基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统及方法与流程

1.本发明属于工业智能控制领域，尤其涉及一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控方法及方法。


背景技术：

2.目前，伴随着能源需求的日益扩大，同时其火电厂的机组规模也逐渐扩大，其中，控制系统自动化在火电厂当中的作用日益重要。控制系统自动化使电能的生产效率提升，成本得到有效地控制。同时，控制系统自动化在维护火电厂运行安全性及稳定性的过程中，作用也十分的明显。
3.目前，分布式控制系统(dcs)是火电厂最常用的自动化控制系统。该系统主要是由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动化控制系统。随着移动互联网、云计算、大数据和物联网等新型互联网技术的蓬勃发展，各个领域兴起了智能化建设的高潮，在发电领域对智能化电厂的需求越来越大。利用先进通信技术实现准确可靠的信息交换和实时共享，并利用云端智能化控制平台进行大数据分析、机器学习和优化策略，为燃煤机组的运行操作提供科学的指导。同时，随着信息化技术在工业控制领域的快速发展，控制系统的物理隔离被打破，其开放性带来便利的同时也扩大安全暴露面，安全风险与日俱增。
4.如图1所示，在现有技术中，现有火电厂控制体系基本构成是由现场级、控制级、监控级、管理层四级网络构成。
5.一、现场级设备一般位于被控生产过程的附近。主要包括各种现场仪表、传感器、变送器和执行器，它们将生产过程的各种物理量转换为电信号。
6.二、控制级主要包括现场控制站和数据采集站构成。一般在电厂中，把现场控制站和数据采集站集中安装载位于主控室后的电子设备室中。现场控制站接收由现场设备，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去。现场控制站可同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能。数据采集站接受大量的过程信息，并通过监控级设备传递给运行人员，数据采集站不直接完成控制功能。
7.三、监控级的主要设备包括操作员站、工程师站、历史站和计算站等附属设备。1、操作员站实运行员与分散控制系统相互交换信息的人机接口设备。运行人员通过操作员站来监视和控制整个生产过程，运行人员可以在操作员站上观察生产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态，判断每个控制回路是否正常工作，并且可以随时进行手动/自动控制方式的切换，修改给定值，调整控制量，操作现场设备，以实现对生产过程的干预。2、工程师站是为了控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。3、历史站的主要任务是存储过程控制的实时数据、实时报警，实时趋势等与生产密切相关的数据，用来进行事故分析，性能优化计算，故障诊断等。


技术实现要素：

8.为了解决上述现有技术中的技术问题，本技术提供了一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控方法。
9.本发明实施例提供了一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统，其特征在于，包括感知控制层、网络传输层和应用服务层；所述基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统用于对火电厂内的设备实施控制；
10.其中，所述感知控制层包括无线发射模块、密码模块、可信边缘计算网关模块、过程控制器和高频数据采集系统；
11.所述网络传输层包括无线通信基站集群；
12.所述应用服务层包括云服务器平台、集中显示系统、智能控制中心。
13.其中，所述高频数据采集系统用于对火电厂内的设备测实施温度、压力、图像的高密度采集频率实施数据采集得出初始数据；
14.所述过程控制器用于对所述高频数据采集系统的采样频率、采用方式实施控制；
15.所述可信边缘计算网关模块用于兼容多种工业协议，通过标准物联网协议将采集的所述初始数据发送到边缘计算中心；所述边缘计算中心用于就近提供初始数据的分析计算得后处理数据以减轻云服务器平台的计算压力；
16.所述密码模块用于实时获取边缘计算中心计算后的后处理数据，采用数据加密算法对经过可信边缘计算网关模块计算处理的后处理数据进行加密处理，实现对上行和下行数据进行加密处理，并将加密处理的后处理数据发送给无线发射模块；
17.所述无线发射模块用于将加密后的后处理数据直接上传到云服务器平台；
18.所述云服务器平台接收所述后处理数据再进行计算处理。
19.优选的，作为一种可实施方案；所述无线发射模块、密码模块、可信边缘计算网关模块这三个模块就地机房侧布置；
20.所述过程控制器、所述高频数据采集系统这两个模块则靠进设备侧布置。
21.优选的，作为一种可实施方案；基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统，还包括客户端；所述客户端用于实时获取所述云服务器平台上展示的信息数据，同时还用于实时获取下载该信息数据；所述客户端还用于根据信息数据分析得到相应的控制指令，并将所述控制指令通过所述网络传输层发送给感知控制层；所述感知控制层还用接入上述控制指令，并通过感知控制层中的过程控制器实现对火电厂内的设备实施终端控制。
22.优选的，作为一种可实施方案；其中，所述高频数据采集系统包括温度传感器、压力传感器、图像传感器；所述过程控制器包括plc控制系统或者dcs控制系统。
23.优选的，作为一种可实施方案；所述过程控制器中还设置有可信根功能认证模块；所述可信根功能认证模块用于对加载的软件文件是否被篡改进行鉴别，在鉴别判定当前加载的软件文件是正确的系统文件时继续执行后续启动嵌入式操作系统的操作；在鉴别当前加载的软件文件为错误的系统文件时则拒绝加载当前系统文件。
24.优选的，作为一种可实施方案；所述可信根功能认证模块包括cpu、只读rom以及密码芯片、flash存储器；所述flash存储器用于暂存所述嵌入式操作系统；所述只读rom为不可被改写的rom；
25.所述可信根功能认证模块用于具体对软件文件对应plc程序进行鉴别处理；在过
程控制器启动时，所述cpu用于先执行只读rom中验证相关的可信度量代码，然后对密码芯片初始化；所述cpu还用于读取flash存储器内存放的嵌入式操作系统、并实时获取计算其完整性基准值；根据当前的软件文件对应的plc程序进行哈希计算得到度量值；如果查询到当前的软件文件对应的plc程序的度量值与完整性基准值一致，则运行软件文件对应plc程序；如果不一致则拒绝运行软件文件对应plc程序。
26.优选的，作为一种可实施方案；所述无线通信基站集群为多组，所述无线通信基站集群包括多个无线通信基站；且所述火电厂中无线通信基站的布置按照所述火电厂内的空间自上至下划分为三层空间，分别为高层基站、中层基站、低层基站；且所述中层基站中布置的无线通信基站的数量高于高层基站中布置的无线通信基站、低层基站中布置的无线通信基站。
27.优选的，作为一种可实施方案；基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统还包括由火电厂内的设备构成的设备层；所述设备层中的各个设备之间设置的高频数据采集系统通过同轴线缆直接连接；控制层采用星型网络拓扑结构，各子单元间的通信都要通过无线通信方式与数据中心节点建立通信连接。
28.相应地，本发明提供了一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控方法，所述方法利用了基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统，其主要包括如下处理步骤：
29.步骤s1:高频数据采集系统对火电厂内的设备测实施温度、压力、图像的高密度采集频率实施数据采集得出初始数据；
30.步骤s2:过程控制器对所述高频数据采集系统的采样频率、采用方式实施控制；
31.步骤s3:可信边缘计算网关模块兼容多种工业协议，通过标准物联网协议将采集的所述初始数据发送到边缘计算中心；所述边缘计算中心用于就近提供初始数据的分析计算得后处理数据以减轻云服务器平台的计算压力；
32.步骤s4:密码模块实时获取边缘计算中心计算后的后处理数据，采用数据加密算法对经过可信边缘计算网关模块计算处理的后处理数据进行加密处理，实现对上行和下行数据进行加密处理，并将加密处理的后处理数据发送给无线发射模块；
33.步骤s5:无线发射模块将加密后的后处理数据直接上传到云服务器平台；
34.步骤s6:云服务器平台接收所述后处理数据再进行计算处理。
35.本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
36.本发明实施例提供了一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统，包括感知控制层、网络传输层和应用服务层；所述基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统用于对火电厂内的设备实施控制；其中，所述感知控制层包括无线发射模块、密码模块、可信边缘计算网关模块、过程控制器和高频数据采集系统；所述网络传输层包括无线通信基站集群；所述应用服务层包括云服务器平台、集中显示系统、智能控制中心；本发明实施例提供了全新的网络控制架构，保障了火电厂的智能管控通信顺畅，同时其在感知控制层设计了无线发射模块、密码模块、可信边缘计算网关模块、过程控制器和高频数据采集系统等构成的系统，保障了充分的计算能力同时，增强了信息安全防控能，保障机组的安全运行。
附图说明
37.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本申
请的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
38.图1是本技术实施例的一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统的主要结构示意图；
39.图2是本技术实施例的一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统中的感知控制层的主要架构示意图；
40.图3是本技术实施例的一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统中的过程控制器的可信根功能认证模块的主要架构示意图；
41.图4是本技术实施例的一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统中的应用服务层的主要架构示意图；
42.图5是本技术实施例的基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统的网络拓扑结构示意图；
43.图6是本技术实施例的一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统中网络传输层的无线通信基站集群分布示意图；
44.图7是本技术实施例的一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控方法的主要操作步骤流程图。
45.标号:感知控制层100；无线发射模块101；密码模块102；可信边缘计算网关模块103；过程控制器104；cpu1041；只读rom1042；密码芯片1043；flash存储器1044；高频数据采集系统105；网络传输层200；应用服务层300；云服务器平台301；集中显示系统302；智能控制中心303；客户端400；配风系统a1；除渣系统a2；脱硫系统a3；除尘系统a4；烟气检测系统a5；汽机系统a6；锅炉系统a7。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
48.实施例一
49.参见图1
‑
图4，本发明实施例一提供了一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统，包括感知控制层100、网络传输层200和应用服务层300；所述基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统用于对火电厂内的设备实施控制(其中设备侧主要包括火电厂内的配风系统a1、除渣系统a2、脱硫系统a3，除尘系统a4或是烟气检测系统a5、汽机系统a6、锅炉系统a7)；
50.其中，所述感知控制层100包括无线发射模块101、密码模块102、可信边缘计算网关模块103、过程控制器104和高频数据采集系统105；
51.所述网络传输层200包括无线通信基站集群；
52.所述应用服务层300包括云服务器平台301、集中显示系统302、智能控制中心303(另参见图4)。
53.在感知控制层100的具体方案中，上述感知控制层主要包括无线发射模块101、密码模块102、可信边缘计算网关模块103、过程控制器104和高频数据采集系统105；
54.其中：感知控制层的网络拓扑为环形网络拓扑，上述网络传输层的网络拓扑为星型网络拓扑。本发明提供的基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统主要采用环形网络拓扑和集中控制星型网络拓扑相结合的多层拓扑结构，实现了智能高效率的网络架构，最终保障了火电厂智能云控的有效实施。
55.上述优化感知控制层该结构布局，着重提高了该层的数据处理、信息自动化、安全防护、无线传输能力。该优化感知控制层主要包括无线发射模块101、密码模块102、可信边缘计算网关模块103、过程控制器104和高频数据采集系统105等五大设备组件，具有支持多种工业协议、提供设备接入、数据采集、数据转发、协同数据处理、本地缓存、安全加密防护、5g/4g/无线传输、断网续传、远程配置管理、超阈值报警、抗干扰等能力。同时，该优化感知控制层取消就地操作员站、工程师站，减少运行人员，节省人员成本。
56.参见图6，在所述网络传输层200的具体结构中，所述无线通信基站集群为多组，所述无线通信基站集群包括多个无线通信基站；且所述火电厂中无线通信基站的布置按照所述火电厂内的空间自上至下划分为三层空间，分别为高层基站、中层基站、低层基站；且所述中层基站中布置的无线通信基站的数量高于高层基站中布置的无线通信基站、低层基站中布置的无线通信基站。
57.需要说明的是，在本发明实施例的具体技术方案中，上述厂区内基站组布置方式依据火电厂内现有高低错位布置结构，具体地，建立以中层基站为核心的三维空间立体无线通信基站集群布置体系。其中，中层基站的布置需满足无线信号覆盖率≥150％的要求。
58.在应用服务层300的具体方案中，上述应用服务层300主要由云服务器平台301(即私有云服务平台)和基于私有云服务平台建立的集中显示系统302、智能控制中心303组成。上述云服务器平台301可以提供强大的数据处理能力，统一进行数据建模，构建电厂内统一的数据存储体系，为数据的多维价值呈现奠定基础。同时云服务器平台301可直接接入互联网，通过网络防火墙和网络审计等网络安全设备保证网络安全。依据可信根和互联网“云安全”病毒库共同负责云服务平台的安全防护工作。“云安全”防护技术是将互联网病毒数据库实时导入云服务平台内设备终端，互联网将成为一个巨大的杀毒软件，依靠不断更新的互联网的病毒数据库，构建云
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网
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终端一体化防御体制，积极主动识别云服务平台内任何一端口的计算机病毒。
59.通过统一的数据管理监控体系，保障系统的稳定运行。上述集中显示系统302可以把参数检测、自动条件、连锁保护、顺序控制、显示、报警、报表设置、监控管理融为一体可实现全电厂范围内运行情况的实时监测和超大屏显示，结合云服务平台的大数据分析结果，实现烟气智能排放分析预测、态势感知、全生命周期预测性维护、运行策略优化与调制、实时控制/决策支持等功能。操作员可以从集中的位置实时地监视和控制整个系统，根据每个系统的复杂性和相关设置，控制任何一个单独的系统，自动执行相关操作或任务，这也可以由操作员命令来自动执行。提高自动化水平，提高机组的运行质量和效率，并促使机组运行人员大量减少，为火电厂向一名值班员监视控制一台机组的运行管理模式过渡创造基本条
件。
60.同时，依赖无线通信技术可实现客户端(包括但不限于手机、笔记本等通信设备)厂区预定范围内接入集中控制中心网络系统；通过限制接入网络ip地址段、隐藏网络和定位距离判断等技术手段保证无线通信网络接入的安全性。该功能将极大方便现有火电厂内检修等工作。当检修人员达到事故设备附近，通过可移动设备经过认证后可直接接入访问云服务平台进入控制系统，快速查阅设备历史参数、故障代码及现场视频图像等资料，用于快速指导维修。同时，维修结束可以通过移动设备直接调试设备，避免了对讲机通信造成的通信延误及通信双方信息不对称可能引起的操作故障，有效的保障了维修人员的安全性等。
61.优选的，作为一种可实施方案；所述无线发射模块101、密码模块102、可信边缘计算网关模块103这三个模块就地机房侧布置；所述过程控制器104、所述高频数据采集系统105这两个模块则靠进设备侧布置。
62.其中，所述高频数据采集系统105用于对火电厂内的设备测实施温度、压力、图像的高密度采集频率实施数据采集得出初始数据；其中，所述高频数据采集系统105包括温度传感器、压力传感器、图像传感器；所述过程控制器104包括plc控制系统或者dcs控制系统。
63.所述过程控制器104用于对所述高频数据采集系统105的采样频率、采用方式实施控制；
64.所述可信边缘计算网关模块103用于兼容多种工业协议，通过标准物联网协议将采集的所述初始数据发送到边缘计算中心；所述边缘计算中心用于就近提供初始数据的分析计算得后处理数据以减轻云服务器平台的计算压力；
65.所述密码模块102用于实时获取边缘计算中心计算后的后处理数据，采用数据加密算法对经过可信边缘计算网关模块103计算处理的后处理数据进行加密处理，实现对上行和下行数据进行加密处理，并将加密处理的后处理数据发送给无线发射模块101；
66.所述无线发射模块101用于将加密后的后处理数据直接上传到云服务器平台301；
67.所述云服务器平台301接收所述后处理数据再进行计算处理。
68.需要说明的是，上述边缘计算网关兼容modbus等多种工业协议，轻松实现多模态设备信息采集，然后通过标准物联网协议将设备信息发送到边缘计算中心。上述边缘计算中心就近提供数据深度分析、过滤和机器学习等服务能力，有效避免了数据上传下达产生的时延弊端、大大减轻了云服务器平台的计算压力；上述密码模块实时关注边缘计算资源池的数据安全，采用数据加密算法对经过边缘计算网关预处理的数据信息进行加密处理，实现对上行和下行数据进行加密处理。同时，对接入网络中的各个用户权限进行严格控制，对用户的网络行为进行分析，确保无线传输数据安全。最后，通过无线发射模块将加密后的数据直接上传到云服务器平台。
69.面向火电厂智能化技术的新需求，需要增加大量数据测点和增大数据采集频率，高频数据采集系统主要包括温度、压力、图像等多元传感器；传感器的采样频率、采用方式由过程控制器控制，过程控制器可为plc/dcs；为了增加工控系统的安全性，在控制器中增加可信模块；以上两部分直接靠进设备侧布置。在就地机房侧布置边缘计算网关、密码模块和无线发射模块三个模块。边缘计算网关兼容modbus等多种工业协议，轻松实现多模态设备信息采集，然后通过标准物联网协议将设备信息发送到边缘计算中心。边缘计算中心就
近提供数据深度分析、过滤和机器学习等服务能力，有效避免了数据上传下达产生的时延弊端、大大减轻了云服务器平台的计算压力；密码模块实时关注边缘计算资源池的数据安全，采用数据加密算法对经过边缘计算网关预处理的数据信息进行加密处理，实现对上行和下行数据进行加密处理。同时，对接入网络中的各个用户权限进行严格控制，对用户的网络行为进行分析，确保无线传输数据安全。最后，通过无线发射模块将加密后的数据直接上传到云服务器平台。不同于传统dcs系统，现场数据通过无线发射模块发送到云服务平台集中处理，就地机房不需要操作员站和工作室站。
70.基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统还包括客户端400；所述客户端400用于实时获取所述云服务器平台301上展示的信息数据，同时还用于实时获取下载该信息数据；所述客户端还用于根据信息数据分析得到相应的控制指令，并将所述控制指令通过所述网络传输层200发送给感知控制层100；所述感知控制层100还用接入上述控制指令，并通过感知控制层100中的过程控制器104实现对火电厂内的设备实施终端控制。
71.优选的，作为一种可实施方案；所述过程控制器104中还设置有可信根功能认证模块；所述可信根功能认证模块用于对加载的软件文件是否被篡改进行鉴别，在鉴别判定当前加载的软件文件是正确的系统文件时继续执行后续启动嵌入式操作系统的操作；在鉴别当前加载的软件文件为错误的系统文件时则拒绝加载当前系统文件。
72.优选的，作为一种可实施方案；所述可信根功能认证模块包括cpu1041、只读rom1042以及密码芯片1043、flash存储器1044；所述flash存储器用于暂存所述嵌入式操作系统；所述只读rom为不可被改写的rom；
73.所述可信根功能认证模块用于具体对软件文件对应plc程序进行鉴别处理；在过程控制器启动时，所述cpu用于先执行只读rom中验证相关的可信度量代码，然后对密码芯片初始化；所述cpu还用于读取flash存储器内存放的嵌入式操作系统、并实时获取计算其完整性基准值；根据当前的软件文件对应的plc程序进行哈希计算得到度量值；如果查询到当前的软件文件对应的plc程序的度量值与完整性基准值一致，则运行软件文件对应plc程序；如果不一致则拒绝运行软件文件对应plc程序。
74.优选的，作为一种可实施方案；参见图5，基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统还包括由火电厂内的设备构成的设备层；所述设备层中的各个设备之间设置的高频数据采集系统105通过同轴线缆直接连接；控制层采用星型网络拓扑结构，各子单元间的通信都要通过无线通信方式与数据中心节点建立通信连接。
75.参见图7，相应地，基于同样的原理，本发明还提供了一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控方法，所述方法利用了基于安全可信无线通信的火电厂智能云控系统，其主要包括如下处理步骤：
76.步骤s1:高频数据采集系统105对火电厂内的设备测实施温度、压力、图像的高密度采集频率实施数据采集得出初始数据；
77.步骤s2:过程控制器104对所述高频数据采集系统105的采样频率、采用方式实施控制；
78.步骤s3:可信边缘计算网关模块103兼容多种工业协议，通过标准物联网协议将采集的所述初始数据发送到边缘计算中心；所述边缘计算中心用于就近提供初始数据的分析计算得后处理数据以减轻云服务器平台的计算压力；
79.步骤s4:密码模块102实时获取边缘计算中心计算后的后处理数据，采用数据加密算法对经过可信边缘计算网关模块103计算处理的后处理数据进行加密处理，实现对上行和下行数据进行加密处理，并将加密处理的后处理数据发送给无线发射模块101；
80.步骤s5:无线发射模块101将加密后的后处理数据直接上传到云服务器平台301；
81.步骤s6:云服务器平台301接收所述后处理数据再进行计算处理。
82.本发明实施例提供了一种基于安全可信无线通信的火电厂智能云控方法，其同时也解决现有的dcs系统以下不足：1、数据传输能力不足。随着基础设备层上产生数据逐渐增多，数据高速、低延时上传到监控层和管理层。目前，现有边缘计算网关难以满足海量数据传输的实效性要求，本发明实施例提供的智能云控方法建立更高效的网络系统架构，满足海量数据传输。2、计算能力不足。大量的数据资源缺乏整合，数据分散并缺乏连贯性。中央控制处理单元计算能力不足，只是具备简单接收、处置和反馈能力，不具备机器学习能力，数据挖掘程度不够。很难从中得到有用信息从而辅助管理人员做出有效决策。3、网络安全薄弱。在日益严峻的工控信息安全形势下，难以有效采取风险消控措施，实时保障机组的安全运行。4、运行人员众多，智能化水平低。火电系统复杂，设备间物理距离较大。为减少布线成本，就地设置控制室，工作现场环境差。各控制室配备24小时值班员，运行人员众多。
83.最终建立基于安全可信无线通信技术的火电厂智能云控系统，支持多客户端(智能手机或电脑)随时随地接入控制网络，将分布广泛的人、机器和设备单元连接起来，满足工业环境下设备互联和远程交互实时性应用需求，实现火电厂内部智能化集中控制，建立统一的大数据驱动管理与决策管理平台。
84.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。