安全生产数字化远程监测监控系统解决方案

安全生产数字化远程监测监控系统解决方案 一、系统总论 安全生产数字化远程监测监控系统(嵌入式重大危险源自动控制系统)是安全生产监督管理部门和应急救援指挥部门对重大危险源企业远程实时监测监控的网络数字化技术。 本系统通过采用跨平台(Windows操作系统、Linux操作系统)多种技术，融合信息采集、无线通讯、嵌入式自动控制、现场总线、信息管理、数字通讯、音视频传输等技术进行整体开发。实现对重大危险源企业、重点场所、重点区域的各种安全生产进行网络监测监控。 系统硬件设备功能： 1、重大危险源企业现场数据的实时获取，现场设备超临界值灯光、声音本地报警，以及报警信号远程传输； 2、系统监测监控范围广，监测点数量可达到4000，可动态增减； 3、系统巡检周期小于10秒； 4、对设备通讯协议统一管理，确定每个传输通道(智能终端-变送器-传感器)对应的实际物理位置及相关参数，对传输通道进行分类编组,进行实时数据的存档、发送；系统软件功能： 1、重大危险源企业可实现安全生产信息申报和实时数据视频图像的监测预警； 2、根据实时的报警信号远程传输到政府级安全生产监管信息管理软件，以历史趋势曲线和数据报表等形式显示，启动事故分析，以事故地点为中心展示爆炸模拟和泄漏模拟； 3、安全生产事故企业的信息管理与应急救援决策； 4、安全生产事故企业发生的安全生产事故录像回放； 5、GIS电子地图显示安全生产事故企业最佳救援路径,通过安全生产事故企业平面图，显示重大危险源分布情况、实时监测监控事故现场数据和音视频信号; 6、通过应急救援辅助决策功能，对相关管理部门、安全负责人进行电话告警、短信群发。 二、系统总体设计 2.1 系统设计 系统设计利用重大危险源企业内的数据采集设备（液位、温度、浓度、气体、压力、流量传感器等）采集现场数据，将现场数据的二次输出信号作为变送器(无线变送器)的输入信号，通过CAN总线将智能控制终端与变送器（无线变送器）的信号联接起来，变送器（无线变送器）通过软件滤波等手段将处理后的数据传送给智能控制终端；也可以在一些现场无法架设现场总线的重大危险源区域使用无线变送器将传感器数据传送给智能控制终端。分布式智能控制终端、网络视频服务器通过快速以太网(100M)与Linux主控机和企业服务器进行数据交换。 智能控制终端、网络视频服务器、主控机、企业服务器的通信遵循以太网通信协议，主控机收集底层智能控制终端、网络视频服务器的数据流与企业服务器实现跨平台数据交换；主控机通过不断地轮巡对等关系网内底层智能控制终端，获得传感器的运转状况；主控机可根据底层智能控制终端的工作状况向企业服务器提交，再通过企业服务器向远程监测监控中心提交。 系统平台在充分考虑利用现有的政府网络资源和保证网络安全的前提下，企业与安监部门（或市、区应急救援指挥中心）与市城域网进行对接，实现企业平台与安监部门（或市、区应急救援指挥中心）间的信息互连（对偏远的企业，电信线路无法达到或铺设电信线路成本太高的企业，可以采用GPRS、CDMA等无线方式实现远程数据传输）。使得安监部门（或市、区应急救援指挥中心）能够远程实时的监测监控重大危险源企业的现场数据、GIS地理分布、以及对重大危险源企业的安全生产信息管理和突发事件的应急处理。 2.2 系统结构图2.3 技术特点 安全生产数字化远程监测监控系统是集软、硬件于一体的安全生产远程监测监控系统，各项技术性能在安全生产监测监控领域具有先进性。系统的技术特点如下： 1、系统结构采用当前使用最成熟的B/S结构技术，使用操作十分简单方便。 2、系统可扩展性强，数据采用多种加密技术，安全可靠。 3、系统开发采用先进和成熟的.NET开发环境，融合了XML、WebService等先进的技术，具有高度的稳定性、兼容性、扩展性和效率性。 4、创新地将现场总线网络通过智能控制终端直接连接到以太网，同时通过TCP/IP协议解释和提供Internet 网络连接接口，实现与远程Web管理的应用。 5、主控机与企业服务器、安监部门（或市、区应急救援指挥中心）、远程客户端等数据交换通过以太网实现。 6、主控机集软件与硬件为一体，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，适用于重大危险源中要求实时、多任务的控制体系。 7、系统提供多种自我诊断功能；当某一设备出现故障时，系统能迅速识别，自动关闭有故障的设备，并做出报警通知。 8、多种报警同时并列，软件报警自动记录，报警数据自动存储、回放。 9、丰富的图型类库可以满足各类型企业不同设备的差异化需求。 三、应用技术3.1安监部门(或市、区应急救援指挥中心)政府平台 3.1.1 网络与主机安全设计 网络与服务器主机的安全设计是本系统安全运行的基础保障，目前网络与主机基础安全设计的解决方案举不胜举，但最主要是必须解决安全问题，适应性与可靠性要求高。 服务器主机的安全同样是一个重要的安全基础实施环节，本系统在服务器安全设计方面选择采用双机热备技术、SAN技术、NAS技术，以及磁盘陈列技术、磁带备份技术，并同时匹配网络数据管理工具如VERITAS等都可以很好的保障本系统服务器数据安全。 3.1.2 应用软件的安全设计 在本系统应用软件的安全设计方面，我们采用用户权限规划设计解决方案，针对不同使用操作用户，享有的操作权限不同；一般分为企业级用户，安监部门管理员用户、安监部门系统管理用户三种权限级别，并对不同用户进行权限规划和密钥管理。同时日志跟踪管理也是安全设计必须考虑的一个方面，完整的日志不仅要包括用户的各项操作，而且还要包括网络中数据接收的正确性、有效性及合法性的检查结果，为日后网络安全分析提供依据。对日志的分析还可用于预防入侵，提高网络安全。例如，如果分析结果表明某用户某日失败登录次数高达10次，就可能是入侵者正在尝试该用户的口令。 3.1.3 数据库安全设计 目前，计算机大批量数据存储的安全问题、敏感数据的防窃取和防篡改问题越来越引起人们的重视。数据库系统作为计算机信息系统的核心部件，数据库文件作为信息的聚集体，其安全性将是信息产业的重中之重。因此，我们在数据库安全方面做了大量的分析，本系统实现了数据传输加密技术，如字段加密、密钥动态管理、合理数据处理等等技术，从不同层次上实现数据加密管理，防止数据窃取与非法拷贝，即使黑客窃取了关键数据，他仍然难以得到所需的信息，因为所有的数据都经过了加密。另外，数据库加密以后，可以设定不需要了解数据内容的系统管理员不能见到明文，大大提高了关键数据的安全性。此外，也充分利用数据库自身的安全措施，如权限控制、备份、恢复和审计控制等技术进行安全设置，确保数据整体安全性。 3.2 安全生产数字化远程监测监控企业平台 安全生产数字化远程监测监控企业平台由企业终端的数据采集、音视频采集设备、传输设备、应用软件、图形类库，及报警装置等构成；按安全生产业务流程依次为测控单元、过程控制、嵌入式自动控制、主控机与企业服务器的数据交换、处理、存储。 3.2.1测控单元设计 本系统测控单元包括各种（标准电流4-20mA）有线传感器和无线温度、湿度传感器，信号修正器，具有A/D的数据采集单元、模拟的变送单元。 一般而言，测量被测对象显示的物理量（光强、压力、温度、磁场等）和化学量（离子浓度、气体浓度等）的系统由三部分构成： 第一部分为传感器，将所述的输入量变为电信号，因此传感器又被称为输入转换器。 第二部分为信号修正器（放大器，滤波器等），并转换为标准的电信号，为显示装置或A/D转换提供输入信号。 第三部分为具有A/D的数据采集单元、模拟的变送单元，如指针仪表、记录仪、显示装置、4-20mA变送单元、A/D单元等。现代传感器技术中，除探头和物理转换元件外，信号修正器及显示、A/D部分均采用先进的集成电路与微处理机技术，实现精密的数字信号处理与传送。 开关量的处理相对要简单，开关量一般分为有源和无源，有源开关量高点电压在5伏到48伏，而无源开关量需要变送器电路本身提供恒定的电源；低点电压在0伏到1伏范围，在加入1伏电压电路应不会产生误动作；另外电路的设计应考虑到误接或高压脉冲的防护。 3.2.2过程控制技术设计 过程控制技术主要为了测控单元的数据实时的、稳定的上传到主控机，我公司根据现场环境，结合相关基础技术，开发了数据传输CAN现场总线及现场总线技术,以及智能控制终端、变送器（无线变送器）等设备。本系统所采用的现场总线控制系统是包括现场仪表、传感器、变送器、智能控制终端和主控机（安装在车间或工段的控制中心）在内的整个控制系统。 CAN-BUS总线具有传输距离远，传输数据率高，抗干扰能力强的特点，更为重要的是大部分传感器都支持CAB-BUS接口，这就为分散的、零星的、相隔较远的传感器接入到同一条CAB-BUS总线提供了可行性方案；对于那些没有CAN-BUS接口，却有4-20毫安电流环接口的传感器，可通过变送器（无线变送器）将电流信号转化为数字信号，变送器（无线变送器）本身带有一个CAN-BUS接口，可以接入CAN-BUS总线。 变送器(无线变送器) 将现场传感器（无线传感器）产生的模拟量经A/D转换后，实时传送到智能控制终端，如压力传感器产生的4-20mA电流，现场开关量信号，通过现场总线实时传送到智能控制终端，还包括气体报警仪产生的报警信号等。 智能控制终端 主要配合主控机与变送器（无线变送器）完成相应数据的显示及监控，它内部集成了CAN-BUS接口和Ethernet接口以及TCP/IP协议栈，用户利用它可以完成CANBUS网络和Ethernet网络的互连互通，进一步扩展CANBUS网络的范围。其模块由ARM7微处理器、通信接口、电源变换、看门狗电路、eeprom外部存储器等部分组成。 3.2.3嵌入式自动控制技术设计 嵌入式实时自动控制技术在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的工业信息化建设中显得愈来愈重要。 首先，嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安全方面的考虑，要求系统不能崩溃，而且还要有自愈能力。不仅要求在硬件设计方面提高系统的可靠性和抗干扰性，而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性，尽可能地减少安全漏洞和不可靠的隐患。长期以来的前后台系统软件设计在遇到强干扰时，都会使得运行的程序产生异常、出错、跑飞，甚至死循环，造成系统的崩溃。而实时操作系统管理的系统，这种干扰可能只是引起若干进程中的一个被破坏，可以通过系统运行的系统监控进程对其进行修复。通常情况下，这个系统监视进程用来监视各进程运行状况，遇到异常情况时采取一些有利于系统稳定可靠的措施，把有问题的任务清除掉。 其次，提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下，开发一个复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解耦原则将整个程序分解为多个任务模块。每个任务模块的调试、修改不影响其他模块。为应用软件提供了良好的多任务调试环境。 再次，嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。32位CPU比8、16位CPU快，另外它本来是为运行多用户、多任务操作系统而设计的，特别适于运行多任务实时系统。32位CPU采用利于提高系统可靠性和稳定性的设计，使其更容易做到不崩溃。例如，CPU运行状态分为系统态和用户态。将系统堆栈和用户堆栈分开，以及实时地给出CPU的运行状态等，允许用户在系统设计中从硬件和软件两方面对实时内核的运行实施保护,如果还是采用以前的前后台方式，则无法发挥32位CPU的优势。 从某种意义上说，没有操作系统的计算机(裸机)是没有用的；在嵌入式应用中，只有把CPU嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。 本系统就是把微处理器控制技术融入了整个控制系统中，实行了实时监测监控的功能。 3.2.4 Web管理与远程控制技术设计 将现场总线网络通过主控机直接连接到以太网上，是非常理想和先进的体系结构，即LAN/Field bus的网络结构，这样就特别容易实现控制管理信息的一体化。 以前普遍采用的DCS系统的缺点就是造就了信息孤岛现象，DCS的中心计算机系统与控制站的连接采用了所谓的数据高速公路的概念，并且传输协议是自家定义的，没有任何的开放性质。而中心计算机一般都是一个专用的CPU系统，不具备与其它信息网络连通的能力，控制站往下延伸到工业现场的信息传递是一条又一条的模拟信号线。因此DCS成为信息孤岛是必然的。 由于工业现场一级的信息采集与通常所说的IT行业的信息网络的性质不同，最大的差异表现在两个方面：1）实时性要求高；2）传输速率要求不高，但往往要求绝对可靠，这两种差异造就了现场总线的独特性质。采用现场总线网络与以太网络的互连技术构造工业生产的信息系统，能够将两方面的优点发挥出来，创建更加先进的工业信息网。 本系统创新将现场总线网络通过主控机、企业服务器直接连接到以太网，运用先进的.NET技术，同时通过TCP/IP协议解释和提供Internet 网络连接，实现远程Web管理和应用。 3.2.5实时数据通讯设计 实时数据系统采用Windows环境下编程语言，面向对象设计应用界面和数据库，全面支持可视化编程，提供集中数据管理功能。 主要分为以下几个模块： 1