一种单向隔离数据采集与离线算法验证系统技术方案

本发明专利技术公开一种单向隔离数据采集与离线算法验证系统；利用DCS厂家OPC软件构建“内网数据中转机”；采用安装光闸单向发送装置的“内网隔离发送机”基于通用内网OPC客户端在“内网数据中转机”采集关键过程变量并生成数据采集配置文件；采用安装光闸单向接收装置的“外网隔离接收机”通过单向光纤形式接收来自“内网隔离发送机”的关键过程数据和配置文件，并基于符合工业标准的通用外网OPC服务器提供关键过程变量的转发服务；采用符合工业标准的定制式外网OPC客户端在“外网数据存储机”上实现关键过程变量采集和存储功能；在“外网算法验证机”上通过对定制式算法验证模块输出和工业现场实际输出对比实现对MSWI过程的建模、控制和优化先进算法的验证。

【技术实现步骤摘要】
一种单向隔离数据采集与离线算法验证系统本专利技术由科学技术部国家重点研发计划(No:2018YFC1900801)和国家自然科学基金(No:61573364，61873009)资助。
本专利技术属于城市固废处理
，尤其涉及一种面向城市固废焚烧过程的单向隔离数据采集与离线算法验证系统。
技术介绍
城市固废(Municipalsolidwastes,MSW)数量随城镇人口增加和居民消费水平提升已达到8％的全球年增长率[1,2]，我国部分城市甚至出现了“垃圾围城”的现象。MSW焚烧(MSWincineration,MSWI)是目前世界范围内广泛应用的生活垃圾处理技术[3]。针对我国大陆，MSWI在无害化、减量化和资源化处理方面的优势体现在：减容率79.2％、稳定率100％、温室气体减量124.3kg-CO2Eq/t和电力产生1163.1MJ/t等方面[4]。截止2017年，我国内地已建成和运行的303座焚烧电厂(炉排炉220座)的处理能力达到30.4万吨/日，占MSW总量的34％[5]，预计在2020年，我国大陆的MSW日处理量将达到50万吨[6]。因此，我国焚烧炉安装类型以炉排炉为主，并且数量呈现逐年递增的趋势。我国MSW具有高有机组分(60～70％)和高水分含量(50％以上)的特点，分类收集和处理程度低[4]。发展中国家在回收机制、处理技术和管理策略等方面与德国、瑞典、日本等发达国家相比，还存在很多亟待解决的问题[7]，其中最为突出的问题是污染物排放超标[8,9]。文献[6]指出我国大陆MSWI受到指责的主要原因是低于标准的烟气排放，原因包括：垃圾成分特殊、运行经验缺乏、资金不到位、监管测量措施不可靠等。文献[10]指出我国MSWI的重点是预防烟气排放所造成的二次污染，强调研究适合我国MSW特性的“本土化”高级焚烧技术是当前急需。做为电厂，MSWI企业对焚烧控制系统的安全性和可靠性要求比较高，对接入第三方数据采集系统非常慎重。此外，不同焚烧企业所采用的分布式控制系统(DCS)和焚烧控制策略也具有较大差异性。以上问题导致我们难以面向不同类型的控制系统实时采集MSWI系统的过程变量，难以对科研机构离线研究的MSWI过程的建模、控制和优化等先进算法进行验证研究，难以对研究适合我国MSW的“本土化”高级焚烧技术进行有效地支撑。可见，在不影响MSWI过程DCS控制系统安全性的前提下，实时采集MSWI系统的过程变量并对离线研究的MSWI过程的建模、控制和优化等算法进行有效验证，是当前急需解决的问题。面向工业控制网络，文献[11]构建燃气电厂实时监控信息系统(SIS)，在网络架构、数据库平台、数据通讯系统、应用功能、系统安全措施等关键环节提出了详细的设计方案，提出采用SIS接口机基于单向网闸采集控制系统实时数据，保证数据从控制网到SIS网的传输方案，但未考虑过程数据的定制化采集与存储和离线算法验证等问题；文献[12]提出了用于工业控制网络的单向传输安全隔离网闸，包括内网处理单元、数据摆渡单元、外网处理外单元等，但存在未考虑具体工程应用中隔离网闸的前后端功能、未采用具有绝对物理单向传输特性的光纤模块等缺陷；文献[13]指出具有数据单向传输特性的隔离网闸能够完全隔离来自工业控制系统外部的网络威胁，文献[14]通过设置数据隔离区和采用单向隔离网闸技术对鄂尔多斯煤制油分公司的DCS系统进行防护以隔绝来自外部网络的威胁，文献[15]提出了由单向隔离网闸、中转服务器和路由器组成的燃机远程在线诊断系统数据传输链路装置，上述研究存在普适性不强、未涉及对采集数据的扩展应用等问题。由上述研究可知，面向MSWI过程的相关研究还未见报道。以上这些研究为我们进行面向MSWI的单向隔离数据采集和离线算法验证系统研究提供了有效支撑。
技术实现思路
综上所述，本文提出了一种面向MSWI的单向隔离数据采集与离线算法验证方法。首先，利用与MSWI企业所采用的DCS系统兼容性强的DCS厂家OPC软件构建“内网数据中转机”，使得其能够以OPC服务器形式提供与MSWI过程建模、控制和优化等先进算法的研究有关的关键过程变量；接着，采用安装光闸单向发送装置的“内网隔离发送机”基于通用内网OPC客户端在“内网数据中转机”采集这些关键过程变量并生成数据采集配置文件，这些操作在“内网隔离发送机”上独立进行以确保内网安全性；接着，采用安装光闸单向接收装置的“外网隔离接收机”通过单向光纤形式接收来自“内网隔离发送机”的关键过程数据和配置文件，并基于符合工业标准的通用外网OPC服务器，提供这些关键过程变量的转发服务；进一步，采用符合工业标准的定制式外网OPC客户端在“外网数据存储机”上实现关键过程数据的采集和存储功能，为离线数据分析和算法研究提供支撑；最后，在“外网算法验证机”上，通过对定制式算法验证模块输出和工业现场实际输出的对比，实现对MSWI过程的建模、控制和优化等先进算法的验证。。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种向隔离数据采集与离线算法验证系统包括：内网数据中转机、内网隔离发送机、外网隔离接收机、外网数据存储机和外网算法验证机；将进行MSWI过程控制的DCS系统称之为“MSWI控制系统内网侧”，将与之对应的通过单向光纤隔离的数据采集端称之为“MSWI控制系统外网侧”，MSWI控制系统的内网侧和外网侧通过单向光纤实现绝对物理隔离的数据传递；其中，内网侧的数据采集流程是：通过“DCS厂家内网OPC客户端”，在与DCS厂家控制器通讯的“控制器变量采集OPC服务器”上，采集不同DCS控制器内的过程变量，并将其通过“DCS厂家内网OPC服务器”提供转发服务，进一步则通过“通用内网OPC客户端”，将数据采集配置文件和包含过程变量的数据文件传递给“光闸单向发送装置”；外网侧的数据采集流程是：基于“光闸单向接收装置”，通过单向光纤获取来自MSWI控制系统内网侧的数据采集配置文件和数据文件，将来自内网的过程变量，通过“通用外网OPC服务器”以OPC服务器形式提供转发服务，进一步则通过“定制式外网OPC客户端”，对这些过程变量进行数据采集和存储，并将经“定制式算法验证模块”获得的算法输出与现场实际输出进行比较，进而对算法进行验证。附图说明图1基于炉排炉的城市固废焚烧过程(MSWI)过程示意图；图2面向MSWI的单向隔离数据采集与离线算法验证系统的结构示意图；图3面向MSWI的单向隔离数据采集与离线算法验证系统的硬件连接图。具体实施方式MWSI过程包括固废储运、炉内焚烧、蒸汽发电、烟气处理等阶段，其中：焚烧炉是将MSW转变为灰烬、烟气和热量的核心设备，其底部炉排使得MSW在燃烧室内移动并使之有效和充分的燃烧；余热锅炉产生的蒸汽用于发电；烟气中的部分污染物在排放至大气前被清除。国内某企业引进的基于炉排炉的MSWI工艺流程如图1所示。由图1可知，MSW由专用的运输车收集后运至卸料车间，倾倒至密封的固废池内。池内固废由人工操控的液压抓斗自动抓起放入焚烧炉的进料斗内，液压给料机将斗内固废推至炉排炉。固废在焚烧炉内依次经历干燥、点燃、燃烧和烧尽四个阶段(固废在炉排上的燃烧是缓慢过程[16])，其中：干燥阶段进行MSW的预热烘烤以实现脱水和升温，燃烧MSW的热量来自于焚烧炉上方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单向隔离数据采集与离线算法验证系统，其特征在于，首先，利用与MSWI企业所采用的DCS系统兼容性强的DCS厂家OPC软件构建“内网数据中转机”，使得其能够以OPC服务器形式提供与MSWI过程建模、控制和优化等先进算法的研究有关的关键过程变量；接着，采用安装光闸单向发送装置的“内网隔离发送机”基于通用内网OPC客户端在“内网数据中转机”采集这些关键过程变量并生成数据采集配置文件，这些操作在“内网隔离发送机”上独立进行以确保内网安全性；接着，采用安装光闸单向接收装置的“外网隔离接收机”通过单向光纤形式接收来自“内网隔离发送机”的关键过程数据和配置文件，并基于符合工业标准的通用外网OPC服务器，提供这些关键过程变量的转发服务；进一步，采用符合工业标准的定制式外网OPC客户端在“外网数据存储机”上实现关键过程数据的采集和存储功能，为离线数据分析和算法研究提供支撑；最后，在“外网算法验证机”上，通过对定制式算法验证模块输出和工业现场实际输出的对比，实现对MSWI过程的建模、控制和优化先进算法的验证。

【技术特征摘要】
1.一种单向隔离数据采集与离线算法验证系统，其特征在于，首先，利用与MSWI企业所采用的DCS系统兼容性强的DCS厂家OPC软件构建“内网数据中转机”，使得其能够以OPC服务器形式提供与MSWI过程建模、控制和优化等先进算法的研究有关的关键过程变量；接着，采用安装光闸单向发送装置的“内网隔离发送机”基于通用内网OPC客户端在“内网数据中转机”采集这些关键过程变量并生成数据采集配置文件，这些操作在“内网隔离发送机”上独立进行以确保内网安全性；接着，采用安装光闸单向接收装置的“外网隔离接收机”通过单向光纤形式接收来自“内网隔离发送机”的关键过程数据和配置文件，并基于符合工业标准的通用外网OPC服务器，提供这些关键过程变量的转发服务；进一步，采用符合工业标准的定制式外网OPC客户端在“外网数据存储机”上实现关键过程数据的采集和存储功能，为离线数据分析和算法研究提供支撑；最后，在“外网算法验证机”上，通过对定制式算法验证模块输出和工业现场实际输出的对比，实现对MSWI过程的建模、控制和优化先进算法的验证。2.如权利要求1所述的单向隔离数据采集与离线算法验证系统，其特征在于，内网数据中转机，通过“DCS厂家内网OPC客户端”采集MSWI过程中DCS厂家内部控制网络中不同控制器中的过程变量，并通过DCS厂家自身提供的OPC软件，以OPC服务器形式对外提供所采集过程变量，具体步骤包括：(1)基于DCS厂家自身控制网络软硬件，通过“DCS厂家内网OPC客户端”连接与DCS厂家控制器进行通信的“控制器变量采集OPC服务器”；(2)添加过程变量分组名称和设定过程变量的采样周期；(3)通过添加数据项实现过程变量的选择性添加；(4)通过“DCS厂家内网OPC服务器”将所选择的过程变量以OPC服务器形式提供转发服务，供“内网隔离发送机”的“通用内网OPC客户端”进行数据采集。3.如权利要求1所述的单向隔离数据采集与离线算法验证系统，其特征在于，内网隔离发送机，采用“通用内网OPC客户端”(此处的通用是指能够识别和采集不同类型DCS厂家开发的符合工业标准的OPC服务器上的数据)对“DCS厂家内网OPC服务器”数据进行采集，包括选择OPC服务器，过程变量分组、命名和采样时间设置，数据采集配置文件和数据文件存储，以及通过“光闸单向发送装置”利用单向光纤向外网传输数据功能，具体步骤包括：(1)通过与“内网数据中转机”在同一网段的本机IP地址和端口号登陆；(2)通过“内网数据中转机”的IP地址登录至“内网数据中转机”，并选择相应的OPC版本和OPC服务器；(3)添加过程变量分组名称和过程变量的采样周期；(4)通过添加数据项添加“内网数据中转机”上的过程变量；(5)检查全部过程变量与“内网数据中转机”上的过程变量的一致性，并进行数据采集配置文件的保存；(6)将上述配置文件发送到外网端。4.如权利要求1所述的单向隔离数据采集与离线算法验证系统，其特征在于，外网隔离接收机，基于“光闸单向接收装置”通过单向光纤接收来自“内网隔离发送机”的过程数据和数据采集配置文件，并基于符合工业标准的“通用外网OPC服务器”以OPC服务形式提供数据服务，具体步骤包括：(1)登录“外网隔离接收机”，并设置名称和外网IP地址；(2)设置“外网隔离接收机”通讯参数；(3)在“外网隔离接收机”上开启“内网隔离发送机”的OPC服务；(4)将在“内网隔离发送机”上发送的“数据采集配置文件”下载到“外网隔离接收机”，然后导入...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤健，乔俊飞，夏恒，郭子豪，何海军，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11