張清林，耿仁波，孫前程，陳其炎，賈沛建

1  前言

    我國是世界最大的以煤炭為主的能源消費國，煤炭占能源總消耗量75%。作為煤炭生產(chǎn)和消費大國，我國煤炭的燃用效率與工業(yè)發(fā)達國家相差較大，主要原因是工業(yè)鍋爐燃燒效率低。據測算，全國中小型鍋爐（35t/h以下）的燃煤量占煤炭年產(chǎn)量的1/3，平均燃燒效率約66%，比工業(yè)化國家的燃煤鍋爐效率低20個(gè)百分點(diǎn)，浪費巨大。工業(yè)鍋爐經(jīng)濟運行作為重點(diǎn)內容，其監測方法是依據國家標準現場(chǎng)測試鍋爐燃燒指標?，F場(chǎng)監測是對鍋爐燃燒狀況進(jìn)行隨機測試，檢測時(shí)間短、人為因素影響大，無(wú)法全面反映鍋爐的經(jīng)濟運行狀況。這種重監督管理，輕實(shí)際效果的方法，已不適應目前市場(chǎng)經(jīng)濟要求。

    工業(yè)鍋爐是用能單位的重要用能設備。由于供熱負荷是變化的，因此應隨著(zhù)負荷的變化及時(shí)調整鍋爐的各項燃燒指標，如排煙溫度、過(guò)量空氣系數、爐膛溫度、風(fēng)量、煤量等，使鍋爐燃燒處于最佳狀態(tài)，保證鍋爐高效率運行，減少煤炭消耗，降低環(huán)境污染。工業(yè)鍋爐遠程監控系統徹底改變了司爐工的習慣操作方式，將鍋爐燃燒的各項主要參數反映在監視器上，為操作人員及時(shí)有效地進(jìn)行燃燒優(yōu)化調整提供了條件和依據。同時(shí)可將數據通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸到能源監測機構，由專(zhuān)業(yè)人員使用專(zhuān)門(mén)軟件在線(xiàn)分析燃燒情況，并將結果反饋給鍋爐操作人員。該系統可以即時(shí)計算出當前狀況下，鍋爐燃煤的浪費量，將對參數的調控直觀(guān)地變?yōu)榻?jīng)濟效益，增強管理和操作人員的責任感和工作意識。

    目前，全國約有在用工業(yè)鍋爐53萬(wàn)余臺，若其中50%的工業(yè)鍋爐使用遠程監控技術(shù)，用以指導工業(yè)鍋爐的經(jīng)濟運行，年節約煤炭約2 000萬(wàn)噸，每年可減少二氧化碳排放1 400萬(wàn)噸，減少二氧化硫排放1.8萬(wàn)噸，大大減輕我國的大氣環(huán)境污染。工業(yè)鍋爐遠程監控技術(shù)在全國推廣使用后其社會(huì )和經(jīng)濟效益巨大，有助于通過(guò)工業(yè)鍋爐能源監測來(lái)控制指導現階段我國工業(yè)鍋爐經(jīng)濟運行。

2  系統構成（如圖1所示）

圖1  工業(yè)鍋爐監控系統結構

     基于工業(yè)鍋爐運行的現狀及國家能源監測標準，工業(yè)鍋爐遠程監控技術(shù)必須建立遠程監測數據平臺，遠程監測數據平臺是實(shí)現工業(yè)鍋爐遠程監控自動(dòng)化系統的核心，是實(shí)現先進(jìn)過(guò)程控制、全流程模擬和能源監測部門(mén)監控鍋爐運行指標的基礎。工業(yè)鍋爐遠程監控數據平臺作為用能單位過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò )與監測機構連接的橋梁，起著(zhù)承上啟下的關(guān)鍵作用，在遠程監測信息化中扮演著(zhù)非常重要的角色。工業(yè)鍋爐遠程監控數據平臺為政府提供了統一而完整的實(shí)時(shí)數據采集、存儲和監視，記錄著(zhù)鍋爐運行過(guò)程及其控制的狀況。鍋爐實(shí)時(shí)監測數據通過(guò)OPC接口向監測機構中央控制室提供科學(xué)、統一的實(shí)時(shí)數據。它采用基于組件的系統開(kāi)發(fā)方法，各個(gè)組件通過(guò)規范的接口組成統一的整體，協(xié)同完成實(shí)時(shí)數據平臺的各項功能。實(shí)時(shí)數據庫采用分布式結構，支持數據庫的動(dòng)態(tài)冗余配置，裝置或者設備可以動(dòng)態(tài)地連接到不同的實(shí)時(shí)數據庫服務(wù)器，單個(gè)系統的失效不會(huì )影響整個(gè)系統的性能。 

圖2  工業(yè)鍋爐遠程監控系統實(shí)時(shí)數據平臺的邏輯功能結構

    工業(yè)鍋爐遠程監控系統實(shí)時(shí)數據平臺邏輯功能結構如圖2所示，其在總體技術(shù)水平、性能和可靠性等方面優(yōu)勢主要表現在：

  ? 性能 實(shí)時(shí)數據平臺擁有了可每秒處理10 000個(gè)TAG的能力，而且在局域網(wǎng)的環(huán)境下監控組態(tài)應用畫(huà)面切換與實(shí)時(shí)數據刷新的時(shí)間低于1秒；

  ? 可靠性 24小時(shí)連續運行，可提供遠程系統維護功能，而且監控組態(tài)應用開(kāi)發(fā)與運行平臺支持分布式在線(xiàn)組態(tài)與配置；

  ? 安全性 系統提供基于角色的安全訪(fǎng)問(wèn)許可控制機制，為數據訪(fǎng)問(wèn)提供了安全保障；

  ? 開(kāi)放性 實(shí)時(shí)數據平臺廣泛支持常見(jiàn)的現場(chǎng)總線(xiàn)與DCS和PLC，方便地與企業(yè)管理信息系統或ERP軟件集成。

3  研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1  基于工業(yè)Internet技術(shù)，研發(fā)現場(chǎng)設備通信服務(wù)器，實(shí)現基于Internet的控制系統

    互聯(lián)網(wǎng)（Internet）具有網(wǎng)絡(luò )資源大，可容納更多客戶(hù)，用戶(hù)間信息傳輸速度高安全性能強，支持大規模的視頻服務(wù)，可以連接移動(dòng)設備等一系列優(yōu)勢。
基于Internet技術(shù)，開(kāi)發(fā)實(shí)現可編程控制器的OPC通信接口，并且通過(guò)集成，實(shí)現了基于Internet的控制系統。通過(guò)Internet，實(shí)現上位機操作軟件、先進(jìn)控制軟件和管理軟件與現場(chǎng)設備的通信。

    通過(guò)采用智能交換技術(shù)，基于SNMP協(xié)議，可以實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )流量、網(wǎng)絡(luò )設備的智能監測和控制。在此基礎上，緊密地融合IT技術(shù)，在現場(chǎng)設備級嵌入Web服務(wù)、SMTP服務(wù)等，實(shí)現基于Internet的工業(yè)鍋爐運行的診斷和監控。

    基于無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議（GSM/GPRS），開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)短消息報警系統。

    通過(guò)研究GSM/GPRS SMS通信協(xié)議，支持系統信息的短消息發(fā)送，開(kāi)發(fā)應用了基于GSM/GPRS的短消息報警系統。SMS是通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )用手機收發(fā)簡(jiǎn)短文本消息的一種通信機制。它采用存儲轉發(fā)模式―短消息被發(fā)送出去之后，不是直接發(fā)送給接收方，而是先存儲在SMC（短消息中心），然后再由SMC將短消息轉發(fā)給接收方。如果接收方當時(shí)關(guān)機或不在服務(wù)區內，SMC就會(huì )自動(dòng)保存該短消息，等到接收方在服務(wù)區出現的時(shí)候再發(fā)送給他。短消息業(yè)務(wù)可以認為是GSM系統中最為簡(jiǎn)單和方便的數據通信方式，它不需要附加其它較為龐大的數據終端設備，僅使用手機就可以達到進(jìn)行中、英文信息交流目的。由于現今我國運行工業(yè)鍋爐的數量、噸位及應用范圍不斷的擴大，工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制的規模和范圍也相應的不斷擴大，這幾種報警實(shí)現方式已經(jīng)遠遠不能滿(mǎn)足工業(yè)鍋爐經(jīng)濟運行和安全監控的要求。于是隨著(zhù)GSM網(wǎng)絡(luò )的成熟，GSM短信息理所當然的被應用到工業(yè)鍋爐的監控報警中。GSM短信息技術(shù)在工業(yè)監控報警中起到了強大的作用。

3.2  基于組件的監控組態(tài)開(kāi)發(fā)平臺和運行平臺以及常用儀表組件

    筆者研究開(kāi)發(fā)了基于組件的可視化工業(yè)鍋爐遠程監控應用開(kāi)發(fā)平臺，支持大型實(shí)時(shí)數據監控系統的組合開(kāi)發(fā)，提供豐富的面向領(lǐng)域的應用組件來(lái)簡(jiǎn)化系統的開(kāi)發(fā)，提供完全面向對象的可擴展編程語(yǔ)言，支持對第三方組件的編程，并且在應用的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，支持仿真調試。

    (1)  監控應用開(kāi)發(fā)平臺的功能：監控應用開(kāi)發(fā)平臺具有控制邏輯定義、流程頁(yè)面組態(tài)、動(dòng)態(tài)報表組態(tài)、工藝參數更新內存中該點(diǎn)的值，根據點(diǎn)屬性置點(diǎn)狀態(tài)（如報警），推送數據給應用服務(wù)管理組件（如果有訂閱），實(shí)時(shí)規則觸發(fā)（如果存在規則與邏輯），數據發(fā)送給歷史數據管理組件（如果要求保存歷史數據），處理用戶(hù)事務(wù)，定期或基于事件發(fā)布數據信息等功能。

    (2)  組態(tài)和運行平臺功能：組態(tài)和運行平臺作為通用的組件容器，支持符合COM/ActiveX規范的組件的插入和運行?？梢郧度氤Ｓ脙x表組件和先進(jìn)控制的一些模塊，例如：?jiǎn)巫兞?、多變量預測，模糊、優(yōu)化控制等。

    (3)  組態(tài)方式下的繪圖工具功能：在組態(tài)方式下，繪圖工具包括：簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)圖元、復雜動(dòng)態(tài)圖元庫（有豐富的圖庫）、按鈕、滑動(dòng)條、實(shí)時(shí)數據、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)/歷史曲線(xiàn)顯示、支持OLE控件、ActiveX OCX、支持OPC（作為客戶(hù)端）、支持網(wǎng)頁(yè)發(fā)布。具有應用程序窗口、畫(huà)面窗口。能實(shí)現基本圖元和復雜圖元的任意角度旋轉，各種組態(tài)信息打印。各種對象都具有下列屬性并可以通過(guò)現場(chǎng)數據的變化對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)化：顯示/隱藏、可/否操作、操作級別、圖層等。

    (4)  常用儀表組件有多媒體接口，包括圖像輸入接口，可直接顯示現場(chǎng)的Video信號、聲音信號、支持語(yǔ)音命令等。

3.3  研究網(wǎng)絡(luò )及其安全技術(shù)，實(shí)現遠程監控和系統維護

    工業(yè)鍋爐經(jīng)濟運行遠程實(shí)時(shí)監控技術(shù)作為一個(gè)工業(yè)控制軟件系統，在性能方面要求很高的實(shí)時(shí)性、可靠性以及安全性。實(shí)時(shí)性是指系統應該具有的能夠在限定的時(shí)間內對外來(lái)事件做出反應的特性，包括操作實(shí)時(shí)性與數據更新實(shí)時(shí)性?？煽啃允侵冈谀繕藨孟到y所占的資源不超負荷時(shí)，軟件系統能穩定可靠地運行，包括數據傳輸可靠，以及系統能夠對突發(fā)事件有應急能力，通常利用冗余技術(shù)來(lái)提高系統的應急能力。安全性是指系統有能力保護系統內部各個(gè)實(shí)體，使得它們不會(huì )因為偶然的因素或未授權者惡意的因素泄漏、修改和破壞，從而保證系統連續正常運行。系統安全性包括保密性(Confidentiality)、完整性(Integrity)與可用性(Availability)。保密性定義了系統的哪些信息不能被泄漏，哪些資源不能被未授權用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)；完整性決定了系統的信息資源如何運轉以及防止被未授權的用戶(hù)改變和破壞；可用性指系統能處理信息，每當需要時(shí)總能及時(shí)地訪(fǎng)問(wèn)到合適的資源。

    為了滿(mǎn)足這些性能要求，通過(guò)對TCP/IP協(xié)議族的分析，本技術(shù)重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何實(shí)現一個(gè)能在企業(yè)現有的各種網(wǎng)絡(luò )上支持多個(gè)客戶(hù)機的、足夠安全的監控與組態(tài)系統，將工業(yè)鍋爐控制系統網(wǎng)絡(luò )(Infranet)與網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò )(Internet)完美地聯(lián)成一體，從而實(shí)現工業(yè)鍋爐遠程的監控、遠程診斷、遠程決策的目的。

3.4  多客戶(hù)機同時(shí)監控功能

    為了支持多個(gè)遠程對象同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器使用本系統，筆者在通信服務(wù)器設計實(shí)現了多線(xiàn)程異步TCP/IP網(wǎng)絡(luò )套接字，采用一個(gè)監聽(tīng)連接請求線(xiàn)程，監聽(tīng)所有來(lái)自合法遠程IP地址的連接請求，如果IP地址合法，則在服務(wù)器端創(chuàng )建相應的客戶(hù)通信套接字，并建立一個(gè)線(xiàn)程，專(zhuān)門(mén)負責與相應對象的通信，解析對象的通信數據（如:登錄請求信息、更改現場(chǎng)數據請求等），把解析的結果交給“安全跟蹤模塊”，并把“安全跟蹤模塊”響應結果返回給用戶(hù)。因此整個(gè)通信服務(wù)對不同的對象來(lái)說(shuō)是并行的，從而提高了工業(yè)鍋爐遠程監控系統的響應速度，并且使得某個(gè)對象對現場(chǎng)數據的更改，其它對象也能及時(shí)感知到。

3.5  嚴格的安全性控制功能

    為了使該系統能夠真正應用到工業(yè)鍋爐運行的現場(chǎng)，必須考慮該遠程系統的安全性問(wèn)題，因為系統的安全風(fēng)險不僅僅是信息的泄露的問(wèn)題，而且涉及到實(shí)驗室及計量認證質(zhì)量體系的嚴格要求。通常情況下，只要想方設法保護對象的ID、口令以及一些諸如指紋特征碼等重要信息不被竊取，就可以說(shuō)滿(mǎn)足了信息保密的需求，對于現場(chǎng)的一些實(shí)時(shí)數據的保密要求并不是很高。但是，對于要在工業(yè)鍋爐遠程監控與組態(tài)的本系統來(lái)說(shuō)，系統主要的安全風(fēng)險在于信息數據被任意篡改的可能性，從而造成鍋爐現場(chǎng)的控制系統控制失調，造成檢測報告不準確性，不能為運行的工業(yè)鍋爐提供科學(xué)性實(shí)時(shí)數據，造成生產(chǎn)停機，甚至還會(huì )發(fā)生現場(chǎng)重大事故。所以筆者重點(diǎn)考慮并使系統達到：

  ? 十分肯定地確定是什么人在遠端控制這個(gè)系統（身份驗證問(wèn)題）；

  ? 不同身份的客戶(hù)擁有不同的明確的細分的權限（訪(fǎng)問(wèn)控制問(wèn)題）；

  ? 用戶(hù)當前狀態(tài)以及他所作的每個(gè)操作都要跟蹤記錄，追究使用者的責任（系統日志問(wèn)題）；

  ? 操作數據的完整性；

  ? 自動(dòng)報警功能，系統應該能根據一定的規則，判斷一個(gè)用戶(hù)是不是在惡意攻擊，并做出相應的處理以及報警。

    在本系統中，筆者專(zhuān)門(mén)設計了一個(gè)線(xiàn)程對系統進(jìn)行了安全性控制，在身份驗證問(wèn)題上，繼承了傳統的用戶(hù)ID加口令的形式，并且引入指紋識別技術(shù)，把用戶(hù)的指紋特征碼存儲在用戶(hù)信息庫中，遠程用戶(hù)要用一個(gè)指紋采集器把自己的指紋掃描到系統中，然后再輸入用戶(hù)ID以及口令，客戶(hù)端軟件負責把這些用戶(hù)信息利用公開(kāi)密鑰機制RSA算法加密后傳送給通信服務(wù)器，服務(wù)器端接收并解密這些信息，確定用戶(hù)的身份，并從用戶(hù)信息庫中把用戶(hù)權限信息讀入內存中。此后，根據這些非常細化的權限信息，對用戶(hù)的狀態(tài)與操作進(jìn)行跟蹤、驗證權限，并作好記錄。另外，權限的分配是由用戶(hù)使用系統中的“用戶(hù)管理器”來(lái)配置的，對于權限的細化程度，筆者建議最好細化到不同的用戶(hù)對每個(gè)現場(chǎng)數據點(diǎn)的讀、寫(xiě)擁有不同的權限，即筆者所說(shuō)的“用戶(hù)→點(diǎn)讀/寫(xiě)對應”。

    總之，要綜合利用口令、指紋、數據加密、IP地址過(guò)濾、操作日志、自動(dòng)報警等多種技術(shù)，對工業(yè)鍋爐遠程用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行嚴格的安全性控制，為系統提供可靠的安全性。

3.6  遠程組態(tài)功能

    在遠程，中央監控室可以對“實(shí)時(shí)曲線(xiàn)”、“歷史數據趨勢曲線(xiàn)”等進(jìn)行簡(jiǎn)單的組態(tài)，比如可以根據需要選取不同數據進(jìn)行監視，甚至可以利用工業(yè)鍋爐端的功能較完善的組態(tài)工具組態(tài)出監控畫(huà)面，對現場(chǎng)進(jìn)行監控，比如可以提供一些圖形組態(tài)工具并對圖形對象的各種屬性進(jìn)行動(dòng)態(tài)化。同時(shí)，基于集成遠程控制工具，實(shí)現了系統的遠程系統管理和維護。

3.7  實(shí)現網(wǎng)絡(luò )視頻監控

    視頻監控目前在安全防范領(lǐng)域應用廣泛，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，其應用相對還不普及。目前視頻監控技術(shù)已經(jīng)從傳統的模擬監控發(fā)展到網(wǎng)絡(luò )化數字視頻監控。在工業(yè)鍋爐遠程監控技術(shù)的系統中，通過(guò)集成和開(kāi)發(fā)，實(shí)現了基于局域網(wǎng)/城域網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)的新一代網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統，集成在常規的監控系統中。摒棄了通常的模擬電視墻，中央控制室監測人員在進(jìn)行常規監控的同時(shí)，亦可以實(shí)時(shí)監控到工業(yè)鍋爐運行的現場(chǎng)場(chǎng)景。

4  結論

    2003年煙臺市能源監測中心與中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所又共同研究開(kāi)發(fā)了工業(yè)鍋爐遠程監控技術(shù)，在煙臺朝日啤酒有限公司進(jìn)行試點(diǎn)應用后效果理想，由于工業(yè)鍋爐遠程監控技術(shù)，具有明顯的高科技含量、高技術(shù)附加值和高經(jīng)濟效益，如果全國53萬(wàn)余臺工業(yè)鍋爐應用該系統，將大大促進(jìn)國內工業(yè)鍋爐經(jīng)濟運行水平，熱效率可提高5%~6%，用能單位的信息化工作及綜合競爭力會(huì )進(jìn)一步提高，因此可以預見(jiàn)，工業(yè)鍋爐遠程監控技術(shù)一定會(huì )在工業(yè)信息化過(guò)程中發(fā)揮重大作用，發(fā)揮出重大的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

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