劉海林 冷強(qiáng)

摘要：隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、顯示及控制技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，DCS控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，工業(yè)4.0的推進(jìn)也使得DCS控制系統(tǒng)在核工業(yè)領(lǐng)域逐步普及。DCS控制系統(tǒng)的引入，在提高核工業(yè)生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，保證了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的目的，并助推實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。因此，本文結(jié)合DCS控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，分析其在核工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)，探討現(xiàn)存方案在應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為DCS控制系統(tǒng)在核工業(yè)的應(yīng)用與普及提供一定的理論與實(shí)際依據(jù)。

關(guān)鍵詞：DCS控制系統(tǒng);核工業(yè);應(yīng)用現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TP311??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）29-0166-02

1引言

DCS（Distributed Control System）控制系統(tǒng)是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的“大腦”，目的是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)全流程高品質(zhì)監(jiān)控與管理，詳細(xì)的掌握生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)格把控工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程[1]?，F(xiàn)如今， DCS控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)各工業(yè)領(lǐng)域，如制漿造紙生產(chǎn)過(guò)程[2]、石化工業(yè)[3]、燒堿生產(chǎn)[4]、火力發(fā)電廠[5]等，因此，對(duì) DCS 控制系統(tǒng)的研究越發(fā)深入，其系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)也越來(lái)越完備。目前，DCS 系統(tǒng)已發(fā)展成為一個(gè)多數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)平臺(tái)，能實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、監(jiān)測(cè)并控制生產(chǎn)工藝過(guò)程及設(shè)備，保障現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、高效[6-7]。

在過(guò)去，核工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)多采用模擬控制系統(tǒng)（即：依靠現(xiàn)場(chǎng)采集的模擬量，通過(guò)運(yùn)放為基礎(chǔ)的模擬電子線路實(shí)現(xiàn)模擬量?jī)x表的控制與監(jiān)測(cè)）。模擬控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是硬件數(shù)量大、能耗大、運(yùn)算能力差、可靠性差，且很難進(jìn)行大規(guī)模集中控制。因此，依托本行業(yè)需求和技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)今核工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)絕大多數(shù)項(xiàng)目均已采用數(shù)字化 DCS控制系統(tǒng)，與模擬控制技術(shù)相比，具有明顯的技術(shù)先進(jìn)性及優(yōu)勢(shì)，其數(shù)字化控制系統(tǒng)的應(yīng)用有利于改善核工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全狀況、運(yùn)行水平以及經(jīng)濟(jì)性。針對(duì) DCS控制系統(tǒng)在核工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展基礎(chǔ)，本文進(jìn)行深入研究，分析其在核工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)與解決措施，后續(xù)實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題以及未來(lái)DCS控制系統(tǒng)在核工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，為DCS控制系統(tǒng)在核工業(yè)的應(yīng)用與普及提供借鑒。

2 DCS 系統(tǒng)介紹

DCS分布式控制系統(tǒng)是以微處理器為控制核心，實(shí)現(xiàn)分散與集中的操作與控制，同時(shí)具備分布式與協(xié)同的新型控制系統(tǒng)[7]。在微處理器為控制核心的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)分布式控制功能、集控式操作、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的新一代儀表控制系統(tǒng)[8]。

按照傳統(tǒng)界限劃分，DCS控制系統(tǒng)包括：（1）自動(dòng)控制和保護(hù)層，主要包括系統(tǒng)監(jiān)控信號(hào)的調(diào)制和處理;（2）操作和信息管理層，主要是指顯示與操作設(shè)備運(yùn)行信息，保障運(yùn)行人員能夠操控、監(jiān)督工廠狀態(tài)并對(duì)工廠I&C實(shí)施運(yùn)行。

3核工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和解決方案

在核工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要具有信號(hào)分布廣、功能設(shè)備多、重要程度不一等特點(diǎn)，要求DCS控制系統(tǒng)需承擔(dān)對(duì)核設(shè)施正常運(yùn)行與控制等功能，如果現(xiàn)場(chǎng)DCS控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題將導(dǎo)致控制單元異常、工藝設(shè)備停運(yùn)，甚至出現(xiàn)重大核安全事故等。因此，需要考慮DCS控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和利用率。本文根據(jù)核工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求，從環(huán)境適應(yīng)性、絕緣性、可靠性以及信息安全性出發(fā)，提出相應(yīng)的核DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與解決方案，確保 DCS控制系統(tǒng)在核工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。

3.1 DCS控制系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求和解決方案

核工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安裝的DCS控制系統(tǒng)應(yīng)能抵御典型工業(yè)環(huán)境下可能出現(xiàn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾，保障系統(tǒng)在電磁環(huán)境下安全可靠運(yùn)行。因此，現(xiàn)場(chǎng)DCS控制系統(tǒng)需要有相應(yīng)的抗噪設(shè)計(jì)，使得DCS控制系統(tǒng)更好地適應(yīng)核工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。主要的抗噪設(shè)計(jì)包括：光電隔離、提高共模抑制比、提高差模抑制比、良好的接地和屏蔽等。其設(shè)計(jì)可從元器件設(shè)計(jì)、柜內(nèi)/盤內(nèi)設(shè)計(jì)、防護(hù)設(shè)計(jì)等方面抑制電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，確保DCS控制系統(tǒng)對(duì)核工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)與解決方案如表1所示。

3.2 DCS控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)要求和解決方案

安全是核工業(yè)生命線，為保證和提高DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可靠性，需要對(duì)其關(guān)鍵設(shè)備和功能采用冗余配置。同時(shí)，保障在正常運(yùn)行期間，DCS系統(tǒng)的冗余功能部件都可以進(jìn)行在線維護(hù)和在線更換，并且不會(huì)對(duì)正常運(yùn)行造成任何影響，即使是非冗余配置的I/O模塊也可在實(shí)現(xiàn)在線更換而無(wú)須關(guān)閉現(xiàn)場(chǎng)控制器。例如，DCS控制系統(tǒng)的主控制器采用主備雙模冗余配置，硬件具備冗余切換和故障自檢功能。

3.3 DCS控制系統(tǒng)信息安全的設(shè)計(jì)應(yīng)用和解決方案

可用性作為DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的首要任務(wù)，通過(guò)邊界防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)通信防護(hù)、主機(jī)防護(hù)的三層防御體系防御攻擊，重點(diǎn)保護(hù)系統(tǒng)的功能、性能及可用率不因信息安全攻擊產(chǎn)生影響。其縱深防御措施如下所示：

（1）網(wǎng)絡(luò)流量嚴(yán)格限制為物理單向，由安全級(jí)平臺(tái)內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保障，即：安全級(jí)平臺(tái)內(nèi)部設(shè)備與網(wǎng)關(guān)站之間為物理單向隔離，限制從非安平臺(tái)側(cè)向安全級(jí)平臺(tái)發(fā)起的網(wǎng)絡(luò)攻擊;在 DCS與三層系統(tǒng)的邊界部署單向隔離網(wǎng)閘，物理限制反向數(shù)據(jù)流量，隔絕來(lái)自管理信息網(wǎng)絡(luò)的各種類型的網(wǎng)絡(luò)攻擊;在DCS 與第三方控制系統(tǒng)的邊界應(yīng)在充分評(píng)估相關(guān)措施對(duì)系統(tǒng)功能、性能、可靠性不構(gòu)成影響的前提下，考慮部署工業(yè)防火墻等邏輯隔離裝置的可能性，限制來(lái)自高威脅性第三方控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊;

（2）在DCS 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)部署入侵檢測(cè)和安全審計(jì)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)感知異常流量和非法操作;

（3）在DCS 內(nèi)部各主機(jī)部署輕量級(jí)主機(jī)白名單軟件，限制非法程序的啟動(dòng);

（4）部署安全管理中心，匯總各類型安全設(shè)備推送的安全日志和有關(guān)主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備推送的安全日志，形成統(tǒng)一態(tài)勢(shì)感知能力。

4 DCS控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的不足

核工業(yè)的快速發(fā)展使得DCS系統(tǒng)在核燃料元件生產(chǎn)廠、核電廠、后處理廠等已經(jīng)逐步普及，不斷累積了大量DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但是，在核工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用但DCS控制系統(tǒng)的同時(shí)，其局限性和不足也逐步體現(xiàn)出來(lái)，主要包括以下幾個(gè)方面：

4.1 DCS 系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程繁雜

由于DCS控制系統(tǒng)針對(duì)每一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備均需1對(duì)傳輸線，單向傳輸1個(gè)信號(hào)，造成安裝電纜數(shù)量龐大、接線龐雜，不便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與維護(hù)。例如，核燃料后處理廠，子項(xiàng)多且相距遠(yuǎn)，造成電纜的鋪設(shè)、接線、校線測(cè)點(diǎn)等調(diào)試工作繁雜，遠(yuǎn)程操作不便且時(shí)間較長(zhǎng)。

4.2抗干擾防護(hù)要求高

現(xiàn)場(chǎng)儀表的模擬信號(hào)與DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互傳輸時(shí)，模擬儀表自身精確度低，長(zhǎng)距離傳輸易受干擾等固有特性，造成DCS 系統(tǒng)為此需要另外采取相應(yīng)的措施提高抗干擾性和傳輸精確度。

4.3智能化水平有待提高

核工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表均采用標(biāo)準(zhǔn)電流（4～20mA）信號(hào)的傳統(tǒng)儀表，傳統(tǒng)儀表信息單一、功能簡(jiǎn)單，與現(xiàn)在的數(shù)字化工廠要求有一定差距，其傳輸信號(hào)無(wú)法與設(shè)備管理系統(tǒng)接口，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的儀表診斷、標(biāo)定等功能。

5新技術(shù)對(duì)于DCS控制系統(tǒng)的影響及發(fā)展趨勢(shì)分析

21世紀(jì)新科技快速發(fā)展，數(shù)字化、智能化將作為未來(lái)制造業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力的核心。企業(yè)需要將技術(shù)、生產(chǎn)、資源等環(huán)節(jié)要素進(jìn)行整合，提高智能化水平。在此行業(yè)發(fā)展的需求背景下，將推動(dòng)各種符合業(yè)主需求的新技術(shù)、新產(chǎn)品等不斷涌現(xiàn)。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線。它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題[10]，具備簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，已受到世界范圍的關(guān)注而成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)并將導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。該技術(shù)目前廣泛用于電力、石化、生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統(tǒng)，目前已在核工業(yè)部分項(xiàng)目的輔助子項(xiàng)中實(shí)現(xiàn)逐步應(yīng)用。按照新技術(shù)逐步應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，核工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)也將需具備對(duì)FF、HART、Profibus等現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議智能儀表的組態(tài)、下裝、管理及配置的功能。

目前市場(chǎng)中已存在DCS控制系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)及管理信息系統(tǒng)的成套解決方案，在未來(lái)將逐步實(shí)現(xiàn)DCS控制系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)的深度融合。決策支持系統(tǒng)，通過(guò)建立在DCS基礎(chǔ)上對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析對(duì)全廠生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)時(shí)指揮調(diào)度[11]。管理信息系統(tǒng)，為全廠的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和管理人員提供所需的信息，強(qiáng)調(diào)多維度的關(guān)系協(xié)調(diào)，主要完成設(shè)備和維修管理直至生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理、財(cái)務(wù)管理以及辦公自動(dòng)化[11]。

6總結(jié)

目前DCS控制系統(tǒng)在核工業(yè)的應(yīng)用已極大程度地改善了核工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的安全性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)階段，對(duì)于核工業(yè)領(lǐng)域的DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造要求還較高，控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行還存在較多需要提升完善的問(wèn)題。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，受到現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、通信技術(shù)、智能化技術(shù)的影響，后續(xù)必然要求DCS系統(tǒng)具備更高、更強(qiáng)的設(shè)備控制以及監(jiān)管能力。新的控制技術(shù)、信息技術(shù)、決策和管理功能，都將與現(xiàn)有 DCS控制系統(tǒng)相結(jié)合，使得新一代的 DCS控制系統(tǒng)具備集成化、數(shù)據(jù)化、信息化、數(shù)字化、智慧化等特點(diǎn)，更適應(yīng)核工業(yè)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

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