CN101455029B - 一种本质安全型数据远程监测系统及其监测方法 - Google Patents

一种本质安全型数据远程监测系统及其监测方法 Download PDF

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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采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。所述信号采集设备采用图像采集设备，由图像采集设备采集得到过程控制计算机中数据的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或浮点格式的过程控制计算机中的数据，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。
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，信号采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。
将图像采集设备采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采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-过程控制计算机  2-被控工业过程  3-远程监测计算机  4-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、用于采集过程控制计算机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。
信号采集设备可选用如图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或者视频采集设备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采集卡。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采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，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，对集散控制系统采集监测数据，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采集卡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采集软件、OCR实时识别系统和定时实时数据传送软件。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采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 (6)

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采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，
所述信号采集设备采用图像采集设备，由图像采集设备采集得到过程控制计算机中数据的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或浮点格式的过程控制计算机中的数据，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，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。
2.一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采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，
所述信号采集设备采用图像采集设备，由图像采集设备采集得到过程控制计算机中数据的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或浮点格式的过程控制计算机中的数据，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，
所述信号采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。
3.一种利用本质安全型数据远程监测系统对数据进行远程监测的方法，该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，
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，
在该监测方法中，
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进行监测，
所述信号采集设备采用图像采集设备，由图像采集设备采集得到过程控制计算机中数据的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或浮点格式的过程控制计算机中的数据，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，
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，其数据显示的方式为：直接将数据按通常的浮点数字形式显示，或者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。
4.根据权利要求3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，
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识别程序识别出这个替代字符后再还原成小数点。
5.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述的映射变换是将采集到的10进制数据用二进制表示并把它显示在显示器上，显示器上的每一个像素对应一个二进制数，用白色像素表示1或用指定颜色表示1，黑色像素表示0或用另一个指定颜色表示0，从而将10进制数映射成了图像，
在本地监测计算机采集到该图像后，根据其颜色可以还原出原来的二进制数，然后再把这个二进制数据还原成原来的10进制数。
6.根据权利要求3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，而本地监测计算机在收到这个视频信号后进行解调制还原成数据。
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