源管理系统（EMS）通过力控pFieldComm将设备种类繁多、协议多样的数据进行整合实现了能源系统分散的数据采集和控制、集中的管理调度和能源供需平衡以及能源预测，为在生产全过程中较好地实现节能、降耗和环保的目标创造条件。即对生产能源数据进行采集、加工、分析，处理以实现对能源设备、能源实绩、能源计划、能源平衡、能源预测等全方位的监控和管理功能，达到企业节能增效的目的。
　　附录一 北京三维力控公司简介
　　北京三维力控科技有限公司（以下简称三维力控）是中国知名的工业IT厂商，十多年来，三维力控致力于工业自动化核心软件的开发和技术服务，不断研发新技术、推出新产品，公司的主要软件市场占有率一直在同行业名列前茅。
　　三维力控很早就深刻地认识到，软件是自动化系统的核心与灵魂，并在自动化系统核心软件领域耕耘10余年，目前以三维力控实时历史数据库以及监控组态软件为代表的系列工业自动化软件产品已经成为中国自动化软件的行业标杆，甚至正在成为某些行业上的工业标准。
服务：
　　三维力控追求用户利益至上，坚持质量第一、服务至上的准则，建立了遍布全国的、完善的用户服务体系，公司总部坐落于中关村，另设有10个办事处，并在上海成立了分公司。
产品：
　　站在中国自动化软件的高端，三维力控积极参与国际竞争，提高中国本土自动化软件的竞争力，软件产品出口到欧洲、美洲、亚洲和非洲多个国家、地区。
　　目前已经进入市场的公司主要产品有：pSpace实时历史数据库、工业自动化组态软件ForceControl、工业网络安全防护装置pSafeLink，电力自动化软件pNetPower、通信网关服务器pFieldComm、OPC产品开发等。
力控科技推出的企业级实时历史数据库产品pSpace，工业自动化组态软件ForceControl、工业网络安全防护装置pSafeLink，一经问世便在各个行业得到了大量应用，其很多重要性能指标已经达到或超过了国外同类产品。