张清林，耿仁波，孙前程，陈其炎，贾沛建

1  前言

    我国是世界最大的以煤炭为主的能源消费国，煤炭占能源总消耗量75%。作为煤炭生产和消费大国，我国煤炭的燃用效率与工业发达国家相差较大，主要原因是工业锅炉燃烧效率低。据测算，全国中小型锅炉（35t/h以下）的燃煤量占煤炭年产量的1/3，平均燃烧效率约66%，比工业化国家的燃煤锅炉效率低20个百分点，浪费巨大。工业锅炉经济运行作为重点内容，其监测方法是依据国家标准现场测试锅炉燃烧指标。现场监测是对锅炉燃烧状况进行随机测试，检测时间短、人为因素影响大，无法全面反映锅炉的经济运行状况。这种重监督管理，轻实际效果的方法，已不适应目前市场经济要求。

    工业锅炉是用能单位的重要用能设备。由于供热负荷是变化的，因此应随着负荷的变化及时调整锅炉的各项燃烧指标，如排烟温度、过量空气系数、炉膛温度、风量、煤量等，使锅炉燃烧处于最佳状态，保证锅炉高效率运行，减少煤炭消耗，降低环境污染。工业锅炉远程监控系统彻底改变了司炉工的习惯操作方式，将锅炉燃烧的各项主要参数反映在监视器上，为操作人员及时有效地进行燃烧优化调整提供了条件和依据。同时可将数据通过互联网传输到能源监测机构，由专业人员使用专门软件在线分析燃烧情况，并将结果反馈给锅炉操作人员。该系统可以即时计算出当前状况下，锅炉燃煤的浪费量，将对参数的调控直观地变为经济效益，增强管理和操作人员的责任感和工作意识。

    目前，全国约有在用工业锅炉53万余台，若其中50%的工业锅炉使用远程监控技术，用以指导工业锅炉的经济运行，年节约煤炭约2 000万吨，每年可减少二氧化碳排放1 400万吨，减少二氧化硫排放1.8万吨，大大减轻我国的大气环境污染。工业锅炉远程监控技术在全国推广使用后其社会和经济效益巨大，有助于通过工业锅炉能源监测来控制指导现阶段我国工业锅炉经济运行。

2  系统构成（如图1所示）

图1  工业锅炉监控系统结构

     基于工业锅炉运行的现状及国家能源监测标准，工业锅炉远程监控技术必须建立远程监测数据平台，远程监测数据平台是实现工业锅炉远程监控自动化系统的核心，是实现先进过程控制、全流程模拟和能源监测部门监控锅炉运行指标的基础。工业锅炉远程监控数据平台作为用能单位过程控制网络与监测机构连接的桥梁，起着承上启下的关键作用，在远程监测信息化中扮演着非常重要的角色。工业锅炉远程监控数据平台为政府提供了统一而完整的实时数据采集、存储和监视，记录着锅炉运行过程及其控制的状况。锅炉实时监测数据通过OPC接口向监测机构中央控制室提供科学、统一的实时数据。它采用基于组件的系统开发方法，各个组件通过规范的接口组成统一的整体，协同完成实时数据平台的各项功能。实时数据库采用分布式结构，支持数据库的动态冗余配置，装置或者设备可以动态地连接到不同的实时数据库服务器，单个系统的失效不会影响整个系统的性能。 

图2  工业锅炉远程监控系统实时数据平台的逻辑功能结构

    工业锅炉远程监控系统实时数据平台逻辑功能结构如图2所示，其在总体技术水平、性能和可靠性等方面优势主要表现在：

  ? 性能 实时数据平台拥有了可每秒处理10 000个TAG的能力，而且在局域网的环境下监控组态应用画面切换与实时数据刷新的时间低于1秒；

  ? 可靠性 24小时连续运行，可提供远程系统维护功能，而且监控组态应用开发与运行平台支持分布式在线组态与配置；

  ? 安全性 系统提供基于角色的安全访问许可控制机制，为数据访问提供了安全保障；

  ? 开放性 实时数据平台广泛支持常见的现场总线与DCS和PLC，方便地与企业管理信息系统或ERP软件集成。

3  研发的关键技术

3.1  基于工业Internet技术，研发现场设备通信服务器，实现基于Internet的控制系统

    互联网（Internet）具有网络资源大，可容纳更多客户，用户间信息传输速度高安全性能强，支持大规模的视频服务，可以连接移动设备等一系列优势。
基于Internet技术，开发实现可编程控制器的OPC通信接口，并且通过集成，实现了基于Internet的控制系统。通过Internet，实现上位机操作软件、先进控制软件和管理软件与现场设备的通信。

    通过采用智能交换技术，基于SNMP协议，可以实现对网络流量、网络设备的智能监测和控制。在此基础上，紧密地融合IT技术，在现场设备级嵌入Web服务、SMTP服务等，实现基于Internet的工业锅炉运行的诊断和监控。

    基于无线通信协议（GSM/GPRS），开发无线短消息报警系统。

    通过研究GSM/GPRS SMS通信协议，支持系统信息的短消息发送，开发应用了基于GSM/GPRS的短消息报警系统。SMS是通过移动网络用手机收发简短文本消息的一种通信机制。它采用存储转发模式―短消息被发送出去之后，不是直接发送给接收方，而是先存储在SMC（短消息中心），然后再由SMC将短消息转发给接收方。如果接收方当时关机或不在服务区内，SMC就会自动保存该短消息，等到接收方在服务区出现的时候再发送给他。短消息业务可以认为是GSM系统中最为简单和方便的数据通信方式，它不需要附加其它较为庞大的数据终端设备，仅使用手机就可以达到进行中、英文信息交流目的。由于现今我国运行工业锅炉的数量、吨位及应用范围不断的扩大，工业锅炉自动控制的规模和范围也相应的不断扩大，这几种报警实现方式已经远远不能满足工业锅炉经济运行和安全监控的要求。于是随着GSM网络的成熟，GSM短信息理所当然的被应用到工业锅炉的监控报警中。GSM短信息技术在工业监控报警中起到了强大的作用。

3.2  基于组件的监控组态开发平台和运行平台以及常用仪表组件

    笔者研究开发了基于组件的可视化工业锅炉远程监控应用开发平台，支持大型实时数据监控系统的组合开发，提供丰富的面向领域的应用组件来简化系统的开发，提供完全面向对象的可扩展编程语言，支持对第三方组件的编程，并且在应用的开发过程中，支持仿真调试。

    (1)  监控应用开发平台的功能：监控应用开发平台具有控制逻辑定义、流程页面组态、动态报表组态、工艺参数更新内存中该点的值，根据点属性置点状态（如报警），推送数据给应用服务管理组件（如果有订阅），实时规则触发（如果存在规则与逻辑），数据发送给历史数据管理组件（如果要求保存历史数据），处理用户事务，定期或基于事件发布数据信息等功能。

    (2)  组态和运行平台功能：组态和运行平台作为通用的组件容器，支持符合COM/ActiveX规范的组件的插入和运行。可以嵌入常用仪表组件和先进控制的一些模块，例如：单变量、多变量预测，模糊、优化控制等。

    (3)  组态方式下的绘图工具功能：在组态方式下，绘图工具包括：简单动态图元、复杂动态图元库（有丰富的图库）、按钮、滑动条、实时数据、实时曲线/历史曲线显示、支持OLE控件、ActiveX OCX、支持OPC（作为客户端）、支持网页发布。具有应用程序窗口、画面窗口。能实现基本图元和复杂图元的任意角度旋转，各种组态信息打印。各种对象都具有下列属性并可以通过现场数据的变化对其进行动态化：显示/隐藏、可/否操作、操作级别、图层等。

    (4)  常用仪表组件有多媒体接口，包括图像输入接口，可直接显示现场的Video信号、声音信号、支持语音命令等。

3.3  研究网络及其安全技术，实现远程监控和系统维护

    工业锅炉经济运行远程实时监控技术作为一个工业控制软件系统，在性能方面要求很高的实时性、可靠性以及安全性。实时性是指系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性，包括操作实时性与数据更新实时性。可靠性是指在目标应用系统所占的资源不超负荷时，软件系统能稳定可靠地运行，包括数据传输可靠，以及系统能够对突发事件有应急能力，通常利用冗余技术来提高系统的应急能力。安全性是指系统有能力保护系统内部各个实体，使得它们不会因为偶然的因素或未授权者恶意的因素泄漏、修改和破坏，从而保证系统连续正常运行。系统安全性包括保密性(Confidentiality)、完整性(Integrity)与可用性(Availability)。保密性定义了系统的哪些信息不能被泄漏，哪些资源不能被未授权用户访问；完整性决定了系统的信息资源如何运转以及防止被未授权的用户改变和破坏；可用性指系统能处理信息，每当需要时总能及时地访问到合适的资源。

    为了满足这些性能要求，通过对TCP/IP协议族的分析，本技术重点解决的关键问题在于如何实现一个能在企业现有的各种网络上支持多个客户机的、足够安全的监控与组态系统，将工业锅炉控制系统网络(Infranet)与网际网络(Internet)完美地联成一体，从而实现工业锅炉远程的监控、远程诊断、远程决策的目的。

3.4  多客户机同时监控功能

    为了支持多个远程对象同时访问服务器使用本系统，笔者在通信服务器设计实现了多线程异步TCP/IP网络套接字，采用一个监听连接请求线程，监听所有来自合法远程IP地址的连接请求，如果IP地址合法，则在服务器端创建相应的客户通信套接字，并建立一个线程，专门负责与相应对象的通信，解析对象的通信数据（如:登录请求信息、更改现场数据请求等），把解析的结果交给“安全跟踪模块”，并把“安全跟踪模块”响应结果返回给用户。因此整个通信服务对不同的对象来说是并行的，从而提高了工业锅炉远程监控系统的响应速度，并且使得某个对象对现场数据的更改，其它对象也能及时感知到。

3.5  严格的安全性控制功能

    为了使该系统能够真正应用到工业锅炉运行的现场，必须考虑该远程系统的安全性问题，因为系统的安全风险不仅仅是信息的泄露的问题，而且涉及到实验室及计量认证质量体系的严格要求。通常情况下，只要想方设法保护对象的ID、口令以及一些诸如指纹特征码等重要信息不被窃取，就可以说满足了信息保密的需求，对于现场的一些实时数据的保密要求并不是很高。但是，对于要在工业锅炉远程监控与组态的本系统来说，系统主要的安全风险在于信息数据被任意篡改的可能性，从而造成锅炉现场的控制系统控制失调，造成检测报告不准确性，不能为运行的工业锅炉提供科学性实时数据，造成生产停机，甚至还会发生现场重大事故。所以笔者重点考虑并使系统达到：

  ? 十分肯定地确定是什么人在远端控制这个系统（身份验证问题）；

  ? 不同身份的客户拥有不同的明确的细分的权限（访问控制问题）；

  ? 用户当前状态以及他所作的每个操作都要跟踪记录，追究使用者的责任（系统日志问题）；

  ? 操作数据的完整性；

  ? 自动报警功能，系统应该能根据一定的规则，判断一个用户是不是在恶意攻击，并做出相应的处理以及报警。

    在本系统中，笔者专门设计了一个线程对系统进行了安全性控制，在身份验证问题上，继承了传统的用户ID加口令的形式，并且引入指纹识别技术，把用户的指纹特征码存储在用户信息库中，远程用户要用一个指纹采集器把自己的指纹扫描到系统中，然后再输入用户ID以及口令，客户端软件负责把这些用户信息利用公开密钥机制RSA算法加密后传送给通信服务器，服务器端接收并解密这些信息，确定用户的身份，并从用户信息库中把用户权限信息读入内存中。此后，根据这些非常细化的权限信息，对用户的状态与操作进行跟踪、验证权限，并作好记录。另外，权限的分配是由用户使用系统中的“用户管理器”来配置的，对于权限的细化程度，笔者建议最好细化到不同的用户对每个现场数据点的读、写拥有不同的权限，即笔者所说的“用户→点读/写对应”。

    总之，要综合利用口令、指纹、数据加密、IP地址过滤、操作日志、自动报警等多种技术，对工业锅炉远程用户的访问进行严格的安全性控制，为系统提供可靠的安全性。

3.6  远程组态功能

    在远程，中央监控室可以对“实时曲线”、“历史数据趋势曲线”等进行简单的组态，比如可以根据需要选取不同数据进行监视，甚至可以利用工业锅炉端的功能较完善的组态工具组态出监控画面，对现场进行监控，比如可以提供一些图形组态工具并对图形对象的各种属性进行动态化。同时，基于集成远程控制工具，实现了系统的远程系统管理和维护。

3.7  实现网络视频监控

    视频监控目前在安全防范领域应用广泛，在工业自动化领域，其应用相对还不普及。目前视频监控技术已经从传统的模拟监控发展到网络化数字视频监控。在工业锅炉远程监控技术的系统中，通过集成和开发，实现了基于局域网/城域网/互联网的新一代网络视频监控系统，集成在常规的监控系统中。摒弃了通常的模拟电视墙，中央控制室监测人员在进行常规监控的同时，亦可以实时监控到工业锅炉运行的现场场景。

4  结论

    2003年烟台市能源监测中心与中国科学院自动化研究所又共同研究开发了工业锅炉远程监控技术，在烟台朝日啤酒有限公司进行试点应用后效果理想，由于工业锅炉远程监控技术，具有明显的高科技含量、高技术附加值和高经济效益，如果全国53万余台工业锅炉应用该系统，将大大促进国内工业锅炉经济运行水平，热效率可提高5%~6%，用能单位的信息化工作及综合竞争力会进一步提高，因此可以预见，工业锅炉远程监控技术一定会在工业信息化过程中发挥重大作用，发挥出重大的经济和社会效益。

参考文献：
[1]  马增良, 邹益仁. 基于实时数据平台的集成[C]. 中科院自动化所论文集.
[2]  王成恩, 戴国忠等. 过程系统各类与技术的综合集成[J]. 中国管理科学, 2000,1.
[3]  张志檩主编. 实时数据库原理及其应用[M]. 中国石化出版社, 2001,9.