安全區(qū)域內(nèi)工業(yè)控制設(shè)備單向信息傳遞的實(shí)現(xiàn)

朱宏超 王亞婧 戴文波

摘要：為優(yōu)化電廠的現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)感知層的具體實(shí)現(xiàn)方式，提出一種物理隔離的設(shè)備信息數(shù)據(jù)單向傳遞方法。現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制設(shè)備把巡檢所需記錄的設(shè)備信息數(shù)據(jù)傳遞給顯示屏，顯示屏將其轉(zhuǎn)換為二維碼，接收端通過掃描二維碼接收設(shè)備信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)。此方法在保證內(nèi)網(wǎng)工業(yè)控制設(shè)備的信息安全、杜絕被公網(wǎng)設(shè)備影響的前提下，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)物理隔離設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，在實(shí)時(shí)顯示的同時(shí)還可自動(dòng)生成實(shí)時(shí)曲線顯示及歷史曲線顯示，從而大大提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：巡檢;單向傳遞;物理隔離;二維碼

0 引言

傳統(tǒng)發(fā)電行業(yè)對(duì)設(shè)備的安全可靠性要求較高，通常采用物理隔離的方式保證其數(shù)據(jù)安全性，電廠設(shè)有巡回檢查制度（簡(jiǎn)稱巡檢），作為電廠運(yùn)行人員獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)第一手資料的主要手段。比如巡檢人員會(huì)巡檢抄寫DCS系統(tǒng)、電子設(shè)備間、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、高低壓配電柜、變壓器及互感器的溫度、有無報(bào)警、模擬量及開關(guān)量的狀態(tài)等關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)。

調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)查看發(fā)電機(jī)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度等等關(guān)鍵信息點(diǎn)。通過對(duì)各設(shè)備系統(tǒng)的巡檢，檢查其運(yùn)行狀態(tài)是否良好，是否存在缺陷，能夠及時(shí)排除設(shè)備隱患，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

目前二維碼已應(yīng)用于電廠及變電站等電力行業(yè)的巡檢系統(tǒng)，將設(shè)備及其需要關(guān)注的信息制作成二維碼放置在現(xiàn)場(chǎng)，提升工作效率，加強(qiáng)設(shè)備管理，優(yōu)化管理模式[1，2]，此為在管理方面的優(yōu)化。

但運(yùn)行人員巡檢時(shí)記錄各設(shè)備參數(shù)還是通過手抄的方式，比如勵(lì)磁系統(tǒng)，要記錄勵(lì)磁小室環(huán)境溫度、整流柜電流及溫度、有功無功、電壓給定、觸發(fā)角度、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、開關(guān)狀態(tài)、有無報(bào)警等，勵(lì)磁變記錄各相電流及溫度，普遍存在耗費(fèi)時(shí)間、易抄錯(cuò)等缺點(diǎn)，且當(dāng)下無法直觀查看數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。也有電廠采用條形碼標(biāo)識(shí)電廠設(shè)備，利用掌上電腦采集數(shù)據(jù)，然后借助紅外方式通過串行口上傳到PC機(jī)[3]，或者通過掃描設(shè)備二維碼調(diào)出需要巡檢項(xiàng)目然后依次填入相應(yīng)內(nèi)容后保存[4]，這些方法在操作上還是不夠便利。

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，是信息采集的關(guān)鍵部分，主要功能是識(shí)別物體、采集信息。與外部網(wǎng)絡(luò)隔離的發(fā)電廠設(shè)備可借助物聯(lián)網(wǎng)的感知層相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)信息的單向傳輸，保證安全區(qū)域內(nèi)工業(yè)控制設(shè)備的信息安全。

1 技術(shù)基礎(chǔ)

ModBus通訊協(xié)議作為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，是工業(yè)控制設(shè)備之間常用的通訊方式，電廠現(xiàn)地設(shè)備基本支持ModBus通訊協(xié)議，比如DCS系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等都預(yù)留有ModBus通訊的接口。通過ModBus通訊協(xié)議進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳遞可以只選擇單向模式，最大程度保障發(fā)送數(shù)據(jù)方的數(shù)據(jù)安全。

二維碼是移動(dòng)設(shè)備上流行的一種編碼方式，它用特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面分布的黑白相間的矩形方陣記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息。當(dāng)前最為流行的二維碼編碼格式為QR Code，具有信息量大、高速識(shí)讀、全方位識(shí)別、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、支持漢字表示等特點(diǎn)。二維碼在信息標(biāo)示、內(nèi)容索引、身份識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[5]，是線上線下的一個(gè)關(guān)鍵入口。通過ModBus協(xié)議單向傳遞的數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息補(bǔ)充后可通過二維碼的方式進(jìn)行展示。

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，尤其隨著4G和5G技術(shù)的廣泛普及，移動(dòng)智能終端產(chǎn)品也得到了飛速的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)滲透到日常生活的方方面面，人們?cè)絹碓蕉嗟氖褂靡苿?dòng)智能終端處理事務(wù)。通過移動(dòng)終端掃描二維碼的方式，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與局域網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)信息傳遞。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備包括工業(yè)控制設(shè)備和顯示屏，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備包括智能手機(jī)以及服務(wù)器。顯示屏和智能手機(jī)等終端作為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)，顯示屏用于顯示二維碼發(fā)送數(shù)據(jù)，智能終端用于掃描識(shí)別二維碼接收數(shù)據(jù)，信息從顯示屏所在的局域網(wǎng)傳輸?shù)街悄芙K端所在的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。由于接收端與局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備沒有直接網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)了物理隔離的網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)單向傳輸，保證了工業(yè)控制設(shè)備的安全性。

具有RS485/232接口，支持ModBus通訊協(xié)議的工業(yè)控制設(shè)備和顯示屏，兩者通過RS485/232接口連接。工業(yè)控制設(shè)備將現(xiàn)場(chǎng)巡檢所關(guān)注的數(shù)據(jù)通過ModBus通訊協(xié)議傳輸給顯示屏。

顯示屏作為中間轉(zhuǎn)換工具，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維碼顯示。一個(gè)二維碼無法顯示所有數(shù)據(jù)時(shí)，可按每個(gè)二維碼所能包含的數(shù)據(jù)量進(jìn)行分頁，逐頁轉(zhuǎn)換為二維碼，連續(xù)在控制設(shè)備顯示屏上滾動(dòng)更新顯示。

巡檢人員可通過智能手機(jī)連續(xù)掃描二維碼讀取數(shù)據(jù)到后臺(tái)服務(wù)器，存儲(chǔ)在接收數(shù)據(jù)庫中。采集到的二維碼被解碼后，根據(jù)頁面信息進(jìn)行重組，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)再傳遞給智能手機(jī)。智能手機(jī)端可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)可以根據(jù)接收數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示、歷史曲線顯示、數(shù)據(jù)查詢等操作。

數(shù)據(jù)傳輸流程主要包括數(shù)據(jù)的ModBus通信，二維碼圖像的生成與處理、二維碼圖像的掃描與識(shí)別、數(shù)據(jù)庫的更新。

下面為一種格式內(nèi)容參考示例，其中數(shù)據(jù)部分為勵(lì)磁系統(tǒng)通過ModBus通訊協(xié)議上送給顯示屏的，在顯示屏完成數(shù)據(jù)含義與數(shù)據(jù)部分的整合，然后轉(zhuǎn)換為二維碼。二維碼也可以只包含數(shù)據(jù)部分，與數(shù)據(jù)含義的整合在后臺(tái)服務(wù)器完成，此種方法可以上送的數(shù)據(jù)量多一些。

另外，如現(xiàn)場(chǎng)配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)，也可實(shí)現(xiàn)在集控室遠(yuǎn)程掃描二維碼，隨時(shí)記錄數(shù)據(jù)，查看數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線。

3 結(jié)語

文章針對(duì)如何優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作，解決目前運(yùn)行人員巡檢時(shí)記錄DCS系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、電子間等關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)還是通過手抄的方式，存在耗費(fèi)時(shí)間、易抄錯(cuò)等缺點(diǎn)，且當(dāng)下無法直觀查看數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)的技術(shù)需求，通過將各設(shè)備巡檢時(shí)所需要的數(shù)據(jù)通過ModBus通訊協(xié)議上傳至顯示屏，按每個(gè)二維碼所能傳遞的數(shù)據(jù)量進(jìn)行分頁，插入頁面信息后逐頁轉(zhuǎn)換為二維碼，連續(xù)在顯示屏屏幕上滾動(dòng)更新顯示。巡檢人員可通過手持設(shè)備連續(xù)掃描二維碼讀取數(shù)據(jù)，采集到的二維碼被解碼后，根據(jù)頁面信息進(jìn)行重組，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。由于接收端與內(nèi)網(wǎng)設(shè)備沒有直接網(wǎng)絡(luò)連接，在保證內(nèi)網(wǎng)工業(yè)控制設(shè)備的信息安全、杜絕被公網(wǎng)設(shè)備影響的前提下，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外物理隔離的網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸，縮短巡檢期間抄寫數(shù)據(jù)的時(shí)間，避免抄寫錯(cuò)誤，自動(dòng)生成實(shí)時(shí)曲線顯示及歷史曲線顯示，從而大大提高了工作效率。

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作者簡(jiǎn)介：朱宏超（1981—），男，福建省，研究生，高工，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。