安全區域內工業控制設備單向信息傳遞的實現

朱宏超 王亞婧 戴文波

摘要：為優化電廠的現場巡檢工作，結合物聯網感知層的具體實現方式，提出一種物理隔離的設備信息數據單向傳遞方法。現場工業控制設備把巡檢所需記錄的設備信息數據傳遞給顯示屏，顯示屏將其轉換為二維碼，接收端通過掃描二維碼接收設備信息數據，進行數據顯示及存儲。此方法在保證內網工業控制設備的信息安全、杜絕被公網設備影響的前提下，實現內外網物理隔離設備的數據傳輸，在實時顯示的同時還可自動生成實時曲線顯示及歷史曲線顯示，從而大大提高了工作效率。

關鍵詞：巡檢;單向傳遞;物理隔離;二維碼

0 引言

傳統發電行業對設備的安全可靠性要求較高，通常采用物理隔離的方式保證其數據安全性，電廠設有巡回檢查制度（簡稱巡檢），作為電廠運行人員獲取設備運行狀態第一手資料的主要手段。比如巡檢人員會巡檢抄寫DCS系統、電子設備間、勵磁系統、調速系統、高低壓配電柜、變壓器及互感器的溫度、有無報警、模擬量及開關量的狀態等關鍵點數據。

調速系統、監控系統查看發電機各個關鍵點的溫度等等關鍵信息點。通過對各設備系統的巡檢，檢查其運行狀態是否良好，是否存在缺陷，能夠及時排除設備隱患，保證設備的穩定運行。

目前二維碼已應用于電廠及變電站等電力行業的巡檢系統，將設備及其需要關注的信息制作成二維碼放置在現場，提升工作效率，加強設備管理，優化管理模式[1，2]，此為在管理方面的優化。

但運行人員巡檢時記錄各設備參數還是通過手抄的方式，比如勵磁系統，要記錄勵磁小室環境溫度、整流柜電流及溫度、有功無功、電壓給定、觸發角度、勵磁電壓、勵磁電流、開關狀態、有無報警等，勵磁變記錄各相電流及溫度，普遍存在耗費時間、易抄錯等缺點，且當下無法直觀查看數據的變化趨勢。也有電廠采用條形碼標識電廠設備，利用掌上電腦采集數據，然后借助紅外方式通過串行口上傳到PC機[3]，或者通過掃描設備二維碼調出需要巡檢項目然后依次填入相應內容后保存[4]，這些方法在操作上還是不夠便利。

感知層是物聯網的核心，是信息采集的關鍵部分，主要功能是識別物體、采集信息。與外部網絡隔離的發電廠設備可借助物聯網的感知層相關技術實現設備數據信息的單向傳輸，保證安全區域內工業控制設備的信息安全。

1 技術基礎

ModBus通訊協議作為工業領域通信協議的業界標準，是工業控制設備之間常用的通訊方式，電廠現地設備基本支持ModBus通訊協議，比如DCS系統、勵磁系統、調速系統等都預留有ModBus通訊的接口。通過ModBus通訊協議進行的數據傳遞可以只選擇單向模式，最大程度保障發送數據方的數據安全。

二維碼是移動設備上流行的一種編碼方式，它用特定的幾何圖形按一定規律在平面分布的黑白相間的矩形方陣記錄數據符號信息。當前最為流行的二維碼編碼格式為QR Code，具有信息量大、高速識讀、全方位識別、糾錯能力強、支持漢字表示等特點。二維碼在信息標示、內容索引、身份識別等多個領域都得到了廣泛應用[5]，是線上線下的一個關鍵入口。通過ModBus協議單向傳遞的數據，進行信息補充后可通過二維碼的方式進行展示。

互聯網時代，尤其隨著4G和5G技術的廣泛普及，移動智能終端產品也得到了飛速的發展和應用，已經滲透到日常生活的方方面面，人們越來越多的使用移動智能終端處理事務。通過移動終端掃描二維碼的方式，可實現移動網絡與局域網絡間數據的數據信息傳遞。

2 系統構成

局域網內的設備包括工業控制設備和顯示屏，移動網絡內的設備包括智能手機以及服務器。顯示屏和智能手機等終端作為數據的發送和接收節點，顯示屏用于顯示二維碼發送數據，智能終端用于掃描識別二維碼接收數據，信息從顯示屏所在的局域網傳輸到智能終端所在的移動網絡。由于接收端與局域網內設備沒有直接網絡連接，實現了物理隔離的網絡間的數據單向傳輸，保證了工業控制設備的安全性。

具有RS485/232接口，支持ModBus通訊協議的工業控制設備和顯示屏，兩者通過RS485/232接口連接。工業控制設備將現場巡檢所關注的數據通過ModBus通訊協議傳輸給顯示屏。

顯示屏作為中間轉換工具，把數據轉換為二維碼顯示。一個二維碼無法顯示所有數據時，可按每個二維碼所能包含的數據量進行分頁，逐頁轉換為二維碼，連續在控制設備顯示屏上滾動更新顯示。

巡檢人員可通過智能手機連續掃描二維碼讀取數據到后臺服務器，存儲在接收數據庫中。采集到的二維碼被解碼后，根據頁面信息進行重組，恢復原始數據再傳遞給智能手機。智能手機端可實現數據實時顯示，同時可以根據接收數據庫中的數據進行實時曲線顯示、歷史曲線顯示、數據查詢等操作。

數據傳輸流程主要包括數據的ModBus通信，二維碼圖像的生成與處理、二維碼圖像的掃描與識別、數據庫的更新。

下面為一種格式內容參考示例，其中數據部分為勵磁系統通過ModBus通訊協議上送給顯示屏的，在顯示屏完成數據含義與數據部分的整合，然后轉換為二維碼。二維碼也可以只包含數據部分，與數據含義的整合在后臺服務器完成，此種方法可以上送的數據量多一些。

另外，如現場配備視頻監控系統，也可實現在集控室遠程掃描二維碼，隨時記錄數據，查看數據的實時曲線和歷史曲線。

3 結語

文章針對如何優化現場巡檢工作，解決目前運行人員巡檢時記錄DCS系統、調速系統、勵磁系統、電子間等關鍵設備參數還是通過手抄的方式，存在耗費時間、易抄錯等缺點，且當下無法直觀查看數據的變化趨勢的技術需求，通過將各設備巡檢時所需要的數據通過ModBus通訊協議上傳至顯示屏，按每個二維碼所能傳遞的數據量進行分頁，插入頁面信息后逐頁轉換為二維碼，連續在顯示屏屏幕上滾動更新顯示。巡檢人員可通過手持設備連續掃描二維碼讀取數據，采集到的二維碼被解碼后，根據頁面信息進行重組，恢復原始數據。由于接收端與內網設備沒有直接網絡連接，在保證內網工業控制設備的信息安全、杜絕被公網設備影響的前提下，實現內外物理隔離的網絡間的數據傳輸，縮短巡檢期間抄寫數據的時間，避免抄寫錯誤，自動生成實時曲線顯示及歷史曲線顯示，從而大大提高了工作效率。

參考文獻

[1]馮前. 淺談二維碼巡檢系統在巖灘電廠的應用[J]. 大眾科技，2019，21（10）：46-48，79.

[2]溫志祥，熊廣華，馬恩多. 二維碼在變電站運行工作中的應用探析[J]. 電力系統裝備，2020（1）：112-113.

[3]胖永新. 抽水蓄能電廠設備巡檢系統[C]. //中國水力發電工程學會電力系統自動化專委會2009年年會暨學術交流會. 2009：128-132.

[4]潘龍. 基于二維碼的智能巡檢系統在電廠的應用[J]. 現代信息科技，2020，4（15）：114-118. DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2020.15.035.

[5]陶孫杰，余濤. 基于二維碼的數據傳輸系統設計[J]. 計算機科學，2018，45（z2）：587-590.

作者簡介：朱宏超（1981—），男，福建省，研究生，高工，發電機勵磁系統。