水泥工業遠程優化控制系統平臺設計

孫莉

摘要：對水泥工業遠程優化控制系統的數據采集與處理部分進行了需求分析，分別從水泥采集的業務角度、系統的功能性需求（分為數據采集與數據處理兩個部分）角度、系統的非功能性角度三個方面進行，并對系統的整體結構進行了設計。

關鍵詞：水泥工業；數據采集；數據處理

中圖分類號：TP273*.5 文件標識碼：A

現代的水泥工業離不開計算機信息技術，從生產過程中應用的控制系統，到企業管理所使用的企業資源計劃系統，均是計算機技術的應用。然而，當前這些系統之間并未很好地打通信息分享的通道，造成數據共享性差，數據重復采集等缺點。在我國有關方針政策以及互聯網高速發展的驅動下，水泥工業需要加強信息化建設，從綜合數據中提煉有用信息，優化水泥工業的生產過程控制與企業運營管理。

1 水泥工業遠程優化控制系統平臺

水泥工業遠程優化控制系統平臺從數據的采集及處理到各個功能子系統的建立進行了整體的規劃建模，其中數據源包括DCS、PLC、ERP及散點數據等，系統平臺的子系統包括配置及權限管理系統、基礎數據管理系統、能源管理系統、設備管理系統及優化控制系統等。

水泥工業遠程優化控制系統平臺通過OPC技術等采集現場DCS、PLC等設備中的數據，通過工廠現有ERP系統接口采集ERP中數據，通過錄入系統錄入散點數據，完成數據的采集，并對數據進行分類處理，分模塊分功能將數據存放到SQL的不同數據表中，水泥工業遠程優化控制系統平臺中的各個子系統則通過進一步分析并處理數據，獲取各自所需求的信息，并最終實現各個子系統所要完成的功能。

2 數據采集業務分析

在水泥生產的過程中，遠程優化控制系統采集的數據主要是水泥生產中的能耗信息和重點設備運行狀況信息點。數據采集主要從水泥生產現場的DCS控制系統中，這樣不僅節約了一些系統硬件的成本，而且還可以減少維護系統的工作量[1]。水泥生產過程中的能耗監測信息點分布在水泥生產的各個環節，并且數據采集種類多而且復雜，如一些重點設備溫度、電流、電能等同時還有生產過程中的生料喂料量、窯頭喂煤量、分解爐喂煤量、水泥產量等，而這些數據將會作為基本的數據被應用到遠程優化控制系統當中。

能源信息主要是包括電能、水、煤等。電能是水泥生產中主要的能耗，基本上所有水泥生產的環節部分都會用到電能，沒有電是無法進行水泥生產的，水泥生產線有很多的大功率耗能設備，比如原料磨、煤磨、回轉窯的主電機、高溫風機、循環風機、輥壓機、窯頭排風機、窯尾排風機、水泥磨等等[2]。因為這些大功率耗能的設備的存在，所以在此次系統數據采集中也會重點對這些設備進行電流以及電能的數據采集[3]。而煤粉的大部分消耗90%集中在水泥生產過程中的熟料燒成階段，回轉窯和分解爐在正常工作狀態下需要大量煤粉燃燒提供的熱量，才能將生料煅燒成熟料[4]。同時還存在消耗的水資源以及汽油和柴油等，在此次遠程優化控制系統中，主要的采集數據集中在電能和煤耗。

能源數據采集的信息點，從信息點的采取方向分為水泥現場，而水泥現場的采集點主要根據水泥工序基本上分為五個環節：原料破碎以及預均化、生料制備、煤粉制備、熟料燒成系統、水泥粉磨；同時還有從ERP中得到水泥產量以及輸出量等。

3 系統功能性需求分析

3.1 數據采集需求分析

（1）訪問OPC的需求分析

目前水泥企業中大部分設備僅支持OPC，不支持OPC UA。而本系統開發平臺為.NET Framework，因此需要對原有的OPC進行封裝，以便使系統支持對現場設備的訪問。此封裝應作為基礎通用庫，方便系統的各個層次進行調用。

（2）數據采集的需求分析

水泥工業中的過程數據按類型可分為模擬量與開關量。例如一條日產2500噸的生產線大約有2500個模擬量與3500個開關量，其中包括約50塊高壓電表，80-100塊低壓電表。為了從過程數據中總結提煉出有用的信息，我們要真實地還原某一個時間段內該水泥生產線的運行情況，因此需要按照一定的頻率，對這些模擬量與開關量進行采集，從時間維度上形成一個數據集，并將其存儲起來。

由數據采集的需求分析可以看出，采集是有一定的頻率的，根據對水泥企業運行狀況的調研以及為了滿足優化的實際需求，來自生產線DCS系統的數據，以5至10秒鐘為周期進行采集為較好的選擇，該周期既可以及時的反應出生產狀況，也不會對生產網絡造成較大的壓力；來自串口通訊的數據，則應根據現場條件選擇以2-10分鐘為周期進行采集，這是因為串口掛載的一般都是電表類的設備，這些設備統計周期比較長，且串口本身傳輸速率比較小，有時一個串口通訊卡上會拖帶多個設備，完整的一次查詢的時間自然就很長，因此需要根據現場情況與需求，選擇采集周期。

（3）數據緩存的需求分析

采集的過程具有周期性，因此每個周期采集的數據至少需要維持至下一個采集周期結束，這要求將所采集的數據進行持久化。而采集服務端是面向多個采集客戶端的，如果將采集的數據持久化到數據庫中，而這個周期內有多個客戶端訪問采集的數據，會導致系統浪費大量的時間在I/O上。因此需要有數據緩存的機制，提高系統的吞吐量[5]。

3.2 數據處理需求分析

（1）數據存儲/查詢適配器需求分析

對采集到的數據進行存儲于查詢，是采集系統中必不可少的過程，然而數據存取方式繁多，數據庫也有許多產品，又各有差異，如何能夠簡單統一地對數據進行存儲于查詢，簡化業務邏輯層的代碼復雜度，是系統需要解決的問題[41]。

經過分析，系統需要在業務邏輯層與數據訪問層之間，設計一個數據存儲/查詢中間件，使系統的業務層能夠專注于業務邏輯，與具體的數據存取有關的部分進行解耦。

（2）數據庫設計需求分析

數據采集完畢以后，需要對其進行存儲。根據前面的需求分析，可以得出所需采集數據具有點數多、種類多、采集頻率較快、數據量大、每個采集點的標號也會因不同企業而有不同的命名規范等特點，這需要一個良好的數據庫結構設計，以滿足系統對數據存儲的需求。

4非功能性需求分析

4.1 性能需求

還是以一條日產2500噸的生產線為例子作為分析，其中大約有2500個模擬量與3500個開關量。以一個模擬量平均占用16bit的大小、一個開關量占用1bit的大小來計算，則每個周期采集所產生的數據大小約為5.3KB。一般企業為節約成本，往往會租用網絡運營商提供的虛擬VPN，帶寬以10Mbit/s至20Mbit/s為多。以10M帶寬為例，其換算為千字節每秒時，帶寬為1280KByte/s，若傳輸周期為1秒，則采集所產生的數據量約占帶寬0.41%，其中不包括網絡協議所產生的流量。如若要保持網絡占用帶寬在5%以下，則一個采集服務端可以有10個客戶端的連接。

4.2 安全需求

遠程采集與處理系統是部署在網絡環境中的，網絡環境是復雜且不可信任的，因此在采集的數據在網絡中傳輸時，面臨著被盜取、劫持、偽造的風險，因此系統有對數據的安全性進行保障的需求。

5 結束語

分析了現代水泥工業對遠程優化控制系統中數據采集與處理部分的需求。在此基礎上，結合系統的實際需求，給出了遠程數據采集與處理系統的總體設計方案，為遠程優化系統提供數據方面的支撐。

參考文獻：

[1]董利.我國能源效率變化趨勢的影響因素分析[J].產業經濟研究，2008（1）：8-18.

[2]高婷婷.DCS與現場總線集成的研究與實現[D].青島：青島科技大學， 2012.

[3]李濤平.中國水泥工業能效現狀和節能潛力報告[J].水泥工程， 2004（4）：1-10.

[4]崔源聲，李輝，徐德龍.未來十年水泥工業總產值、理論需求量及能耗預測[C].中國建材產業轉型升級創新發展研究.2013.

[5]劉恒，劉家磊.一種新型的數據采集系統性能量化方法的研究[J].工礦自動化.2011（02）：45-46.