淺論核工業(yè)生產(chǎn)中DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

劉海林 冷強

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)場的安全穩(wěn)定運行，同時達(dá)到節(jié)能減排的目的，并助推實現(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)用的特點和設(shè)計的技術(shù)難點，探討現(xiàn)存方案在應(yīng)用過程中存在的問題及未來發(fā)展趨勢，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

中圖分類號：TP311??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）29-0166-02

1引言

DCS（Distributed Control System）控制系統(tǒng)是工業(yè)現(xiàn)場的“大腦”，目的是實現(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)備運行狀態(tài)，嚴(yán)格把控工業(yè)生產(chǎn)過程[1]?，F(xiàn)如今， DCS控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于我國各工業(yè)領(lǐng)域，如制漿造紙生產(chǎn)過程[2]、石化工業(yè)[3]、燒堿生產(chǎn)[4]、火力發(fā)電廠[5]等，因此，對 DCS 控制系統(tǒng)的研究越發(fā)深入，其系統(tǒng)功能開發(fā)也越來越完備。目前，DCS 系統(tǒng)已發(fā)展成為一個多數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)平臺，能實時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、監(jiān)測并控制生產(chǎn)工藝過程及設(shè)備，保障現(xiàn)場生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、高效[6-7]。

在過去，核工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)多采用模擬控制系統(tǒng)（即：依靠現(xiàn)場采集的模擬量，通過運放為基礎(chǔ)的模擬電子線路實現(xiàn)模擬量儀表的控制與監(jiān)測）。模擬控制系統(tǒng)的缺點是硬件數(shù)量大、能耗大、運算能力差、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)場絕大多數(shù)項目均已采用數(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，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)場的安全狀況、運行水平以及經(jīng)濟性。針對 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)計技術(shù)難點與解決措施，后續(xù)實施過程中存在的問題以及未來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，實現(xiàn)分散與集中的操作與控制，同時具備分布式與協(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）自動控制和保護(hù)層，主要包括系統(tǒng)監(jiān)控信號的調(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)備運行信息，保障運行人員能夠操控、監(jiān)督工廠狀態(tài)并對工廠I&C實施運行。

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

在核工業(yè)現(xiàn)場，其現(xiàn)場設(shè)備主要具有信號分布廣、功能設(shè)備多、重要程度不一等特點，要求DCS控制系統(tǒng)需承擔(dān)對核設(shè)施正常運行與控制等功能，如果現(xiàn)場DCS控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題將導(dǎo)致控制單元異常、工藝設(shè)備停運，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)計要求與解決方案，確保 DCS控制系統(tǒng)在核工業(yè)現(xiàn)場安全、穩(wěn)定、高效的運行。

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

核工業(yè)現(xiàn)場安裝的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)的電場和磁場干擾，保障系統(tǒng)在電磁環(huán)境下安全可靠運行。因此，現(xiàn)場DCS控制系統(tǒng)需要有相應(yīng)的抗噪設(shè)計，使得DCS控制系統(tǒng)更好地適應(yīng)核工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。主要的抗噪設(shè)計包括：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)計可從元器件設(shè)計、柜內(nèi)/盤內(nèi)設(shè)計、防護(hù)設(shè)計等方面抑制電磁干擾對系統(tǒng)的影響，確保DCS控制系統(tǒng)對核工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性，設(shè)計與解決方案如表1所示。

3.2 DCS控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計要求和解決方案

安全是核工業(yè)生命線，為保證和提高DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用的可靠性，需要對其關(guān)鍵設(shè)備和功能采用冗余配置。同時，保障在正常運行期間，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，并且不會對正常運行造成任何影響，即使是非冗余配置的I/O模塊也可在實現(xiàn)在線更換而無須關(guān)閉現(xiàn)場控制器。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)，通過邊界防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)通信防護(hù)、主機防護(hù)的三層防御體系防御攻擊，重點保護(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，由安全級平臺內(nèi)部設(shè)計結(jié)構(gòu)保障，即：安全級平臺內(nèi)部設(shè)備與網(wǎng)關(guān)站之間為物理單向隔離，限制從非安平臺側(cè)向安全級平臺發(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)在充分評估相關(guān)措施對系統(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)部署入侵檢測和安全審計系統(tǒng)，實時感知異常流量和非法操作;

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

（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)主機及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備推送的安全日志，形成統(tǒng)一態(tài)勢感知能力。

4 DCS控制系統(tǒng)實際應(yīng)用過程中存在的不足

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)場工程實踐經(jīng)驗。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，其局限性和不足也逐步體現(xiàn)出來，主要包括以下幾個方面：

4.1 DCS 系統(tǒng)調(diào)試過程繁雜

由于DCS控制系統(tǒng)針對每一臺現(xiàn)場儀表設(shè)備均需1對傳輸線，單向傳輸1個信號，造成安裝電纜數(shù)量龐大、接線龐雜，不便于現(xiàn)場調(diào)試與維護(hù)。例如，核燃料后處理廠，子項多且相距遠(yuǎn)，造成電纜的鋪設(shè)、接線、校線測點等調(diào)試工作繁雜，遠(yuǎn)程操作不便且時間較長。

4.2抗干擾防護(hù)要求高

現(xiàn)場儀表的模擬信號與DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互傳輸時，模擬儀表自身精確度低，長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)場儀表均采用標(biāo)準(zhǔn)電流（4～20mA）信號的傳統(tǒng)儀表，傳統(tǒng)儀表信息單一、功能簡單，與現(xiàn)在的數(shù)字化工廠要求有一定差距，其傳輸信號無法與設(shè)備管理系統(tǒng)接口，并且無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程的儀表診斷、標(biāo)定等功能。

5新技術(shù)對于DCS控制系統(tǒng)的影響及發(fā)展趨勢分析

21世紀(jì)新科技快速發(fā)展，數(shù)字化、智能化將作為未來制造業(yè)提升競爭力的核心。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)場總線技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線。它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題[10]，具備簡單、可靠、經(jīng)濟實用等一系列突出的優(yōu)點，已受到世界范圍的關(guān)注而成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點并將導(dǎo)致自動化系統(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)等各個領(lǐng)域，是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)，目前已在核工業(yè)部分項目的輔助子項中實現(xiàn)逐步應(yīng)用。按照新技術(shù)逐步應(yīng)用的發(fā)展趨勢，核工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)也將需具備對FF、HART、Profibus等現(xiàn)場總線協(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，在未來將逐步實現(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)，通過建立在DCS基礎(chǔ)上對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時分析對全廠生產(chǎn)運行實時指揮調(diào)度[11]。管理信息系統(tǒng)，為全廠的生產(chǎn)經(jīng)營和管理人員提供所需的信息，強調(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)營管理、財務(wù)管理以及辦公自動化[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)場運行的安全性、可靠性以及經(jīng)濟性。現(xiàn)階段，對于核工業(yè)領(lǐng)域的DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計、制造要求還較高，控制系統(tǒng)的現(xiàn)場運行還存在較多需要提升完善的問題。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，受到現(xiàn)場總線技術(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，更適應(yīng)核工業(yè)市場的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]康凱，高韻涵.探討DCS控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用[J].

[2] 郭佳文，羅佐帆，黃一峰，等.DCS系統(tǒng)在制漿造紙生產(chǎn)過程中的應(yīng)用及發(fā)展[J].大眾科技，2019，21（12）：22-25.

[3] 周堃.石油化工工業(yè)自動化儀表及系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].化學(xué)工程與裝備，2019（8）：254-256.

[4] 于秀明，劉武，馬可楠，等.DCS控制系統(tǒng)在離子膜燒堿生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及維護(hù)[J].遼寧化工，2016，45（12）：1516-1519.

[5] 趙曉亮.火力電廠DCS控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機械管理開發(fā)，2018，33（7）：242，255.

[6] 張忠民.淺析DCS控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用[J].神州，2019（5）：241.

[7] 張?？?探討DCS控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2020，38（1）：3，5.

[8] 司秀斌.西門子DCS系統(tǒng)在新型干法水泥生產(chǎn)線的應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2020，40（15）：31-32.

[9] 李宏.現(xiàn)場機柜間接地系統(tǒng)方案設(shè)計[C].中國儀器儀表學(xué)會2012年學(xué)術(shù)會議.

[10] 楊亞龍.建筑電氣與智能化專業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)課程教學(xué)改革探索[J].電腦知識與技術(shù)，2012，8（10）：2286-2288.

[11] 張晶 .SIS、MIS 與 DCS 的關(guān)系[J]. 農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2008，28（1）：71-74.

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