安全区域内工业控制设备单向信息传递的实现

朱宏超 王亚婧 戴文波

摘要：为优化电厂的现场巡检工作，结合物联网感知层的具体实现方式，提出一种物理隔离的设备信息数据单向传递方法。现场工业控制设备把巡检所需记录的设备信息数据传递给显示屏，显示屏将其转换为二维码，接收端通过扫描二维码接收设备信息数据，进行数据显示及存储。此方法在保证内网工业控制设备的信息安全、杜绝被公网设备影响的前提下，实现内外网物理隔离设备的数据传输，在实时显示的同时还可自动生成实时曲线显示及历史曲线显示，从而大大提高了工作效率。

关键词：巡检;单向传递;物理隔离;二维码

0 引言

传统发电行业对设备的安全可靠性要求较高，通常采用物理隔离的方式保证其数据安全性，电厂设有巡回检查制度（简称巡检），作为电厂运行人员获取设备运行状态第一手资料的主要手段。比如巡检人员会巡检抄写DCS系统、电子设备间、励磁系统、调速系统、高低压配电柜、变压器及互感器的温度、有无报警、模拟量及开关量的状态等关键点数据。

调速系统、监控系统查看发电机各个关键点的温度等等关键信息点。通过对各设备系统的巡检，检查其运行状态是否良好，是否存在缺陷，能够及时排除设备隐患，保证设备的稳定运行。

目前二维码已应用于电厂及变电站等电力行业的巡检系统，将设备及其需要关注的信息制作成二维码放置在现场，提升工作效率，加强设备管理，优化管理模式[1，2]，此为在管理方面的优化。

但运行人员巡检时记录各设备参数还是通过手抄的方式，比如励磁系统，要记录励磁小室环境温度、整流柜电流及温度、有功无功、电压给定、触发角度、励磁电压、励磁电流、开关状态、有无报警等，励磁变记录各相电流及温度，普遍存在耗费时间、易抄错等缺点，且当下无法直观查看数据的变化趋势。也有电厂采用条形码标识电厂设备，利用掌上电脑采集数据，然后借助红外方式通过串行口上传到PC机[3]，或者通过扫描设备二维码调出需要巡检项目然后依次填入相应内容后保存[4]，这些方法在操作上还是不够便利。

感知层是物联网的核心，是信息采集的关键部分，主要功能是识别物体、采集信息。与外部网络隔离的发电厂设备可借助物联网的感知层相关技术实现设备数据信息的单向传输，保证安全区域内工业控制设备的信息安全。

1 技术基础

ModBus通讯协议作为工业领域通信协议的业界标准，是工业控制设备之间常用的通讯方式，电厂现地设备基本支持ModBus通讯协议，比如DCS系统、励磁系统、调速系统等都预留有ModBus通讯的接口。通过ModBus通讯协议进行的数据传递可以只选择单向模式，最大程度保障发送数据方的数据安全。

二维码是移动设备上流行的一种编码方式，它用特定的几何图形按一定规律在平面分布的黑白相间的矩形方阵记录数据符号信息。当前最为流行的二维码编码格式为QR Code，具有信息量大、高速识读、全方位识别、纠错能力强、支持汉字表示等特点。二维码在信息标示、内容索引、身份识别等多个领域都得到了广泛应用[5]，是线上线下的一个关键入口。通过ModBus协议单向传递的数据，进行信息补充后可通过二维码的方式进行展示。

互联网时代，尤其随着4G和5G技术的广泛普及，移动智能终端产品也得到了飞速的发展和应用，已经渗透到日常生活的方方面面，人们越来越多的使用移动智能终端处理事务。通过移动终端扫描二维码的方式，可实现移动网络与局域网络间数据的数据信息传递。

2 系统构成

局域网内的设备包括工业控制设备和显示屏，移动网络内的设备包括智能手机以及服务器。显示屏和智能手机等终端作为数据的发送和接收节点，显示屏用于显示二维码发送数据，智能终端用于扫描识别二维码接收数据，信息从显示屏所在的局域网传输到智能终端所在的移动网络。由于接收端与局域网内设备没有直接网络连接，实现了物理隔离的网络间的数据单向传输，保证了工业控制设备的安全性。

具有RS485/232接口，支持ModBus通讯协议的工业控制设备和显示屏，两者通过RS485/232接口连接。工业控制设备将现场巡检所关注的数据通过ModBus通讯协议传输给显示屏。

显示屏作为中间转换工具，把数据转换为二维码显示。一个二维码无法显示所有数据时，可按每个二维码所能包含的数据量进行分页，逐页转换为二维码，连续在控制设备显示屏上滚动更新显示。

巡检人员可通过智能手机连续扫描二维码读取数据到后台服务器，存储在接收数据库中。采集到的二维码被解码后，根据页面信息进行重组，恢复原始数据再传递给智能手机。智能手机端可实现数据实时显示，同时可以根据接收数据库中的数据进行实时曲线显示、历史曲线显示、数据查询等操作。

数据传输流程主要包括数据的ModBus通信，二维码图像的生成与处理、二维码图像的扫描与识别、数据库的更新。

下面为一种格式内容参考示例，其中数据部分为励磁系统通过ModBus通訊协议上送给显示屏的，在显示屏完成数据含义与数据部分的整合，然后转换为二维码。二维码也可以只包含数据部分，与数据含义的整合在后台服务器完成，此种方法可以上送的数据量多一些。

另外，如现场配备视频监控系统，也可实现在集控室远程扫描二维码，随时记录数据，查看数据的实时曲线和历史曲线。

3 结语

文章针对如何优化现场巡检工作，解决目前运行人员巡检时记录DCS系统、调速系统、励磁系统、电子间等关键设备参数还是通过手抄的方式，存在耗费时间、易抄错等缺点，且当下无法直观查看数据的变化趋势的技术需求，通过将各设备巡检时所需要的数据通过ModBus通讯协议上传至显示屏，按每个二维码所能传递的数据量进行分页，插入页面信息后逐页转换为二维码，连续在显示屏屏幕上滚动更新显示。巡检人员可通过手持设备连续扫描二维码读取数据，采集到的二维码被解码后，根据页面信息进行重组，恢复原始数据。由于接收端与内网设备没有直接网络连接，在保证内网工业控制设备的信息安全、杜绝被公网设备影响的前提下，实现内外物理隔离的网络间的数据传输，缩短巡检期间抄写数据的时间，避免抄写错误，自动生成实时曲线显示及历史曲线显示，从而大大提高了工作效率。

参考文献

[1]冯前. 浅谈二维码巡检系统在岩滩电厂的应用[J]. 大众科技，2019，21（10）：46-48，79.

[2]温志祥，熊广华，马恩多. 二维码在变电站运行工作中的应用探析[J]. 电力系统装备，2020（1）：112-113.

[3]胖永新. 抽水蓄能电厂设备巡检系统[C]. //中国水力发电工程学会电力系统自动化专委会2009年年会暨学术交流会. 2009：128-132.

[4]潘龙. 基于二维码的智能巡检系统在电厂的应用[J]. 现代信息科技，2020，4（15）：114-118. DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2020.15.035.

[5]陶孙杰，余涛. 基于二维码的数据传输系统设计[J]. 计算机科学，2018，45（z2）：587-590.

作者简介：朱宏超（1981—），男，福建省，研究生，高工，发电机励磁系统。