SCADA系统在冶金行业能源系统中的研究与应用

陈志，周海伦（首钢自动化信息技术有限责任公司，北京 100041）

走新型工业化是我国钢铁工业由钢铁大国向钢铁强国发展的必由之路。通过能源管控，降低钢铁生产成本，实现节能减排、绿色生产是我们面临的新课题。要实现能源的管控，首先要对能源数据进行全面的采集、科学的分析与优化，能源管控才能见成效。目前冶金企业公司能源中心的数据采集及处理系统主要是对风、水、电、气（汽）等能源介质和重要设备运行状态、阀门开度等能源介质信息进行监控。为了更好实现节能减排的目标，首先要满足能源中心数据采集的需求。实现能源计量与能源管理的分布式多级控制，使SCADA系统与ERP和MES系统进行无缝连接。数据的采集及执行是能源管理系统中最重要的一环，关系到系统的先进性、可靠性，并且为包含能源平衡分析及预测、能源计划调度等内容的能源管理系统提供坚实可靠的数据基础。

1 SCADA系统的构成

SCADA（Supervisory ControI And Data AcquiSition）系统是对分布距离远，生产单位分散的生产系统的一种数据采集、监视和控制系统。SCADA是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、高效调节以及各类信号报警等功能。由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统的发展也不完全相同。

能源SCADA系统主要针对能源主要设施进行监视与控制，涉及风、水、电、气（汽）各种能源介质。

1.1 数据采集功能

将能源管理中心所需全公司的能源数据采集进入系统，通过远控、监视、报警、数据分析、数据计算、数据统计等实现生产调度指挥；并与计量中心、MES、ERP管理系统进行数据交换获得能源产供计划、生产计划、作业线设备检修计划等重要

1.2 监控功能

能源管控系统中充分利用无人值守管理技术，实现变电站等供配电区域，煤气柜、煤气加压站、煤气放散、煤气混合等燃气区域，换热站等热电区域及空压站等区域无人值守，由能源中心进行集中监控。这不但大幅度提高钢铁企业能源系统劳动生产率，而且对能源平衡的及时调整以减少煤气放散，增加转炉煤气回收，对异常运行情况快速处理以提高能源系统的整体安全性都有明显的实际效果。

对能源管理中心管辖的供配电站（220千伏、110千伏）、燃气、压缩空气站、10kV配电、煤气混合站所、海水取排、换热站、强排泵、高、焦炉煤气生产、储存与使用等系统进行监控和实时调整。

SCADA系统物理架构主要由三部分组成：主站端、通讯系统和远程终端单元。

（1）主站系统

随着计算机系统的发展，特别是PC机的发展，PC机和PC机上运行的操作系统在扮演着越来越重要的角色。主站系统一般包括如下内容：

通讯前置系统：主要负责解析各种不同的规约，完成通讯接口数据处理，包括数据转发。包括前置计算机、串口池或者MODEM 池、机架、防雷措施和网络接口。

实时数据库系统：主要包括运行实时数据库的服务器。

工程师工作站：负责系统的组态、画面制作和系统的各种维护。

生产调度工作站：是监控系统的主要用户、显示画面、画面浏览、实现各种报警等。

各种监控工作站：主要用于特别庞大的系统，几个人已经无法监控的情况，这时会根据需要，设立各种监控工作站，每个工作站有人员工作。

历史数据库服务器，是SCADA系统保存历史数据的服务器。

上层应用工作站：主要用于实时数据和历史数据的挖掘工作。在电力系统比如潮流分析、负荷预测、事故追忆、电网稳定性分析、能量管理等。在自来水行业包括管网压力损耗分析、管网经济性分析、管网漏失分析等。在采油工程上，包括示功图显示、示功图分析、泵况分析、功图计产等。作为SCADA主站系统，大的系统可能有几十个上百个工作站，多个服务器。为了保证系统的可靠性，采用双前置系统，多服务器系统，两个网络。

设置WEB服务器，是现在SCADA主站系统的一个流行趋势，只要用户装有浏览器软件，得到相应的授权，就可以访问相应的数据。

（2） 通信系统

SCADA通讯系统是最丰富多彩的，一般来讲，大体可以分为两类，有线和无线。但是随着通讯技术的发展，基于各种网络的通讯方式也发展很快，有些通讯方式很难归结到有线或者无线的范畴，所以也可以单独作为一类。

有线方式主要包括：音频电缆、架空明线、载波电缆、同轴电缆、光纤、电力载波等。在有线上传输大体分为基带传输和调制传输，基带传输是在介质上传输的是数字信号，可能也要经过信号变化。调制解调传输要经过模拟数字变换的传输。很多介质既可以作为基带传输也可以作为调制传输。

无线方式主要包括: 电台、微波、卫星、光线、声波等手段。

网络方式是通讯系统架构在一个计算机网络之上，比如帧中继、ATM.、IP网，这种通讯方式可能是有线的也可能是无线的，甚至多次跨越无线和有线。其性能也明显区分于有线和无线系统。比如不用考虑误码，不用考虑报文的大小，不用考虑系统的拓扑结构，但是网络的时延可能比较大。通过GPRS（Gerneral Packet Radio Service 通用分组无线服务）网络或者CDMA传输SCADA系统数据就是典型的例子。在首钢能源SCADA系统中，由于涉及到的数据采集量大、数据点位量也比较复杂，所以根据实际情况，上述通信方式都有采用。

（3） SCADA的远程终端单元系统

SCADA系统远程终端单元有一个专门的词汇RTU，现在术语中称为Tele Control（远程控制）。

RTU（Remote Terminal Unit，远程终端控制系统。）一般包括通讯处理单元、开关量采集单元、脉冲量采集单元、模拟量采集单元、模拟量输出单元、开关量输出单元和脉冲量输出单元等构成。还有一些其它的接口方式，比如电力变压器的分接头、气象的格雷码接口、水文的BCD码接口等。

远方的通讯一般和RTU安装在一起，这样便于接线。

现在的RTU在完成本身的数据采集工作和协议处理之外，还要完成和各种IED（Intelligent Electronic Device，智能电子设备）设备的接口和协议转换工作。而且RTU的通讯处理单元的能力越来越强大，但相应的采集工作却在逐渐的弱化，由各种IED设备代替了。

2 现场设备的数据监视及改造

首钢能源SCADA系统实施，首先把能源管理部门下属的各个系统根据地理位置的远近设置为不同的数据采集点。每个数据采集点相当于一个远程站。该远程站只负责数据的采集功能，然后把所有的数据通过工业以太网传送到能源中心，由能源中心负责数据的处理工作。

优点：

（1）根据现场设备情况设计的改造方案可最大限度的利用现有资源 ，避免了资源浪费。

（2）现场PLC（Programmable Logic Controller可编程控制器）进行控制和运算，分担了能源中心大部分工作，能源中心的SCADA系统只是负责参数监视和部分系统的控制功能，所以整套系统的负荷减小了，系统的整体性能得到了提高。

（3）如果出现通讯故障，现场的PLC控制系统仍然能独立工作，现场的工艺生产情况不受影响。

3 首钢SCADA系统方案设计

3.1 能源中心网络结构（如图1所示）

3.2 现场有PLC控制系统的，可以采用两种方法，对系统进行改造

（1）现场MPI总线系统通信方式转换为OPC协议

图1 能源中心网络结构

现场控制系统采用PLC与其上位机组成一个独立的MPI总线，为了彻底隔离病毒，确保数据采集的安全可靠，可以新增一台配置了通信卡的采集站接入到原MPI（Message Passing Interface)是消息传递并行程序设计的标准之一，是一种适用于小范围、少多点通讯，一条线上可以连好几个站点。适合与现场级的通讯方式。只能有两个站点的叫PPI通讯（点对点通讯）总线网络，并读取各PLC数据，再与能源SCADA系统数据库连接，从而实现数据采集。该服务器和能源中心之间的通讯协议采用标准的OPC（OLE for process control）通信协议。采集方式如图2所示。

（2）PLC上配置以太网卡，采用标准以太网通信协议

现场有PLC控制系统的，可配置以太网卡，能源中心直接从以太网卡上进行数据采集。这种通讯方案中用网线直接把交换机和PLC以太网模块连接起来，然后经能源中心网络，通过MODBUS(一种用于工业现场的总线协议)协议，能源中心的SCADA系统可以直接与现场PLC网络模块进行实时通讯，从而实现能源中心对现场各个一级PLC控制系统的监控功能。

3.3 应用仪表系统构建SCADA

（1） 具有RS232/485接口的仪表改造方案

现场独立的计量表有RS485或RS232接口，可以直接采用RS485总线或RS232总线方式传输到 RTU，由RTU转换为Modbus协议，由RTU转发传送到能源网，使能源中心SCADA系统的I/O服务器采集到现场仪表的数据。实现能源中心SCADA系统对现场数据的监控。具体的改造方案如图4所示。

图4 RS485总线转换为工业以太网

（2）标准4～20mA信号输出的仪表改造方案

现场独立的能源计量仪表不带RS485总线接口，但具备标准的4～20mA变量输出，可以通过RTU直接采集这些标准电信号，然后经RTU转换为标准以太网信号传送到能源中心。具体的改造方案如图5所示。

标准4～20mA电信号

图5 标准4～20mA电信号仪表改造方案

4 首钢SCADA电力系统应用

4.1 监控功能

电力监控包括所有厂级变电所内，对进线的开关闸刀、母联开关闸刀、接地闸刀、主变有载调压开关的状态及故障信号进行遥信。对进线开关、隔离闸刀、部分接地闸刀、母联开关、主变有载调压开关进行遥控。对进线电流、有功功率、无功功率、有功电量、无功电量、母线电压、全站频率进行遥测。对主变压器二次开关闸刀状态及故障信号进行遥信，对开关进行遥控，对主变一次电流、二次电流、有功无功功率进行遥测。对馈线开关闸刀状态及故障信号进行遥信，对开关进行遥控，对馈线电流、有功无功功率、有功无功电量进行遥测。

4.2 遥信功能

遥信分为位置状态遥信和保护信号。

位置遥信包括各种开关、刀闸合分状态、开关手车的工作、试验位置状态、变压器分接开关位置等。保护信号分为事故信号和预告信号。事故信号指使设备停电、停运的信号、预告信号指不影响设备继续运行的非正常信号。正常遥信状态的传送，系统优先传送故障信号和遥信变位信号。可以通过操作命令人工设置遥信点的状态，或禁止对遥信点的采集。对于禁止操作，数据库中保留禁止前的状态，所有禁止点进入禁止点列表，并修改信息表相应记录的颜色，如信息对应某一开关，则主接线图上的图表也改变成表示该设备处于非实时状态的颜色。

4.3 遥测功能

各变电所内测量对象的交流三相电压、线电压、三相交流电流、中性点对地电压、中性点对地电流、直流电压、直流电流、有功、无功功率、功率因素、变压器温度、档位等电气量。遥测信息可画面显示在主接线图上，同时显示在实时刷新的遥测量表，发生遥测量越限，系统发出报警，并改变所有越限遥测量的颜色，当恢复到报警值以下时，同样有提示信息，并将颜色复原，报警信息详细写入历史记录。专用画面以曲线实时显示部分重要模拟量，包括220kV站、110kV站各台主变和重要馈出线的电流、功率、功率因素，各段母线电压，发电机组电流、电压、功率、功率因素、励磁电流、励磁电压、频率等。

4.4 报警功能

包括声音报警、文字报警、打印报警、闪烁报警等几种方式，可单独使用，也可组合使用。报警程度分预告报警和事故报警。系统设有报警参数库，可以按工作站设定，报警级别、报警条件、是否允许、报警形式、报警音响等均可由具有该操作权限的操作员设定。其中供配电系统报警主要分类为：保护事件、保护告警、开关动作反馈、系统报警、一般遥信、操作信息等。每条报警，都包含有发生时间、用户、位置、区域、描述、分区、优先级、分类等信息，方便操作者按照不同条件搜罗报警信息。

当今世界正处于金融危机肆虐，能源消耗巨大、二氧化碳排放居高不下、全球气候不断恶化、地球生存环境不堪重负的时刻，要求节能减排、较少能源消耗，提高能源利用率的声音四起。能源中心的建设对钢铁企业的能源节约、环境保护等产生了巨大效能，已经越来越被国内外企业所认知和重视。国内钢铁企业设立能源中心已经成为一种共识。随着国家能源供需矛盾的进一步扩大、环境保护政策的进一步强化以及钢铁企业自身生产成本的不断优化,相信能源中心技术在不远的将来必将为我国钢铁工业普遍采用，国内钢铁企业将迎来一个建设能源中心的高潮，这将对我国钢铁工业的节能降耗和可持续发展产生积极的，本文介绍基于钢铁企业现状，进行能源中心SCADA系统方案的研究。改造的成本、运行的稳定程度、数据的实时性等充分满足钢铁企业能源中心的实际需求。通过以上改造方案，能源中心SCADA系统可充分发挥其作用，并为钢铁企业能源管理和企业决策提供科学依据。