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

朱宏超 王亞婧 戴文波

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

關鍵詞：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)對設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，電廠設有巡回檢查制度（簡稱巡檢），作為電廠運行人員獲取設備運行狀態(tài)第一手資料的主要手段。比如巡檢人員會巡檢抄寫DCS系統(tǒng)、電子設備間、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、高低壓配電柜、變壓器及互感器的溫度、有無報警、模擬量及開關量的狀態(tài)等關鍵點數(shù)據(jù)。

調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)查看發(fā)電機各個關鍵點的溫度等等關鍵信息點。通過對各設備系統(tǒng)的巡檢，檢查其運行狀態(tài)是否良好，是否存在缺陷，能夠及時排除設備隱患，保證設備的穩(wěn)定運行。

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

但運行人員巡檢時記錄各設備參數(shù)還是通過手抄的方式，比如勵磁系統(tǒng)，要記錄勵磁小室環(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、勵磁電壓、勵磁電流、開關狀態(tài)、有無報警等，勵磁變記錄各相電流及溫度，普遍存在耗費時間、易抄錯等缺點，且當下無法直觀查看數(shù)據(jù)的變化趨勢。也有電廠采用條形碼標識電廠設備，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[3]，或者通過掃描設備二維碼調(diào)出需要巡檢項目然后依次填入相應內(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，是信息采集的關鍵部分，主要功能是識別物體、采集信息。與外部網(wǎng)絡隔離的發(fā)電廠設備可借助物聯(lián)網(wǎng)的感知層相關技術實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)信息的單向傳輸，保證安全區(qū)域內(nèi)工業(yè)控制設備的信息安全。

1 技術基礎

ModBus通訊協(xié)議作為工業(yè)領域通信協(xié)議的業(yè)界標準，是工業(yè)控制設備之間常用的通訊方式，電廠現(xiàn)地設備基本支持ModBus通訊協(xié)議，比如DCS系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等都預留有ModBus通訊的接口。通過ModBus通訊協(xié)議進行的數(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。

二維碼是移動設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)符號信息。當前最為流行的二維碼編碼格式為QR Code，具有信息量大、高速識讀、全方位識別、糾錯能力強、支持漢字表示等特點。二維碼在信息標示、內(nèi)容索引、身份識別等多個領域都得到了廣泛應用[5]，是線上線下的一個關鍵入口。通過ModBus協(xié)議單向傳遞的數(shù)據(jù)，進行信息補充后可通過二維碼的方式進行展示。

互聯(lián)網(wǎng)時代，尤其隨著4G和5G技術的廣泛普及，移動智能終端產(chǎn)品也得到了飛速的發(fā)展和應用，已經(jīng)滲透到日常生活的方方面面，人們越來越多的使用移動智能終端處理事務。通過移動終端掃描二維碼的方式，可實現(xiàn)移動網(wǎng)絡與局域網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)信息傳遞。

2 系統(tǒng)構成

局域網(wǎng)內(nèi)的設備包括工業(yè)控制設備和顯示屏，移動網(wǎng)絡內(nèi)的設備包括智能手機以及服務器。顯示屏和智能手機等終端作為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收節(jié)點，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端所在的移動網(wǎng)絡。由于接收端與局域網(wǎng)內(nèi)設備沒有直接網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)了物理隔離的網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)單向傳輸，保證了工業(yè)控制設備的安全性。

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

顯示屏作為中間轉換工具，把數(shù)據(jù)轉換為二維碼顯示。一個二維碼無法顯示所有數(shù)據(jù)時，可按每個二維碼所能包含的數(shù)據(jù)量進行分頁，逐頁轉換為二維碼，連續(xù)在控制設備顯示屏上滾動更新顯示。

巡檢人員可通過智能手機連續(xù)掃描二維碼讀取數(shù)據(jù)到后臺服務器，存儲在接收數(shù)據(jù)庫中。采集到的二維碼被解碼后，根據(jù)頁面信息進行重組，恢復原始數(shù)據(jù)再傳遞給智能手機。智能手機端可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示，同時可以根據(jù)接收數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行實時曲線顯示、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)含義的整合在后臺服務器完成，此種方法可以上送的數(shù)據(jù)量多一些。

另外，如現(xiàn)場配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)，也可實現(xiàn)在集控室遠程掃描二維碼，隨時記錄數(shù)據(jù)，查看數(shù)據(jù)的實時曲線和歷史曲線。

3 結語

文章針對如何優(yōu)化現(xiàn)場巡檢工作，解決目前運行人員巡檢時記錄DCS系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、電子間等關鍵設備參數(shù)還是通過手抄的方式，存在耗費時間、易抄錯等缺點，且當下無法直觀查看數(shù)據(jù)的變化趨勢的技術需求，通過將各設備巡檢時所需要的數(shù)據(jù)通過ModBus通訊協(xié)議上傳至顯示屏，按每個二維碼所能傳遞的數(shù)據(jù)量進行分頁，插入頁面信息后逐頁轉換為二維碼，連續(xù)在顯示屏屏幕上滾動更新顯示。巡檢人員可通過手持設備連續(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)頁面信息進行重組，恢復原始數(shù)據(jù)。由于接收端與內(nèi)網(wǎng)設備沒有直接網(wǎng)絡連接，在保證內(nèi)網(wǎng)工業(yè)控制設備的信息安全、杜絕被公網(wǎng)設備影響的前提下，實現(xiàn)內(nèi)外物理隔離的網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)傳輸，縮短巡檢期間抄寫數(shù)據(jù)的時間，避免抄寫錯誤，自動生成實時曲線顯示及歷史曲線顯示，從而大大提高了工作效率。

參考文獻

[1]馮前. 淺談二維碼巡檢系統(tǒng)在巖灘電廠的應用[J]. 大眾科技，2019，21（10）：46-48，79.

[2]溫志祥，熊廣華，馬恩多. 二維碼在變電站運行工作中的應用探析[J]. 電力系統(tǒng)裝備，2020（1）：112-113.

[3]胖永新. 抽水蓄能電廠設備巡檢系統(tǒng)[C]. //中國水力發(fā)電工程學會電力系統(tǒng)自動化專委會2009年年會暨學術交流會. 2009：128-132.

[4]潘龍. 基于二維碼的智能巡檢系統(tǒng)在電廠的應用[J]. 現(xiàn)代信息科技，2020，4（15）：114-118. DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2020.15.035.

[5]陶孫杰，余濤. 基于二維碼的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計[J]. 計算機科學，2018，45（z2）：587-590.

作者簡介：朱宏超（1981—），男，福建省，研究生，高工，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)。