1　背景

1.1　項目概要

東北某電廠(chǎng)承擔其所在城市的供暖，供暖系統除電廠(chǎng)內的換熱設備外，還包含散布在城市各個(gè)區域的72個(gè)配熱站。配熱站有兩種：一種是配熱站，每個(gè)站有3~4個(gè)閥門(mén)和10~14個(gè)檢測模擬量，主要是進(jìn)水溫度、進(jìn)水壓力、進(jìn)水流量和每個(gè)分支的出水溫度、出水壓力和出水流量。另一種是升壓配熱站，除了配熱站的設備外還有兩臺升壓泵，兩臺升壓泵采用一用一備方式工作。電廠(chǎng)規劃了一套城市智能供暖系統，將場(chǎng)內供熱設備以及城市的72個(gè)配熱站里所有閥門(mén)和傳感器進(jìn)行監控和智能化控制。整個(gè)項目分兩部分：第一部分為建設整套城市供暖的監控系統；第二部分借助智能化策略實(shí)現恒溫供暖，解決城市供暖不均勻，離電廠(chǎng)近的區域供暖溫度高，離電廠(chǎng)遠的區域供暖不足的情況。和利時(shí)承擔第一部分工程工作，實(shí)現在電廠(chǎng)供熱控制室對整個(gè)城市的供暖系統進(jìn)行監控，同時(shí)將供暖系統數據上傳至城市市政部門(mén)。經(jīng)過(guò)初期論證方案，決定使用和利時(shí)4G通訊模塊解決72個(gè)配熱站的就地系統通訊問(wèn)題。

1.2　網(wǎng)絡(luò )結構

本項目的網(wǎng)絡(luò )結構本質(zhì)上還是星型以太網(wǎng)結構。網(wǎng)絡(luò )核心在電廠(chǎng)熱網(wǎng)集控室內，集控室布置2臺歷史站、1臺工程師站、2臺操作員站、2套接口站，1面網(wǎng)絡(luò )電源柜以及2面控制柜。一套接口站負責與市政部門(mén)通訊，將系統數據上傳市政部門(mén)；一套接口站負責通過(guò)4G網(wǎng)關(guān)與72個(gè)配熱站進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊。72個(gè)配熱站每個(gè)站布置一面就地控制柜。為了保證系統運行安全，所有就地控制柜都布置一對主控，所有閥門(mén)調節邏輯和保護邏輯在就地主控里，即使通訊中斷，就地控制器也能保證閥門(mén)根據預定保護邏輯進(jìn)行開(kāi)關(guān)。除了DPU、I/O模塊外，每面控制柜布置有2臺小型交換機和1臺4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。其網(wǎng)絡(luò )結構圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò )結構圖

為了實(shí)現就地控制柜與集控室的通訊，在每個(gè)控制柜內布置1臺4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，在集控室布置一臺4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，整個(gè)系統有73個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。所有就地控制柜通過(guò)4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)與集控室的控制器進(jìn)行通訊。4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)對于維護工程師來(lái)說(shuō)就是一根虛擬的網(wǎng)線(xiàn)，將72個(gè)就地控制站和2個(gè)本地控制站虛擬到一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò )里。在維護狀態(tài)下可以實(shí)現在電廠(chǎng)的熱網(wǎng)控制室內修改整個(gè)城市72個(gè)就地站的邏輯，及調節參數。在控制狀態(tài)下，可以實(shí)現熱網(wǎng)操作員對整個(gè)熱網(wǎng)系統的所有參數進(jìn)行監視，同時(shí)對所有受控設備進(jìn)行控制。

1.3　項目對無(wú)線(xiàn)通訊的要求

由于是電廠(chǎng)的控制系統，同時(shí)通訊須采用公網(wǎng)，所以通訊的可靠性和安全性是本項目的重點(diǎn)。針對系統對通訊的可靠性以及安全性的要求，同時(shí)在安全性保證的前提下努力提高通訊的易用性，研發(fā)人員做了大量的開(kāi)發(fā)工作。為了達到控制系統的通訊要求，主要需要滿(mǎn)足以下幾個(gè)功能：

（1）主站要與72個(gè)就地控制站進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，由于設備簡(jiǎn)單，一個(gè)站與集控室只有20~30個(gè)WORD類(lèi)型的變量進(jìn)行通訊，控制數據量不大。如果維護時(shí)遠程工程師站需要上傳或下載邏輯，在上傳和下載階段數據量要求高。

（2）需要達到電廠(chǎng)對控制系統的數據安全要求，通訊需要具有管理措施，有權限的設備才能通訊，同時(shí)通訊數據需要加密傳輸，需要具有網(wǎng)絡(luò )安全的保證。

（3）需要具有遠程維護能力，當就地設備的邏輯或者控制參數需要調整時(shí)，不需要電廠(chǎng)人員開(kāi)車(chē)到72個(gè)就地控制站分別下裝，要能夠實(shí)現在電廠(chǎng)控制室遠程修改每個(gè)就地站的控制邏輯。

2　項目實(shí)施

2.1　實(shí)現DCS系統的遠程維護

DCS系統在設計時(shí)都是運行在2層數據交換的環(huán)境中，而如果需要利用4G網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品對DCS系統進(jìn)行遠程下裝，則數據需要進(jìn)行3層數據交換。在項目開(kāi)始時(shí)發(fā)現普通的4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡無(wú)法實(shí)現遠程控制器的遠程互聯(lián)功能，并且目前大部分4G無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品都無(wú)法直接實(shí)現DCS系統的遠程數據監控和數據下裝。和利時(shí)經(jīng)過(guò)一年多的探索和研發(fā)，在4G網(wǎng)關(guān)內虛擬了一個(gè)2層數據交換的環(huán)境，雖然所有的無(wú)線(xiàn)用的是4G網(wǎng)絡(luò )，但是所有的以太網(wǎng)口都屬于一個(gè)網(wǎng)段。雖然操作員站、集控室控制站和72個(gè)配熱站控制器分布在整個(gè)城市，但是對于維護工程師來(lái)說(shuō)，在線(xiàn)監視功能能夠實(shí)現如74個(gè)控制站布置在一個(gè)房間的效果。疫情期間，和利時(shí)工程師實(shí)現了在西安基地辦公室修改東北現場(chǎng)控制站里的邏輯。在試驗環(huán)境下，在新疆的工程師下裝西安研發(fā)中心里的主控邏輯以及在新疆強制西安控制器里的某個(gè)測點(diǎn)，幾乎覺(jué)察不到操作延時(shí)。

2.2　如何保證通訊的可靠連接

由于是監控系統，數據連接的可靠性顯得尤其重要，需要控制系統全年365天，24小時(shí)都可以進(jìn)行可靠性通訊。在無(wú)線(xiàn)通訊側，和利時(shí)的4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)實(shí)現了以下幾個(gè)功能：

（1）通訊包的確認及重發(fā)機制。每個(gè)數據通訊包發(fā)送方都必須收到接收方的確認信息后才認為發(fā)送結束，當沒(méi)有收到接收方的確認信息時(shí)會(huì )自動(dòng)重新發(fā)送。

（2）通訊中斷重撥機制。兩個(gè)4G網(wǎng)關(guān)之間先建立數據連接，再進(jìn)行數據通訊。當多次發(fā)送依然無(wú)法收到確認時(shí)，網(wǎng)關(guān)會(huì )自動(dòng)撥號，重新建立連接。

（3）通訊狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測機制。4G網(wǎng)關(guān)具有開(kāi)關(guān)量接線(xiàn)端子，當網(wǎng)關(guān)檢測到通訊中斷時(shí)重新?lián)芴?，同時(shí)通過(guò)DO端子向外輸出報警信息，對操作員發(fā)出提醒。

2.3　如何達到控制系統的安全要求

雖然熱網(wǎng)控制系統與電廠(chǎng)的主機DCS系統完全隔離，電廠(chǎng)對熱網(wǎng)控制系統的安全要求也非常高。為了達到電廠(chǎng)對通訊的的安全要求，和利時(shí)的研發(fā)人員專(zhuān)門(mén)針對無(wú)線(xiàn)通訊系統開(kāi)發(fā)了無(wú)線(xiàn)通訊管理系統，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊管理系統對整個(gè)系統的無(wú)線(xiàn)通訊進(jìn)行管理。無(wú)線(xiàn)通訊系統通過(guò)以下幾個(gè)方面實(shí)現安全通訊：

（1）系統聯(lián)通管理，設置具有連接權限的用戶(hù)名及密碼設置通道號。配對可以進(jìn)行通訊的4G網(wǎng)關(guān)。同時(shí)在聯(lián)通管理軟件里對通訊狀態(tài)進(jìn)行監控，對通訊狀態(tài)進(jìn)行檢查，如發(fā)現非法連接嘗試立即報警。同時(shí)管理軟件可以隨時(shí)關(guān)閉已經(jīng)建立好的連接。

（2）VPN連接加密功能。在使用計算機進(jìn)行遠程下裝時(shí)需要使用VPN功能，使用授權的用戶(hù)名和密碼建立VPN，所有工程師站與主控之間的通訊數據都是加密的，以此保證了數據安全。

（3）所有相互通訊的4G網(wǎng)關(guān)，在撥號完成后都需要相互認證，根據軟件配置信息，只有軟件配置的MAC地址相同、通道號相同、SIM卡號碼正確的4G網(wǎng)關(guān)才能通訊。4G網(wǎng)關(guān)只響應設置好的撥號連接，不響應其他SIM卡的連接請求。就地的72個(gè)網(wǎng)關(guān)都只能和集控室的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊，72個(gè)網(wǎng)關(guān)之間不能進(jìn)行通訊。

3　應用難點(diǎn)及解決思路

（1）DCS系統通訊時(shí)在無(wú)線(xiàn)信號不好時(shí)常見(jiàn)通訊故障及解決方案

由于DCS系統的以太網(wǎng)通訊一直運行在二層交換的局域網(wǎng)內，對網(wǎng)絡(luò )的延時(shí)判斷非常嚴格。當和利時(shí)的DCS在主控或歷史站監測到數據通訊的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)超過(guò)400毫秒時(shí)就會(huì )判斷網(wǎng)絡(luò )故障報警，嚴重時(shí)會(huì )調用網(wǎng)絡(luò )故障處理程序初始化DPU上的以太網(wǎng)端口。而通過(guò)4G電臺通訊時(shí)，由于需要把2層交換通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行兩次轉發(fā)以及多個(gè)無(wú)線(xiàn)4G基站間的數據交換，網(wǎng)絡(luò )延時(shí)往往超過(guò)400毫秒。即使經(jīng)過(guò)研發(fā)對無(wú)線(xiàn)數據優(yōu)化后在無(wú)線(xiàn)信號強的時(shí)候網(wǎng)絡(luò )延時(shí)為300毫秒～400毫秒，在雷雨或大風(fēng)天氣時(shí)網(wǎng)絡(luò )延時(shí)往往超過(guò)500毫秒，系統經(jīng)常報網(wǎng)絡(luò )通訊故障的報警。為了解決這個(gè)問(wèn)題，和利時(shí)無(wú)線(xiàn)4G網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)進(jìn)行Modbus通訊和以太網(wǎng)通訊，4G網(wǎng)關(guān)同時(shí)具備2種數據接口，可以同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò )傳輸Modbus接口的數據和以太網(wǎng)接口的數據。Modbus數據包小，對網(wǎng)絡(luò )延時(shí)的容忍度高，即使網(wǎng)絡(luò )延時(shí)超過(guò)1秒也不會(huì )引起重新建立聯(lián)接，Modbus數據用于傳輸控制數據。

（2）由于要借助網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的通訊基站，在運營(yíng)商維護時(shí)需要保證通訊正常

城市里4 G 網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的基站分布較密集，當一個(gè)基站進(jìn)行檢修時(shí)4G網(wǎng)絡(luò )會(huì )通過(guò)重新建立連接的方式尋找信號最強的基站進(jìn)行通訊。在城市邊緣或某些基站密度不足的地方，如果遇到運營(yíng)商維修基站，停止基站服務(wù)時(shí)將會(huì )對控制產(chǎn)生影響。為了應對該種情況的發(fā)生，在這類(lèi)地區和利時(shí)設計了雙無(wú)線(xiàn)通訊系統，即采用兩套通訊裝置，一套采用移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò )，一套采用電信4G網(wǎng)絡(luò )，具體如圖2所示。

圖2 通訊裝置示意圖

（3）為防止網(wǎng)絡(luò )攻擊，在系統不需要維護時(shí)關(guān)閉以太網(wǎng)通訊

雖然和利時(shí)已經(jīng)采用了一系列數據加密、通訊管理的措施保證網(wǎng)絡(luò )安全，電廠(chǎng)的檢修人員依然希望采用更可靠的措施加強網(wǎng)絡(luò )安全。4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)可以有兩種通訊模式：模式一只有Modbus報文可以通過(guò)，以太網(wǎng)方式不能通過(guò)；模式二是以太網(wǎng)方式和Modbus方式都可以通過(guò)?？紤]到Modbus通訊是有變量表的，如果沒(méi)有變量表即使破譯了VPN也無(wú)法識別內部報文信息，整體通訊非?？煽?，不容易被攻擊。以太網(wǎng)通訊方式雖然有操作員用戶(hù)名、密碼、通道號的認證，同時(shí)又有VPN的加密保護，但對于專(zhuān)業(yè)的、有針對性的攻擊仍然不可避免。為了進(jìn)一步加強可靠性，和利時(shí)的研發(fā)人員在4G網(wǎng)關(guān)里做出了切換指令輸入端口，即通過(guò)控制系統實(shí)現模式一與模式二之間的互相切換，而這種切換的條件是可以寫(xiě)到就地DPU控制器里。如當工程師需要進(jìn)行遠程維護時(shí)，可以通過(guò)控制系統使某個(gè)模擬量數值等于某個(gè)預設值（例如3200），通過(guò)DCS內部邏輯發(fā)出DO指令觸發(fā)繼電器，對就地4G電臺進(jìn)行操作，使電臺從模式一切換到模式二狀態(tài)。在完成維護后，隨時(shí)把模擬量改成其他值，就可通過(guò)DO繼電器將電臺從模式二切換成模式一。

4　效益分析

整個(gè)系統調試完成后，實(shí)現了電廠(chǎng)工程師在電廠(chǎng)控制室監控整個(gè)城市72個(gè)配熱站設備的監控功能，系統運行可靠，數據實(shí)時(shí)性滿(mǎn)足控制要求。施工上，避免了電廠(chǎng)向整個(gè)城市鋪設光纜，節省了大量的設備費用和施工費用。功能上，電廠(chǎng)的檢修人員再也不需要每天開(kāi)車(chē)到各個(gè)配熱站檢查就地設備的運行情況及現場(chǎng)抄表和調整閥門(mén)開(kāi)度。由于具備遠程維護功能，工程師也無(wú)需拿著(zhù)電腦到就地各個(gè)站點(diǎn)檢查邏輯和修改參數，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )遠程完成這些工作。目前和利時(shí)研發(fā)人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，相比4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò )時(shí)延更小，通訊更可靠。

5　結語(yǔ)

本項工程是和利時(shí)在無(wú)線(xiàn)控制系統上的進(jìn)一步嘗試，利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠程維護，讓遠程維護工作更安全、可靠，是和利時(shí)的工程人員和研發(fā)人員一年多的緊密配合刻苦攻關(guān)取得的成果。

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年9月刊