關于工業控制系統升級改造的思考

丁寧

(天津渤化永利化工股份有限公司，天津300452)

1 工業控制系統簡介

1.1 PLC

可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller)，是專為工業生產設計的一種數字運算操作電子裝置，采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算，順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。

1.2 DCS

分布式控制系統（Distributed Control System），在國內自控行業又稱之為集散控制系統。是相對于集中式控制系統而言的一種新型計算機控制系統，它是在集中式控制系統的基礎上發展、演變而來的。

1.3 FCS

現場總線控制系統（Fieldbus Control System），用現場總線這一開放的、具有互操作性的網絡將現場各個控制器和儀表及儀表設備互聯，構成現場總線控制系統，同時控制功能徹底下放到現場，降低了安裝成本和維修費用。因此，FCS實質上是一種開放的、具有互操作性的、徹底分散的分布式控制系統。

2 控制系統升級的必要性

2.1 設備老化

工業控制系統主要由控制器、卡件、網絡設備、操作站/服務器、人機界面組成。工業控制系統主要組成部分均為電子產品。隨著使用年限的增加，電子產品會因為工作溫度、濕度等環境因素或者受外界電壓、電流等因素造成內部元器件損耗，造成設備隱患增多，故障率增加。

2.2 系統容量以及負荷限制

在項目建設初期，設計方、業主方以及工業控制系統提供方會將項目規模、相關規范、項目中遠期規劃、工業控制系統本身的產品特點相結合，在控制系統成套過程中對系統容量做一個估算，項目建成初期，系統容量通常都會有10%～20%的備用通道，DPU以及服務器的CPU負荷都會嚴格控制在一個合理的水平之內。但隨著項目的投用，一些技改技措項目以及小規模基建項目會逐步增加，加上日常使用過程中個別通道會因為各種因素損壞，控制系統的備用通道會初步減少，同時控制器DPU以及服務器的負荷會逐步增加。

2.3 計算機技術的發展

隨著計算機技術的發展，無論是計算機硬件還是軟件都面臨著更新換代。以霍尼韋爾PKS300系列產品為例，PKS300產品需要安裝在WINDOWS XP以及WINDOWS SERVER 2003，但目前兩款產品微軟公司均已經停止技術支持。這就意味著操作系統的所有數據將無法獲得更新和修補程序，同時將無法滿足合規性要求，風險隱患大。

并且隨著微軟推出新一代的操作系統，計算機硬件廠商服務器，操作站配置等也在更新，原有型號的服務器、操作站停產，新型號的服務器、操作站機型無法安裝上一代版本的操作系統。這就意味著我們的工業控制系統的服務器、操作站出現問題，市場上沒有適合的產品供我們選擇使用，造成服務器、操作站等備件支持困難，風險隱患增大。

2.4 新工控系統采用最新技術，會提升工作效率

隨著新的工控系統的推出，系統廠家會對過去的功能進行優化完善以及推出新的功能，為操作人員以及管理人員在日常操作、設備檢修、基礎管理方面帶來極大便利。

3 控制系統升級的兩種方案類型

整體更換：相當于將整個項目推倒重建。此種升級改造可以不限控制系統的廠家。可以根據過往使用情況合理的選擇新的系統廠商。但此種升級方式對時間以及資金成本要求較高。

部分升級改造：僅僅對出現問題較多部分進行升級改造，目前此種改造通常指針對軟件部分以及HMI層面進行升級，部分廠商由于系統兼容性問題會更換部分控制系統，但整體IO卡件部分保留。考慮到兼容性問題，此種升級方式只能與原廠家合作開展。此種方案整體價格較低，改造難度相對較小。但與項目整體更換相比，因只能與原廠家合作，業主議價能力較低，產品單價相對偏高。

這種升級方式有如下好處：延長系統安全服役時間；使用最新技術；避免全部推倒重建；保留現場設備和接線；保留現有邏輯程序；人員培訓需求最小化；時間成本以及資金成本低。

通過與不同工控系統廠商溝通，目前絕大部分最終用戶通常都會選用第二種，也就是部分升級改造的方式。這與我國目前大中型工控系統使用現狀吻合。我國大部分使用大中型工控系統的最終用戶使用系統的時間通常在15a之內，在良好的基礎管理前提下，通常工控系統的核心部分如DPU、IO卡故障率很低，而且這類備件系統廠商可以提供一個較長時間的備件供貨周期。絕大部分問題出在PC機上，所以針對PC機以及軟件的部分升級成為了絕大部分最終用戶的選擇。

4 何時進行應該進入升級改造

升級改造的最佳時機要與系統升級改造的立項初衷想結合，選取最佳時間節點。

升級改造之前首先要明顯了解目前工況系統的運行狀況，選擇整體升級或者部分升級；要與系統廠家充分溝通確定升級所需要的時間；要充分了解廠家最新的軟件平臺，通常在軟件平臺剛更新的2a左右是一個比較好的時間，一是因為軟件經過2a的使用，廠商有針對性的對軟件在使用過程中的不足進行了更新，系統更加完善，二是因為軟件平臺通常有10a左右的生命周期，此時選擇留給最終用戶自己有效的使用周期時間更長。

例如某大型企業使用的和利時以及霍尼韋爾系統前后幾次就升級問題與廠家進行了溝通，為的就是解決微軟停止對XP/Server2003的更新以及PC端故障率高、備件采購困難的現狀。

在2017年上半年的溝通過程中，和利時給出的方案中系統軟件是建立在微軟WIN7平臺上的，眾所周知，微軟已經宣布將在2019年停止更新WIN7系統，而且此時市場上支持WIN7系統的PC機的供給數量已經呈下降趨勢，此時如果選擇系統升級，必然不是一個最優選擇。升級后的不久，就會面臨微軟系統的停止更新以及PC機采購愈發困難的狀況。后來再次溝通過程中和利時表示已經就WIN10平臺下的工控系統進行最終測試，新產品即將上市。所以在2017年上半年就不是一個和利時系統選擇升級的最優時間，原系統在經過可靠性的評估后，可以選擇適當延遲升級時間等待新產品。目前和利時最新工況系統已經在WIN10平臺下。

2018年年中，某大型企業在與霍尼韋爾廠家溝通升級方案的時候，霍尼韋爾給出的軟件平臺是 WIN10以及 Server2016，WIN10支持到 2026年10月，Server2016支持到2027年1月，市面上支持這兩款軟件平臺的PC機是市場上的主流產品。此時選擇升級就是某大型企業選擇系統升級的目的有機結合在了一起，有效的解決了XP，以及Server2008停止更新帶來的安全隱患，也解決了PC端故障率高，備件采購困難的問題。而且留給自己的工控系統有效生命周期較長。

5 如何延長使用工控系統使用周期

5.1 建立完善的管理機制

嚴格控制控制室的溫度、濕度、粉塵外部環境，定期對機柜接地等進行檢查，發現問題及時整改。給我們工控系統一個優良的運行環境。

5.2 建立完善的備件體系

工控系統可以分為兩部分，一部分是服務器、操作站、網絡設備等第三方設備，另一部分為控制器、IO卡等工控廠家自己生產的核心部分。第三方設備受軟件更新、自身設備老化等因素影響較大，而且此類設備故障相對較多，產品周期短。建議此類設備可以根據工控系統規模盡可能的多儲存備件。而且要注意此類設備的存儲環境，防止設備在存儲過程中的損壞。工況系統廠家自身的控制器、IO卡等生命周期很長，大部分工況廠家一般都會提供20a以上的產品備件。且在沒有外界因素干擾下產品本身故障率很低。此類設備的備件比例可以相對降低。

5.3 深入了解市場和產品，大膽創新嘗試，突破廠家限制壁壘。

目前市場上已經采購不到DELL、HP等品牌的支持XP系統的全新的操作站，但如研華等品牌的工控機目前仍有支持XP系統的機型，并且在研華工控機上已經安裝了西門子STEP7/WINCC，和利時MACS6等軟件，經上線試驗成功。其他品牌工況軟件正在測試中。基于英特爾C610芯片組的DELL730服務器目前市場上仍有售，英特爾C610芯片組是支持Server2008的。雖然服務器型號與目前使用的服務器型號不一致，但工況軟件應該只對操作系統有要求，對服務器機型無要求。如經過測試，可以將此種方案作為應急方案使用。

總之，從文中我們可以看出：工控系統的升級是一個必然選擇。作為技術人員以及管理人員需要做的就是在安全的前提下盡量延長現有工控系統的使用周期，結合工控系統運行情況、企業現狀、操作系統以及工控系統版本更新等幾方面因素，優化工控系統選擇時間點的選擇。