贵冶智能工厂安环能源支撑系统建设

胡国军，曾饶兵，陈 耕，孙宝华

（1．中国瑞林工程技术股份有限公司，江西 南昌 330038;2. 江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

江西铜业股份有限公司（简称江铜）下属贵溪冶炼厂（简称贵冶）是中国第一家采用世界先进闪速熔炼技术的铜冶炼工厂，经过30余年的发展贵冶已成为中国最大的铜、硫化工、稀贵金属产品生产基地，年产阴极铜百万吨以上，是世界首个单厂阴极铜产量超百万吨的炼铜工厂。在《中国制造2025》［1］大背景下，江铜积极响应国家智能制造发展战略，2016年申报工信部“铜冶炼智能工厂试点示范”项目获得批准，贵冶成为铜冶炼行业唯一一家智能制造试点示范工厂。

当今信息技术飞速发展，互联互通、高效协作是大势所趋。以云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等新一代信息技术与工业的创新融合，以及以智能化、网络化、自动化为核心特征的智能工厂模式正在成为产业发展和变革的重要方向［2］。贵冶智能工厂建设规划主要包括IT平台、软件系统与自动化三个方面，通过过程控制、生产运营管理和决策分析三层应用，逐步推进企业建立精细、精准、高效、智慧的管控模式，实现从传统工厂到智能工厂的转型。贵冶智能工厂融合互联网与智能制造的基础技术，基于用友工业Paas云平台（iuap）打造［3］，通过与第三方软件系统、智能采集设备或传感器、数字化生产设备、数字化检测设备、数字化检验设备等的集成，构建企业智能化平台，是实现工厂转型升级、提质增效、绿色发展的重要途径和支撑。

在江铜“追求绿色可持续发展”战略下，贵冶致力于构建“效率最高、技术最优、能耗最小、成本最低、环保最好”的铜冶炼新模式。安全环保是企业生存发展之根本，节能降耗是企业降低成本、提高效益的重要途径。智能工厂建设，安环和能源是其不可或缺的重要组成部分。安环、能源支撑系统的建设应充分利用企业现有资源补足短板，并确保其先进性、可靠性、兼容性和可扩充性。

2 智能工厂安环、能源支撑系统

2.1 概述

贵冶所属鹰潭市是国家新型工业化物联网产业示范基地。市政府明确表示要以窄带物联网（NBIoT）为技术主线，加强物联网技术在企业中的应用，支持贵冶智能化工厂改造项目，加快推动物联网技术在传统制造企业中的示范应用。NB-IoT技术是移动物联网家族的一员，其功耗低、连接广、信号传输稳定，是5G的前奏和基础［4］。移动、联通、电信三大运营商已在鹰潭建成三张NB-IoT网络，开通的NB-IoT基站已实现城区、县城、乡镇全域覆盖。在充分考虑贵冶实际情况的基础上，充分利用NB-IoT技术为工业生产更好的服务，贵冶安环、能源支撑系统搭建了一个采用NB-IoT技术的系统平台，用于采集现场的流量、液位、pH、噪音等检测数据。

贵冶现有生产工艺以DCS系统控制为主，辅以PLC控制，经过多年的优化改造，备用的I/O通道已经不多。除电能表外，其他介质能源计量仪表大多与生产工艺紧密相关，这些计量仪表均接入各相应区域的DCS/PLC系统，安环监测数据的采集也由DCS/PLC系统完成。贵冶配备有PI实时数据库系统，PI系统采集由DCS、PLC等上传的生产过程数据，通过浏览器访问PI系统，管理和技术人员可通过办公网络了解当前和历史的生产运行状况。智能工厂云平台已明确要求通过PI数据库统一接收生产过程数据，安环、能源支撑系统新增数据都必须采入PI系统。

2.2 在线检测仪表NB-IoT技术应用

基于蜂窝的窄带物联网（NB-IoT）是物联网的一个重要分支，只占用很窄的带宽（大约180KHz），可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级［5］。

物联网时代万物互联，传统的宽带网络无法支撑数量庞大的传感器进行数据传输。NB-IoT技术可满足对低功耗、长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务［6］，更适合静态、对时延低敏感、非连续移动和对实时性要求不高的数据传输应用场景。NB-IoT技术在工业制造领域的应用也是政府鼓励探索的课题。

智能工厂需要在原有安环监视平台上增加在线检测、分析仪表，这些设备主要用于废水管理、废气、固废及环境空气管理、职业卫生及重要危险源管控的自动监测、分析等。新增安环在线检测装备主要有厂房内和厂界噪音监测仪、pH计、二氧化硫浓度监测仪、粉尘监测仪、酸雾在线检测仪、雷达液位计和超声波液位计等。能源系统也需要增加和更新大量的电能表以及流量计。考虑到电能表计安装在配电室取电方便，且对实时性要求较高，因此没有将NB-IoT技术应用于全厂电力SCADA系统。

因为安环监视系统的厂界噪音监测位于厂界四周，信号接入DCS/PLC系统、供电比较困难，施工难度大，所以采用NB-IoT技术采集数据，并且使用太阳能供电。部分不需要实时监测的雷达液位计和pH检测也采用NB-IoT进行数据采集。

此次新增的流量计大部分位于电解车间和新材料车间，只用于水、蒸汽、杂用风等介质的能源计量，这些对实时性要求不高的流量计仪表采用NB-IoT进行数据采集。

选择以上检测装备采用NB-IoT技术无线传输检测数据，每隔一个小时将数据发送到NB-IoT物联网数据管理平台，通过NB-IoT软件平台送入PI数据库系统。

NB-IoT技术的应用可带来以下好处：

（1）减少电缆敷设，缩短施工周期。

（2）避免现有DCS/PLC控制系统的扩建，因为需要增加的I/O点较多，可能造成DCS/PLC控制系统扩建的困难。将来我们还可以扩大NB-IoT的应用范围，例如电缆中间接头的温度监测等。

其他需要实时监控的安环检测仪表和能源系统计量流量采用模拟信号或FF总线接入DCS/PLC系统。

智能工厂基于NB-IoT技术的物联网数据管理平台，其数据采集和上传的过程如下：

（1）远传设备RTU与现场仪表（电磁流量计、涡街流量计、噪音监测仪等）通过RS-485（MODBUS协议）或4～20mA.DC通讯方式进行数据传输。

（2）远传设备RTU采集的数据通过NB-IoT无线网络上传到电信公司，工厂NB-IoT数据服务器通过有线网络从电信公司取回数据并解包。

（3）PI数据库经过防火墙隔离过滤读取NBIoT数据管理平台数据。

图1 NB-IoT数据传输系统图

图2 太阳能供电的噪音仪

图3 NB-IoT数据平台采集到的现场数据

2.3 全厂电力SCADA系统

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统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，实现“四遥”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系统发展也不完全相同［7］。SCADA系统广泛应用于电力系统，是能源管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，建立企业完善的电力SCADA系统是智能工厂必须具备的条件。

贵冶有两座110kV总降、34个6kV配电室和约70个380V配电室。2个总降各为一个独立的系统，分别为工厂两个生产系统供电，两个系统 6kV中性点接地方式不同不能并列运行。除2个总降建有独立的较为完善的监控系统外，大部分配电室都没有进行数据通讯和监控。6kV及以上继电保护装置均采用微机保护装置，但品牌较多且个别品牌的产品线时间跨度很大。在6kV配电室仍装有许多机械式电能表，而且有的回路采用综保装置来进行能源计量，电能表的配备不能满足工序能耗考核更达不到班组能耗考核的要求。

SCADA系统建设根据工厂生产的实际情况和项目建设周期分步骤进行，一期构建一个完善的6kV及以上监控系统的框架，补齐和更新所有6kV配电室的多功能电能表，低压部分表计以二系统为主，在试点车间配备齐全的表计以满足班组能耗考核要求。一系统低压部分待智能工厂二期配备完善。

全厂电力SCADA系统主要功能如下：

（1）将全厂2个110kV总降、所有6kV配电室、约70个380V配电室子站系统连接，建立全厂电力SCADA系统，实现对工厂供配电系统的数据采集及监视控制等管理功能。

（2）通讯骨干网络按光纤自愈双环网网络架构搭建配置，即110kV总降、全厂6kV配电室采用光纤环网交换机接入光纤自愈双网。各6kV配电房的直流系统、微机综保、小电流接地选线装置等通过通信管理机接入光纤自愈双网；380V配电室子站智能电表及马达保护装置通过智能通信采集控制器和光纤收发器接入光纤双环网。。

图4 全厂电力SCADA系统示意图

（3）2个总降原有监控系统通过104规约接入。

（4）高低压电能表的接入及数据采集，政府补贴项目安装的电能表从其数据采集器网口读取数据。

（5）各品牌继电器保护装置（主要为美国SEL、南京因泰莱、GE、万利达）、监控计量装置等设备接入集控系统并提供相对应的软件驱动模块二次开发，实现四遥功能。不同规约、不同品牌的智能装置不能配置在同一网段。

（6）SCADA系统通过OPC协议将实时数据发送给PI数据库系统，SCADA系统的报警记录写入中间数据表由PI系统读取。

（7）配置WEB服务器，在办公网络通过浏览器可监视工厂供配电系统状况及读取电力报表等。

3 结语

智能工厂建设对企业安环、能源管理系统提出了更高要求，对数据获取的支撑系统进行扩充和升级改造是构建完善的安环、能源系统的基础。目前NB-IoT和SCADA系统平台建设已经完成，数据已经打通。窄带物联网NB-IoT技术适用于DCS、PLC基础系统不作升级下的能源计量和环境监测；电力SCADA系统框架、关键设备、通讯与采集方式选择等在保持技术先进性的同时还应充分考虑稳定、可靠性和兼容性、扩充性。贵冶电力SCADA系统改造和新增仪表的安装涉及面广，需在不影响生产的情况下进行，实施难度较大，类似情况的企业可考虑有计划分阶段实施。智能工厂的建设，需要不断的探索和实践新的技术和设备。