網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下火電機(jī)組DCS自主可控改造與前景分析

關(guān)鍵詞：火電機(jī)組；DCS；自主可控

中圖分類號(hào)：TP273+.5；TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）是火電機(jī)組控制與管理的核心，其主要功能是實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)機(jī)組各部分的監(jiān)控與控制，確保電廠安全、穩(wěn)定和高效地運(yùn)行。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜化，傳統(tǒng)DCS 逐漸暴露出安全性和自主可控性不足的問(wèn)題。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，DCS 面臨來(lái)自網(wǎng)絡(luò)攻擊、數(shù)據(jù)竊取、系統(tǒng)入侵等多方面的安全威脅。因此，實(shí)現(xiàn)DCS 的自主可控，不僅可以提升系統(tǒng)的安全性，還可以增強(qiáng)國(guó)家能源安全和自主創(chuàng)新能力。

1 火電機(jī)組DCS概念與現(xiàn)狀

1.1DCS的基本概念與結(jié)構(gòu)

1.1.1定義和功能

DCS是20世紀(jì)70年代末引入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的一種控制系統(tǒng)，旨在通過(guò)分散的控制架構(gòu)來(lái)提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。在火電機(jī)組中，DCS主要負(fù)責(zé)監(jiān)控和控制各個(gè)子系統(tǒng)，如鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電廠的統(tǒng)一管理。DCS的分布式架構(gòu)不僅減少了單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，還使系統(tǒng)具備高度的靈活性，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行配置和調(diào)整[1]。

1.1.2 主要組件和工作原理

DCS的主要組件包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制器、輸入/ 輸出（input/output，I/O） 模塊、人機(jī)界面（human machine interface，HMI）和通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如傳感器和執(zhí)行器）負(fù)責(zé)采集工藝參數(shù)和執(zhí)行控制命令，I/O 模塊則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制器之間的信號(hào)傳輸?？刂破魇荄CS 的核心部分，負(fù)責(zé)執(zhí)行控制算法和邏輯操作，通過(guò)與I/O 模塊和通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。控制器通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與HMI 連接，HMI 為操作人員提供了友好的圖形界面，使其能夠監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、操作控制參數(shù)、處理報(bào)警和生成報(bào)表。

1.2 DCS應(yīng)用現(xiàn)狀

在全球范圍內(nèi)，DCS已廣泛應(yīng)用于火電機(jī)組的控制和管理。美國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)家早在20 世紀(jì)80 年代就開始采用DCS進(jìn)行電廠自動(dòng)化控制，并不斷推進(jìn)系統(tǒng)的升級(jí)和優(yōu)化。隨著電力需求的增長(zhǎng)和技術(shù)的進(jìn)步，中國(guó)也逐步推廣和應(yīng)用DCS。DCS在火電機(jī)組的應(yīng)用中展現(xiàn)了諸多優(yōu)勢(shì)。DCS通過(guò)分布式控制架構(gòu)，顯著提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，減少了單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。DCS具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析能力，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化控制策略，提高設(shè)備運(yùn)行效率和能效比[2]。DCS的HMI 友好，操作簡(jiǎn)便，操作人員能夠直觀地監(jiān)控和調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，快速響應(yīng)異常情況。

2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下火電機(jī)組DCS面臨的挑戰(zhàn)與需求

2.1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)DCS的影響

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)安全威脅

在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，DCS由于其分布式架構(gòu)和廣泛的網(wǎng)絡(luò)連接，面臨著日益嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)安全威脅。網(wǎng)絡(luò)攻擊者可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)漏洞入侵DCS，實(shí)施數(shù)據(jù)竊取、系統(tǒng)破壞和惡意操控等行為，直接威脅電廠的安全運(yùn)行。常見的網(wǎng)絡(luò)安全威脅包括病毒和惡意軟件的入侵、分布式拒絕服務(wù)（distributeddenial of service，DDoS）攻擊、網(wǎng)絡(luò)釣魚以及內(nèi)部人員的惡意行為。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸和處理的實(shí)時(shí)性要求

火電機(jī)組DCS 對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高，其控制指令和數(shù)據(jù)傳輸必須在極短的時(shí)間內(nèi)完成，以確保DCS 的高效運(yùn)行和安全性。然而，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性為DCS 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和處理帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)延遲、數(shù)據(jù)丟包和帶寬不足等問(wèn)題，都會(huì)影響控制指令的及時(shí)傳遞和反饋，進(jìn)而影響系統(tǒng)的控制效果和運(yùn)行效率。

2.2 自主可控的必要性

2.2.1 自主可控對(duì)DCS安全的保障

如何實(shí)現(xiàn)DCS的自主可控是保障系統(tǒng)安全的關(guān)鍵。當(dāng)前，許多DCS依賴于進(jìn)口設(shè)備和技術(shù)，核心技術(shù)具有一定的局限性，存在巨大的安全隱患。一旦進(jìn)口設(shè)備和技術(shù)遭到限制或供應(yīng)中斷，系統(tǒng)的正常運(yùn)行將受到嚴(yán)重影響。此外，外部供應(yīng)商的技術(shù)支持和升級(jí)服務(wù)存在不確定性，這也增加了系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的難度和風(fēng)險(xiǎn)。自主可控的DCS能夠有效避免這些問(wèn)題，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

2.2.2 國(guó)家政策和標(biāo)準(zhǔn)的要求

隨著國(guó)家對(duì)信息安全和自主可控技術(shù)的逐漸重視，相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施為DCS 的自主可控改造提供了重要指導(dǎo)和保障。近年來(lái)，我國(guó)相繼出臺(tái)了一系列政策文件，明確要求加強(qiáng)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)，推動(dòng)自主可控技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

3 火電機(jī)組DCS自主可控改造方案

3.1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

3.1.1硬件改造

火電機(jī)組DCS 的硬件改造是實(shí)現(xiàn)自主可控的基礎(chǔ)，其主要目的是替換依賴進(jìn)口的關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)硬件的國(guó)產(chǎn)化和自主研發(fā)。硬件改造的重點(diǎn)包括控制器、I/O模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和冗余電源等。在控制器方面，現(xiàn)有的DCS 通常采用國(guó)外品牌的控制器，如西門子、霍尼韋爾等。為了實(shí)現(xiàn)自主可控，可以采用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的高性能控制器，如中控技術(shù)股份有限公司的GCS 云化控制系統(tǒng)，該系列控制器具備高速數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制功能，能夠支持多種通信協(xié)議（如Modbus、Profibus、以太網(wǎng)等），并且具有冗余設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[3]。I/O 模塊是DCS 與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接的重要組件，現(xiàn)有系統(tǒng)中的I/O 模塊也多依賴于進(jìn)口。在硬件改造過(guò)程中，可以采用國(guó)內(nèi)品牌的I/O 模塊，如浙江浙大中控信息技術(shù)有限公司的DI 716-S11 16路數(shù)字信號(hào)輸入模塊，該系列模塊支持多種信號(hào)類型（如模擬量、數(shù)字量、脈沖量等），具有高精度、高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力等特點(diǎn)。

3.1.2 軟件升級(jí)與優(yōu)化

在實(shí)現(xiàn)硬件自主可控的基礎(chǔ)上，軟件的升級(jí)與優(yōu)化也是DCS 改造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。軟件升級(jí)與優(yōu)化的目標(biāo)是提高系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度和運(yùn)行效率，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。軟件改造主要包括控制算法的優(yōu)化、操作系統(tǒng)的升級(jí)和應(yīng)用軟件的開發(fā)等方面。首先，控制算法的優(yōu)化是提高DCS 控制性能的核心?，F(xiàn)有DCS 中的控制算法多為經(jīng)典的比例積分微分（proportion integraldifferential，PID）控制算法，該算法雖然簡(jiǎn)單易用，但在復(fù)雜工況下控制效果不佳。在軟件升級(jí)過(guò)程中，可以引入先進(jìn)的控制算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和自適應(yīng)控制等算法，以提高系統(tǒng)的控制精度和適應(yīng)性。

3.2 安全性增強(qiáng)措施

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)策略

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，DCS面臨的網(wǎng)絡(luò)安全威脅日益嚴(yán)重，必須采取有效的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)策略，保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)策略主要包括多層次的網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的訪問(wèn)控制策略和實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警機(jī)制等。多層次的網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)設(shè)計(jì)是保障DCS 網(wǎng)絡(luò)安全的基礎(chǔ)。系統(tǒng)采用縱深防御策略，將DCS 網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)安全區(qū)域，每個(gè)區(qū)域之間通過(guò)防火墻、網(wǎng)閘等安全設(shè)備進(jìn)行隔離，形成多層次的安全防護(hù)體系[4]。例如，將生產(chǎn)控制區(qū)、管理區(qū)和外部網(wǎng)絡(luò)區(qū)進(jìn)行隔離，確保各區(qū)域之間的數(shù)據(jù)傳輸安全。同時(shí)，在各安全區(qū)域內(nèi)部，利用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步細(xì)分網(wǎng)絡(luò)，減少網(wǎng)絡(luò)攻擊的范圍和影響。嚴(yán)格的訪問(wèn)控制策略是防止未經(jīng)授權(quán)訪問(wèn)和操作的關(guān)鍵，通過(guò)采用基于角色的訪問(wèn)控制（role-based access control，RBAC）策略，根據(jù)用戶的角色和權(quán)限，嚴(yán)格控制其對(duì)DCS 的訪問(wèn)和操作。

3.2.2 數(shù)據(jù)加密與傳輸保護(hù)

數(shù)據(jù)加密與傳輸保護(hù)措施主要包括數(shù)據(jù)加密技術(shù)、安全傳輸層（transport layer security，TLS）協(xié)議和數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)等。在DCS 中，可以采用對(duì)稱加密和非對(duì)稱加密相結(jié)合的方式，對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲(chǔ)和傳輸。例如，采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（advanced encryption standard，AES）對(duì)實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不被竊取和篡改；采用公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（public key infrastructure，PKI）技術(shù)，對(duì)用戶身份進(jìn)行認(rèn)證和數(shù)據(jù)簽名，確保數(shù)據(jù)的合法性和完整性。在DCS 的網(wǎng)絡(luò)通信中，可以采用TLS 協(xié)議或虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（virtual privatenetwork，VPN）技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行加密保護(hù)。例如，TLS 協(xié)議可以在傳輸層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不被截獲和篡改；VPN技術(shù)可以通過(guò)隧道加密技術(shù)，建立安全的數(shù)據(jù)傳輸通道，確保數(shù)據(jù)在公網(wǎng)環(huán)境下的安全傳輸。

3.3 系統(tǒng)集成與測(cè)試

3.3.1 系統(tǒng)集成方案

系統(tǒng)集成方案主要包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型與配置、系統(tǒng)集成測(cè)試與優(yōu)化等環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可以采用分層次、模塊化的設(shè)計(jì)思想，將DCS 劃分為數(shù)據(jù)采集層、控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層等不同功能模塊，每個(gè)模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行和協(xié)同工作。例如，數(shù)據(jù)采集層包括傳感器和I/O 模塊，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和初步處理；控制層包括控制器和執(zhí)行器，負(fù)責(zé)執(zhí)行控制算法和下發(fā)控制指令；網(wǎng)絡(luò)傳輸層包括工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的高速傳輸和網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)；應(yīng)用層包括HMI 和數(shù)據(jù)庫(kù)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理。

3.3.2 系統(tǒng)測(cè)試方法

系統(tǒng)測(cè)試是確保DCS自主可控改造質(zhì)量和效果的重要環(huán)節(jié)，其目標(biāo)是驗(yàn)證系統(tǒng)的功能和性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)中的問(wèn)題和缺陷。測(cè)試方法主要包括功能測(cè)試、性能測(cè)試、安全測(cè)試和可靠性測(cè)試等。在功能測(cè)試方面，通過(guò)模擬實(shí)際工況，驗(yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是否正常[5]。例如，通過(guò)模擬火電機(jī)組的啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)過(guò)程，驗(yàn)證系統(tǒng)的控制算法和控制邏輯是否正確；通過(guò)模擬不同的工況和負(fù)載，驗(yàn)證系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度是否滿足要求；通過(guò)模擬各種故障和異常情況，驗(yàn)證系統(tǒng)的故障診斷和應(yīng)急處理能力是否可靠。

4結(jié)語(yǔ)

本文探討了在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下火電機(jī)組DCS的自主可控改造方案。自主可控DCS 不僅能提高火電機(jī)組的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，還可增強(qiáng)國(guó)家能源安全和自主創(chuàng)新能力。未來(lái)，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)，促進(jìn)自主可控技術(shù)的廣泛應(yīng)用。