基于VPN和DLP的远程服务系统

吴海峰，张淼，孙鑫，陈泽，李冰

(航天长征化学工程股份有限公司，北京101111)

航天长征化学工程股份有限公司作为煤气化行业内典型的专业化工程公司，依托具有自主知识产权的先进煤气化专利技术和关键设备，专业从事煤气化工程设计或工程总承包，在煤气化工程领域形成了技术研发、工程设计、设备成套、工程管理及全生命周期服务的核心能力。随着公司煤气化装置投产项目的逐渐增多，为了便于及时掌握各现场气化装置运行情况，进行数据回归和分析，优化设计，为装置长周期运行提供保障，为用户提供增值服务，同时为远程故障诊断及智能控制提供技术基础和技术储备，在公司北京总部科研大楼建立煤气化装置远程服务中心，对各装置现场进行数据采集、运行情况监视、故障预判和远程操作指导等工作。

1 系统总体功能设计要求

煤气化装置远程服务系统的研究是为了便于公司及时掌握各现场气化装置运行情况，进行数据回归和分析，为优化设计提供有力的数据支撑；同时进行气化装置运行情况监视，及时作出故障预判，开展远程操作指导等工作，为装置长周期运行提供保障，为用户提供增值服务；另外还可为将来开展远程故障诊断及智能控制提供技术基础和技术储备。

系统主要完成以下目标：

1) 采集各地气化装置DCS过程数据，传至北京远程服务中心并存储， 建立实时和历史数据库。

2) 在北京远程服务中心通过高分辨率液晶显示器及DLP大屏幕，直观地动态显示各地气化装置工艺流程的实时工况、各工艺参数的趋势画面、报警信息，使工程技术人员及时掌握各地气化装置的运行情况。

3) 北京远程服务中心不具备操作功能，不参与控制，数据传输为单向数据传输，实现“监而不控”。

4) 具备Web浏览功能，授权人员可在各地随时通过移动终端(手机、iPad等)、电脑等掌握现场装置运行情况。

5) 具有短信通知服务功能，重要报警信息及工艺参数自动推送至相关授权人员手机上。

6) 系统具备良好的可扩展性，满足今后系统扩容的需要。

7) 具备数据缓存功能，支持断点续传功能，当通信网络故障时，数据可保存一定时间，待故障消除后，自动将数据上传到北京监控中心数据库。

8) 具备完善的权限管理功能，实现分级管理。

2 应用系统设计

为保障系统安全性和可靠性，数据采集系统必须独立于装置操作运行层，和装置现场控制层完全脱离，并通过VPN(Virtual Private Network)对采集的数据进行传输。同时，为开展各种应用服务功能，在总部设计1套气化装置运行数据信息综合管理平台，用于数据管理、信息发布等功能。

2.1 系统性能

2.1.1安全性

系统安全性是该项目研究的重点，包括数据采集和传输。为了保证数据采集和传输对控制系统的正常运行不会构成影响，该项目必须具备“监而不控”的功能，这就决定了必须采用单向数据传输的技术，不能向控制层传送数据；同时，需具备完善的信息隔离技术，包括硬件防火墙、网关技术、防病毒技术等，确保系统网络安全，防止系统受到黑客的攻击和病毒的侵扰，保证数据不被非法读取和修改。

2.1.2可靠性

该项目包括多个子系统，除了保证系统整体稳定可靠外，还需重点研究数据传输的可靠性，这是系统整体运行稳定可靠的基础。随着工业监控系统的发展，远程监控的需求越来越多，而选择最优化的数据传输方式，可以提高数据传输安全性和稳定性，并最大化地节省费用。一般远程监控通常采用无线方式，然而无线通信易受到干扰，GPRS等方式不能提供大数据量的稳定传输，无法突破城市之间的超远距离远程监控，难以满足工业需求，同时如果数据传输量较大，则运行费用比有线方式贵很多。在这种情况下，采用VPN和OPC的方式是一个较为理想的选择。

VPN是利用IP网络来传输私有信息而形成的逻辑网络，从而为用户提供高安全性，且有比专线价格低廉的资源共享和互连服务，它具有同客户原有的私有网络相同的安全性、优先级特性、易管理性和稳定性。OPC则可以提供高速的数据传输性能，具有分布式COM的安全管理机制，并且开发简单。结合VPN和OPC开发的应用程序，不仅代码数量少，而且可以远程维护，非常适合该项目数据采集和传输的要求。

2.1.3可扩展性

考虑到随着煤气化装置投产项目的逐渐增多，该项目方案不仅要满足现阶段监控系统的要求，同时还要满足未来系统扩容时，仍然能够满足整体的技术要求。因此，在系统设计中，要符合行业标准和国际标准，重点考虑通用性和灵活性，以便在未来系统扩容时，无须更改或仅作少量更改即可满足新的要求，并且不影响原系统的正常运行。

2.2 系统设计

建立远程服务系统的目的是搭建一个以总部为中心，以各地生产装置现场实时过程控制数据为基础的综合信息管理平台，对装置的生产过程进行实时监测，使管理层能够就近、实时了解装置的运行状况，为技术研究及管理决策提供可靠的依据，并为以后的技术升级、维护提供数据支撑。

远程服务系统按项目要求分为装置现场数据采集层、数据远程传输、总部集中远程服务平台。系统网络架构如图1所示。

2.2.1装置现场数据采集系统

利用与实时数据库配套的专用数据采集程序，通过智能单向隔离网闸，实现对装置实时运行数据的单向采集，并将实时数据同步存储到数据采集转发服务器中。

1) 智能单向隔离网闸是专为企业过程控制系统和管理信息系统之间进行单向物理隔离而开发的网络安全隔离设备，负责从各个DCS中采集数据，送到实时数据库中；隔离网闸集成了针对不同DCS设计的数据采集程序，同时以硬隔离的方式实现对控制系统的安全防护。

2) 数据采集转发服务器负责采集气化装置生产过程控制系统的数据，具备数据缓存功能，支持断点续传功能，保存实时数据和历史数据。

2.2.2VPN虚拟专网

借助公网专用技术，搭建数据上传通道，保证数据传输的完整、稳定。在装置现场与北京总部端分别部署VPN设备，搭建站点到站点的虚拟专用网络。

目前北京总部中心外网使用电信网络，各装置现场一般根据当地情况选择不同运营商。通过在VPN设备上增加跨运营商加速模块来弥补现有接入系统可能会造成的网络传输波动。

图1 系统网络架构示意

2.2.3总部系统设计

通过在北京总部部署实时数据库与企业生产数字化管控平台，实现装置现场数据采集服务器采集数据与总部数据库之间的通信，利用STS接口协议，借助VPN虚拟专用网络，实现总部数据库采集生产实时数据，并围绕总部数据库展开各种应用功能。软件架构如图2所示。

通过部署移动客户端应用服务支持程序，实现在手机、iPad等智能移动终端的浏览，不受移动客户端操作系统的限制。通过在总部搭建内部办公网络，各工作站通过直接访问应用服务器实现各种管理应用，包括流程图监视、流程图回放、历史趋势查询、报警事件记录、报表生成与打印等。

生产装置在日常运行的过程中，可能某几个关键指标会对整个装置的安全具有非常重要的影响，正常生产过程中，这几个指标基本不会产生变化，但是一旦变化，将会对整个装置的安全运行产生重要影响，但是由于其超限的概率极低，数据变化不易发现，为了避免这种情况发生，系统支持对重要信息的短信推送，通过及时传送给相关岗位领导或技术负责人员，及时处理，来避免安全事故的发生。

3 信息展示系统设计

在超大屏幕显示系统项目中，需要对大屏幕上的图像实时切换、拼接、放大显示，其中拼接技术的应用已经成为主流。

3.1 技术方案

远程服务中心的大屏幕显示单元主要用于流程画面和关键数据参数的显示，并且以全屏图像显示为主，分屏显示为辅。LCD液晶拼接虽具有超薄轻巧、低功耗、节能环保等优势特点，但较大的拼接缝使其影响全屏图像的显示以及数据参数的显示，因此不适合该项目；同时，由于房间纵深有限，LED显示墙分辨率低，不适合近距离长时间观看，因此也不适合该项目。

综合上述因素，根据该项目大屏幕显示系统的技术需求，并结合现场实际情况，最终采用DLP(Digital Light Procession)背投拼接技术。

3.2 系统集成

该系统采用巴可MVL-721 177.8cm(70in)显示单元，由8台MVL-721显示单元拼接墙体组成，采用2行X4列拼接方式。

1) DLP显示单元。包括投影机、屏幕、光源等，用于数据、流程画面等信息展示。

2) 拼接控制器。满足信号显示的全部要求，支持多屏幕拼接显示中对任一尺寸的显示实现单一逻辑屏操作和控制。

3) 控制电脑/管理软件。对所有需要在大屏幕投影显示墙上显示的应用进行全面管理，安排各类应用显示的区域和时间表；通过简单的路径、图标或模板实现窗口的打开、关闭、移动、缩放等应用操作；提供多级安全保障管理功能，可设置多种操作等级或权限。

4) 集中控制系统。通过New iPad触摸屏对所需设备进行实时控制，包括视频信号切换、显示模式调整、灯光分区及亮暗控制、窗帘和空调设备控制等。

图2 系统软件架构示意

4 结束语

远程服务系统是信息网络技术、工业控制技术、数据通信技术等多种技术共同发展的结果，其应用领域十分广泛。该项目投用后，工程技术人员在北京监控中心通过高分辨率液晶显示器及DLP大屏幕，直观动态地监测各地煤气化装置工艺流程的实时工况、各工艺参数的趋势画面、报警信息，及时掌握各地装置的运行情况，有效地开展了故障预判和远程操作指导等工作，节约了大量往返奔波现场的成本。同时，用户高管人员可以利用移动终端随时随地掌握本厂煤气化装置运行情况，为用户提供了增值服务。同时，该项目投用后，成为公司一个良好的展示平台，尤其是一些潜在客户访问公司时，可以让客户不必亲临装置现场，即可了解各地气化装置的运行情况，加深客户对公司技术能力的印象，提升客户的满意度。总之，该项目具有良好的示范效应和推广价值。

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