1．行業背景
1.1．現狀
鋼鐵企業是消耗能源的大戶，在有的國家要占全國總能耗的15%，在我國也要占10%左右，因此如何搞好鋼鐵工業的能源管理，以達到節能增效的目的，是發展鋼鐵工業的重要任務之一。我國噸鋼能耗比世界先進水平高出20—30%，主要原因是鐵鋼比高，高爐余壓發電，干熄焦等大型有效的節能環保裝置配備率低，高爐，轉爐煤氣等余能余熱回收利用率低。同時，更重要的是鋼鐵工業節能措施，不能只對單個設備，單一工藝進行節能，而應從企業整體出發，進行全流程綜合考慮和系統節能。這樣才能以較少的投入，實現最大的節能效果，產生較大的經濟效益。
1.2．需求分析
鋼鐵廠的能源消耗約占鋼鐵成本的比例約20%-30%，不同的裝備水平，工藝流程，產品結構和能源管理水平對能源消耗都會產生不同的影響。把能源管理系統（EMS）作為大型企業自動化和信息化的重要組成部分，不僅對能源的統一調度、優化煤氣平衡、減少煤氣放散、提高環保質量、降低噸鋼能耗和提高勞動生產率有重要作用，而且對于事故預案策略的制定和執行、事故原因的快速分析和及時判斷處理、能源供需的合理調整和平衡以及在客觀信息基礎上的能源實績分析、能源計劃編制、能源質量管理、能源系統的預測等都將是十分有效的。
2．能耗計量系統的設計及開發
2.1．方案設計簡介
能源管理系統的建立不僅對濟鋼能源的統一調度、提高勞動生產率、優化煤氣平衡、減少煤氣放散、提高環保質量、降低噸鋼能耗都將發揮重要作用，而且它對于事故預案的制定和執行、事故原因的快速分析和事故的及時判斷處理、正常和異常情況時的能源供需的合理調整和平衡都是十分有效的。
鋼廠能源管理控制系統（Energy management system，簡稱EMS）是鋼廠信息化系統的一個組成部分，對能源數據進行采集、加工、分析，處理以實現對能源設備、能源實績、能源計劃、能源平衡、能源預測等全方位的監控和管理功能。
鋼廠能源管理控制系統（EMS）的設計，按照集過程監控、能源管理、能源調度為一體的廠級管控一體化計算機系統的理念進行。監控管理的主要能源介質有：電力、煤氣（焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣、混合煤氣）、壓縮空氣、氧氣、氮氣、氬、蒸汽、生產水、生活水等。能源管理控制系統的建立對濟鋼能源系統加快實現集中統一調度、在公司層面優化煤氣平衡、減少煤氣放散、提高環保質量、降低噸鋼能耗、提高勞動生產率和能源管理水平將起到十分明顯的促進作用。通過能源管理控制中心實現對各種能源介質的優化決策調度，及時了解和掌握各種能源的生產、使用和運行工況，做到科學決策，正確指揮，確保安全、可靠、經濟、優質運行，實現從經驗型到分析型調度職能的轉變。
整個EMS系統分成煤氣調度監控系統、電力監控調度系統、水調度監控系統、氣系統（氧氣、氮氣、壓縮空氣）及蒸汽等調度監控系統。
2.2鋼廠能源系統建設目標
能源介質數據采集、能源設備狀態監控、基本能源管理。
1)數據采集功能
將全公司的能源數據采集進入系統，供數據監視、報警、數據分析、數據計算、數據統計等用。
2)監控功能
工藝監視功能: 以大屏幕工藝圖或者常規操作員站工藝圖方式，對全廠能源系統的實時運行工況進行監視。
報警功能： 對全廠能源系統的設備異常，工藝異常，能源質量異常等給出分類聲光警報；
歷史趨勢功能：通過數據歷史曲線和實施趨勢，進行運行狀態分析。
遠程控制功能：對煤氣加壓混合系統，煤氣放散系統，發電變電系統用電調度，進行能源中心遠程遙控。
煤氣平衡預測功能：基于煤氣管網模型以及煤氣發生、耗用和放散歷史數據，對煤氣柜位進行實時預測，幫助調度人員進行煤氣實時平衡調度。
運行報表功能：自動生成能源生產運行報表。
3)基本能源管理功能
將采集的數據進行歸納、分析和整理，結合生產計劃的數據，進行能源管理工作，包括能源實績分析管理、能源質量管理、能源平衡管理、能源預測分析、運行管理支持等。
2.3 系統網拓撲圖
典型能源系統架構包括能源調度管理中心、通訊網絡、遠程數據采集單元等三級物理結構（如圖示）。
1） 以SCADA軟件為核心，建立I/O Server實時數據服務器，實現在線的數據監視、工藝操作和實時的能源管理功能；基于數據庫技術開發具有模型背景的能源管理功能并對外提供接口。
2） 采用工業級以太網交換機，建立分區域的冗余環網，環與環之間采用耦合拓撲結構進行連接，從而建立高可靠專有的能源數據采集通訊網絡。
3） 以力控通信網管服務器pFieldComm產品為核心，通過數據采集、通訊、協議轉換等技術手段，將能源介質參數的采集與生產控制系統隔離，提供連續、真實、可靠的數據依據。
3. SCADA軟件
采用國際主流的SCADA軟件建立I/O Server實時數據服務器功能，通過在線的數據采集實現動態流程圖、參數表、趨勢曲線等監控功能，并與關系數據庫建立通訊。
1) 對企業能源進行集中監視、測量、控制和管理，實現能源實時及歷史數據存儲、查詢、分析、統計、分析功能，實現能源管理的自動化。
2) 充分利用真實數據，作為節能運轉分析的依據，避免了人為判斷的疏失，幫助企業強化能源消耗、能源核算管理，使企業管理科學。
3) 幫助企業提高能源管理效率和質量，減少人力成本，強化基礎信息設施建設，提高企業信息化水平。
4) 實時監測產品能源單耗、各工序能耗、大耗能設備的能源利用，分析各部門資源利用效率和節能潛力；統計各部門、各車間能源消耗狀況。
5) 為企業信息系統提供包括企業能耗成本、企業能耗定額的管理，為整個企業管理系統的數據傳遞與共享，提供一個完備的信息平臺。
6) 可根據需要設置或自動生成企業能源管理所需的各類報表(各類能源運行的值班記錄表、日報、月報、年報表等)
7) 編制、下達、調整旬、月、季和年度能源計劃，制定企業能源平衡表
技術特點如下：
軟件體系采用真正的客戶/服務器（C/S）體系結構； 能夠完全做到實時數據服務器以及趨勢、報警、報表和文件等功能模塊的冗余； I/O通訊冗余，主通訊中斷時自動切換到旁路；支持在線組態，即在不影響操作的情況下，允許全部或部分應用程序進行修改； 支持ODBC、OPC、API、DDE等標準數據交換方式； 網絡通訊采用標準的NetBIOS，支持IPX/SPX、TCP/IP等協議； 支持多種關系型數據，包括Oracle、SQL Server、dBASE等。系統通過設置不同級別的用戶操作權限而防止越權操作保護系統的安全。
4. SIXNET - 專業的工業以太網交換機
SIXNET具有30余年的工業自動化產品設計、制造經驗，充分了解各種工業場合的應用需求，并將其成熟的工業自動化產品設計理念注入工業交換機產品中，使其能夠真正經受各種惡劣工業環境的考驗。SIXNET全系列工業以太網交換機具有卓越的工業品質，低功耗、無風扇散熱電路設計，寬范圍工作環境溫度(-40°C~+85°C)，美國軍標MIL-STD-1275防浪涌保護以及嚴格的國際質量認證(CE認證,UL認證,危險場所Zone2防爆認證、DNV認證等)特性確保在各種惡劣工業環境下長期穩定、可靠、安全使用。適合冶金、電力、交通、石化、石油天然氣、水處理、煤礦、船舶、海上鉆井平臺、軍工等行業應用。
5、力控?通訊網關pFieldComm?
由于能源管理系統涉及范圍廣、數量和類別較多，所采用的通信協議不一致，各個部門所采用的計量設備也千差萬別，同時由于監控的設備種類繁多、協議多樣化，并地理分散，企業的生產監控及信息化軟件標準又不統一，導致解決系統聯網中通信協議轉換的問題越來越突出，由于信息不能共享，已嚴重影響到自動化系統的性能、工期、成本和系統穩定。
力控科技推出的pFieldComm網關服務器可以解決信息集成中由于各信息化軟件系統、控制及數據采集設備通訊協議不一致、造成系統通訊連接和數據交換成本加大的困難，可廣泛應用于發電、變電、化工、石油、樓宇、水利、冶金、機械、交通、環保等領域的異種系統互連及信息集成項目中。
5.1 力控通訊網關pFieldComm簡介
力控pFeildComm系列工業通訊網關采用高性能的嵌入式計算平臺，服務內核軟件可運行于桌面操作系統或嵌入式操作系統中，是一個脫離于具體硬件設備接口的通訊服務平臺，該系統擁有高性能的實時數據庫系統（原型為Unix下標準C開發），具有多種通訊采集和轉發規約庫。可以實現采集多個不同子系統的數據，進行數據集中匯總、分類和預處理，可以簡化系統中異種協議的轉換和系統聯網過程，異種協議容易接入并可轉換為標準協議（如OPC方式）與其它系統聯網。
力控pFeildComm支持對多個上級調度等平臺系統進行數據轉發與上傳。可作為分布式數據采集裝置、工業協議轉換網關、電力通訊服務器或通訊前置機等使用，同時實現了多個互聯子系統之間的物理級安全隔離，同時結合了軟件和網絡安全技術、遠程組態技術，使得系統更加穩定、易于使用和維護。
5.2. 力控pFieldComm產品結構
力控pFieldComm系統是由嵌入式網關服務器（以下簡稱網關）和應用軟件包兩部分組成，嵌入式網關服務器自動完成數據的采集與轉發，pFieldComm的應用軟件包按照可以項目要求進行組態，來選擇和配置相關采集與轉發設備的通訊協議、物理地址、通道地址、參數名稱等，完成系統應用，所有數據采集、轉發均支持數據的讀、寫雙向訪問,根據安全需要可以設置成只讀方式，保證系統數據的安全，系統說明如下：
1) 網關
網關由嵌入式硬件平臺、嵌入式操作系統和嵌入式運行系統三部分組成。
嵌入式硬件平臺：采用的是集成了以太網、多串口功能的硬件平臺，由于具備低功耗、無風扇、使用電子盤等特點，因此可以投運在惡劣的現場環境。
嵌入式操作系統：采用主流的嵌入式系統，并針對硬件平臺進行了裁剪和優化。
嵌入式運行系統包括：實時數據庫、數據采集、數據轉發、事件記錄等子系統。嵌入式運行系統占用的磁盤空間很小，運行系統運行在網關設備內，出廠時由廠家工程人員自動配置好。
2) 應用開發軟件組成
軟件由開發系統、運行系統、協議開發工具包（SDK）等構成， 開發維護軟件運行在PC上，通過PC可以對通訊網關的運行軟件進行上傳、下載、遠程啟動、報文監測等功能。完成遠程診斷與維護，
3) 實時數據處理
pFieldComm系統適用于處理不斷更新的快速變化的數據及事件處理，能夠以各種方式對數據庫進行各種操作，包括：數據運算處理、歷史數據存儲、統計處理、報警處理、服務請求等。
pFieldComm系統利用實時技術為實時數據庫提供時間驅動調度和資源分配算法，針對不同的應用需求和特點，它采用L樹索引技術、專用的內存分配和管理方法、數據字典和結構化設計，并采用了多線程和并行處理方式等技術。
4) 物理級安全隔離
隔離措施：
•物理隔離：將以太網輸入/輸出轉化為485/232總線型輸出/輸入，將以太網進行物理級安全隔離。
•安全通道隔離。即通過專用通信硬件和私有不可路由協議等安全機制來實現內外部網絡的隔離和數據交換，有效地把內外部網絡隔離開來，而且高效地實現了內外網數據的安全交換。
5) 通訊性能特點：
支持串口、以太網、現場總線、電話撥號、電臺、GSM/GPRS/CDMA等多種通訊方式；
提供端到端的“協議轉發”方案，靈活可擴展訊口多達32個；
支持數據包進行加密處理，可以將數據轉化為規范化文本格式（XML格式）的數據包；
支持“ 多” 轉“ 多” 的協議轉換模式，方便不同上級系統共享相同數據；
支持根據數據中心命令采集和主動定時采集等數據采集模式，定時采集周期可靈活配置；
支持設備診斷，通訊中斷的時候可以本地存儲，同時數據可以進行斷點續傳；
數據采集器對數據中心（服務器）數據遠傳時支持國際標準：OPCServer、ODBC/JDBC、MODBUS/TCP、 DNP傳送規范，支持OPC、DDE、ODBC等通訊方式的數據互相轉換；
可以提供基于C/C++接口的數據采集程序開發包，可供用戶獨立增加、下載新的驅動程序；
對于不便公開的保密協議，用戶可利用驅動開發包自行開發采集設備的驅動程序。
5.3 力控pFieldComm系統特點
1）多對多的協議轉換：單臺通訊服務期支持最多16個串口，6個以太網口。所有的端口均可自由指定接收或轉發的協議類型。協議庫種類達到上千種，包括國內外主流PLC、DCS、智能儀表、智能模塊、IEC60870系列電力規約等；
2）完全工業級的產品：系統搭載串口均支持RS422/485/232跳線轉換，支持RS485自動數據流控制，端口加載3000V隔離裝置；采用千兆以太網；所有端口工作狀態均有前面板指示燈供觀察；所有芯片部件均采用高可靠元件；通過CE、EMC、FCC認證；
3）安全隔離：當數據采集接口網關為上位軟件提供實時數據時，它一般位于自動化控制系統和上位軟件服務器之間，由于pFieldComm采用了多網段隔離和單項數據傳輸技術，可達到自動化控制系統和上位軟件服務器之間的安全隔離目的；
4）實時穩定：采用嵌入式低功耗設計，工業級DOM存儲介質，導熱管散熱工藝，整機無任何機械部件；采用嵌入式實時操作系統，搭載大容量工業級實時數據庫，具有很強的實時性和穩定性；
5）實用性強：pFieldComm不但支持通用的工業標準協議，還可以支持多種協議的變種。例如，電力的國標或國際規約通常各廠家的實現都不盡相同，pFieldComm已經實現了對國內主流廠家的兼容；同時提供定制功能，對非標協議或協議中的非標部分均可進行定制；
6）開發維護簡便：可實現遠程組態，遠程上傳、下載；不需要編寫代碼；
7）多級冗余設計，支持網關之間的冗余和多臺網關組網的擴展功能；
8）多種數據集成接口：除了轉換成多種標準規約外，pFieldComm同時提供對多種軟件的內部接口，可實現上位機輕松組態，例如iFix、ForceControl、Intouch、PI、Infoplus、PHD等。在上述軟件中，均可通過其自身的底層接口對pFieldComm進行組態和通訊；
5、4 pFieldComm軟件配置與管理
5.4.1pFieldComm的軟件簡介
pFieldComm的軟件系統分為開發系統和嵌入式運行系統，pFieldComm開發系統是一個集成的開發環境，可以創建I/O設備、轉發設備、數據庫、SOD，配置各種系統參數，工程組態的工作可完全在開發系統環境內完成。嵌入式運行系統對開發系統創建的工程進行解釋執行，完成數據采集、協議轉換、實時通信等過程。 嵌入式運行系統安裝運行在網關內。當用開發系統完成工程組態后，需要將工程文件下載到網關里，再由嵌入式運行系統解釋運行。
5.4.2 pFieldComm的開發系統
pFieldComm開發系統主要由工程管理器和開發工具Admin組成，工程管理器完成對多個工程數據的管理，開發工具Admin完成創建I/O設備、轉發設備、數據庫、SOD，配置各種系統參數。Admin提供FTP功能，可以對網關硬件平臺完成工程文件的上傳、下載，同時可通過以太網對網關實現遠程啟停、在線報文查看等功能。開發系統是一個單獨的軟件包，一般安裝在工程師站上，用于完成對網關的全部組態功能。開發系統主要包括：工程管理器、開發工具Admin，分別用于應用工程的管理、工程組態。
5.4.3 pFieldComm的運行系統
pFieldComm通信服務器平臺軟件的運行系統主要由AngelServer ，I/O驅動程序、轉發器程序、NetOPCServer等幾部分組成：
AngelServer，進程調度機。負責管理和守護pFieldComm的所有進程，擁有完善的看門狗機制，同時與pFieldComm的硬件看門狗緊密配合；
IOServer，通訊調度機。負責通過不同的通訊鏈路與不同廠家的設備建立通訊，自身擁有一套完整的通訊調度，故障排查，故障恢復，負載均衡機制，I/O驅動程序是一個單獨的軟件包，包含了pFieldComm所支持的設備接口的配置文件。
DBServer，實時數據庫。這是pFieldComm在通信服務器領域的一大突破。傳統的通信服務器，由于不具備實時數據庫平臺，通常只能用于較小范圍的應用。而搭載實時數據庫的pFieldComm，目前的最大支持數據點已達到12.6萬點；
NetServer，網絡通訊調度機。用于構建通信服務器之間，或通信服務器與上級調度之間的網絡通訊服務。該服務同時用于建立多級冗余機制；
DataServer，數據服務器。用于以多種方式向第三方系統，例如上級調度提供數據。支持多種鏈路和通訊規約。例如Modbus RTU，Modbus TCP，IEC60870-5-101，IEC60870-5-104等。轉發器程序是一個單獨的軟件包，包含了轉發協議接口的配置文件。
NetOPCServer：是一個單獨的軟件包，它為使用pFieldComm產品的用戶提供了標準OPC訪問接口（DA2.0）。NetOPCServer可以安裝在具有OPC Client接口的SCADA工作站、通信前置機或其它運行HMI系統的工作站上，通過OPC方式實現工作站與pFieldComm通信服務器的數據通信。
配置與維護模塊。pFieldComm支持本地/遠程配置方式，上述所有部件功能均通過該模塊進行配置。配置與維護模塊可以安裝在任意一臺計算機上，通過網絡和用戶授權認證登入。
5.5 力控pFieldComm的應用
在本方案中主要用到的采集控制系統包括：
Modicon Quatumm PLC系統Siemens S7-200、Siemens S7-300、SiemensS7-400、GE VersaMax PLC系統、GE 90-30 PLC系統GE 90-70 PLC系統、AB PLC5、AB ControlLogix5000系統、okogawa的CS1000、CS3000系統、 ABB AC800M DCS系統等。產品涉及廠家多，設備種類繁多、協議多樣化。
引入力控pFieldComm通訊網關解決方案，有效隔離能源系統與現場控制系統，徹底解決聯網安全問題:
1)、采用力控pFieldComm IOServer組件，實現對現場已有控制系統，如S7-300、GE 90-70、GE 90-30以及GEVersaMax進行通訊；
2）、采用力控pFieldComm NetServer組件，實現EMS系統和現場已有AB Controllogix5000系統進行通訊；
3）、采用力控pFieldComm IOServer組件，實現對現場TSX Quantum PLC、Siemens S7-400、ABB AC800M以及Siemens S7-200進行通訊；
4）、采用力控pFieldComm NetServer組件，實現對現場AB PLC5以及Yokogawa CS 1000和CS 3000 DCS系統進行通訊。
5）、采用先進的通訊協議DNP3.0、IEC104、IEC102（電度量通訊協議）。煤氣系統和水系統采用DNP3.0，電力系統采用IEC104，IEC102協議。
6.總結
該鋼廠能源管理系統（EMS）通過力控pFieldComm將設備種類繁多、協議多樣的數據進行整合實現了能源系統分散的數據采集和控制、集中的管理調度和能源供需平衡以及能源預測，為在生產全過程中較好地實現節能、降耗和環保的目標創造條件。即對生產能源數據進行采集、加工、分析，處理以實現對能源設備、能源實績、能源計劃、能源平衡、能源預測等全方位的監控和管理功能，達到企業節能增效的目的。