基于VPN和DLP的遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)

吳海峰，張淼，孫鑫，陳澤，李冰

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司，北京101111)

航天長征化學(xué)工程股份有限公司作為煤氣化行業(yè)內(nèi)典型的專業(yè)化工程公司，依托具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)煤氣化專利技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，專業(yè)從事煤氣化工程設(shè)計(jì)或工程總承包，在煤氣化工程領(lǐng)域形成了技術(shù)研發(fā)、工程設(shè)計(jì)、設(shè)備成套、工程管理及全生命周期服務(wù)的核心能力。隨著公司煤氣化裝置投產(chǎn)項(xiàng)目的逐漸增多，為了便于及時(shí)掌握各現(xiàn)場氣化裝置運(yùn)行情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸和分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)，為裝置長周期運(yùn)行提供保障，為用戶提供增值服務(wù)，同時(shí)為遠(yuǎn)程故障診斷及智能控制提供技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備，在公司北京總部科研大樓建立煤氣化裝置遠(yuǎn)程服務(wù)中心，對各裝置現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行情況監(jiān)視、故障預(yù)判和遠(yuǎn)程操作指導(dǎo)等工作。

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)要求

煤氣化裝置遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)的研究是為了便于公司及時(shí)掌握各現(xiàn)場氣化裝置運(yùn)行情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸和分析，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的數(shù)據(jù)支撐；同時(shí)進(jìn)行氣化裝置運(yùn)行情況監(jiān)視，及時(shí)作出故障預(yù)判，開展遠(yuǎn)程操作指導(dǎo)等工作，為裝置長周期運(yùn)行提供保障，為用戶提供增值服務(wù)；另外還可為將來開展遠(yuǎn)程故障診斷及智能控制提供技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備。

系統(tǒng)主要完成以下目標(biāo)：

1) 采集各地氣化裝置DCS過程數(shù)據(jù)，傳至北京遠(yuǎn)程服務(wù)中心并存儲(chǔ)， 建立實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫。

2) 在北京遠(yuǎn)程服務(wù)中心通過高分辨率液晶顯示器及DLP大屏幕，直觀地動(dòng)態(tài)顯示各地氣化裝置工藝流程的實(shí)時(shí)工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面、報(bào)警信息，使工程技術(shù)人員及時(shí)掌握各地氣化裝置的運(yùn)行情況。

3) 北京遠(yuǎn)程服務(wù)中心不具備操作功能，不參與控制，數(shù)據(jù)傳輸為單向數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)“監(jiān)而不控”。

4) 具備Web瀏覽功能，授權(quán)人員可在各地隨時(shí)通過移動(dòng)終端(手機(jī)、iPad等)、電腦等掌握現(xiàn)場裝置運(yùn)行情況。

5) 具有短信通知服務(wù)功能，重要報(bào)警信息及工藝參數(shù)自動(dòng)推送至相關(guān)授權(quán)人員手機(jī)上。

6) 系統(tǒng)具備良好的可擴(kuò)展性，滿足今后系統(tǒng)擴(kuò)容的需要。

7) 具備數(shù)據(jù)緩存功能，支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳功能，當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，數(shù)據(jù)可保存一定時(shí)間，待故障消除后，自動(dòng)將數(shù)據(jù)上傳到北京監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫。

8) 具備完善的權(quán)限管理功能，實(shí)現(xiàn)分級(jí)管理。

2 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保障系統(tǒng)安全性和可靠性，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須獨(dú)立于裝置操作運(yùn)行層，和裝置現(xiàn)場控制層完全脫離，并通過VPN(Virtual Private Network)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。同時(shí)，為開展各種應(yīng)用服務(wù)功能，在總部設(shè)計(jì)1套氣化裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)信息綜合管理平臺(tái)，用于數(shù)據(jù)管理、信息發(fā)布等功能。

2.1 系統(tǒng)性能

2.1.1安全性

系統(tǒng)安全性是該項(xiàng)目研究的重點(diǎn)，包括數(shù)據(jù)采集和傳輸。為了保證數(shù)據(jù)采集和傳輸對控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行不會(huì)構(gòu)成影響，該項(xiàng)目必須具備“監(jiān)而不控”的功能，這就決定了必須采用單向數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，不能向控制層傳送數(shù)據(jù)；同時(shí)，需具備完善的信息隔離技術(shù)，包括硬件防火墻、網(wǎng)關(guān)技術(shù)、防病毒技術(shù)等，確保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全，防止系統(tǒng)受到黑客的攻擊和病毒的侵?jǐn)_，保證數(shù)據(jù)不被非法讀取和修改。

2.1.2可靠性

該項(xiàng)目包括多個(gè)子系統(tǒng)，除了保證系統(tǒng)整體穩(wěn)定可靠外，還需重點(diǎn)研究數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕@是系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)。隨著工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求越來越多，而選擇最優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸方式，可以提高數(shù)據(jù)傳輸安全性和穩(wěn)定性，并最大化地節(jié)省費(fèi)用。一般遠(yuǎn)程監(jiān)控通常采用無線方式，然而無線通信易受到干擾，GPRS等方式不能提供大數(shù)據(jù)量的穩(wěn)定傳輸，無法突破城市之間的超遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)程監(jiān)控，難以滿足工業(yè)需求，同時(shí)如果數(shù)據(jù)傳輸量較大，則運(yùn)行費(fèi)用比有線方式貴很多。在這種情況下，采用VPN和OPC的方式是一個(gè)較為理想的選擇。

VPN是利用IP網(wǎng)絡(luò)來傳輸私有信息而形成的邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而為用戶提供高安全性，且有比專線價(jià)格低廉的資源共享和互連服務(wù)，它具有同客戶原有的私有網(wǎng)絡(luò)相同的安全性、優(yōu)先級(jí)特性、易管理性和穩(wěn)定性。OPC則可以提供高速的數(shù)據(jù)傳輸性能，具有分布式COM的安全管理機(jī)制，并且開發(fā)簡單。結(jié)合VPN和OPC開發(fā)的應(yīng)用程序，不僅代碼數(shù)量少，而且可以遠(yuǎn)程維護(hù)，非常適合該項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.1.3可擴(kuò)展性

考慮到隨著煤氣化裝置投產(chǎn)項(xiàng)目的逐漸增多，該項(xiàng)目方案不僅要滿足現(xiàn)階段監(jiān)控系統(tǒng)的要求，同時(shí)還要滿足未來系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，仍然能夠滿足整體的技術(shù)要求。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)考慮通用性和靈活性，以便在未來系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，無須更改或僅作少量更改即可滿足新的要求，并且不影響原系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建立遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)的目的是搭建一個(gè)以總部為中心，以各地生產(chǎn)裝置現(xiàn)場實(shí)時(shí)過程控制數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的綜合信息管理平臺(tái)，對裝置的生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，使管理層能夠就近、實(shí)時(shí)了解裝置的運(yùn)行狀況，為技術(shù)研究及管理決策提供可靠的依據(jù)，并為以后的技術(shù)升級(jí)、維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)按項(xiàng)目要求分為裝置現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、總部集中遠(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

2.2.1裝置現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

利用與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫配套的專用數(shù)據(jù)采集程序，通過智能單向隔離網(wǎng)閘，實(shí)現(xiàn)對裝置實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的單向采集，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器中。

1) 智能單向隔離網(wǎng)閘是專為企業(yè)過程控制系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)之間進(jìn)行單向物理隔離而開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備，負(fù)責(zé)從各個(gè)DCS中采集數(shù)據(jù)，送到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中；隔離網(wǎng)閘集成了針對不同DCS設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集程序，同時(shí)以硬隔離的方式實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的安全防護(hù)。

2) 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器負(fù)責(zé)采集氣化裝置生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，具備數(shù)據(jù)緩存功能，支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳功能，保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

2.2.2VPN虛擬專網(wǎng)

借助公網(wǎng)專用技術(shù)，搭建數(shù)據(jù)上傳通道，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、穩(wěn)定。在裝置現(xiàn)場與北京總部端分別部署VPN設(shè)備，搭建站點(diǎn)到站點(diǎn)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)。

目前北京總部中心外網(wǎng)使用電信網(wǎng)絡(luò)，各裝置現(xiàn)場一般根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r選擇不同運(yùn)營商。通過在VPN設(shè)備上增加跨運(yùn)營商加速模塊來彌補(bǔ)現(xiàn)有接入系統(tǒng)可能會(huì)造成的網(wǎng)絡(luò)傳輸波動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

2.2.3總部系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過在北京總部部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與企業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)裝置現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集服務(wù)器采集數(shù)據(jù)與總部數(shù)據(jù)庫之間的通信，利用STS接口協(xié)議，借助VPN虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)總部數(shù)據(jù)庫采集生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并圍繞總部數(shù)據(jù)庫展開各種應(yīng)用功能。軟件架構(gòu)如圖2所示。

通過部署移動(dòng)客戶端應(yīng)用服務(wù)支持程序，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)、iPad等智能移動(dòng)終端的瀏覽，不受移動(dòng)客戶端操作系統(tǒng)的限制。通過在總部搭建內(nèi)部辦公網(wǎng)絡(luò)，各工作站通過直接訪問應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)各種管理應(yīng)用，包括流程圖監(jiān)視、流程圖回放、歷史趨勢查詢、報(bào)警事件記錄、報(bào)表生成與打印等。

生產(chǎn)裝置在日常運(yùn)行的過程中，可能某幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)會(huì)對整個(gè)裝置的安全具有非常重要的影響，正常生產(chǎn)過程中，這幾個(gè)指標(biāo)基本不會(huì)產(chǎn)生變化，但是一旦變化，將會(huì)對整個(gè)裝置的安全運(yùn)行產(chǎn)生重要影響，但是由于其超限的概率極低，數(shù)據(jù)變化不易發(fā)現(xiàn)，為了避免這種情況發(fā)生，系統(tǒng)支持對重要信息的短信推送，通過及時(shí)傳送給相關(guān)崗位領(lǐng)導(dǎo)或技術(shù)負(fù)責(zé)人員，及時(shí)處理，來避免安全事故的發(fā)生。

3 信息展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在超大屏幕顯示系統(tǒng)項(xiàng)目中，需要對大屏幕上的圖像實(shí)時(shí)切換、拼接、放大顯示，其中拼接技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為主流。

3.1 技術(shù)方案

遠(yuǎn)程服務(wù)中心的大屏幕顯示單元主要用于流程畫面和關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)的顯示，并且以全屏圖像顯示為主，分屏顯示為輔。LCD液晶拼接雖具有超薄輕巧、低功耗、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢特點(diǎn)，但較大的拼接縫使其影響全屏圖像的顯示以及數(shù)據(jù)參數(shù)的顯示，因此不適合該項(xiàng)目；同時(shí)，由于房間縱深有限，LED顯示墻分辨率低，不適合近距離長時(shí)間觀看，因此也不適合該項(xiàng)目。

綜合上述因素，根據(jù)該項(xiàng)目大屏幕顯示系統(tǒng)的技術(shù)需求，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，最終采用DLP(Digital Light Procession)背投拼接技術(shù)。

3.2 系統(tǒng)集成

該系統(tǒng)采用巴可MVL-721 177.8cm(70in)顯示單元，由8臺(tái)MVL-721顯示單元拼接墻體組成，采用2行X4列拼接方式。

1) DLP顯示單元。包括投影機(jī)、屏幕、光源等，用于數(shù)據(jù)、流程畫面等信息展示。

2) 拼接控制器。滿足信號(hào)顯示的全部要求，支持多屏幕拼接顯示中對任一尺寸的顯示實(shí)現(xiàn)單一邏輯屏操作和控制。

3) 控制電腦/管理軟件。對所有需要在大屏幕投影顯示墻上顯示的應(yīng)用進(jìn)行全面管理，安排各類應(yīng)用顯示的區(qū)域和時(shí)間表；通過簡單的路徑、圖標(biāo)或模板實(shí)現(xiàn)窗口的打開、關(guān)閉、移動(dòng)、縮放等應(yīng)用操作；提供多級(jí)安全保障管理功能，可設(shè)置多種操作等級(jí)或權(quán)限。

4) 集中控制系統(tǒng)。通過New iPad觸摸屏對所需設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，包括視頻信號(hào)切換、顯示模式調(diào)整、燈光分區(qū)及亮暗控制、窗簾和空調(diào)設(shè)備控制等。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)示意

4 結(jié)束語

遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)是信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)等多種技術(shù)共同發(fā)展的結(jié)果，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。該項(xiàng)目投用后，工程技術(shù)人員在北京監(jiān)控中心通過高分辨率液晶顯示器及DLP大屏幕，直觀動(dòng)態(tài)地監(jiān)測各地煤氣化裝置工藝流程的實(shí)時(shí)工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面、報(bào)警信息，及時(shí)掌握各地裝置的運(yùn)行情況，有效地開展了故障預(yù)判和遠(yuǎn)程操作指導(dǎo)等工作，節(jié)約了大量往返奔波現(xiàn)場的成本。同時(shí)，用戶高管人員可以利用移動(dòng)終端隨時(shí)隨地掌握本廠煤氣化裝置運(yùn)行情況，為用戶提供了增值服務(wù)。同時(shí)，該項(xiàng)目投用后，成為公司一個(gè)良好的展示平臺(tái)，尤其是一些潛在客戶訪問公司時(shí)，可以讓客戶不必親臨裝置現(xiàn)場，即可了解各地氣化裝置的運(yùn)行情況，加深客戶對公司技術(shù)能力的印象，提升客戶的滿意度。總之，該項(xiàng)目具有良好的示范效應(yīng)和推廣價(jià)值。

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