智慧水務(wù)復(fù)雜生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全高效采集方法研究

葉李鋒，林高基，歐陽(yáng)軍，顏野迪，毛軍輝

(1.凈化控股集團(tuán)股份有限公司，浙江 臺(tái)州 317605；2.西安財(cái)經(jīng)大學(xué)商學(xué)院，陜西 西安 710000)

隨著我國(guó)水資源浪費(fèi)和水源污染日趨嚴(yán)重，水資源保護(hù)和凈化處理勢(shì)在必行。2015年開始，國(guó)家鼓勵(lì)水行業(yè)發(fā)展智慧水務(wù)，旨在采用信息化手段進(jìn)行節(jié)水凈水。在此背景下，水廠的運(yùn)營(yíng)目標(biāo)已不僅局限于單純的供水量及水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，更致力于通過(guò)大數(shù)據(jù)和建模，結(jié)合人工智能算法，解決日?！叭摹?水耗、藥耗、電耗)過(guò)高及設(shè)備使用壽命低的問題。由于部分水處理設(shè)施建設(shè)運(yùn)行年代久遠(yuǎn)，供水系統(tǒng)存在不同程度的數(shù)據(jù)不完整、功能不充分的問題，使得必要信息不能相互流通，變成“信息孤島”，即使在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下也不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)智慧應(yīng)用。對(duì)標(biāo)完整的智慧供水信息系統(tǒng)，現(xiàn)有水務(wù)信息化程度仍有較大提升空間。在水廠供水系統(tǒng)現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)水務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，使其從信息化邁向智慧化。即在“互聯(lián)網(wǎng)+水務(wù)”的思維下，運(yùn)用先進(jìn)計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)供水生產(chǎn)、管網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行感知、分析、處理與挖掘，增強(qiáng)對(duì)供水系統(tǒng)的可控性和可預(yù)測(cè)性，充分發(fā)揮其輔助決策作用，以智慧指導(dǎo)生產(chǎn)、輸配、管理和服務(wù)。

水廠的數(shù)據(jù)安全需要得到重視。2000年澳大利亞馬魯基多爾污水處理廠SCADA系統(tǒng)遭受非法入侵攻擊，發(fā)生46次控制設(shè)備功能異常事件，導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)公升的污水進(jìn)入了地區(qū)供水系統(tǒng)。2007年加拿大某水利SCADA控制系統(tǒng)被入侵者故意安裝破壞軟件致使控制薩克拉門托河水調(diào)度系統(tǒng)失靈[6]。2012年美國(guó)污水SCADA系統(tǒng)受網(wǎng)絡(luò)攻擊，PLC關(guān)閉泵站失敗，導(dǎo)致2百萬(wàn)加侖未經(jīng)處理污水直接排入提華納河，最后花費(fèi)9200萬(wàn)美元治理污染；2019年我國(guó)多地污水處理SCADA系統(tǒng)遭受不同程度的WannaCry和挖礦病毒攻擊，導(dǎo)致許多污水處理廠的工業(yè)主機(jī)出現(xiàn)藍(lán)屏、反復(fù)重啟、數(shù)據(jù)被加密勒索等情況；2020年以色列國(guó)家排水管網(wǎng)系統(tǒng)遭受境外網(wǎng)絡(luò)攻擊，以色列水利局告知企業(yè)“重點(diǎn)更改運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)和液氯控制設(shè)備”的密碼。這兩類系統(tǒng)遭受的攻擊最多，特別是Stuxnet病毒，這種病毒是首個(gè)專門針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)編寫的破壞性病毒，其中含有Fanny蠕蟲病毒的漏洞入侵技術(shù)，它無(wú)需借助網(wǎng)絡(luò)連接便能夠利用對(duì)電腦操作系統(tǒng)和上位機(jī)組態(tài)軟件平臺(tái)系統(tǒng)的7個(gè)漏洞進(jìn)行攻擊并控制操作設(shè)備運(yùn)行開關(guān)[7]。

本研究以智慧水務(wù)平臺(tái)建設(shè)為目標(biāo)構(gòu)建水廠的數(shù)據(jù)體系，針對(duì)各類水廠不同方式的自控系統(tǒng)提出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集流程，最終建立通用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方法，該方法已在福建、安徽、湖北等地區(qū)的多個(gè)水廠進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，有效性得到充分檢驗(yàn)。

1 水廠復(fù)雜自控?cái)?shù)據(jù)概況

1.1 水廠工藝結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集工作需要按照水廠的基本工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。目前絕大多數(shù)水廠工藝結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要工藝點(diǎn)包括取水泵站、平流沉淀池、濾池、清水池、加藥(PAC)間、加氯間、送水泵房等。主要流程為原水通過(guò)泵站從水源地輸送至沉淀池，經(jīng)加藥絮凝沉淀和加氯消毒后流向?yàn)V池，濾池過(guò)濾流到清水池，最后通過(guò)送水泵和配水管網(wǎng)輸送到千家萬(wàn)戶。

圖1 水廠工藝結(jié)構(gòu)圖

采集的數(shù)據(jù)主要分為儀表數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)，儀表數(shù)據(jù)主要包括進(jìn)出水水質(zhì)、流量、壓力、加藥流量、濾池清水池液位等，設(shè)備數(shù)據(jù)主要包括電流、電壓、故障信號(hào)等泵類數(shù)據(jù)和開度、狀態(tài)、故障等閥門類數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)及單位見表1。

表1 常見水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)單位

1.2 水廠數(shù)據(jù)來(lái)源

水廠數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括各種儀表和設(shè)備，數(shù)據(jù)采集通過(guò)通訊協(xié)議方式連接PLC或單片機(jī)，再經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)。還有一部分儀表和設(shè)備直接通過(guò)本體通訊協(xié)議配合工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，水廠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 水廠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

由圖2可知，水廠數(shù)據(jù)由廠區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)、廠區(qū)外管網(wǎng)數(shù)據(jù)、末端或中端的增壓泵站數(shù)據(jù)三大基本功能塊構(gòu)成。廠區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)通過(guò)PLC進(jìn)行采集和控制，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用內(nèi)部以太網(wǎng)，屬于生產(chǎn)控制系統(tǒng)；廠區(qū)外管網(wǎng)數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)壓力流量等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)儀表自帶的傳輸單元傳輸?shù)焦性苹虮镜厮接性?；末端或中端的增壓泵站?shù)據(jù)，主要包括壓力、濁度及余氯等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳到公有云或本地私有云。

1.3 數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

常見的水廠數(shù)據(jù)通訊協(xié)議包括OPC通訊協(xié)議及延展OPC UA通訊協(xié)議、Modbus通訊協(xié)議和CAN總線通訊協(xié)議。

(1)OPC通訊協(xié)議是為自動(dòng)化行業(yè)不同廠家的設(shè)備和應(yīng)用程序能相互交換數(shù)據(jù)而定義的通用接口函數(shù)。有了OPC就可以使用統(tǒng)一的方式去訪問不同設(shè)備廠商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)[1]。OPC UA協(xié)議是在OPC基礎(chǔ)上制定的新OPC標(biāo)準(zhǔn)，只使用一個(gè)地址空間就能訪問之前所有的對(duì)象，而且不受操作系統(tǒng)類型限制。由于OPC UA是從傳輸層Scoket以上進(jìn)行改進(jìn)，使得協(xié)議靈活性和安全性比OPC都有較大程度提升[2]。

(2)Modbus是一個(gè)工業(yè)通訊協(xié)議，通過(guò)公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件也包括軟件[3]，不僅是一個(gè)請(qǐng)求/應(yīng)答協(xié)議，還提供功能碼規(guī)定的服務(wù)。

(3)CAN總線通訊協(xié)議是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通訊協(xié)議，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)[4]。具體分類包括CANopen協(xié)議、SAEJ1939協(xié)議和devicenet協(xié)議等。

2 水廠復(fù)雜自控?cái)?shù)據(jù)采集

2.1 數(shù)據(jù)采集方式

水廠數(shù)據(jù)采集方式大致分為PLC硬件采集、PLC軟件直采、上位機(jī)軟件采集(本身自帶歷史數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ))3類。

水廠自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)讀取絕大多數(shù)使用PLC進(jìn)行操作，每個(gè)功能單元由獨(dú)立的PLC系統(tǒng)控制。水廠設(shè)備硬件狀態(tài)接入DI模塊(即數(shù)字信號(hào)輸入模塊)，設(shè)備啟動(dòng)與停止控制命令接入DO模塊(即數(shù)字信號(hào)輸出模塊)，水泵變頻器指定頻率接入AO模塊(即模擬信號(hào)輸出模塊)，儀表數(shù)據(jù)和水泵變頻器反饋頻率接入AI模塊(即模擬信號(hào)輸入模塊)。有些儀表和水泵變頻器通過(guò)485協(xié)議直接與PLC通訊端口進(jìn)行通訊，少數(shù)水廠生產(chǎn)系統(tǒng)通過(guò)DCS系統(tǒng)進(jìn)行控制，兩者主要區(qū)別在于分散獨(dú)立控制和集中控制(也可以按照控制點(diǎn)位數(shù)量進(jìn)行區(qū)分)。

2.1.1PLC硬件采集

PLC硬件采集不需要編程，通過(guò)外部訪問協(xié)議連接同品牌PLC或通過(guò)多功能網(wǎng)關(guān)盒子連接PLC進(jìn)行采集。最常見的品牌例如西門子，其中各種大中微型不同型號(hào)PLC之間可以通過(guò)同一環(huán)網(wǎng)進(jìn)行雙邊S7通訊，如圖3所示。S7通訊的特點(diǎn)是：用于西門子S7系列PLC之間的通信，不能用于與非西門子的設(shè)備通信；S7支持多個(gè)S7系列PLC之間的通信；除了適用于西門子S7系列PLC之間的通信外，還可用于與上位機(jī)的通信。此時(shí)就可以搭建同品牌PLC進(jìn)行統(tǒng)一采集，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)匯總后將整個(gè)自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)設(shè)備IO狀態(tài)和儀表數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。其優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)匯總于同一PLC，不僅方便管理數(shù)據(jù)，還不影響整個(gè)環(huán)網(wǎng)正常運(yùn)行。在現(xiàn)實(shí)水廠自動(dòng)化系統(tǒng)中S7通訊應(yīng)用廣泛，例如絕大部分濾池單池體控制是通過(guò)小型PLC S7-200CN獨(dú)立運(yùn)行，只需調(diào)用PUT/GET指令就可以與總柜互相傳送數(shù)據(jù)，無(wú)需額外編寫程序。且PUT/GET指令并不需要在兩端PLC內(nèi)進(jìn)行部署，只需要在專門采集數(shù)據(jù)的PLC硬件上面調(diào)用GET指令即可，指令簡(jiǎn)單且傳輸穩(wěn)定。AB的PLC可以建立Produce/Consume(生產(chǎn)者/消費(fèi)者)標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。其特點(diǎn)包括：生產(chǎn)者就是需要采集的PLC變量數(shù)據(jù)，用于發(fā)送變量數(shù)據(jù)給消費(fèi)者(接受者)；無(wú)需編寫程序，只需建立標(biāo)簽變量即可進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；可以通過(guò)背板傳送，也可以通過(guò)ControNet網(wǎng)絡(luò)和EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)傳送，但傳輸工作只能在同一背板或網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行；標(biāo)簽變量必須創(chuàng)建在控制器區(qū)域，且Produce標(biāo)簽和Consume標(biāo)簽數(shù)據(jù)格式必須一致；標(biāo)簽變量的類型只支持單個(gè)DINT或DINT數(shù)組、單個(gè)REAL或REAL數(shù)組，或者UDT(用戶自定義結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù))，也可以進(jìn)行MSG指令進(jìn)行采集[5]。同樣，大多數(shù)品牌PLC都能通過(guò)Modbus TCP主從站功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，統(tǒng)一采集匯總到一臺(tái)PLC就可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。日系PLC有MC協(xié)議FINS UDP/TCP協(xié)議，松下有松下以太網(wǎng)協(xié)議，施耐德可以用DTM協(xié)議或調(diào)用read_var，write_var功能塊。

圖3 S7通信模型

除使用廠家PLC通信來(lái)進(jìn)數(shù)據(jù)采集外，還可以添加工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存。工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案中的數(shù)據(jù)采集模塊，其主要功能就是采集設(shè)備的相關(guān)參數(shù)信息，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)(如4G、3G網(wǎng)卡、wifi、有線以太網(wǎng))來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備全流程的監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集。

2.1.2PLC軟件直采

PLC軟件直采通過(guò)中間通信軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，最大特點(diǎn)是無(wú)需編程或在PLC里調(diào)用功能塊。其中最典型的就是OPC軟件，它具有兩端接口，一端訪問數(shù)據(jù)源頭PLC，另一端對(duì)外提供數(shù)據(jù)。OPC軟件因簡(jiǎn)單易用而應(yīng)用廣泛。但隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展，從便捷性、安全性、系統(tǒng)兼容性及效率性上來(lái)說(shuō)，OPC軟件總體性能已逐漸落后，在局部領(lǐng)域中也不再具有經(jīng)濟(jì)性。除了OPC通信軟件外，還有一些專業(yè)的中間通信軟件對(duì)比傳統(tǒng)OPC軟件增加了許多便捷功能，如自帶驅(qū)動(dòng)、多樣采集、運(yùn)行穩(wěn)定、縮放運(yùn)算、轉(zhuǎn)存功能、安全兼容等。中間通信軟件運(yùn)用最多的功能就是自帶驅(qū)動(dòng)采集PLC數(shù)據(jù)，目前市場(chǎng)上PLC且品類繁多及地區(qū)使用習(xí)慣導(dǎo)致通信驅(qū)動(dòng)各有不同，本體軟件自帶驅(qū)動(dòng)能夠很大程度上解決這個(gè)問題，再加上轉(zhuǎn)存功能，基本滿足采集需求。

2.1.3上位機(jī)軟件采集

上位機(jī)軟件采集通過(guò)上位組態(tài)軟件自帶的通信功能對(duì)軟件內(nèi)的數(shù)據(jù)變量進(jìn)行采集，其中最直接的方法就是通過(guò)OPC軟件的端口讀取其內(nèi)部變量，大部分上位組態(tài)軟件是OPC服務(wù)器端口默認(rèn)打開，或者需要在上位組態(tài)軟件里設(shè)置下OPC服務(wù)器端口啟動(dòng)權(quán)限。上位機(jī)組態(tài)軟件具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，用來(lái)采集并儲(chǔ)存水廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并響應(yīng)SQL請(qǐng)求提供歷史數(shù)據(jù)報(bào)告。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是使用Microsoft SQL Server作為數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，不需要操作人員熟練掌握SQL語(yǔ)句即可將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和采集分開，且能夠在異地部署，從本地儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程InSQL儲(chǔ)存，采集過(guò)程如圖4所示。另外可以在上位機(jī)組態(tài)軟件內(nèi)進(jìn)行腳本編寫，將數(shù)據(jù)變量直接寫進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)里。以INTOUCH舉例，第一步新建配置參數(shù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)里新建一張數(shù)據(jù)表然后將需要報(bào)表記錄的變量和定義參數(shù)全部建立；第二步建立鏈接關(guān)系，在INTOUCH里對(duì)應(yīng)SQL的數(shù)據(jù)表進(jìn)行配置關(guān)系鏈接和腳本編寫；第三步寫入時(shí)間條件，在編輯條件腳本里以SECOND或HOUR寫入。一小時(shí)插入一條數(shù)據(jù)的示例如圖5所示。

圖4 Historian采集數(shù)據(jù)

圖5 腳本每小時(shí)寫入數(shù)據(jù)

除上述3種方法采集外，還有一種PLC編程與外部建立以太網(wǎng)連接、通過(guò)收發(fā)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的方法。實(shí)現(xiàn)這種方法需要通過(guò)硬件配置建立通信通道，然后編程進(jìn)行收發(fā)。這類方式需要采集人員同時(shí)具備計(jì)算機(jī)編程和PLC調(diào)試能力，難度較大；在調(diào)試完成后，增加變量則需要從上到下全部更改，實(shí)務(wù)中不常使用這種方法。

2.2 數(shù)據(jù)安全保障

對(duì)于水廠數(shù)據(jù)變量的采集，如何保障數(shù)據(jù)采集和傳輸過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要。首先要對(duì)水廠現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、主體設(shè)備、系統(tǒng)軟件、網(wǎng)間連接器等運(yùn)行狀況進(jìn)行安全調(diào)研和分析，分析出系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，確定水廠現(xiàn)場(chǎng)采集存在的安全隱患和安全防護(hù)問題。水廠系統(tǒng)是一個(gè)以PLC控制為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，為規(guī)避水廠及管路數(shù)據(jù)采集中的聯(lián)網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)，需要針對(duì)PLC通訊所使用的Modbus TCP協(xié)議內(nèi)容進(jìn)行深度解析和防護(hù)，預(yù)防工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。調(diào)度中心操作員站、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器等采用Windows操作系統(tǒng)，在勒索、蠕蟲等病毒的攻擊防護(hù)層面存在不足，需要針對(duì)工業(yè)主機(jī)的安全性進(jìn)行專項(xiàng)加強(qiáng)?，F(xiàn)提出如下解決方案。

(1)部署站點(diǎn)防火墻。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度中心和各個(gè)子站之間部署防火墻進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全隔離和防護(hù)，提升各個(gè)子站的安全防護(hù)能力。

(2)設(shè)置安全區(qū)域。將每個(gè)子站作為單獨(dú)安全域，在各個(gè)子站PLC/采集儀等工控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)端口部署防火墻進(jìn)行訪問嚴(yán)格控制，提升對(duì)重要控制設(shè)備的安全防護(hù)等級(jí)。

(3)提升主機(jī)防護(hù)。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度中心、各子站、現(xiàn)場(chǎng)操作員站、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、工程師站上部署工控主機(jī)衛(wèi)士，對(duì)各個(gè)廠區(qū)自動(dòng)化控制的主機(jī)進(jìn)行安全防護(hù)。

(4)加強(qiáng)安全協(xié)同。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度中心統(tǒng)一部署安全管理平臺(tái)，對(duì)整個(gè)廠區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管理配置及維護(hù)，便于消息匯總及故障解決。

本方案下的水廠安全防護(hù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示，該方案提升了數(shù)據(jù)采集過(guò)程安全性，減少了被入侵風(fēng)險(xiǎn)，可以有效防止來(lái)自內(nèi)部誤操作和外部惡意干擾。

圖6 安全防護(hù)示意圖

上述方法都是借助成熟的軟件和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，靈活配置即可安全快速地將水廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集到所指定的數(shù)據(jù)庫(kù)里。具有在各種復(fù)雜工況環(huán)境簡(jiǎn)單易操作、安全可靠等優(yōu)勢(shì)。

3 采集方案應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)集成應(yīng)用

案例一為在福建某市的智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，需要對(duì)3個(gè)自來(lái)水廠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集來(lái)達(dá)到數(shù)據(jù)集成目的。3個(gè)水廠的自動(dòng)化系統(tǒng)各不相同，其中A水廠是新建的集成一體化自來(lái)水廠，B水廠是新建的常規(guī)工藝的自來(lái)水廠，C水廠建成投產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)并在不斷升級(jí)改造。

A水廠一體化設(shè)備采用Siemens S7-200smart系列PLC，上位機(jī)組態(tài)軟件采用北京亞控組態(tài)王品牌，總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在前期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中業(yè)主并未保存PLC變量點(diǎn)位表和IP地址表，通過(guò)運(yùn)行組態(tài)王軟件OPC服務(wù)端則可以使用采集軟件讀取OPC內(nèi)數(shù)據(jù)，變量名可以對(duì)照組態(tài)軟件的顯示內(nèi)容進(jìn)行辨別和分類，然后利用采集軟件轉(zhuǎn)發(fā)SQL功能將變量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)里。B水廠設(shè)備采用Siemens S7系列PLC，上位機(jī)組態(tài)軟件采Wonderware品牌，由于其已編寫腳本將數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫(kù)里，只需讀取即可。C水廠設(shè)備采用Siemens S7系列PLC，上位機(jī)組態(tài)軟件采Wonderware品牌，但其存在三期建設(shè)時(shí)間跨度較長(zhǎng)，其中一期工程于1998年5月建成投產(chǎn)，二期擴(kuò)建工程于2009年建成投產(chǎn)，三期工程于2018建成投產(chǎn)。Siemens老式設(shè)備存在連接端口有接入端臺(tái)數(shù)限制問題，使得無(wú)法接入更多端口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還同時(shí)存在取水泵站沒有連接到廠區(qū)環(huán)網(wǎng)的問題，相關(guān)解決方案為：在取水泵端加設(shè)工業(yè)網(wǎng)關(guān)盒子進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，老式設(shè)備通過(guò)組態(tài)軟件寫入數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行采集，其余設(shè)備則通過(guò)采集軟件驅(qū)動(dòng)采集，全部?jī)?chǔ)存到統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)里。

數(shù)據(jù)采集前，已在各個(gè)PLC端及上位機(jī)上加裝了工業(yè)防火墻保證采集數(shù)據(jù)中的安全，還將原來(lái)端口映射采集全部改為主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣保證了3個(gè)水廠的數(shù)據(jù)采集安全又高效。

3.2 自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)應(yīng)用

案例二為西安某老舊水廠自動(dòng)化系統(tǒng)改造過(guò)程中需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)場(chǎng)只有1臺(tái)工控主機(jī)為Windows XP系統(tǒng)，控制設(shè)備采用老式且已經(jīng)停產(chǎn)的200 CN PLC，上位機(jī)組態(tài)軟件采用組態(tài)王。本工程中由于設(shè)備過(guò)于陳舊，引起了以下3個(gè)問題：PLC端口IP網(wǎng)口點(diǎn)位使用情況不明，工控柜不方便添加工業(yè)盒子，工控主機(jī)配置較低無(wú)法安裝本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。采取的解決方案是在工控主機(jī)上設(shè)置odbc連接遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)采集軟件OPC讀取組態(tài)王數(shù)據(jù)，再進(jìn)行odbc數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)類型與名字通過(guò)組態(tài)畫面進(jìn)行識(shí)別和分類。

經(jīng)過(guò)上述操作將采集來(lái)的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，接著可以依靠HTML+css+javascript的方法將數(shù)據(jù)庫(kù)里的水廠數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作，這樣一個(gè)基礎(chǔ)的智慧水廠系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 智慧水廠系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有水廠的工藝流程、自動(dòng)化系統(tǒng)和通訊協(xié)議進(jìn)行描述，針對(duì)水廠復(fù)雜自控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和集成提出了軟硬件相結(jié)合的方法，該方法將數(shù)據(jù)采集從傳統(tǒng)編寫端口程序采集轉(zhuǎn)換到利用現(xiàn)代工具進(jìn)行采集。通過(guò)將多種工具組合使用和在數(shù)據(jù)采集和集成過(guò)程中添加工業(yè)防火墻的措施，完成了各種復(fù)雜情況下快速安全地進(jìn)行水廠數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并將所提方法在福建、陜西等地水廠進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，驗(yàn)證了該方法的可行性。相比于傳統(tǒng)方法，本文所提方法具備安全和高效等優(yōu)點(diǎn)，為智慧水務(wù)建設(shè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)集成相關(guān)發(fā)展提供了有價(jià)值的參考。在接下來(lái)的研究中，將從降低數(shù)據(jù)獲取成本以及節(jié)約數(shù)據(jù)采集時(shí)間的角度出發(fā)作進(jìn)一步的探究。