貴冶智能工廠安環(huán)能源支撐系統(tǒng)建設(shè)

胡國(guó)軍，曾饒兵，陳 耕，孫寶華

（1．中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330038;2. 江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

江西銅業(yè)股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)江銅）下屬貴溪冶煉廠（簡(jiǎn)稱(chēng)貴冶）是中國(guó)第一家采用世界先進(jìn)閃速熔煉技術(shù)的銅冶煉工廠，經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展貴冶已成為中國(guó)最大的銅、硫化工、稀貴金屬產(chǎn)品生產(chǎn)基地，年產(chǎn)陰極銅百萬(wàn)噸以上，是世界首個(gè)單廠陰極銅產(chǎn)量超百萬(wàn)噸的煉銅工廠。在《中國(guó)制造2025》［1］大背景下，江銅積極響應(yīng)國(guó)家智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，2016年申報(bào)工信部“銅冶煉智能工廠試點(diǎn)示范”項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)，貴冶成為銅冶煉行業(yè)唯一一家智能制造試點(diǎn)示范工廠。

當(dāng)今信息技術(shù)飛速發(fā)展，互聯(lián)互通、高效協(xié)作是大勢(shì)所趨。以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)與工業(yè)的創(chuàng)新融合，以及以智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化為核心特征的智能工廠模式正在成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展和變革的重要方向［2］。貴冶智能工廠建設(shè)規(guī)劃主要包括IT平臺(tái)、軟件系統(tǒng)與自動(dòng)化三個(gè)方面，通過(guò)過(guò)程控制、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理和決策分析三層應(yīng)用，逐步推進(jìn)企業(yè)建立精細(xì)、精準(zhǔn)、高效、智慧的管控模式，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)工廠到智能工廠的轉(zhuǎn)型。貴冶智能工廠融合互聯(lián)網(wǎng)與智能制造的基礎(chǔ)技術(shù)，基于用友工業(yè)Paas云平臺(tái)（iuap）打造［3］，通過(guò)與第三方軟件系統(tǒng)、智能采集設(shè)備或傳感器、數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備、數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備、數(shù)字化檢驗(yàn)設(shè)備等的集成，構(gòu)建企業(yè)智能化平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)工廠轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效、綠色發(fā)展的重要途徑和支撐。

在江銅“追求綠色可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略下，貴冶致力于構(gòu)建“效率最高、技術(shù)最優(yōu)、能耗最小、成本最低、環(huán)保最好”的銅冶煉新模式。安全環(huán)保是企業(yè)生存發(fā)展之根本，節(jié)能降耗是企業(yè)降低成本、提高效益的重要途徑。智能工廠建設(shè)，安環(huán)和能源是其不可或缺的重要組成部分。安環(huán)、能源支撐系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)充分利用企業(yè)現(xiàn)有資源補(bǔ)足短板，并確保其先進(jìn)性、可靠性、兼容性和可擴(kuò)充性。

2 智能工廠安環(huán)、能源支撐系統(tǒng)

2.1 概述

貴冶所屬鷹潭市是國(guó)家新型工業(yè)化物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)示范基地。市政府明確表示要以窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）為技術(shù)主線，加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用，支持貴冶智能化工廠改造項(xiàng)目，加快推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在傳統(tǒng)制造企業(yè)中的示范應(yīng)用。NB-IoT技術(shù)是移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)家族的一員，其功耗低、連接廣、信號(hào)傳輸穩(wěn)定，是5G的前奏和基礎(chǔ)［4］。移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營(yíng)商已在鷹潭建成三張NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)通的NB-IoT基站已實(shí)現(xiàn)城區(qū)、縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)全域覆蓋。在充分考慮貴冶實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，充分利用NB-IoT技術(shù)為工業(yè)生產(chǎn)更好的服務(wù)，貴冶安環(huán)、能源支撐系統(tǒng)搭建了一個(gè)采用NB-IoT技術(shù)的系統(tǒng)平臺(tái)，用于采集現(xiàn)場(chǎng)的流量、液位、pH、噪音等檢測(cè)數(shù)據(jù)。

貴冶現(xiàn)有生產(chǎn)工藝以DCS系統(tǒng)控制為主，輔以PLC控制，經(jīng)過(guò)多年的優(yōu)化改造，備用的I/O通道已經(jīng)不多。除電能表外，其他介質(zhì)能源計(jì)量?jī)x表大多與生產(chǎn)工藝緊密相關(guān)，這些計(jì)量?jī)x表均接入各相應(yīng)區(qū)域的DCS/PLC系統(tǒng)，安環(huán)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集也由DCS/PLC系統(tǒng)完成。貴冶配備有PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，PI系統(tǒng)采集由DCS、PLC等上傳的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)PI系統(tǒng)，管理和技術(shù)人員可通過(guò)辦公網(wǎng)絡(luò)了解當(dāng)前和歷史的生產(chǎn)運(yùn)行狀況。智能工廠云平臺(tái)已明確要求通過(guò)PI數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一接收生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，安環(huán)、能源支撐系統(tǒng)新增數(shù)據(jù)都必須采入PI系統(tǒng)。

2.2 在線檢測(cè)儀表NB-IoT技術(shù)應(yīng)用

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要分支，只占用很窄的帶寬（大約180KHz），可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)［5］。

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代萬(wàn)物互聯(lián)，傳統(tǒng)的寬帶網(wǎng)絡(luò)無(wú)法支撐數(shù)量龐大的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。NB-IoT技術(shù)可滿(mǎn)足對(duì)低功耗、長(zhǎng)待機(jī)、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業(yè)務(wù)［6］，更適合靜態(tài)、對(duì)時(shí)延低敏感、非連續(xù)移動(dòng)和對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用場(chǎng)景。NB-IoT技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用也是政府鼓勵(lì)探索的課題。

智能工廠需要在原有安環(huán)監(jiān)視平臺(tái)上增加在線檢測(cè)、分析儀表，這些設(shè)備主要用于廢水管理、廢氣、固廢及環(huán)境空氣管理、職業(yè)衛(wèi)生及重要危險(xiǎn)源管控的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、分析等。新增安環(huán)在線檢測(cè)裝備主要有廠房?jī)?nèi)和廠界噪音監(jiān)測(cè)儀、pH計(jì)、二氧化硫濃度監(jiān)測(cè)儀、粉塵監(jiān)測(cè)儀、酸霧在線檢測(cè)儀、雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)等。能源系統(tǒng)也需要增加和更新大量的電能表以及流量計(jì)。考慮到電能表計(jì)安裝在配電室取電方便，且對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，因此沒(méi)有將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于全廠電力SCADA系統(tǒng)。

因?yàn)榘箔h(huán)監(jiān)視系統(tǒng)的廠界噪音監(jiān)測(cè)位于廠界四周，信號(hào)接入DCS/PLC系統(tǒng)、供電比較困難，施工難度大，所以采用NB-IoT技術(shù)采集數(shù)據(jù)，并且使用太陽(yáng)能供電。部分不需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的雷達(dá)液位計(jì)和pH檢測(cè)也采用NB-IoT進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

此次新增的流量計(jì)大部分位于電解車(chē)間和新材料車(chē)間，只用于水、蒸汽、雜用風(fēng)等介質(zhì)的能源計(jì)量，這些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的流量計(jì)儀表采用NB-IoT進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

選擇以上檢測(cè)裝備采用NB-IoT技術(shù)無(wú)線傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)，每隔一個(gè)小時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，通過(guò)NB-IoT軟件平臺(tái)送入PI數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用可帶來(lái)以下好處：

（1）減少電纜敷設(shè)，縮短施工周期。

（2）避免現(xiàn)有DCS/PLC控制系統(tǒng)的擴(kuò)建，因?yàn)樾枰黾拥腎/O點(diǎn)較多，可能造成DCS/PLC控制系統(tǒng)擴(kuò)建的困難。將來(lái)我們還可以擴(kuò)大NB-IoT的應(yīng)用范圍，例如電纜中間接頭的溫度監(jiān)測(cè)等。

其他需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的安環(huán)檢測(cè)儀表和能源系統(tǒng)計(jì)量流量采用模擬信號(hào)或FF總線接入DCS/PLC系統(tǒng)。

智能工廠基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，其數(shù)據(jù)采集和上傳的過(guò)程如下：

（1）遠(yuǎn)傳設(shè)備RTU與現(xiàn)場(chǎng)儀表（電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、噪音監(jiān)測(cè)儀等）通過(guò)RS-485（MODBUS協(xié)議）或4～20mA.DC通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（2）遠(yuǎn)傳設(shè)備RTU采集的數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到電信公司，工廠NB-IoT數(shù)據(jù)服務(wù)器通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)從電信公司取回?cái)?shù)據(jù)并解包。

（3）PI數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)過(guò)防火墻隔離過(guò)濾讀取NBIoT數(shù)據(jù)管理平臺(tái)數(shù)據(jù)。

圖1 NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)圖

圖2 太陽(yáng)能供電的噪音儀

圖3 NB-IoT數(shù)據(jù)平臺(tái)采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)

2.3 全廠電力SCADA系統(tǒng)

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)“四遙”功能。由于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CADA的要求不同，所以不同應(yīng)用領(lǐng)域的SCADA系統(tǒng)發(fā)展也不完全相同［7］。SCADA系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，是能源管理系統(tǒng)（EMS系統(tǒng)）的一個(gè)最主要的子系統(tǒng)，建立企業(yè)完善的電力SCADA系統(tǒng)是智能工廠必須具備的條件。

貴冶有兩座110kV總降、34個(gè)6kV配電室和約70個(gè)380V配電室。2個(gè)總降各為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，分別為工廠兩個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)供電，兩個(gè)系統(tǒng) 6kV中性點(diǎn)接地方式不同不能并列運(yùn)行。除2個(gè)總降建有獨(dú)立的較為完善的監(jiān)控系統(tǒng)外，大部分配電室都沒(méi)有進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和監(jiān)控。6kV及以上繼電保護(hù)裝置均采用微機(jī)保護(hù)裝置，但品牌較多且個(gè)別品牌的產(chǎn)品線時(shí)間跨度很大。在6kV配電室仍裝有許多機(jī)械式電能表，而且有的回路采用綜保裝置來(lái)進(jìn)行能源計(jì)量，電能表的配備不能滿(mǎn)足工序能耗考核更達(dá)不到班組能耗考核的要求。

SCADA系統(tǒng)建設(shè)根據(jù)工廠生產(chǎn)的實(shí)際情況和項(xiàng)目建設(shè)周期分步驟進(jìn)行，一期構(gòu)建一個(gè)完善的6kV及以上監(jiān)控系統(tǒng)的框架，補(bǔ)齊和更新所有6kV配電室的多功能電能表，低壓部分表計(jì)以二系統(tǒng)為主，在試點(diǎn)車(chē)間配備齊全的表計(jì)以滿(mǎn)足班組能耗考核要求。一系統(tǒng)低壓部分待智能工廠二期配備完善。

全廠電力SCADA系統(tǒng)主要功能如下：

（1）將全廠2個(gè)110kV總降、所有6kV配電室、約70個(gè)380V配電室子站系統(tǒng)連接，建立全廠電力SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠供配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視控制等管理功能。

（2）通訊骨干網(wǎng)絡(luò)按光纖自愈雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建配置，即110kV總降、全廠6kV配電室采用光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)接入光纖自愈雙網(wǎng)。各6kV配電房的直流系統(tǒng)、微機(jī)綜保、小電流接地選線裝置等通過(guò)通信管理機(jī)接入光纖自愈雙網(wǎng)；380V配電室子站智能電表及馬達(dá)保護(hù)裝置通過(guò)智能通信采集控制器和光纖收發(fā)器接入光纖雙環(huán)網(wǎng)。。

圖4 全廠電力SCADA系統(tǒng)示意圖

（3）2個(gè)總降原有監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)104規(guī)約接入。

（4）高低壓電能表的接入及數(shù)據(jù)采集，政府補(bǔ)貼項(xiàng)目安裝的電能表從其數(shù)據(jù)采集器網(wǎng)口讀取數(shù)據(jù)。

（5）各品牌繼電器保護(hù)裝置（主要為美國(guó)SEL、南京因泰萊、GE、萬(wàn)利達(dá)）、監(jiān)控計(jì)量裝置等設(shè)備接入集控系統(tǒng)并提供相對(duì)應(yīng)的軟件驅(qū)動(dòng)模塊二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)四遙功能。不同規(guī)約、不同品牌的智能裝置不能配置在同一網(wǎng)段。

（6）SCADA系統(tǒng)通過(guò)OPC協(xié)議將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給PI數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，SCADA系統(tǒng)的報(bào)警記錄寫(xiě)入中間數(shù)據(jù)表由PI系統(tǒng)讀取。

（7）配置WEB服務(wù)器，在辦公網(wǎng)絡(luò)通過(guò)瀏覽器可監(jiān)視工廠供配電系統(tǒng)狀況及讀取電力報(bào)表等。

3 結(jié)語(yǔ)

智能工廠建設(shè)對(duì)企業(yè)安環(huán)、能源管理系統(tǒng)提出了更高要求，對(duì)數(shù)據(jù)獲取的支撐系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充和升級(jí)改造是構(gòu)建完善的安環(huán)、能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。目前NB-IoT和SCADA系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)已經(jīng)完成，數(shù)據(jù)已經(jīng)打通。窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)適用于DCS、PLC基礎(chǔ)系統(tǒng)不作升級(jí)下的能源計(jì)量和環(huán)境監(jiān)測(cè)；電力SCADA系統(tǒng)框架、關(guān)鍵設(shè)備、通訊與采集方式選擇等在保持技術(shù)先進(jìn)性的同時(shí)還應(yīng)充分考慮穩(wěn)定、可靠性和兼容性、擴(kuò)充性。貴冶電力SCADA系統(tǒng)改造和新增儀表的安裝涉及面廣，需在不影響生產(chǎn)的情況下進(jìn)行，實(shí)施難度較大，類(lèi)似情況的企業(yè)可考慮有計(jì)劃分階段實(shí)施。智能工廠的建設(shè)，需要不斷的探索和實(shí)踐新的技術(shù)和設(shè)備。