RTU在天鋼能源管理系統中的應用

王錚 汪天鋼 （天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301)

RTU在天鋼能源管理系統中的應用

王錚 汪天鋼 （天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301)

總結了天鋼能源管理系統的底層數據采集方式、網絡結構以及具體的數據采集實施辦法，闡述了RTU的通訊特性和天鋼能源系統程序功能。能源管理系統利用RTU設備實現從現場能源計量儀表中采集數據，采用分布式的系統架構上傳數據，實現了能源系統的設計要求。

遠程終端單元 能源系統 儀表 數據 采集 通訊

1 引言

能源消耗占冶金企業產品成本的比重很大。近年來，由于能源的消耗成本在逐年提升，降低成本成為企業參與市場競爭的迫切要求，建設公司級能源管理系統成為現代化大型冶金企業提高管理水平的需要。天鋼目前基礎能源介質的計量及能源管理尚處于原始階段，以人工抄表、電話報送、手工處理為主，現有的能源計量和管理手段已經無法滿足需要。因此，天鋼適時提出了建立“能源管理系統”，以滿足生產需求，為管理部門提供及時準確的能源計量數據和可靠的調度手段。

因為能源計量點分散在公司的各個角落，能源數據采集的特點是點多面廣，實施難度較大。選擇一種高效、可靠的底層數據采集設備成為了建設公司級能源管理系統成功的關鍵。根據目前工業自動化領域發展趨勢，采用RTU設備是實現遠程數據采集的一種比較理想的解決方案。

2 系統總體架構

2.1 底層數據采集方式

RTU（remote terminal unit)設備名為遠程終端單元，是適合應用于遠距離、分散范圍廣的數據采集系統。利用其強大的通訊功能，可以實現將分布于工業現場或遠程的底層數據采集并上傳的目的，這類應用在現實生產中較為廣泛。鋼鐵企業大多面積較大，各工序之間較為分散，有關能源計量的儀表分散于各個車間，要把這些能源計量儀表的實時數據采集上來，在能源中心動態地顯示，是一項極其復雜的工程。

結合鋼鐵企業能源計量的特點，分析國內同行業其它企業類似系統的經驗，天鋼能源管理系統采用了RTU設備進行底層數據采集，選用的RTU型號為美國ICLinks公司生產的EtherLogic Integra系列RTU。ICLinks公司的該型號RTU具備很強的信號采集和通訊功能。由于現場能源計量儀表型號眾多，且比較落后，大部分儀表與外界的信號交互只有傳統的4～20 mA電流輸出信號，不具備通訊功能。在不對儀表進行更換的前提下就只能利用RTU的通用輸入通道來對這些4～20 mA電流信號進行逐個采集。這種方式相比采用通訊的方式會增加施工量，但可以節省更換儀表的費用，各有利弊。

Etherlogic Integra系列RTU的數據采集方式大致有以下幾種：

（1) 6個通用輸入點（傳感器、開關量、模擬量);

（2) 3個模擬量輸出點;

（3) 16個開關量輸入點（2個通道支持脈沖輸入);

（4) 8個開關量輸出點（繼電器輸出)。

建立天鋼能源管理系統時需綜合考慮上述兩種情況，結合現場條件，兼顧兩種模式的優點。在具備施工條件的情況下，大多數儀表采用第一種方式，即保留原儀表，利用RTU的通用輸入通道采集4～20 mA電流信號，如圖1所示。在現場條件確實比較差的環境，考慮將儀表更換為具備標準Modbus通訊協議的智能二次儀表，再與RTU的RS485通訊接口進行通訊，如圖2所示。

圖1 RTU模擬信號數據采集方式

圖2 RTU RS485通訊方式

2.2 分布式網絡架構

根據天鋼實際地理分布，在廠區不同區域分別設計了20臺RTU，每臺設備利用通用輸入通道，負責將周邊范圍內全部能源計量儀表的4～20 mA電流輸出信號集中，部分智能儀表利用RS485端口與其通訊，獲取智能儀表中的流量、壓力等數據。

每臺RTU將集中采集的各種數據經過處理器處理后，各RTU以分廠為單位，利用RJ45網絡端口及網絡設備，通過光纖匯聚到各分廠的匯聚交換機，在交換機以上架設一臺硬件防火墻，以保證各廠之間設備的信號隔離，不會互相影響。然后再將這些分廠的數據通過光纖傳送至網絡中心的核心交換機上。同時連接在核心交換機上的還有數據服務器及應用服務器，來對整套系統的數據進行再處理、分析、存儲及應用。采用這種分布式的網絡架構可以更清晰地劃分出整個系統的層次，方便系統投運后的維護。系統架構如圖3所示。

圖3 系統架構圖

3 具體實施

3.1 現場儀表數據采集

天鋼能源計量儀表按照區域就近原則，將4～20 mA流量輸出信號用信號電纜接入RTU的通用輸入通道，實現流量的信號采集。在RTU內部對該電流信號進行量程設置，便可方便地計算出實時瞬時流量。

某些時候能源計量中心還希望能同時監控整個管網的壓力值，在將儀表接入RTU時，同時還把某些測點的壓力信號接進了RTU通用輸入通道。具體做法為：加裝一個信號配電器，將原來儀表與壓力變送器之間的兩線制接線方式改為4線制接線方式，在配電器的輸出端接有源4～20 mA電流信號到RTU的通用輸入通道，再匹配相應的壓力量程，即可得到實時壓力值。

由于EtherLogic Integra RTU上集成的通用輸入通道只有6個，要想更多地采集模擬量輸入信號，就必須連接I/O擴展模塊，型號為ICLinks公司生產的Microblock型I/O模塊。其具備16路模擬量輸入通道，可以采集電流、電壓等模擬量信號。EtherLogic Integra RTU理論上通過RS485端口可連接256個擴展設備。通過增加擴展I/O模塊可以提高RTU采集信號量的數量，增強單個RTU的信號采集效率。

對于采用RS485總線方式與智能儀表進行通訊的情況，也是遵循區域就近的原則，把一定范圍內的智能儀表通過RS485總線連接到本區域的RTU上RTU再通過光纖上傳至服務器。

國內有些鋼鐵企業建設類似系統，時采用了將全部儀表都更換為具有通訊功能的智能儀表，然后用RS485總線的形式逐一將這些智能儀表連接起來，直接連接到計量中心。雖然RS485可以支持的通訊距離很長，能夠滿足通訊需要，但將全公司的儀表全部串成一條線，施工難度大，一旦某段線路中斷即造成大面積的儀表通訊中斷，系統風險很大。天鋼采用先小區域匯聚，再全公司集中的方式，避免了長距離施工，同時也將系統的風險降到了很小的范圍內，便于系統的維護和故障分析處理。

3.2 RTU選型及特性

天鋼能源管理系統選用的是EtherLogic Integra系列RTU，它是一個一體化可編程序控制器，其功能類似于PLC;它是一個先進的遠程終端單元，具備數據采集、編程控制、通信、報警、數據存儲和檢索、數據記錄等功能。它與PLC的明顯區別在于可降低配置和編程時間、降低成本。最大的優勢就是其簡便小巧，且具備方便、多樣的通訊功能，利用集成在一臺RTU上的多種通訊接口可以實現多樣通訊方式的選擇，即選用RTU進行數據采集，其通訊方式會變得非常靈活，這一點對于復雜的工程項目來說非常有幫助。

3.3 RTU通訊方式

3.3.1 網絡

EtherLogic Integra RTU安裝了以太網端口，支持標準的以太網協議，支持通過以太網傳輸文件、電子郵件、Web服務、終端接入以及標準的工業以太網協議（如Modbus TCP/IP)。它的以太網通訊功能兼容了目前最新的無線以太網調制解調器，包括802.11類型設備、GSM、GPRS和CDMA蜂窩系統。

3.3.2 串口通訊

EtherLogic Integra RTU上有1個兩線制RS485串口通訊口，通過這個RS485串口，可以擴展RTU的遠程I/O點，連接儀表、PLC等。

除了RS485接口以外，EtherLogic Integra RTU還有2個RS232接口，1個內置RS485接口用來使用56 KB調制解調器、GPRS、CDMA蜂窩調制解調器或者900 MHz/2.4 GHz電臺。當配置了電話調制解調器時，EtherLogic Integra RTU還支持掛斷聲音報警、撥號聲音報警等。

天鋼能源管理系統應用了EtherLogic Integra RTU的以太網端口向服務器上傳數據，RS485端口進行與智能儀表的通訊以及連接擴展I/O模塊。能夠提供多種通訊接口是天鋼能源管理系統選擇其的重要前提，這也是其他類似遠程設備所無法具備的優勢。

3.4 RTU功能程序

使用RTU構建數據采集系統必須對其進行軟件開發，一般包括硬件配置和程序開發。天鋼能源管理系統選用的是ICLinks公司的RTU，所以其中硬件配置使用的工具軟件是廠家提供的ScadaBuilder軟件，而程序開發使用的是ISAGRAF編程軟件。

ScadaBuilder可以用來對RTU進行配置以及監控，是ICLinks公司自己開發的RTU配套軟件。ISAGRAF編程軟件是一種標準的基于IEC-1613-3的編程工具，提供了多種編程語言，如：功能塊、流程圖、梯形圖、結構文本等，可供程序開發人員靈活選擇。

天鋼能源管理系統RTU的軟件功能程序主要包括：時鐘同步、斷網數據保存、上電初始化、量程轉換、數據累積量計算等。

4 結束語

天鋼能源管理系統的實施對改進能源系統的運行管理水平，完善能源生產和使用的評價體制，提高勞動生產率，減少能源消耗，增加能源回收，改善環境質量，以及提高公司的市場競爭力具有重要意義。

天鋼能源管理系統中利用RTU設備進行數據采集，實現了系統的功能需求。實踐證明，這種設備強大的通訊功能、穩定運行的處理器、小巧的設計、靈活多樣的程序開發功能等特性，決定了它在類似的數據采集系統中同樣具有著其獨有的先天優勢，在其他系統中的應用也會越來越多。

我們應看到其應用還存在著一定的適用性。它非常適用于遠程、分散的數據采集，但當從PLC系統中集中采集大量數據時，采用直接與PLC通訊的方式則更為經濟。在構建類似數據采集系統時應綜合考慮實際情況，選擇合適的方案來實現數據的采集。

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Application of RTU to TISCO Energy Management System

Wang Zheng,Wang Tiangang

The paper summarizes the basic data collection mode,network structure and actual data collection method for TISCO energy management system and expounds RTU communication characteristics and program functions.TISCO energy management system utilized RTU equipment to collect data from field energy metering instrument,uploaded data through distributed system architecture and hence,met the design requirement of energy system.

RTU,energy system,data collection,communication

（收稿 2011－07－13 責編 崔建華)

王錚，男，本科，2005年至今在天津鋼鐵集團有限公司自動化部計量科工作。