远程监控与故障诊断系统在冶金行业的应用

0 引 言
莱芜钢铁集团有限公司（简称莱钢）自动化部承担热线自动化系统维护的车间有钢区、铁区、特钢区、新铁区、新钢区及新轧区维护车间，每个车间由4～6食班组组成，每个班组又承担着若干自动化生产线的维护工作，各生产线的控制方式主要以PLC（DCS）＋上位机为主。PLC（DCS）的生产厂家主要有西门子公司、施耐德公司、AB公司、ABB公司、东芝公司、三菱公司和霍尼韦尔公司等几十个。而且，同一个公司的PLC版本各不相同。上位机监控软件也分别采用各家公司的监控软件。控制网络主要分为以交换机为核心的星形网络、由同轴电缆组成的干型网络、以光纤为介质的环型网络。自动化部所维护的PLC系统共有276套，DCS系统共有45套，控制网络也有72套，上位操作站和现场仪表分别有316、有412644，维护任务十分繁重，人力资源极度紧缺。

远程监控与故障诊断系统实时生产系统的开发可方便地实现对各生产线自控系统的异地监控与维护。合理地利用自动化部、车间、班组的技术资源，实现各车间、各班组技术资源的共享，可以迅速提高整体维护水平，降低故障率，提高维护反应速度和超前处理的能力，这对保障生产线的顺行具有极为重要的战略意义和极高的实际应用价值，同时也为莱钢将来的ERP、MES的建立搭建良好的基础平台。

打造“数字莱钢”是莱钢信息化建设的需要，其目的是实现能源计量系统的自标定、自平衡和自诊断功能；实现自动化信息化系统的智能故障自诊断、远程处理以及自恢复功能；实现全公司自动化信息互通互联和资源共享，从而构造莱钢生产经营管理的神经中枢，为实现“数字莱钢”奠定坚实的基础。

1 系统概况
1.1 系统内容
莱钢远程监控与故障诊断系统的建设内容，包括以下3个方面：
①生产运控中心。建立实时数据采集层，连接各生产线的PLC、DCS控制网络，采集生产过程数据，实施生产指令执行和参数下载。
②区域维护中心。建立应用服务层，创建历史数据库以及关系型数据库，生成各个班组的生产工艺画面、曲线、报表。
③远程监控中心。建立Web应用层，生产事件以及客户端信息集成；生产参数传递；生产设备状态跟踪以及发布；个性化报表报告集成；趋势分析；生产统计计算结果。通过信号分析／浏览软件，及时了解整个公司所有受控设备的当前运行状态，便于根据设备状况进行生产计划的实施和调整。
1.2 系统规模
莱钢远程监控与故障诊断系统的开发，主要包括以下5个方面：
①建立通信网络。在高炉、烧结、动力、焦化到铁区区域维护中心，制氧、炼钢、中型、中小型到钢区区域维护中心控制工程网版权所有，一炼、二炼到特钢区域维护中心，大H型钢、中宽带、炼铸、热电、新区高炉、新区烧结、新区炼钢到新区区域维护中心敷设通信专网光缆，并完成交换机、介质转换器、防火墙等网络设备以及专业服务器、采集站、客户端的安装、调试，共计完成36000多米的光缆敷设和72台交换机、30台防火墙、12台专业服务器、66台采集站以及90台客户端的安装、调试工作。
②建立数据库。构建数据采集与管理平台，开发完成制氧站7#、8#、9#、10#制氧机，炼钢站2#连铸、4#连铸、4#转炉，热送辊道、中型站轧线部分以及中小型3#站、4#站等321套控制系统共计24000点数据库的建立，126个监控与诊断画面的开发。
③开发调试。包括实现PLC、DCS设备级状态监控、网络信息状态监控、设备动作时序判断功能、程序逻辑判断功能、建立常见故障信息库、重要参数工艺画面、重要参数趋势画面等7大部分的开发与测试。
④设计与开发管理功能模块。包括生产调度管理、设备管理、人力资源管理、电子地图及GPS定位等信息系统。
⑤建设远程监控中心、区域维护中心。建设1个远程监控中心、4个区域维护中心。按照监控中心标准新建装修面积为180 m2、改造装修面积为120 m2。

2 系统创新
2.1 技术先进
从系统的角度看，莱钢远程监控与故障诊断系统具有非常明显的优势。主要包括以下6个方面：
①高速灵活的数据采集及缓存功能
采用世界领先水平的企业级数据库采集管理软件Proficy Historian，可以高速采集、归档并发布大量的实时现场过程数据信息。考虑到网络中断或者数据归档部分因为某些原因无法及时响应数据采集器数据发送请求。此系统采集器端支持数据缓存功能，能够在数据采集部分将过程数据暂存于本地，网络恢复正常或者数据归档部分响应后将数据送入实时历史数据库。数据缓存区的大小可按需要进行灵活配置。
②分布式采集、分布式应用、远程管理维护技术
建立了实时历史数据库，用统一的数据平台对生产过程不同硬件平台、不同软件环境的自动化装置的实时数据进行采集、存储和发布。把各车间各班组中分散的自成体系的监控系统以分层、分级的方式进行集中管理和监控，将生产数据转换成了生产智能信息。实现了实时生产信息系统与管理信息系统的有机结合、远程监控中心对各生产工艺环节的生产和设备的过程可视化监视、生产现场和各子系统模块之间的数据交换，把全公司的维护信息上下左右贯通起来；建立生产管理和生产控制承上启下的通路，实现厂级信息的集成和共享。
③领先的故障诊断系统
故障诊断系统按系统诊断（包括网络和硬件）、逻辑诊断、回路诊断（即工况诊断）、专家诊断以及故障报警等5个组成部分开发。开发分系统、分类别进行，采用主菜单、子功能模式，包括管理功能。针对生产有影响的方面开发逻辑诊断功能，报警画面的设计有逐项精细化提示。
④强大的数据压缩功能
采用高效数据压缩算法，具有超效的数据压缩功能。采集器压缩，执行的是死区压缩，它可减少送到服务器的数据点数。一个新值只有在超过上一个被存档值的死区范围或数据质量改变时，才会被送到服务器。归档压缩，提供对一数据点值变化的百分比死区，这个值只有当它不在某一死区的范围内时才被储存。
⑤可靠的网络安全
为了提高系统的安全可靠性，特别是保证PLC、DCS底层控制系统的安全性，对此系统网络的安全性进行了详细的设计。专网设计保证网络通信的速度和可靠稳定性，采用双层防火墙技术进行更细粒度的网络安全区域的划分。通过设置严格的安全控制策略，有效地控制专网区域的网络通信，保证这些相对独立区域的网络安全。选用成熟的企业级网络防病毒软件安装在客户机及服务器上，提供了更为全面的病毒防御功能。
⑥打造透明工厂，创建自动化维护管理新模式
建成了1个管理中心、4个区域、3层结构的远程监控和故障诊断系统。1个管理中心是自动化信息化保障体系指挥中心；4个区域是铁区、钢区、特钢区及新区维护中心；3层结构是测量层、监控层和管理层。形成了“控制指挥中心、区域执行中心和现场维护”的3层管理体制控制工程网版权所有，构造了自动化维护管理新模式：远程＋区域＋流动。整合管理资源，节省大量人力物力；实现了设备维护由事故维修、定期维修向预知维护的转变，提高反应速度和超前处理的能力，降低自控设备故障率，确保自控及网络系统长期稳定运行，逐步形成以现代网络技术为依托的现代自动化信息化保障体系，达到了“万点受控”和“透明工厂”的目标。
2.2 软硬件配置
此次项目主要针对各车间、班组生产线自控系统的具体情况，建立远程维护系统。工作内容主要从硬件和软件两方面实施。
①硬件配置
采用专业服务器用于数据的采集及管理，采用高性能商用机作为客户机用于数据的浏览与分析；建立以光纤为主要通信介质的通信链路，并采用相应的网络接口通信设备实现与现场PLC、DCS控制系统的数据通信；此外，还采用了硬件防火墙以确保网络的安全可靠运行。
②软件配置
采用高性能的企业级实时历史数据采集平台以及数据浏览分析开发软件实现对数据的采集、管理以及监控画面的开发。为提高网络的安全可靠性，采用成熟的企业级防病毒软件用于服务器以及客户机的病毒防御。
采用先进的数据发掘工具和专业的计算分析模型对生产过程数据再次加工处理，提炼出对生产管理、设备故障分析、计划调度、经营决策有用的信息，为生产经营管理和实时过程控制之间架起一座桥梁，实现两者之间的信息交换和紧密集成。

3 系统建设方案
3.1 设计思想
莱钢远程监控与故障诊断系统立足于“维护于千里之外，检测于斗室之内，发现于故障之先，完善于损失之前，抢修于分秒之间，保障于无形之中”创新性的设计思想。远程监控与故障诊断系统是通过建立现场诊断与维护系统、区域监控与管理系统、调度指挥系统3层结构，展开针对远程监控、故障诊断2个方向的课题研发。该系统是以现代化的管理理念为指导，以数字技术为手段，改造管理流程和生产运作流程，畅通信息渠道，实现管理资源共享；对生产经营活动实行全过程全系统的动态控制；建立和完善先进、实用、高效的信息化体系，达到生产自动化、操作智能化以及管理信息化，全面提高管理效率和运营效果。
3.2 网络结构设计
在各班组主控室建立实时历史生产数据库，并建立双网结构。下层连接本班组下各生产线的控制网络，上层则连接莱钢骨干网；生产现场的实时数据通过下层通信传送到实时生产数据库，并根据需要保存为历史数据；实时历史生产数据库则通过上层通信向骨干网发布信息，异地用户通过挂在骨干网上的客户机实现远程监控、远程维护。此外，为了确保网络安全，采用了必要的网络安全措施以保证生产现场各自动化系统的稳定运行。远程维护系统网络结构如图1所示。

3.3 系统数据流程设计
根据系统的网络设计架构，生产现场的实时数据通过控制系统层传送到各班组的实时数据库iH（GE Proficy iHistorian），并提取重要的检测点数据传送到远程监控中心的管理分析数据库中，通过实时数据分析和Web发布平台RIP（proficy real-time information portal），将现场实时数据、监控画面、趋势曲线、报警以及各种数据分析报表等发布到车间和管理部门。借助iHistorian实时数据库整合企业所有的过程控制系统数据资源控制工程网版权所有，解决企业中多种多套过程控制系统的联网、集成和管理问题，满足了企业多工段、多车间、多过程集成的需要。应用RIP软件的功能模块，实现在企业局域网内利用IE浏览器进行数据可视化分析的Web信息发布功能。
3.4 系统的状态分析与诊断
远程监控与故障诊断系统是通过建立现场诊断与维护系统、区域监控与管理系统、调度指挥系统3层结构，展开针对远程监控、故障诊断2个方向的课题研发。采用主菜单、子功能模式，画面模式统一确定为重要参数工艺画面；实现PLC、DCS设备级状态监控，网络信息状态监控，设备动作时序判断功能，程序逻辑判断功能；建立常见故障信息库；重要参数趋势画面；实现数据异常、工况异常的自动报警。在上层建立故障专家库，开发调度指挥管理系统，使之具备故障和地理信息统计分析、状态监控以及人力资源动态管理的功能，实现及时指挥调度决策，从技术和管理上实现快速反应能力。
系统的创新点：实现自控设备的异地监控，采用专家库系统进行异地会诊，采用先进的PID控制Matlab仿真进行分析；采用iHistorian实时数据库的数据仓库、Oracle的数据挖掘工具和冶金行业的计算分析模型对生产过程数据再次加工处理，提炼对生产管理、设备故障分桁、计划调度以及对经营决策有用的信息。
3.5 创建自动化维护管理新模式
建立指挥控制中心、区域执行中心和现场维护层3层维护管理体制，收缩现场，向上集中力量，生产维护形成倒金字塔，逐步形成莱钢特色的“固定＋流动＋远程”维护模式。
指挥控制层的主要功能是监控、检测生产系统运行情况，关键是建立数据异常、工况异常自动报警；建立具有自学习功能的故障及处理方法历史数据库。在不断积累经验的基础上，不断优化预案，对现场控制设备进行定期自检，并对自检出来的信息进行报警提示。流程化处理使故障自动转入相应故障处理流程，备品备件实现自动查询型号、数量、存放地点，便于统一调配。以实验室为依托，对重点设备实现在线测试及紧急状态下的临时切换功能；全面掌握技术骨干的信息，合理调动人员，及时实施故障抢修。
区域执行中心及其作用是发现和处理本区域的故障和隐患情况，一旦执行层独立处理有困难，指挥中心立即组织整体力量处理；紧急、常用的备品备件在执行层、指挥层掌握其状态，便于统一协调指挥；实现工艺画面与程序的链接，便于快速分析处理故障。
现场维护层以现有一线班组为基础，配备少量值班人员，主要负责现场设备点、巡检、信息上报、常规故障处理以及根据中心指令实施紧急故障应急处置。

4 网络安全设计
基于分布式网络的实时生产信息系统虽然实现了远程维护功能，但不可避免地增加了系统的不安全因素。为了提高系统的安全可靠性，特别是保证PLC、DCS底层控制系统的安全性，采用网络安全措施十分必要。
4.1 双层防火墙防范策略
防火墙是网络安全系统的核心防护措施。
首先，在各维护区域的管理网和现场工业控制网之间用防火墙隔离，进行细粒度的安全区域的划分，设定访问控制策略，保证数据的单向访问；其次，在集团公司骨干网和各维护区域管理网之间用防火墙隔离，以确保各区域的安全。
4.2 配备完整的网络防病毒软件
选用国外成熟的企业级网络防病毒软件，分别安装在服务器及客户机上以提供完备的病毒防御体系，包括文件监控、内存监控、引导区监控、邮件监控、网页监控、注册表监控以及漏洞攻击监控等。
4.3 采用不同的系统平台
工业现场服务器大量采用Unix／Linux操作系统和Oracle数据库；各区域管理层服务器操作系统由于安装iHistorian实时数据库和Web发布平台RIP只好安装Windows Server 2003；骨干网上的生产控制中心服务器采用Unix操作系统和Oracle数据库，即在系统平台上做隔离。
4.4 安全管理制度
安全管理主要是通过制定完善的安全管理制度，加强管理员和用户的安全意识，保证整个网络系统的各种设备、服务器、网络、应用系统和数据的安全，保证本方案中规划的安全技术能够起到应有的作用。在执行安全管理时，应该遵循相关原则：①分离与制约原则。应用系统的开发人员与使用人员要分离，开发环境与应用环境分离，管理人员与使用人员分离。②有限授权原则。给任何一个用户、管理员的权限都给予了适当的权限，重要的系统需要两个或以上的管理员同时操作。③预防为主原则。要防范于未然。④可审计原则。⑤防火墙与杀毒软件的定期升级。

5 结束语
该系统扩展性好、可靠性高，安全性能可靠。系统使用方便、覆盖面大、应用范围广。通过功能强大的信号分析，软件能准确而及时地把握整个公司的生产运行状况，成功捕获故障隐患，实时分析、诊断，迅速做出维修计划。合理地利用自动化部、车间、班组的技术资源，实现各车间、各班组技术资源的共享，对迅速提高整体维护水平、降低故障率、保障生产线的顺行具有极为重要的战略意义和极高的实际应用价值，为莱钢生产信息处理和领导决策支持发挥着重要的作用。