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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(jù)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個百分點，浪費巨大。工業(yè)鍋爐經(jīng)濟運行作為重點內(nèi)容，其監(jiān)測方法是依據(jù)國家標準現(xiàn)場測試鍋爐燃燒指標。現(xiàn)場監(jiān)測是對鍋爐燃燒狀況進行隨機測試，檢測時間短、人為因素影響大，無法全面反映鍋爐的經(jīng)濟運行狀況。這種重監(jiān)督管理，輕實際效果的方法，已不適應目前市場經(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，因此應隨著負荷的變化及時調(diào)整鍋爐的各項燃燒指標，如排煙溫度、過量空氣系數(shù)、爐膛溫度、風量、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(jiān)控系統(tǒng)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(shù)反映在監(jiān)視器上，為操作人員及時有效地進行燃燒優(yōu)化調(diào)整提供了條件和依據(jù)。同時可將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)侥茉幢O(jiān)測機構，由專業(yè)人員使用專門軟件在線分析燃燒情況，并將結果反饋給鍋爐操作人員。該系統(tǒng)可以即時計算出當前狀況下，鍋爐燃煤的浪費量，將對參數(shù)的調(diào)控直觀地變?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53萬余臺，若其中50%的工業(yè)鍋爐使用遠程監(jiān)控技術，用以指導工業(yè)鍋爐的經(jīng)濟運行，年節(jié)約煤炭約2 000萬噸，每年可減少二氧化碳排放1 400萬噸，減少二氧化硫排放1.8萬噸，大大減輕我國的大氣環(huán)境污染。工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控技術在全國推廣使用后其社會和經(jīng)濟效益巨大，有助于通過工業(yè)鍋爐能源監(jiān)測來控制指導現(xiàn)階段我國工業(yè)鍋爐經(jīng)濟運行。

2  系統(tǒng)構成（如圖1所示）

圖1  工業(yè)鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)結構

     基于工業(yè)鍋爐運行的現(xiàn)狀及國家能源監(jiān)測標準，工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控技術必須建立遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺，遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺是實現(xiàn)工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控自動化系統(tǒng)的核心，是實現(xiàn)先進過程控制、全流程模擬和能源監(jiān)測部門監(jiān)控鍋爐運行指標的基礎。工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)平臺作為用能單位過程控制網(wǎng)絡與監(jiān)測機構連接的橋梁，起著承上啟下的關鍵作用，在遠程監(jiān)測信息化中扮演著非常重要的角色。工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)平臺為政府提供了統(tǒng)一而完整的實時數(shù)據(jù)采集、存儲和監(jiān)視，記錄著鍋爐運行過程及其控制的狀況。鍋爐實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過OPC接口向監(jiān)測機構中央控制室提供科學、統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)。它采用基于組件的系統(tǒng)開發(fā)方法，各個組件通過規(guī)范的接口組成統(tǒng)一的整體，協(xié)同完成實時數(shù)據(jù)平臺的各項功能。實時數(shù)據(jù)庫采用分布式結構，支持數(shù)據(jù)庫的動態(tài)冗余配置，裝置或者設備可以動態(tài)地連接到不同的實時數(shù)據(jù)庫服務器，單個系統(tǒng)的失效不會影響整個系統(tǒng)的性能。 

圖2  工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)平臺的邏輯功能結構

    工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)平臺邏輯功能結構如圖2所示，其在總體技術水平、性能和可靠性等方面優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：

  ? 性能 實時數(shù)據(jù)平臺擁有了可每秒處理10 000個TAG的能力，而且在局域網(wǎng)的環(huán)境下監(jiān)控組態(tài)應用畫面切換與實時數(shù)據(jù)刷新的時間低于1秒；

  ? 可靠性 24小時連續(xù)運行，可提供遠程系統(tǒng)維護功能，而且監(jiān)控組態(tài)應用開發(fā)與運行平臺支持分布式在線組態(tài)與配置；

  ? 安全性 系統(tǒng)提供基于角色的安全訪問許可控制機制，為數(shù)據(jù)訪問提供了安全保障；

  ? 開放性 實時數(shù)據(jù)平臺廣泛支持常見的現(xiàn)場總線與DCS和PLC，方便地與企業(yè)管理信息系統(tǒng)或ERP軟件集成。

3  研發(fā)的關鍵技術

3.1  基于工業(yè)Internet技術，研發(fā)現(xiàn)場設備通信服務器，實現(xiàn)基于Internet的控制系統(tǒng)

    互聯(lián)網(wǎng)（Internet）具有網(wǎng)絡資源大，可容納更多客戶，用戶間信息傳輸速度高安全性能強，支持大規(guī)模的視頻服務，可以連接移動設備等一系列優(yōu)勢。
基于Internet技術，開發(fā)實現(xiàn)可編程控制器的OPC通信接口，并且通過集成，實現(xiàn)了基于Internet的控制系統(tǒng)。通過Internet，實現(xiàn)上位機操作軟件、先進控制軟件和管理軟件與現(xiàn)場設備的通信。

    通過采用智能交換技術，基于SNMP協(xié)議，可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡流量、網(wǎng)絡設備的智能監(jiān)測和控制。在此基礎上，緊密地融合IT技術，在現(xiàn)場設備級嵌入Web服務、SMTP服務等，實現(xiàn)基于Internet的工業(yè)鍋爐運行的診斷和監(jiān)控。

    基于無線通信協(xié)議（GSM/GPRS），開發(fā)無線短消息報警系統(tǒng)。

    通過研究GSM/GPRS SMS通信協(xié)議，支持系統(tǒng)信息的短消息發(fā)送，開發(fā)應用了基于GSM/GPRS的短消息報警系統(tǒng)。SMS是通過移動網(wǎng)絡用手機收發(fā)簡短文本消息的一種通信機制。它采用存儲轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)給接收方。如果接收方當時關機或不在服務區(qū)內(nèi)，SMC就會自動保存該短消息，等到接收方在服務區(qū)出現(xiàn)的時候再發(fā)送給他。短消息業(yè)務可以認為是GSM系統(tǒng)中最為簡單和方便的數(shù)據(jù)通信方式，它不需要附加其它較為龐大的數(shù)據(jù)終端設備，僅使用手機就可以達到進行中、英文信息交流目的。由于現(xiàn)今我國運行工業(yè)鍋爐的數(shù)量、噸位及應用范圍不斷的擴大，工業(yè)鍋爐自動控制的規(guī)模和范圍也相應的不斷擴大，這幾種報警實現(xiàn)方式已經(jīng)遠遠不能滿足工業(yè)鍋爐經(jīng)濟運行和安全監(jiān)控的要求。于是隨著GSM網(wǎng)絡的成熟，GSM短信息理所當然的被應用到工業(yè)鍋爐的監(jiān)控報警中。GSM短信息技術在工業(yè)監(jiān)控報警中起到了強大的作用。

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

    筆者研究開發(fā)了基于組件的可視化工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控應用開發(fā)平臺，支持大型實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的組合開發(fā)，提供豐富的面向領域的應用組件來簡化系統(tǒng)的開發(fā)，提供完全面向?qū)ο蟮目蓴U展編程語言，支持對第三方組件的編程，并且在應用的開發(fā)過程中，支持仿真調(diào)試。

    (1)  監(jiān)控應用開發(fā)平臺的功能：監(jiān)控應用開發(fā)平臺具有控制邏輯定義、流程頁面組態(tài)、動態(tài)報表組態(tài)、工藝參數(shù)更新內(nèi)存中該點的值，根據(jù)點屬性置點狀態(tài)（如報警），推送數(shù)據(jù)給應用服務管理組件（如果有訂閱），實時規(guī)則觸發(fā)（如果存在規(guī)則與邏輯），數(shù)據(jù)發(fā)送給歷史數(shù)據(jù)管理組件（如果要求保存歷史數(shù)據(jù)），處理用戶事務，定期或基于事件發(fā)布數(shù)據(jù)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(guī)范的組件的插入和運行。可以嵌入常用儀表組件和先進控制的一些模塊，例如：單變量、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：簡單動態(tài)圖元、復雜動態(tài)圖元庫（有豐富的圖庫）、按鈕、滑動條、實時數(shù)據(jù)、實時曲線/歷史曲線顯示、支持OLE控件、ActiveX OCX、支持OPC（作為客戶端）、支持網(wǎng)頁發(fā)布。具有應用程序窗口、畫面窗口。能實現(xiàn)基本圖元和復雜圖元的任意角度旋轉(zhuǎn)，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現(xiàn)場數(shù)據(jù)的變化對其進行動態(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(xiàn)場的Video信號、聲音信號、支持語音命令等。

3.3  研究網(wǎng)絡及其安全技術，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和系統(tǒng)維護

    工業(yè)鍋爐經(jīng)濟運行遠程實時監(jiān)控技術作為一個工業(yè)控制軟件系統(tǒng)，在性能方面要求很高的實時性、可靠性以及安全性。實時性是指系統(tǒng)應該具有的能夠在限定的時間內(nèi)對外來事件做出反應的特性，包括操作實時性與數(shù)據(jù)更新實時性。可靠性是指在目標應用系統(tǒng)所占的資源不超負荷時，軟件系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠地運行，包括數(shù)據(jù)傳輸可靠，以及系統(tǒng)能夠?qū)ν话l(fā)事件有應急能力，通常利用冗余技術來提高系統(tǒng)的應急能力。安全性是指系統(tǒng)有能力保護系統(tǒng)內(nèi)部各個實體，使得它們不會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(tǒng)連續(xù)正常運行。系統(tǒng)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(tǒng)的哪些信息不能被泄漏，哪些資源不能被未授權用戶訪問；完整性決定了系統(tǒng)的信息資源如何運轉(zhuǎn)以及防止被未授權的用戶改變和破壞；可用性指系統(tǒng)能處理信息，每當需要時總能及時地訪問到合適的資源。

    為了滿足這些性能要求，通過對TCP/IP協(xié)議族的分析，本技術重點解決的關鍵問題在于如何實現(xiàn)一個能在企業(yè)現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡上支持多個客戶機的、足夠安全的監(jiān)控與組態(tài)系統(tǒng)，將工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(Infranet)與網(wǎng)際網(wǎng)絡(Internet)完美地聯(lián)成一體，從而實現(xiàn)工業(yè)鍋爐遠程的監(jiān)控、遠程診斷、遠程決策的目的。

3.4  多客戶機同時監(jiān)控功能

    為了支持多個遠程對象同時訪問服務器使用本系統(tǒng)，筆者在通信服務器設計實現(xiàn)了多線程異步TCP/IP網(wǎng)絡套接字，采用一個監(jiān)聽連接請求線程，監(jiān)聽所有來自合法遠程IP地址的連接請求，如果IP地址合法，則在服務器端創(chuàng)建相應的客戶通信套接字，并建立一個線程，專門負責與相應對象的通信，解析對象的通信數(shù)據(jù)（如:登錄請求信息、更改現(xiàn)場數(shù)據(jù)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。因此整個通信服務對不同的對象來說是并行的，從而提高了工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控系統(tǒng)的響應速度，并且使得某個對象對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的更改，其它對象也能及時感知到。

3.5  嚴格的安全性控制功能

    為了使該系統(tǒng)能夠真正應用到工業(yè)鍋爐運行的現(xiàn)場，必須考慮該遠程系統(tǒng)的安全性問題，因為系統(tǒng)的安全風險不僅僅是信息的泄露的問題，而且涉及到實驗室及計量認證質(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，就可以說滿足了信息保密的需求，對于現(xiàn)場的一些實時數(shù)據(jù)的保密要求并不是很高。但是，對于要在工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控與組態(tài)的本系統(tǒng)來說，系統(tǒng)主要的安全風險在于信息數(shù)據(jù)被任意篡改的可能性，從而造成鍋爐現(xiàn)場的控制系統(tǒng)控制失調(diào)，造成檢測報告不準確性，不能為運行的工業(yè)鍋爐提供科學性實時數(shù)據(jù)，造成生產(chǎn)停機，甚至還會發(fā)生現(xiàn)場重大事故。所以筆者重點考慮并使系統(tǒng)達到：

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

  ? 不同身份的客戶擁有不同的明確的細分的權限（訪問控制問題）；

  ? 用戶當前狀態(tài)以及他所作的每個操作都要跟蹤記錄，追究使用者的責任（系統(tǒng)日志問題）；

  ? 操作數(shù)據(jù)的完整性；

  ? 自動報警功能，系統(tǒng)應該能根據(jù)一定的規(guī)則，判斷一個用戶是不是在惡意攻擊，并做出相應的處理以及報警。

    在本系統(tǒng)中，筆者專門設計了一個線程對系統(tǒng)進行了安全性控制，在身份驗證問題上，繼承了傳統(tǒng)的用戶ID加口令的形式，并且引入指紋識別技術，把用戶的指紋特征碼存儲在用戶信息庫中，遠程用戶要用一個指紋采集器把自己的指紋掃描到系統(tǒng)中，然后再輸入用戶ID以及口令，客戶端軟件負責把這些用戶信息利用公開密鑰機制RSA算法加密后傳送給通信服務器，服務器端接收并解密這些信息，確定用戶的身份，并從用戶信息庫中把用戶權限信息讀入內(nèi)存中。此后，根據(jù)這些非常細化的權限信息，對用戶的狀態(tài)與操作進行跟蹤、驗證權限，并作好記錄。另外，權限的分配是由用戶使用系統(tǒng)中的“用戶管理器”來配置的，對于權限的細化程度，筆者建議最好細化到不同的用戶對每個現(xiàn)場數(shù)據(jù)點的讀、寫擁有不同的權限，即筆者所說的“用戶→點讀/寫對應”。

    總之，要綜合利用口令、指紋、數(shù)據(jù)加密、IP地址過濾、操作日志、自動報警等多種技術，對工業(yè)鍋爐遠程用戶的訪問進行嚴格的安全性控制，為系統(tǒng)提供可靠的安全性。

3.6  遠程組態(tài)功能

    在遠程，中央監(jiān)控室可以對“實時曲線”、“歷史數(shù)據(jù)趨勢曲線”等進行簡單的組態(tài)，比如可以根據(jù)需要選取不同數(shù)據(jù)進行監(jiān)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(jiān)控畫面，對現(xiàn)場進行監(jiān)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行動態(tài)化。同時，基于集成遠程控制工具，實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠程系統(tǒng)管理和維護。

3.7  實現(xiàn)網(wǎng)絡視頻監(jiān)控

    視頻監(jiān)控目前在安全防范領域應用廣泛，在工業(yè)自動化領域，其應用相對還不普及。目前視頻監(jiān)控技術已經(jīng)從傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控發(fā)展到網(wǎng)絡化數(shù)字視頻監(jiān)控。在工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控技術的系統(tǒng)中，通過集成和開發(fā)，實現(xiàn)了基于局域網(wǎng)/城域網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)的新一代網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，集成在常規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)中。摒棄了通常的模擬電視墻，中央控制室監(jiān)測人員在進行常規(guī)監(jiān)控的同時，亦可以實時監(jiān)控到工業(yè)鍋爐運行的現(xiàn)場場景。

4  結論

    2003年煙臺市能源監(jiān)測中心與中國科學院自動化研究所又共同研究開發(fā)了工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控技術，在煙臺朝日啤酒有限公司進行試點應用后效果理想，由于工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控技術，具有明顯的高科技含量、高技術附加值和高經(jīng)濟效益，如果全國53萬余臺工業(yè)鍋爐應用該系統(tǒng)，將大大促進國內(nèi)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進一步提高，因此可以預見，工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)控技術一定會在工業(yè)信息化過程中發(fā)揮重大作用，發(fā)揮出重大的經(jīng)濟和社會效益。

參考文獻：
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