CN101455029A - 一种本质安全型数据远程监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

一种本质安全型数据远程监测系统及使用该系统对数据进行远程监测的方法。该监测系统包括对被控过程进行监测或控制的过程控制计算机、对过程控制计算机进行远程监测的远程监测计算机，还包括有与过程控制计算机之间为非网络物理连接、用于采集过程控制计算机中数据信号的信号采集设备以及与信号采集设备连接的本地监测计算机(4)，本地监测计算机(4)与远程监测计算机通过网络连接。该监测方法包括下列步骤：通过该监测系统中的信号采集设备采集过程控制计算机中的数据信号，再由本地监测计算机(4)将该数据信号传送到远程监测计算机进行监测。

Description

一种本质安全型数据远程监测系统及其监测方法 技术领域

本发明属于计算机控制技术领域， 涉及一种本质安全型数据远 程监测系统及使用该监测系统对数据进行远程监测的方法。 背景技术

现有工业控制过程中的数据远程监测大部分是通过数据网络如 互联网或局域网进行的， 无论远程监测系统的具体结构如何， 其大体 的连接方式如图 1所示， 即包括过程控制计算机、 由过程控制计算机 控制的被控（工业）过程， 以及与过程控制计算机连接的远程监测计 算机。

这种远程监测系统的特点是过程控制计算机系统与与外界网络 存在着物理的网络连接， 而由这种物理连接所产生的一个问题是过程 控制计算机系统可能受到来自外界网络的攻击， 如网络中的黑客攻击 或病毒的入侵， 尽管可以在计算机系统中采用防火墙之类的防护措 施， 但仍然不能保证过程控制计算机的绝对安全。 由于过程控制计算 机对被控工业过程进行实时的工业控制或监测， 如果被攻击， 有可能 造成被控工业过程的失控， 给工业过程造成严重后果。 发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足， 提供 一种能对被控工业过程进行监测、同时保证对被控工业过程进行监测 或控制的过程控制计算机不会受到来自外界网络攻击的本质安全型 数据远程监测系统及使用该监测系统的监测方法。

.解决本发明技术问题所釆用的技术方案是该本质安全型数据远 程监测系统包括对被控工业过程进行监测或控制的过程控制计算机 或计算机系统、对过程控制计算机或计算机系统进行远程监测的远程 监测计算机或计算机系统， 其中， 该监测系统还包括有与过程控制计 算机或计算机系统之间为非网络物理连接、用于采集过程控制计算机 或计算机系统中数据信号的信号采集设备或系统以及与信号釆集设 备或系统连接的本地监测计算机或计算机系统，所述本地监测计算机 或计算机系统与远程监测计算机或计算机系统通过网络连接。所述本 地监测计 机或计算机系统与远程监测计算机或计算机系统通过网 络连接可以是通过 Internet互联网连接。 所述的被控过程可为被控 工业过程或其他需要单向数据传出的系统。

该对数据进行远程监测的方法为通过该监测系统中的与过程控 制计算机或计算机系统非网络物理连接的信号采集设备采集过程控 制计算机中数据信号，再由本地监测计算机将该数据信号传送到远程 监测计算机进行监测。

其中， 信号釆集设备可采用图像或视频采集设备。 优选的是， 所述图像或视频采集设备可采用用于拍摄过程控制计算机显示器显 示的数据视频图像的摄像头或用于采集过程控制计算机显示器中视 频信号的视频采集设备。

采集过程控制计算机显示器中视频信号的视频采集设备可包括 视频分线转换器以及视频釆集卡，所述视频分线转换器的一个输出接 过程控制计算机的显示器，另一个输出接视频釆集卡，视频采集卡与 本地监测计算机相连。

将图像釆集设备釆集到的数据信号进行传送的方法可有多种。 一种是由图像采集设备采集得到监测数据的视频信号， 将之转 换成图像或视频格式文件，再由本地监测计算机用网络文件传送方式 将该文件传送到远程监测计算机。

优选的一种是由图像采集设备采集得到数据视频信号并将之转 换成图像或视频文件，将图像或视频文件还原成文本格式数据或浮点 格式数据，再由本地监测计算机将该数据通过网络数据传送系统传送 到远程监测计算机进行监测。而将图像或视频文件进行转换可以用光 学字符识别技术 OCR对字符和数字进行识别，从而将数据的图像或视 频文件转换成文本格式数据或浮点格式数据。

本发明监测系统中， 过程控制计算机与本地监测计算机之间的 非网络物理性连接， 除了采用视频信号来传送信息外，还可以用其他 的单向数据传送方法来实现。如通过单向的光电偶合单元，要发送的 数据通过光发射器发射，光接收器是个光电转换元件，将光发射器发 送的光数据信号转换成电数据信号。 光发射器与过程控制计算机相 连，而光接收器与本地监测计算机相连， 形成了数据只能通过光电单 向从过程控制计算机传向本地监测计算机的结构。

与光电偶合单元类似， 也可以用无线电的方式进行单向传送， 在过程控制计算机端连接无线电发射器，而本地监测计算机接无线电 接收器， 进行数据的传送， 这就像无线电或电视广播那样， 把要传送 的数据信号通过无线电广播或电视广播传送到监测端的本地监测计 算机来，因此进行监测的无线电接收器无法影响到连着发射器端的过 程控制计算机。

现有技术中的远程监测系统由于过程控制计算机与远程监测计 算机之间需要通过互联网传输数据信号，尽管可以采用反黑客的软件 或硬件进行保护，但由于这两台计算机有着网络的物理连接， 因此从 本质上仍然存在网络的安全隐患。而本发明监测系统中，过程控制计 算机与本地监测计算机之间数据信号的传输采用非网络物理连接方 式，过程控制计算机与本地监测计算机之间数据的传输完全与外界网 络隔离， 因此过程控制计算机不会受到来自外界网络黑客的攻击，从 本质上保证了过程控制计算机的网络安全性。

本发明的监测系统和监测方法也可以应用于一般的数据传送的 情况， 如需要将网络 A (比如单位内部的局域网） 的数据单向传送到 网络 B， 又要保证网络 A不会受到来自网络 B的攻击。

本发明可用于对被控工业过程以及其他网络数据传输系统进行 监测或单向数据传输，过程控制计算机不会受到来自外界网络黑客的 攻击， 从本质上保证了过程控制计算机的网络安全性。 附图说明

图 1 是现有技术中被控工业过程远程监测系统的结构原理图 图 2是本发明远程监测系统中信息采集设备选用摄像头时的结 构原理图

图 3 是本发明远程监测系统中信息采集设备选用视频釆集设备 时的结构原理图

图 4 是图 2或图 3中数据信号一种处理和传送模式的流程图 图 5 是图 2或图 3中数据信号另一种处理和传送模式的流程图 图 5. 1 是图 2或图 3中数据信号另一种处理和传送模式时通过 视频信号的调制与解调传送数据的流程图

图 6 是本发明中数据传送的一般模式

图 7 是本发明实施例 1的结构示意图

图 8 是本发明实施例 2的结构示意图 图中： 1一过程控制计算机 2—被控工业过程 3—远程监测计 算机 4一本地监测计算机 5—摄像头 6—视频采集设备 7—显 示器 具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细叙述。

如图 2、 3所示， 本发明本质安全型数据远程监测系统包括对被 控工业过程 2进行监测或控制的过程控制计算机 1、 与过程控制计算 机 1之间为非网络物理连接、用于釆集过程控制计算机 1中数据信号 的信号采集设备、与信号采集设备连接的本地监测计算机 4以及对过 程控制计算机 1进行远程监测的远程监测计算机 3， 其中本地监测计 算机 4通过互联网与远程监测计算机 3连接。

信号釆集设备可选用如图 2所示的摄像头 5。但由于在实际使用 中需要将摄像头 5对准过程控制计算机 1的显示器 7， 不能移动， 在 使用上有些不便，因此信号采集设备也可以选择如图 3所示的视频采 集设备 6。

如图 2、 3所示， 由图像或视频采集设备采集得到监测数据的视 频信号， 在本地监测计算机 4中转换成图像或视频格式文件， 再由本 地监测计算机 4进行处理后将监测信息通过网络（如互联网）传送到 远程监测计算机 3。 由于过程控制计算机 1与本地监测计算机 4以及 远程监测计算机 3组成的网络系统之间没有任何网络的物理性连接， 因此，过程控制计算机 1也就不可能受到来自任何网络如互联网的攻 击， 从本质上保证了过程控制计算机 1的网络安全性。

本地监测计算机 4通过摄像头 5或者视频釆集设备 6得到被监测 数据的视频信号的图像或视频文件后有两种处理和传送模式， 分别表 示在图 4、 图 5中。

如图 4所示， 第一种信息处理和传送模式是将过程控制计算机 1 采集的被监测的数据通过数据实时显示界面显示在与过程控制计算机 1连接的显示器 7上。本地监测计算机 4通过图像采集设备（如摄像头 5或视频采集设备 6) 采集得到被监测数据的视频信号， 这个视频信号 通过本地监测计算机 4转换成图像或视频格式的文件 （包括流文件） ， 该文件由互联网传送系统 （即本地监测计算机 4 ) 送往远程监测计算 机 3。 这种信息处理和传送模式的特点是远程传送的是图像或视频文 件， 远程监测计算机 3 中所看到的是与显示器 7 中显示的相同的数据 图像， 这种传送方式需要较宽的远程传送带宽， 同时数据保存和处理 也不方便。

如图 5所示， 第二种信息传送模式是在本地监测计算机 4中将图 像采集设备采集得到的数据视频信号转换成图像或视频文件，然后将 图像或视频文件转换成文本或浮点格式数据；再由网络数据传送系统 (即本地监测计算机 4)将该数据传送到远程监测计算机 3进行监测。 将图像或视频文件转换成文本或浮点格式数据可用光学字符识别技 术 OCR对字符和数字的图像进行识别转换，从而将数据图像转换成文 本或浮点数据。 这种信息处理和传送方式的特点是远程传送带宽要求 不高， 数据保存简单。

第二种信息传送模式中，过程控制计算机系统中采集到的被监测数 据需要显示在显示器 7上 （见图 3 ) ， 其数据显示的方式可以有多种。 如直接将数据按通常的浮点数字形式显示， 也可以将要显示的数据通 过某种映射变换后显示在屏幕上， 而光学字符识别完成后再进行反变 换， 还原成原来的数据。例如， 将数据中的小数点用其他字符替代（例 如字母 A) ， 可以避免 OCR识别程序将小数点误认为污染的 "脏点" 而不予识别的情况。 当 OCR识别出这个替代字符 （如字母 A) 后再还 原成小数点。

这种映射变换可以有多种多样， 可根据实际需要进行映射变换的 设计。 例如， 也可以将采集到的数据用 64位或根据需要采用其他位数 二进制表示， 然后将显示界面上某个位置上的 64个像素对应与这 64 个二进制数，每一个像素用白色表示 1或用指定颜色的 RGB值表示 1， 黑色表示 0或用另一个指定颜色的 RGB值表示 0。 在本地监测计算机 采集到这个位置上的 64个像素后根据其颜色可以给出该数据的二进制 的表示， 然后再把这个二进制数据还原成通常的 10进制浮点数。

第二种信息传送模式中， 也可以将数据直接调制到视频信号上， 而本地监测计算机则收到这个视频信号后进行解调制还原成数据， 如 图 5.1所示。

过程控制计算机与本地监测计算机之间的非网络物理性连接， 除 了采用这种视频信号传送信息外， 还可以用其他的单向数据传送方法 来实现。 如通过单向的光电偶合单元， 要发送的数据通过光发射器发 射， 光接收器是个光电转换元件， 将光发射器发送的光数据信号转换 成电数据信号。 光发射器与过程控制计算机 1 相连， 而光接受器与本 地监测计算机 4 相连， 这样就形成了一种数据只能通过光电单向从过 程控制计算机 1传向本地监测计算机 4的结构， 这与图 3中数据信号 传送的方法非常类似， 只是图 3 中光发射器是选用显示器， 而光接收 器是选用摄像头。 与光电偶合单元类似， 也可以用无线电的方式进行 单向传送， 在过程控制计算机 1 端连接无线电发射器， 而本地监测计 算机 4 端接上一个无线电接收器， 进行数据的传送， 这就像无线电或 电视广播那样， 把要传送的数据通过无线电广播或电视广播传送到监 测端， 这样进行监测的无线电接收器无论如何是无法影响到连着发射 器端的过程控制计算机 1 的， 这就避免了过程控制计算机受到网络的 攻击。

本发明的监测系统和监测方法也可以应用于一般数据传送的情 况， 如图 6所示， 如需要将网络 A (比如单位内部的局域网） 的数据 单向传送到网络 B， 又要保证网络 A不会受到来自网络 B的攻击的情 况下， 就可以采用本发明的监测系统和监测方法。

下面实施例为本发明的非限定性实施例。 实施例 1 :

如图 7所示， 本实施例是某催化裂化优化生产过程中优化控制远 程数据监测系统，生产过程采用由 Emerson公司生产的 DeltaV计算机 集散控制系统进行控制。 在该系统的控制网络上有一台过程控制计算 机 1， 即 APP计算机（Application Workstation, 应用工作站）对计算机 集散控制系统进行监测和控制， 并将要进行远程监测的数据采集后显 示在 APP计算机的显示器上。 APP计算机与视频采集设备 6相连， 视 频采集设备 6包括视频分线转换器和视频采集卡。 在 APP计算机与显 示器的视频连接线上加入一个视频分线转换器， 视频分线转换器的一 个输出接 APP计算机的显示器， 另一个输出的视频信号进入本地监测 计算机系统的视频釆集卡。 本地监测计算机系统中安装有定时图像采 集软件和与之连接的定时 FTP传送软件， 视频采集卡安装在本地监测 计算机系统中。 将视频分线转换器上的视频信号采集并显示在本地监 测计算机系统上。 本地监测计算机系统中的定时图像釆集软件间隔一 定的时间间隔将视频釆集卡中的视频图像转换成图像文件， 通过定时 FTP传送软件将图像文件通过互联网文件传送系统发送到远程监测计 算机 3上。 这样远程监测计算机 3上就可以看到要监测的计算机集散 控制系统上的数据， 而远程监测计算机 3 与本地监测计算机系统之间 的互联网与计算机集散控制系统在网络上是物理断连的， 互联网上的 病毒或黑客不可能通过这样的系统进入到计算机集散控制系统中对工 业过程进行攻击。

实施例 2:

如图 8所示， 本实施例是某化工生产过程远程数据监测系统。 生 产过程采用由横河公司生产的 Centum CS3000计算机集散控制系统进 行控制。 在该系统的控制网络上有一台数据采集计算机， 对集散控制 系统釆集监测数据， 并将要进行远程监测的数据显示在数据采集计算 机的显示器 7上。 数据采集计算机与视频采集设备相连， 视频采集设 备包括视频分线转换器和视频釆集卡 6。在数据采集计算机与显示器的 视频连接线上加入一个视频分线转换器， 视频分线转换器的一个输出 接数据采集计算机的显示器， 另一个输出的视频信号进入本地监测计 算机系统的视频采集卡。 本地监测计算机系统中安装有定时图像釆集 软件、 OCR实时识别系统和定时实时数据传送软件。 视频釆集卡安装 在本地监测计算机系统中。 将视频分线转换器上的视频信号采集并显 示在本地监测计算机系统上。 本地监测计算机系统中的定时图像釆集 软件间隔一定的时间间隔将视频采集卡中的视频图像转换成图像文 件， 再经过 OCR实时识别系统的识别后转换成浮点数据， 这些数据通 过定时数据传送软件通过局域网传送到远程监测计算机 3的数据库上。 这样， 远程监测计算机 3 上就可以看到要监测的计算机集散控制系统 上的数据， 而局域网与计算机集散控制系统在网络上是物理断连的， 局域网上的病毒或黑客不可能通过这样的系统进入到计算机集散控制 系统中对工业过程进行攻击。

Claims (1)

1. 权利要求书

   1. 一种本质安全型数据远程监测系统， 包括对被控过程进行监 测或控制的过程控制计算机或计算机系统、对过程控制计算机或计算 机系统进行远程监测的远程监测计算机或计算机系统，其特征在于该 监测系统还包括有与过程控制计算机或计算机系统之间为非网络物 理连接、用于采集过程控制计算机或计算机系统中数据信号的信号釆 集设备或系统以及与信号采集设备或系统连接的本地监测计算机或 计算机系统，所述本地监测计算机或计算机系统与远程监测计算机或 计算机系统通过网络连接。

   2. 根据权利要求 1所述的安全型数据远程监测系统， 其特征在 于所述信号采集设备采用图像或视频采集设备。

   3. 根据权利要求 2所述的安全型数据远程监测系统， 其特征在 于所述图像或视频采集设备为用于拍摄过程控制计算机显示器显示 的数据视频图像的摄像头或用于釆集过程控制计算机显示器中视频 信号的视频采集设备。

   4.根据权利要求 3 所述的安全型数据远程监测系统， 其特征在 于釆集过程控制计算机显示器中视频信号的视频采集设备包括视频 分线转换器以及视频采集卡， 所述视频分线转换器的一个输出接过程 控制计算机的显示器， 另一个输出接视频采集卡， 视频采集卡与本地 监测计算机相连。

   5.根据权利要求 1 所述的安全型数据远程监测系统， 其特征在 于所述信号采集系统采用单向的光电偶合单元系统， 光电偶合单元系 统包括光发射器和光接收器， 光发射器与过程控制计算机相连， 光接 收器与本地监测计算机相连， 要发送的数据通过光发射器发射， 光接 收器是光电转换元件， 将光发射器发送的光数据信号转换成电数据信 号， 形成数据只能通过光电单向从过程控制计算机传向本地监测计算 机的结构。

   6.根据权利要求 1 所述的安全型数据远程监测系统， 其特征在 于所述信号釆集系统采用进行单向传送的无线电系统， 进行单向传送 的无线电系统包括无线电发射器和无线电接收器， 在过程控制计算机 端连接无线电发射器， 而本地监测计算机接无线电接收器， 进行数据 的传送， 把要传送的数据信号通过无线电广播或电视广播传送到监测 端的本地监测计算机。

   7.一种利用权利要求 1一 6之一所述的监测系统对数据进行远程 监测的方法，其特征在于通过该监测系统中的与过程控制计算机或计 算机系统非网络物理连接的信号采集设备或系统采集过程控制计算 机或系统中的数据信号，再由本地监测计算机将该数据信号通过网络 传送到远程监测计算机迸行监测。

   8. 根据权利要求 7所述的监测方法， 其特征在于所述信号采集 设备采用图像或视频釆集设备。 '

   9. 根据权利要求 7所述的监测方法， 其特征在于所述图像或视 频采集设备为用于拍摄过程控制计算机显示器显示的数据视频图像 的摄像头或用于釆集过程控制计算机显示器中视频信号的视频采集 设备。

   10. 根据权利要求 9所述的监测方法， 其特征在于由图像采集 设备采集得到监测数据的视频信号， 将之转换成图像或视频格式文 件，再由本地监测计算机用网络文件传送方式将该文件传送到远程监 测计算机。

   11. 根据权利要求 9所述的监测方法， 其特征在于由图像釆集 设备采集得到数据视频信号并将之转换成图像或视频文件，将图像或 视频文件还原成文本格式数据或浮点格式数据，再由本地监测计算机 将该数据通过网络数据传送系统传送到远程监测计算机进行监测。

   12.根据权利要求 11 所述的监测方法， 其特征在于数据的图像 或视频文件转换是用光学字符识别技术 OCR对字符和数字进行识别， 从而将数据的图像或视频文件转换成文本格式数据或浮点格式数据。

   13. 根据权利要求 9所述的监测方法， 其特征在于由图像釆集 设备采集得到数据视频信号并将之转换浮点格式数据，再由本地监测 计算机将该数据通过网络数据传送系统传送到远程监测计算机进行 监测。

   14. 根据权.利要求 13所述的监测方法， 其特征在于过程控制计算 机系统中采集到的被监测数据需要显示在显示器 （7) 上， 其数据显示 的方式可以有多种， 可以是直接将数据按通常的浮点数字形式显示， 也可以将要显示的数据通过某种映射变换后显示在屏幕上， 而光学字 符识别完成启再进行反变换， 还原成原来的数据。

   15. 根据权利要求 14所述的监测方法， 其特征在于将过程控制计 算机系统中采集到的被监测数据中的小数点用其他字符替代， 可以避 免 OCR识别程序将小数点误认为污染的 "脏点" 而不予识别的情况， 当 OCR识别出这个替代字符后再还原成小数点。

   16. 根据权利要求 14所述的监测方法， 其特征在于所述的映射变 换可以有多种多样， 可根据实际需要进行映射变换的设计， 可以将采 集到的数据用 64位或根据需要采用其他位数二进制表示， 然后将显示 界面上某个位置上的 64个像素对应与这 64个二进制数， 每一个像素 用白色表示 1或用指定颜色的 RGB值表示 1， 黑色表示 0或用另一个 指定颜色的 RGB值表示 0， 在本地监测计算机采集到这个位置上的 64 个像素后根据其颜色可以给出该数据的二进制的表示， 然后再把这个 二进制数据还原成通常的 10进制浮点数。

   17. 根据权利要求 11所述的监测方法， 其特征在于将过程控制 计算机系统中采集到的被监测数据直接调制到视频信号上， 而本地监 测计算机则收到这个视频信号后进行解调制还原成数据。