EPKS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和典型故障淺析

中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司　崔　勇

EPKS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和典型故障淺析

中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司崔勇

EPKS系統(tǒng)即過程知識系統(tǒng)，是一個規(guī)?？勺兊?，帶有基于各種知識驅(qū)動的應(yīng)用，整合業(yè)務(wù)與制造智能化的平臺；作為世界首套，百萬噸級的煤直接液化的工藝流程；選用霍尼韋爾公司EPKS系統(tǒng)作為工業(yè)控制系統(tǒng)，是明智之舉；可是在項目實施中，通訊符合核對，網(wǎng)絡(luò)機構(gòu)設(shè)計科學性，20英寸4：3顯示器的停產(chǎn)，微軟公司W(wǎng)indows XP停止服務(wù)等因素，給我們的工控系統(tǒng)的安全性，穩(wěn)定性，造成一種威脅！

Experion? Process Knowledge System 過程知識系統(tǒng)；容錯以太網(wǎng)（Fault Tolerant Ethernet）（FTE）；網(wǎng)絡(luò)癱瘓；Windows XP停止服務(wù)；屏幕縱橫比（Aspect Ratio）4：3

1　EPKS系統(tǒng)介紹和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

EPKS是Experion? Process Knowledge System 過程知識系統(tǒng)，是美國霍尼韋爾公司2002推出的一個規(guī)模可變的，帶有基于各種知識驅(qū)動的應(yīng)用，整合業(yè)務(wù)與制造智能化的平臺。

1.1DCS系統(tǒng)的骨架—系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它是DCS的基礎(chǔ)和核心

由于網(wǎng)絡(luò)對于DCS整個系統(tǒng)的實時性、可靠性和擴充性，起著決定性的作用，因此各廠家都在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方面進行了精心的設(shè)計。衡量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的指標并不是網(wǎng)絡(luò)的速率，而是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實時性，即能在多長的時間內(nèi)確保所需信息的傳輸完成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還必須非?？煽浚瑹o論在任何情況下，網(wǎng)絡(luò)通信都不能中斷，因此多數(shù)廠家的DCS均采用雙總線、環(huán)形或雙重星形的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。而Honeywell的EPKS系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是容錯以太網(wǎng)（Fault Tolerant Ethernet）（FTE）。

1.2容錯以太網(wǎng)（Fault Tolerant Ethernet）（FTE）的特點

容錯以太網(wǎng)（FTE）是Experion PKS的控制網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)TE不但提供了容錯的特點，也提供了快速網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)，及工業(yè)以太網(wǎng)的控制應(yīng)用的安全性。

? 容錯以太網(wǎng)（FTE）是冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（物理）的單網(wǎng)（邏輯），這種冗余的結(jié)構(gòu)是通過Honeywell的FTE驅(qū)動，及商用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)的。

?用在Experion PKS中的主干網(wǎng)絡(luò)

? Honeywell專利技術(shù)（與CISCO技術(shù)完美結(jié)合），為PKS量身定制開發(fā)的FTE驅(qū)動與CISO交換技術(shù)完美結(jié)合突破以太網(wǎng)瓶頸實現(xiàn)優(yōu)先級選擇。

? 使得商用的100Mbps 以太網(wǎng)實現(xiàn)容錯

· 允許所有的單點故障，以及一些多點故障，以先進的多路由選擇替代雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)冗余模式網(wǎng)絡(luò)。

· 快速切換， 切換時間約為1秒。傳統(tǒng)的雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)切換時間約為20-30秒。

1.3容錯以太網(wǎng)（Fault Tolerant Ethernet）的工作原理

容錯以太網(wǎng)是在商用以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合霍尼韋爾網(wǎng)絡(luò)控制策略的工業(yè)以太網(wǎng)。其拓撲結(jié)構(gòu)是頂部連接在一起的雙重并行樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（物理）的單網(wǎng)（邏輯）。FTE分為兩層，第1層為控制層，第2層為操作層，由冗余的交換機和通訊電纜構(gòu)成。服務(wù)器、操作站、控制器等FTE節(jié)點，安裝有FTE軟件和雙網(wǎng)絡(luò)接口卡，同時連接到兩個樹網(wǎng)中，F(xiàn)TE節(jié)點之間有4條路徑。

路徑1：操作站→交換機A→交換機A1→控制器；路徑2：操作站→交換機B→交換機B1→控制器；路徑3：操作站→交換機A→級聯(lián)線C→交換機B→交換機B1→控制器；

路徑4：操作站→交換機B→級聯(lián)線C→交換機A→交換機A1→控制器。

FTE網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)提供了多路由選擇和最佳路徑選擇，既可容錯單故障點，還可容錯多故障點，并具有容錯鏈路的快速切換功能。FTE還支持普通以太網(wǎng)節(jié)點和標準的TCP/IP應(yīng)用。

圖1　FTE網(wǎng)絡(luò)如何工作原理圖

2　我公司EPKS系統(tǒng)出現(xiàn)的典型故障案例分析

2.1我公司EPKS系統(tǒng)出現(xiàn)的典型故障（一）

雖然，EPKS系統(tǒng)采用容錯以太網(wǎng)（Fault Tolerant Ethernet），但是于2010年8月30日16時21分15秒UCR1的DCS系統(tǒng)開始出現(xiàn)通訊故障。部分操作站出現(xiàn)短時間通訊中斷。呈LOV狀態(tài)；那次發(fā)生故障的范圍包括103單元裝置4臺CONSOLE站、104/107單元裝置2臺CONSOLE站、111單元裝置2臺CONSOLE站及2臺CONSOLE EXTENSION，這些操作站幾乎同時出現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊中斷，畫面數(shù)字變“紅”反顯示或不顯現(xiàn)數(shù)字，沒有趨勢顯示，之后又有部分FLEX站不斷出現(xiàn)通訊時好時壞的現(xiàn)象。119單元也出現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊中斷， PMCC監(jiān)視畫面看不到UCR1五個單元的數(shù)據(jù)，但PMCC服務(wù)器的DSA狀態(tài)正常。

從111單元一臺CONSOLE站“PING”控制器的 IP地址，顯示時通時斷；“PING”對應(yīng)的服務(wù)器IP地址，一直顯示通。FTE STATUS網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀態(tài)顯示，頻繁地無規(guī)律出現(xiàn)連接中斷。從16時58分45秒開始到18時40分，103單元6對控制器、104-07單元3對控制器、111單元1對控制器在報警畫面上均有報警出現(xiàn)，但機柜控制器的狀態(tài)指示正常，也未發(fā)生切換。

霍尼韋爾公司當晚派2名服務(wù)工程師緊急到現(xiàn)場處理，對交換機進行了交替重啟，對服務(wù)器進行了交替重啟，仍沒有效果。119單元就地控制室斷掉與UCR1網(wǎng)絡(luò)連接后，就地控制室操作恢復正常。將103單元、104單元、107單元的CONSOLE站逐臺切斷網(wǎng)絡(luò)連接查看FTE各節(jié)點狀態(tài)；用McAfee殺病毒軟件分別對103serverA、104serverA、103-DCS-OPS01、103-DCS-OPS06進行殺毒處理，并未發(fā)現(xiàn)病毒，故障現(xiàn)象仍然存在。21時27分開始，F(xiàn)TE網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接中斷現(xiàn)象逐漸減少，DCS顯示和操作逐漸恢復正常，但原因不明。

2010年8月31日10時27分32秒，103單元4臺CONSOLE站再次出現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊中斷，10時29分47秒通訊恢復正常。

CONSOLE站數(shù)據(jù)通訊中斷的現(xiàn)象，在2010年8月18日10時30分曾出現(xiàn)過一次，當時UCR1全部CONSOLE站（含103/104/107/111）通訊中斷。查看事件紀錄，所有CONSOLE站均有DATA/ NOTIFICATIONS FROM SERVER UNAVAILABLE 的通訊問題。

Honeywell對網(wǎng)絡(luò)故障原因的分析：

總之，生態(tài)林業(yè)的主要目的是改善環(huán)境質(zhì)量，進而促進整個生態(tài)建設(shè)重點工程。造林技術(shù)推廣，林業(yè)的發(fā)展是非常重要的，所以在新的時代背景下，為了更好地提高造林技術(shù)建設(shè)質(zhì)量，相關(guān)人員必須重視林業(yè)推廣技術(shù)，必須結(jié)合具體情況林業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，要有一定的針對性，現(xiàn)階段，我國北方地區(qū)正在積極開展植樹造林活動。開展森林復墾活動，改善我國生態(tài)環(huán)境意義重大。森林資源的減少對我國未來的發(fā)展非常不利，因此在當前的發(fā)展過程中增加森林資源總量和造林是非常必要的。相信隨著我國林業(yè)部門的不斷努力，北方的森林資源總量將逐步增加，北方的經(jīng)濟水平也將提高。

2010年9月13日17：25，Honeywell提交分析報告給我公司，標題為“神華煤直接液化項目UCR1系統(tǒng)性能下降事件分析報告”。作出如下的結(jié)論：

1）本次DCS系統(tǒng)故障的主要原因只是交換機性能下降，導致交換機CPU負荷過高（目前約為25～30%，最大為50%左右）

2）交換機性到了使用年限，導致能下降

3）104/107/111等單元的2A、2B交換機負荷很大，有16MBPS的數(shù)據(jù)流量（所有端口之和），這也是網(wǎng)絡(luò)故障的原因。

4）現(xiàn)場計算機中的病毒可能是系統(tǒng)故障的原因

顯然Honeywell僅僅將本次嚴重威脅到安全生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)故障事件看作“系統(tǒng)性能下降事件”。但是我們對這樣的結(jié)論實在是不能接受，對此，我們公司有如下分析和質(zhì)疑；

1）從CISCO官方網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)看，霍尼韋爾的分析不成立；

2）一般來講，CISCO交換機機房環(huán)境下，使用壽命至少10年。而UCR1內(nèi)的交換機也就是剛投用5年左右。但是該交換機（CISCO2950）的背板帶寬是8.8GBPS，折合負荷大約是0.18%，我們認為這個數(shù)據(jù)流量對于該交換機來講負荷幾乎為0。

3）通過McAfee AntiVirus以及Symantec AntiVirus 獲得的關(guān)于該病毒的信息僅僅是將自身復制到移動存儲設(shè)備（如U盤、移動硬盤、MP3、MP4等），并在系統(tǒng)上打開一個后門，從而植入廣告插件。該病毒對系統(tǒng)的危害程度極低，不具備網(wǎng)絡(luò)攻擊性，對網(wǎng)絡(luò)通訊的穩(wěn)定運行不具備任何威脅。

Honeywell整改方案中，其核心有三：1）更換C200控制器為C300控制器；2）全面升級軟件由原來的R211.0升級為R311.2；3）將大網(wǎng)絡(luò)劃分為小網(wǎng)絡(luò)。

2010年9月，霍尼韋爾公司組織專家隊伍，進行現(xiàn)場整改工作，其工作主要按照如下幾個方面開展。

1）一批專家隊伍負責硬件整改工作；將我公司以前的C200控制器更換為C300控制器，但是C300控制器所帶的卡件是原來的PMIO，不是C系列卡件；實踐驗證，C300控制器和PMIO是可以完美的結(jié)合，并且能穩(wěn)定運行。

2）另外一批專家負責將我公司所有的服務(wù)器的軟件由以前的PKSR211升級為R311.2，將服務(wù)器由原來的DELL 2850.2950.2900.換成DELLR710， Precision WorkStation 的內(nèi)存全部擴展為2G，Server

的內(nèi)存為4G。

3）還有一批網(wǎng)絡(luò)專家負責將UCR1，UCR2，UCR7的網(wǎng)絡(luò)整改，整具體改方案如下：

? 為配合新版PKS軟件，更換UCR1和UCR2內(nèi)的二層交換機為Cisco 2960系列

? 將UCR1，UCR2， UCR7的控制網(wǎng)絡(luò)進一步劃分為多個小規(guī)模的FTE網(wǎng)絡(luò)。

? 使用冗余三層交換機維持UCR內(nèi)不同網(wǎng)段通信。

? 各個UCR到PMCC的連接通過新添加的UCR內(nèi)三層交換機完成。

? PMCC端3750交換機要根據(jù)重新規(guī)劃的IP地址重新配置路由。

原有Cisco 2950交換機替換掉，換為Cisco 2960系列交換機。新增Cisco 3560V2交換機。

· WS-C3560V2-24TS-S 3層交換機 2臺，用來匯聚原UCR1控制室所有系統(tǒng)并遠程連接PMCC，每臺交換機配置SFP模塊（GLCLH-SM）1個，用來連接UCR1與PMCC。UCR1內(nèi)不同裝置分開，分別處在獨立的FTE community內(nèi)，IP地址處于不同網(wǎng)段，減少相互影響。UCR2，UCR7的改造分別按照此方案進行；經(jīng)過一個多月的改造，基本上對我公司的核心控制室改造完成，后來經(jīng)過幾年來的運行，當時的整改方案確實可行，再也沒有出現(xiàn)過網(wǎng)絡(luò)癱瘓的現(xiàn)象，后來在我們的新建項目中，我公司的這一方案被后續(xù)工程項目采用，實踐證明，改造有效。

2.2我公司EPKS系統(tǒng)出現(xiàn)的典型故障（二）

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫（Distributed Control System），在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。在上面我談了其中的通訊（Communication），中遇到的一些故障，以及整改策略，下來我說一說計算機（Computer），這個模塊中遇到的一些故障。

我公司擁有WorkStation221臺，server44臺，22套DCS控制系統(tǒng)，（這里的數(shù)據(jù)還不包括自備電廠工控系統(tǒng)的臺帳）這其中221臺WorkStation的操作系統(tǒng)是Windows XP，由于霍尼韋爾EPKSR311.2的軟件只能在Windows XP的環(huán)境下運行，但是微軟中國此前宣布對Windows XP的支持將在2014年4月8日結(jié)束。這意味著我們的工控系統(tǒng)的安全性將接受一次嚴峻挑戰(zhàn)。2014年第七個周，微軟發(fā)布了一個安全公告，警告依然使用XP的用戶注意相關(guān)漏洞。同時，根據(jù)相關(guān)的安全調(diào)研報告顯示，Windows XP SP3是目前遭受威脅最大的操作系統(tǒng)，達到了Windows 7的兩倍，這也意味著XP更容易遭到黑客的攻擊。另外，由于微軟很快就會停止對XP的支持，屆時XP用戶將面臨更多的威脅。更加令人毛骨損然的是，中國神華煤制油化工公司是神華集團一個新興的產(chǎn)業(yè)化板塊，包括鄂爾多斯煤制油分公司、包頭煤化工分公司兩個主要生產(chǎn)廠，各方面以“新”為特點，建設(shè)起點高，工藝裝備技術(shù)先進，經(jīng)營管理要求精簡高效，生產(chǎn)管理要求嚴格精細，對企業(yè)信息化建設(shè)同樣提出了高標準、新水平的要求。建設(shè)煤制油化工公司MES系統(tǒng)，是公司信息化發(fā)展戰(zhàn)略的核心組成，是公司煤制油化工產(chǎn)業(yè)示范工程的成功要素，是實現(xiàn)公司發(fā)展目標，用信息技術(shù)提升煤制油化工產(chǎn)業(yè)，以信息化帶動工業(yè)化，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，實現(xiàn)跨越式發(fā)展的重大舉措。2011年，我公司開始搭建MES系統(tǒng)，實現(xiàn)各模塊之間的無縫集成、MES與ERP的集成、MES與工業(yè)系統(tǒng)的總體集成）的綜合信息化系統(tǒng)平臺。這樣，我們的工控系統(tǒng)得數(shù)據(jù)就要對外開放，也就是于外部網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)， Windows XP的支持將在2014年4月8日結(jié)束，這樣我們的工控系統(tǒng)更容易受到黑客攻擊，對此，我們經(jīng)過認真分析，公司領(lǐng)導的討商，決策形成如下應(yīng)對舉措：

?禁用或限制使用USB設(shè)備，部署防病毒基礎(chǔ)架構(gòu)，即防病毒服務(wù)系統(tǒng)；

?部署EBR系統(tǒng)可以提供完備快速的數(shù)據(jù)恢復方案；

?由于要接入互聯(lián)網(wǎng)，我們計劃盡可能升級到Windows 7或Windows 8系統(tǒng)。來保障我們的工控系統(tǒng)的安全。

關(guān)于升級到Windows 7或Windows 8系統(tǒng)，目前，我公司正在與霍尼韋爾制定升級方案！

2.3我公司EPKS系統(tǒng)出現(xiàn)的典型故障（三）

最后我在談一下顯示（CRT），這個模塊也有長期困繞我們的一大難題；我公司共有工藝流程圖一萬多幅，在項目建設(shè)期間，我們采用的霍尼韋爾系統(tǒng)的HMIWeb Display Builder繪圖軟件制作，當時顯示器屏幕縱橫比（Aspect Ratio）： 顯示設(shè)備中顯示圖像的橫向尺寸與縱向尺寸的比例，最常見的為4：3，所以，在組態(tài)流程圖的時候，我們對畫布的布局，是1024*768。全公司一萬多幅流程圖都是這樣布局的，顯示器均采用屏幕縱橫比4：3的20英寸的。但是市場的變化和商業(yè)化的需求，從2011年各大電腦廠商的出貨產(chǎn)品上來看，采用1366x768、1600x900分辨率占絕大部分，16：9成為的各大廠商爭相采用的黃金比例，屏幕縱橫比（Aspect Ratio）4：3的顯示器，包括DELL，清華同方，HP都已停產(chǎn)，靠市場上僅有的庫存，那里夠中國這么龐大的消費群體，更新?lián)Q代呢，當然，我公司目前正在使用的20英寸4：3的顯示器將接近500多臺，并且從2003年陸續(xù)上電到現(xiàn)在有10多個年頭，故障錄相當高，再加上市場上4：3的顯示器又停產(chǎn)，對于我公司又是一大威脅；經(jīng)過多少次的與霍尼韋爾的溝通和對接，初步形成的方案如下：

1）重新布局流程圖的分辨率（其工作量相當大，等于重新組態(tài)），將原來的1024x768改為1366x768、1600x900；

2）更換開放式的操作臺，顯示器更換為16：9的22英寸的；

3）將霍尼韋爾EPKS系統(tǒng)的軟件HMIWeb Display Builder上升級到R430。

目前，此方案正在實施！

3　結(jié)束語

總之，我公司目前出現(xiàn)的這些問題，也許其他的公司也正為此困擾，CRT市場瞬息萬變，微軟公司W(wǎng)indows XP停止服務(wù)等因素，給我們的工控系統(tǒng)的安全性，穩(wěn)定性造成一種威脅；我們也只能面對，只能結(jié)合市場和現(xiàn)狀制定一系列的整改策略和措施， 來克服困難，使我們的工控系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，更加安全！

［1］超越1080P，LG發(fā)布全球首款2560x1440分辨率手機/平板屏幕.平板電腦網(wǎng)，2013-08-22［引用日期2015-09-29］.

［2］微軟公布XP延保方案：可通過騰訊電腦管家獲得安全服務(wù).DoNews.2014-04-8［引用日期2014-04-8］.

［3］騰訊微軟聯(lián)想聯(lián)合發(fā)布升級過渡期XP用戶支持計劃.環(huán)球網(wǎng)［引用日期2014-03-25］.

［4］Windows XP即將結(jié)束支持.微軟中國［引用日期2014-03-24］.

［5］美報：“震網(wǎng)”開啟網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)新時代.新華網(wǎng)［引用日期2013-04-3］.

［6］Stuxnet病毒全球肆虐 將影響我國眾多企業(yè).瑞星安全資訊，2010-9-25［引用日期2014-10-18］.

［7］范宗海，于寶全.大型煉化一體化工程DCS網(wǎng)絡(luò)安全策略［J］.石油化工自動化，2010（3）：1-5.

［8］張原.計算機域管理在局域網(wǎng)安全管理中的應(yīng)用［J］.自動化與儀器儀表，2013（5）：136-137.

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崔勇（1981—），男，大學本科，學士學位，工程師，現(xiàn)任職于神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司機動部，任儀表主管，專業(yè)、專長：DCS，PLC過程控制系統(tǒng)的管理、維護、搭建。