1　目標和概述

當今企業(yè)隨著(zhù)規模的不斷擴大，其運營(yíng)采用總分架構或者在偏遠地區設置無(wú)人值守自動(dòng)化基站工廠(chǎng)越發(fā)常見(jiàn)，企業(yè)面臨著(zhù)諸多挑戰。在方便、跨界、安全、可靠地采集、傳輸來(lái)自工業(yè)現場(chǎng)的大量異構實(shí)時(shí)、歷史數據的同時(shí)，還需要充分考慮通訊網(wǎng)絡(luò )的復雜性、不穩定性。如何實(shí)現分廠(chǎng)的數據有效傳輸與互聯(lián)互通、無(wú)人值守站設備遠程運維與故障診斷，成為企業(yè)亟需解決的難題。

建設智能工廠(chǎng)，需充分應用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、工業(yè)控制與優(yōu)化軟件、工業(yè)大數據等技術(shù)，“總體規劃、分步實(shí)施、持續優(yōu)化”，主要有以下需求：

（1）數據采集

工業(yè)數據互聯(lián)互通是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著(zhù)制造業(yè)的轉型升級，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展全面滲透到了工業(yè)制造的各個(gè)領(lǐng)域，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現制造領(lǐng)域實(shí)體間的全面互聯(lián)互通，將為制造領(lǐng)域中數據信息的流動(dòng)提供通道，為制造領(lǐng)域的創(chuàng )新應用模式提供支撐，從而促進(jìn)工業(yè)資源的優(yōu)化配置，推動(dòng)企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，提升產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟附加值。

（2）安全傳輸

工業(yè)云平臺以及數據中心涉及到智能設備的接入，這些設備可能存在非法接入、非法控制、連接竊聽(tīng)等問(wèn)題。攻擊者可以利用智能設備對工業(yè)云系統進(jìn)行攻擊。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商應根據不同的數據類(lèi)型以及業(yè)務(wù)部署情況，采用相關(guān)技術(shù)手段來(lái)保證通信過(guò)程中的機密性、完整性和有效性，防止數據在網(wǎng)絡(luò )傳輸過(guò)程中被竊取或篡改，并保證合法用戶(hù)對信息和資源的有效使用。

（3）遠程診斷

隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，國內越來(lái)越多的工業(yè)企業(yè)采用了DCS作為生產(chǎn)過(guò)程控制系統。一方面需要定期了解控制系統的監控狀況和診斷報告，另一方面，當DCS系統出現故障時(shí)，用戶(hù)需要DCS維護人員的技術(shù)支持，特別是供應商的支持。如果企業(yè)用戶(hù)的DCS在需要時(shí)能夠立即與技術(shù)維護人員取得一對一的直接連接，由DCS供應商的系統技術(shù)專(zhuān)家對系統進(jìn)行遠程診斷和維護。這對于及時(shí)排除系統故障和隱患，節省系統維護費用，保證系統長(cháng)期穩定、可靠地運行具有重要意義。

（4）云化應用

隨著(zhù)工業(yè)4.0推進(jìn)，企業(yè)信息化、數據化已成大勢，這個(gè)過(guò)程需要收集、分析海量數據，使用云服務(wù)對數據進(jìn)行存儲使用是最佳的解決方案。工業(yè)數據上云之后可以憑借IT和OT的有效融合，充分發(fā)揮云平臺優(yōu)勢，借助最新數據分析技術(shù)和智能預測等手段，為工業(yè)客戶(hù)提供基于人工智能的解決方案，在降低能耗、提升效率、減少成本、提高產(chǎn)值方面助力，引領(lǐng)工業(yè)4.0。

中控技術(shù)推出的控制系統云平臺一體化監控診斷解決方案，依托靈活的工業(yè)云平臺新技術(shù)，通過(guò)本質(zhì)安全的中控技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采集現場(chǎng)數據，同時(shí)提供云平臺專(zhuān)業(yè)應用服務(wù)開(kāi)發(fā)，讓用戶(hù)輕松實(shí)現云端SCADA系統診斷和生產(chǎn)監控。同時(shí)適配最新IT技術(shù)，提供多終端實(shí)時(shí)查看診斷數據和生產(chǎn)數據的方式，增加了用戶(hù)的便利性、透明度。

2　解決方案介紹

控制系統云平臺一體化監控診斷解決方案采用中控技術(shù)自主開(kāi)發(fā)的軟硬件體系，特別是自主物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)內置防火墻功能，能夠保證數據在復雜網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中傳輸的安全性。解決方案采用微服務(wù)架構，有助于將復雜應用解耦為小而專(zhuān)的服務(wù)，具有極強的橫向擴展能力，方便用戶(hù)后期擴容改造。同時(shí)系統開(kāi)發(fā)采用標準Docker容器化應用引擎，可無(wú)縫對接多家知名云平臺服務(wù)商，降低用戶(hù)數據平臺遷移的成本。產(chǎn)品體系目前采用靈活多變的授權模式，可根據用戶(hù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求提供專(zhuān)用服務(wù)定制開(kāi)發(fā)，或者提供云平臺一體化托管交付。

控制系統云平臺一體化監控診斷解決方案系統架構圖如圖1所示。

圖1 控制系統云平臺一體化監控診斷解決方案系統架構

在實(shí)際應用過(guò)程中，中控技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)部署在項目現場(chǎng)，負責采集現場(chǎng)各種控制系統的實(shí)時(shí)數據，通過(guò)MQTT等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議傳送到通用云平臺。在云平臺上面運行中控技術(shù)開(kāi)發(fā)定制的各種微服務(wù)應用，將現場(chǎng)數據分類(lèi)存儲在實(shí)時(shí)數據庫、歷史數據庫以及診斷數據庫等，然后通過(guò)標準接口供其他服務(wù)調用數據。例如當用戶(hù)調控中心通過(guò)云平臺實(shí)時(shí)觀(guān)察到某個(gè)設備處于危險運行狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)遠程下達調度指令，經(jīng)現場(chǎng)確認后，執行關(guān)閉閥門(mén)等安全措施解除現場(chǎng)報警，使系統始終處于平穩運行狀態(tài)。

控制系統云平臺一體化監控診斷解決方案主要由以下四部分組成：

（1）中控云服務(wù)安全智能終端

中控云服務(wù)安全智能終端是實(shí)現中控云診斷、云監控服務(wù)的基礎硬件設施。該網(wǎng)關(guān)作為工業(yè)控制系統與互聯(lián)網(wǎng)的接口，具備增強的網(wǎng)絡(luò )安全特性，自主嵌入式微內核操作系統，內置防火墻功能，支持基于自主研發(fā)深度通訊包檢測的訪(fǎng)問(wèn)控制技術(shù)，用于遠程設備數據的采集和接入云平臺，是一款高度集成數據采集、4G/5G接入、遠程診斷維護、防火墻和VPN功能、易擴展的工業(yè)級多端口業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)。

中控云服務(wù)安全智能終端采集現場(chǎng)各種工業(yè)異構數據，轉換成物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，通過(guò)有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)等多種途徑發(fā)送給遠端的SCADA展示平臺，既可以實(shí)現傳統的集中式監控，也可以部署在云端等工業(yè)云平臺。在該方案中智能終端的主要功能是：數據采集、協(xié)議轉換、安全傳輸。

（2）云運維服務(wù)

如果現場(chǎng)出現控制系統故障，中控云運維服務(wù)（VxCloud-RDMS）也可以及時(shí)識別由現場(chǎng)終端向智能診斷平臺發(fā)送的遠程診斷和維護請求，并在智能診斷平臺內部迅速完成安全遠程維護診斷通道的建立?；诎踩h程維護診斷通道，中控技術(shù)的支持專(zhuān)家、支持工程師可協(xié)同用戶(hù)工作人員一起觀(guān)察操作站屏幕，實(shí)施監控、主控卡和模塊（通道）診斷、數據分析等工作。最終反饋給用戶(hù)專(zhuān)業(yè)的故障解決建議、運行數據分析報告/報表，及時(shí)發(fā)現/消除故障點(diǎn)，避免發(fā)生重大損失和事故。云運維結構如圖2所示。

圖2 云運維結構示意圖

（3）云監控服務(wù)

對于通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采集來(lái)的實(shí)時(shí)數據，可以通過(guò)中控云監控服務(wù)（VxCloud-SCADA）在云平臺上定制開(kāi)發(fā)數據存儲、流程展示、數據報警、趨勢查詢(xún)、報表管理等基礎功能微服務(wù)，實(shí)現云端數據的實(shí)時(shí)展示。

圖3是目前針對云監控應用可提供的服務(wù)模塊。

圖3 云監控應用可提供的服務(wù)模塊

（4）云診斷服務(wù)

對于通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采集來(lái)的系統診斷數據，可以通過(guò)中控云診斷服務(wù)（VxCloud-DIAG）在遠端實(shí)時(shí)掌握控制系統運行情況。針對控制系統控制器/主控卡、網(wǎng)關(guān)/數據轉發(fā)卡等通訊卡、I/O卡件、SCNET網(wǎng)絡(luò )、計算機進(jìn)程分析與病毒感染、監控軟件運行等提供診斷信息，中控云診斷服務(wù)會(huì )為用戶(hù)提供月度/季度系統運行報告和診斷報告，同時(shí)提供系統運行效率改進(jìn)建議，對系統整體狀況提供預測性維護指導。

云診斷效果示意圖如圖4所示。

圖4 云診斷效果示意圖

控制系統云平臺一體化監控診斷解決方案通過(guò)以下技術(shù)手段保證通信的機密性、完整性，防止數據在網(wǎng)絡(luò )傳輸過(guò)程中被竊取或篡改，并保證合法用戶(hù)對信息和資源的有效使用。

（1）網(wǎng)關(guān)內置防火墻，支持對云端交互命令進(jìn)行深度解析，支持ModBus協(xié)議和采集軟件協(xié)議深度解析，一旦發(fā)現非法命令和數據時(shí)將拒絕通訊，從而保證系統安全性。

（2）網(wǎng)關(guān)支持如TLS、IPSec VPN等不同的加密技術(shù)來(lái)保證安全性，提供一系列數據加密、身份驗證、數據完整性校驗機制，保證通信數據的機密性。

• TLS能為兩個(gè)通信應用程序提供數據加密、身份驗證、數據完整性校驗，同時(shí)網(wǎng)關(guān)模塊又在數據機密和身份驗證上做了進(jìn)一步優(yōu)化，比如每個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊簽發(fā)唯一證書(shū)，采用客戶(hù)端/服務(wù)器雙向認證機制，限制非法設備接入或者接入非法第三方服務(wù)器；同時(shí)配合證書(shū)安全管理機制，防止在極端情況下證書(shū)泄露造成的數據外泄。

• 云網(wǎng)關(guān)和云平臺可以通過(guò)4G或寬帶的方式建立VPN通道?；贗PSec VPN協(xié)議，通過(guò)包封裝技術(shù)利用路由地址封裝內部網(wǎng)絡(luò )的IP地址，實(shí)現異地網(wǎng)絡(luò )的互通虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )。

（3）VxCloud云應用系統的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統具備低復雜度、高安全性、高穩定性、高魯棒性的特點(diǎn)。在數據傳輸方面，系統默認只支持單方向數據傳輸，即采集軟件通過(guò)云網(wǎng)關(guān)主動(dòng)向云平臺傳輸數據，不支持反向操作。在保證全部功能的同時(shí)，不主動(dòng)開(kāi)放服務(wù)端口，增加系統安全性。

3　代表性及推廣價(jià)值

3.1　船舶生產(chǎn)制造案例

某大型船舶生產(chǎn)制造企業(yè)，有多艘船舶位于近海區域實(shí)施機電安裝工程，此類(lèi)工程裝備船舶系統復雜，一旦在遠離陸地的海洋施工現場(chǎng)中出現故障，將導致工程中斷，影響施工進(jìn)度，嚴重時(shí)可能威脅船舶設備及人員安全。同時(shí)結合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢，用戶(hù)正在實(shí)施某品牌的云平臺部署計劃，因此需要將現場(chǎng)生產(chǎn)數據上傳到用戶(hù)云平臺，實(shí)現基于云平臺的遠程監控。

目前中控技術(shù)與用戶(hù)一起現場(chǎng)實(shí)施該項目的系統數據上云服務(wù)，已經(jīng)基本實(shí)現了用戶(hù)對于數據的集中監控需求，系統網(wǎng)絡(luò )拓撲圖如圖5所示。

圖5 系統網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

現場(chǎng)數據采集服務(wù)器通過(guò)數據緩存技術(shù)，可以實(shí)現數據的斷線(xiàn)續傳功能，在網(wǎng)絡(luò )重新恢復后，可以實(shí)現數據的重新上傳，補齊中斷期間數據的缺口。

斷線(xiàn)續傳查詢(xún)如圖6所示。

圖6 斷線(xiàn)續傳查詢(xún)結果

在調控中心部署中控云監控服務(wù)（VxCloudSCADA），用來(lái)接收不同船體發(fā)來(lái)的實(shí)時(shí)數據，實(shí)現數據接入和存儲功能。同時(shí)實(shí)現數據顯示、設備控制和操作、動(dòng)態(tài)流程圖、報警、趨勢、事件、報表等功能。還可以開(kāi)發(fā)定制故障診斷和維護指導知識庫，對于常發(fā)故障提供原因分析和操作指導。系統首頁(yè)如圖7所示。

圖7 系統首頁(yè)界面

系統流程圖如圖8所示。

圖8 系統流程圖

中控技術(shù)額外為用戶(hù)提供了一套遠程運維服務(wù)VxCloud-RDMS，通過(guò)衛星信號連接到陸地的總部，總部技術(shù)人員可以進(jìn)行日常的系統巡檢和現場(chǎng)問(wèn)題排查等工作。如圖9所示。

圖9 VxCloud-RDMS與陸地總部連接頁(yè)面

基于VxCloud-RDMS遠程運維服務(wù)，用戶(hù)可以在緊急的時(shí)候連接到海上任何一條船舶的系統操作站上進(jìn)行遠程維護。同時(shí)，通過(guò)必要的權限控制，用戶(hù)可以邀請更專(zhuān)業(yè)的系統供應商技術(shù)專(zhuān)家遠程介入，進(jìn)行現場(chǎng)維護。大型船舶生產(chǎn)制造企業(yè)海工智慧裝備平臺滿(mǎn)足了用戶(hù)對多個(gè)遠程工程裝備系統的集中實(shí)時(shí)監控，包括工業(yè)數據的采集、接入、可視化處理、展示與歷史數據的存儲，避免了使用第三方遠程協(xié)助軟件帶來(lái)的不安全性，解決了國內海上船舶作業(yè)無(wú)法遠程實(shí)現專(zhuān)家協(xié)助的難題，為海上船舶的遠程作業(yè)帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟價(jià)值。

3.2　煤化工生產(chǎn)案例

某大型煤化工生產(chǎn)企業(yè)，在整個(gè)廠(chǎng)區（甚至全國各地分廠(chǎng)）分布著(zhù)多套中控技術(shù)控制系統（ECS-700、ECS-100、G3/G5、TCS-900以及JX-300XP）。如何實(shí)時(shí)了解控制系統自身的運行狀態(tài)、準確掌握控制系統動(dòng)態(tài)數據、全方面監控控制系統的運行，是用戶(hù)在生產(chǎn)管理過(guò)程中比較頭疼的事情。中控技術(shù)控制系統云診斷服務(wù)（VxCloud-DIAG）可以為用戶(hù)提供有效的維修建議，提高排查問(wèn)題的效率，為以后的工藝改進(jìn)帶來(lái)幫助，并在響應效率提高的同時(shí)大大減少設備維護成本。項目網(wǎng)絡(luò )架構如圖10所示。

圖10 項目網(wǎng)絡(luò )架構圖

中控技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過(guò)連接防火墻之后的操作網(wǎng)，對控制器數據進(jìn)行識別歸類(lèi)，搜集整理重要的診斷、控制器狀態(tài)以及經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的系統接入型診斷信息，并通過(guò)本地網(wǎng)絡(luò )（LAN以太網(wǎng)，或是VPN的方式）送至企業(yè)內部自建云平臺監控服務(wù)器診斷和監控。另一方面，通過(guò)連接外部互聯(lián)網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò )，將數據送至云端，實(shí)現大數據記錄、存儲和處理功能。還可對全年的云端數據進(jìn)行統計和分析，并給出有針對性的故障預測和故障處理建議。

控制系統可以監控控制站、數據轉發(fā)卡以及I/O卡件的診斷，通過(guò)相應顏色以及對應圖例的顯示來(lái)查看卡件診斷項的情況。如圖11所示。

圖11 系統監控頁(yè)面

通過(guò)篩選公司以及時(shí)間來(lái)查詢(xún)所有系統診斷項的歷史診斷情況，可以按區間（月、季度、年）提供控制系統診斷統計年報，根據診斷信息和故障信息實(shí)時(shí)提供維護建議。如圖12所示。

圖12 控制系統診斷統計年報

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年12月刊