高端控制裝備與內生安全控制系統助力中國智造

訪杭州優穩自動化系統有限公司董事長 王文海

嘉賓：杭州優穩自動化系統有限公司 董事長 王文海 訪問人：《儀器儀表用戶》雜志編輯部主任 曲國利 時間：2018年12月08日 地點：杭州

△ 優穩產業園

關于優穩

杭州優穩自動化系統有限公司（簡稱“優穩”）與浙江大學工業自動化國家工程研究中心建立聯合技術中心，形成自主知識產權的控制系統技術體系，具有領先的創新意識和豐富的技術資源；優穩業務范圍涉及智能儀表、可編程控制器、集散控制系統、安全控制系統、控制工程應用軟件平臺的研究開發、生產制造與工程服務；優穩創立“UWNTEK”產品品牌與“優穩自動化”公司品牌，堅持“優質穩定、共贏分享”的經營理念，用優質穩定的控制系統產品為客戶、伙伴、員工、股東及社會創造價值：UWNTEK —— Excellent Automation Control System help U Win。優穩以“打造最優秀的自動化系統產品，成為工業自動化領域領先的產品供應商”為經營目標，專業專注于新一代控制技術的產業化與服務；自主設計開發完成全系列控制系統硬件模塊與軟件平臺，各型控制系統產品已廣泛應用于化工、制藥、煉油、石化、鋼鐵、能源、建材、輕工、造紙、環保等行業 5000 余套，控制器應用約 30000 余套。

△ 杭州優穩自動化系統有限公司 董事長 王文海

關于王文海博士

王文海，博士，浙江大學求是特聘教授、浙江大學工業自動化國家工程中心副主任，現為中國自動化學會理事、中國儀器儀表學會理事、中國機電一體化技術應用協會理事、中國自動化學會工業控制系統信息安全專業委員會主任委員、中國自動化學位專家咨詢工作委員會副主任委員、中國自動化學會機器人專業委員會委員、全國工業過程測量和控制標準化技術委員會（SAC/TC124/SC4/SC2/SC5）委員、浙江省自動化學會常務理事、浙江省儀器儀表學會常務理事等。

王文海，長期專注于集散控制系統、可編程控制器、智能儀表、工業控制應用軟件平臺、大型裝備工業自動化系統的研究開發與產業化。最終形成獨具特色的具有完全自主知識產權的完整計算機控制系統技術體系，領導技術團隊開發完成了全系列計算機控制系統產品。并進行大型工業裝備自動化系統的應用研究，獲得一系列應用創新成果。曾先后主持參與20多項國家“八五”“九五”、高技術產業化、“863”計劃、國家重點研發計劃等國家級科技攻關項目。作為項目負責人、技術負責人、首席科學家，獲國家科技進步一等獎1 項，二等獎 2 項；省部級一等獎 3 項，二等獎 4 項。取得發明專利 16 項，軟件著作權 45 項，省部級成果鑒定 21 項。其中多項成果達到國內領先、國際先進水平。共發表論文 90 余篇，其中被SCI、EI收錄的論文共 35 篇，編著 2 本。榮獲全國優秀科技工作者、國家百千萬人才工程、國家創新人才推進計劃科技創新創業人才、國家萬人計劃科技創業領軍人才、浙江省特級專家、浙江省萬人計劃杰出人才、浙江省 151 人才重點資助培養人員等。

前面的話

控制裝備及系統是現代工業裝備以及冶金、能源、石化、國防等領域重大工程的神經中樞、運行中心和安全屏障；主要功能是監測、控制、優化整個工藝流程和產品質量，是確保重大工程和重大裝備安全可靠和高效優化運行的不可或缺的根本保障。所以，必須大力發展重大工程高端控制系統，尤其是高智能化、高安全性、高可靠性、高精確性的國產化高端智能控制裝備及系統，它是推動我國傳統產業升級的迫切需要，是增強產品市場競爭力的迫切需要，是形成新經濟增長點的迫切需要，是確保工業安全與國家安全的迫切需要；是支撐我國智能制造自主可控、安全持續、綠色高效發展的整體產品解決平臺與成套方案。

△ 智慧工廠整體自動化體系架構

曲國利 ：

王教授您好！優穩的UW500/600/700集散控制系統憑借其優質穩定的產品性能及專業及時的工程服務，已廣泛應用于化工、制藥、煉油、鋼鐵、能源、輕工、環保、造紙等行業,請介紹一下優穩的高端控制裝備及內生安全控制系統。

王文海：

UW500/UW600/UW600分布式控制系統，其硬件裝置采用控制裝備冗余容錯、性能退化在線監控、高適應性智能模塊等技術，軟件平臺采用多領域工程對象模型、集群分布式實時數據庫、多語言集成編程開發環境、安全控制與安全防范等技術；是具有高可靠性、高安全性、高適應性、大規模化特征，優質穩定的新一代高端主控系統。具體有以下幾個特點：

1） 全硬件冗余容錯，無單點故障失效；單重化、多重化硬件冗余表決，切換時間5ms；高適應性智能模塊，多功能，軟件選擇信號類型，在線校正，自動補償溫漂時漂；

2） 本質安全型總線IO模塊系列，節省安全柵、隔離柵、安裝空間與接線維護工作量；

3） 全覆蓋診斷與防錯保護，支持外部線路診斷，支持過流、過壓、錯接等過失保護；

4） 多領域工程對象模型，行業算法庫重構復用機制，控制程序自動生成，提高編程效率80%；

5） 多語言優化編譯器，多用戶協同編程、在線編程、模擬調試、遠程更新，降低維護成本；

6） 分布式全局實時數據庫，域數據規模30萬點，驅動池，系統數據與外部數據直接引用；

7） 集群分布式實時數據庫，集群數據規模200～1000萬點，數據容量：100TB～10PB；

8） 內生安全主動防御機制，結合功能安全與信息安全，支持控制工程全生命周期安全防護。

曲國利 ：

王教授您具體談談優穩控制裝備高可靠性的硬件冗余容錯技術。

王文海：

優穩系列UW500/600/700分布式控制系統采用全硬件冗余容錯機制，實現控制、網絡、I/O、電源、監控的各節點、各模塊、各通道及各信號類型的雙重化或多重化硬件冗余；無單點故障失效，支持同構或異構冗余，增強系統防范共因故障失效能力；系統內置所有的開關量和模擬量的輸入表決算法、輸出表決算法、輸入輸出自檢和故障報告機制，無需用戶編程，只要組態配置即可自動實現冗余設計；控制冗余基于實時狀態信息與靜動態完整性檢測實現綜合診斷、信息同步與表決輸出，冗余切換時間5ms；AI模擬量輸入與DI數字量輸入，冗余切換時間0ms；AO模擬量輸出冗余采用通道隔離供電與低頻脈沖復合狀態傳遞，失效檢測與回采診斷，互斥選擇輸出，冗余切換時間2ms；DO數字量輸出冗余基于數據完整性校驗、失電保護、實時回采等多源數據融合實現快速診斷與表決輸出，冗余切換時間1ms；保障控制系統的可靠性與穩定性，冗余切換對現場不會帶來任何影響，保證控制的連續性。

△ 控制系統硬件冗余容錯結構圖

曲國利 ：

王教授您再談談優穩控制裝備“免維護的智能IO處理技術”。

王文海：

集成型IO模件實現通道間路路隔離，相比常規的分組隔離或分模塊隔離，具有更強的抗干擾性；在實現故障隔離的同時，可以把故障限制在最小范圍內（單個通道），并精確定位故障點，給維護人員帶來方便。

單點混合型IO模件，我們稱之為單點卡，具備單通道模塊熱插拔設計，是優穩自動化的獨特設計，國內僅此一家；支持模擬量通用輸入，又稱萬能輸入的設計，具有強大的現場適應性，支持模擬量（電壓/電流/熱電阻/熱電偶）通用輸入，無需硬件跳線的軟件配置信號類型技術，具備全量程高精度，可以幫助客戶減少備品備件，消除配置浪費，當現場需要改變信號類型的時候，也變得輕而易舉；單點模塊支持單通道的熱插拔更換，維修更換完全不會影響到其它通道，還能支持對外部III型現場變送器或儀表的DC24V配電，降低用戶維護成本。

內置隔離柵強抗干擾度的I/O模塊，在工業生產過程中實現監視和控制需要用到各種自動化儀表、控制系統和執行機構，它們之間的信號傳輸既有微弱到毫伏級、微安級的小信號，又有幾十伏，甚至數千伏、數百安培的大信號等，構成系統后往往發現在儀表和設備之間信號傳輸互相干擾，造成系統不穩定甚至誤操作。這時我們就需要用到信號隔離器，將一次測的電量信號，濾出現場各種高頻，電磁等干擾信號后轉換成線性的標準4～20mA或者0～10V信號傳送給DCS/PLC等工控系統使用。然而，實際的情況是，很多客戶為了節約成本，在設計和安裝的時候并沒有配置隔離器，導致在調試的過程中，通道的干擾很難去掉，嚴重地還會造成經濟損失和事故災難。優穩公司開發的獨具特色的內置隔離柵功能IO模塊，相較于普通的IO模塊，具有極強的抗干擾性能，達到工業抗干擾等級4級a水平，普通IO模塊雖也有隔離性能，但在干擾大的場合，其隔離強度遠遠不夠，必須配合隔離器使用。而優穩的內置隔離柵功能IO模塊可以不需要配置隔離器，也能保證信號的準確可靠，為客戶節約大量成本，后期維護也更加方便。

△ 免維護的智能IO

本質安全型總線IO模塊，包括AI/AO/DI/DO系列本質安全IO模塊，支持現場模擬量信號的本安通用輸入與本安配電，節省安全柵，節省安裝空間與接線維護工作量；支持多種現場總線通訊模塊的二重化或三重化冗余配置，開放連接絕大多數主流控制系統，實現控制系統在防爆場合的高可靠性與高安全性要求；本質安全型總線I/O模塊讓工業防爆實現變得更簡單；在石化、中石油、中海油、軍工、煤礦、采油、采氣、發電廠、鋁廠等生產場合，往往需要處理加工一些易燃性液體和氣體，為了防止引燃這些危險源，通常會用防爆隔離裝置，即安全柵，通過限流和限壓電路限制送往現場回路的能量，從而防止非本安電路的危險能量串入本安回路。安全柵作為輔助單元，常配套于DCS/PLC系統中，位于防爆區的IO信號先經過安全柵再接入系統相應的IO模塊，這樣會讓系統的設計變得復雜起來。首先，我們需要犧牲一半的空間去安置這些安全柵，安全柵與IO通道之間龐雜的接線數量讓成套工作量直線上升，用戶后期維護也非常困難，再加上安全柵并不便宜的價格。所以，如何讓本安防爆變得更簡單，優穩公司經過多年研究，取得技術突破，成功將安全柵功能植入I/O模塊，讓普通I/O模塊變成了本質安全型I/O模塊，也就是我們的UW6700本質安全型分布式總線I/O模塊與系統，并取得了防爆認證。這樣便可以省去外接安全柵的成套工作量與大量接線，并節省50%的安裝空間，降低30%的用戶采購成本。本安IO的使用方式也相當靈活，可以配合優穩的UW500/600/700集散控制系統使用，同時它集成了多種通訊模塊，也可以掛接在其它品牌的系統上使用。

曲國利 ：

王教授，介紹一下優穩的UW2100工業物聯網控制系統eDCS。

王文海：

UW2100工業物聯網控制系統采用基于物聯網、大數據和知識自動化的扁平自動化體系架構，將傳統控制系統技術與物聯網信息技術深度融合，實現產品信息無縫互聯、設備狀況協同可控、資源管理全局優化，是一款真正符合“中國制造2025”需求的物聯網產品，具有“省事”“省時”“省錢”等特點。UW2100作為通用智能感知前端，不僅可以實現傳統的數據采集、控制和連接上位機的功能，更重要的是它強大的聯網功能，能夠通過有線或無線（2G/3G/4G）的方式將數據上傳至云平臺，實現數據的遠程監控與分析，充分挖掘數據的價值，為客戶提供增值服務。比如基于云網絡架構的運維，設備制造商可以將自己世界范圍內售出的產品進行統一的監管，通過GIS地圖準確定位地理位置，為客戶提供及時有效的售后服務；在能源管理方面，以信息技術改造現有的能源利用體系，最大限度提高能源效率；目前這款產品已廣泛應用于智慧樓宇、工業設備配套、能源管理、熱網監控、智能交通、市政環保、智慧牧業等行業30000余套，已有20家客戶入駐優穩云平臺，優穩為客戶提供租賃優穩云的服務，可以協助用戶搭建自己的云平臺。

△ 本質安全型總線IO模塊及防爆證書

曲國利 ：

王教授，我們知道，優穩的高端控制裝備及系統的軟件技術也很厲害。這方面請您詳細說說。

王文海：

優穩研究實現了面向物聯網、大數據和知識自動化的廣域協同自動化體系架構、異構多實時多尺度多語義工程實時數據庫、知識推理與基于模型計算的控制優化統一架構、控制工程全生命周期設計開發軟件平臺與云引擎、融合功能安全與信息安全的綜合安全、控制工程知識性工作的自動化（工程文檔自動生成、控制程序自動生成、遠程協同開發、行業算法復用同步與專家云服務、故障診斷與預測技術、智能特種軟測量技術等）。我主要從以下3個方面談一下：

第一，基于多領域工程對象模型的控制工程軟件平臺。

UWinTech控制工程應用軟件平臺采用全集成一體化設計，包括圖形監控、實時控制、集成信息平臺和批量控制與配方管理功能。用戶只需要花幾分鐘的時間即可完成安裝，并擁有其所有功能，省去了多次安裝的麻煩；且所有軟件模塊血脈相通，不會出現兼容性問題。一套軟件適用于所有優穩硬件產品的設計，也讓客戶使用起來更加輕松。

UWinTech軟件設計開發平臺的一大特點是基于多領域工程對象模型的，將原有離散的記錄點按照控制工程或工程對象機理構成聯合體，通過建立典型控制工程模型庫、控制方法庫、顯示界面庫，逐級構建基礎元件、單元設備、行業裝備的多領域描述模型庫；基于豐富的工程庫，用戶編程組態非常方便，只需要重復利用庫里面的元素便可以迅速搭建所需要的畫面、程序等，提高編程效率80%。針對大型工程，我們開發了工程協同組態功能，支持多人同步組態，通過同步機制保證同一工程的信息協調一致，這樣便可以極大地縮減前期工程組態時間，提高協同編程效率。

第二，批量控制與配方管理軟件為精細化工帶來更加靈活的生產方式。

精細化工行業的生產具有多品種、小批量、產品更新換代快、生產流程和設備通用型強等特點，是屬于典型的批量生產過程。相比較于連續生產過程，批量生產過程頻繁地改變配方，工藝參數不存在穩態工作點，批次報表記錄更加復雜，這些都給控制系統帶來了極大的挑戰，所以精細化工的生產控制遠比大裝置（比如石化、冶金等）更加復雜。優穩公司嚴格遵循ISA S88標準開發的國內首套批量控制軟件UWinBatch很好地解決了這些復雜問題。為客戶提供簡單易用的配方開發管理平臺，可以快速開發新的配方、編輯修改已有配方；通過仲裁調度機制實現多產品多路徑生產，提高生產效率；批次報表記錄可以實現每批產品的全面追蹤，并提供符合GMP、FDA認證的電子記錄；通過批次間的對比找到“黃金批次”，提高產品質量。UWinBatch幫助精細化生產實現靈活的產品切換，快速響應市場的需求，提高企業競爭力。目前，優穩UWinBatch軟件已得到廣泛應用，尤其在制藥、食品、涂料等行業。UWinBatch還被中國自動化學會評為“2017年度最具競爭力創新產品獎”。

△ 優穩自動化工業物聯網控制系統結構圖

第三，控制工程行業算法庫

針對冶金、能源、石化、國防等的關鍵裝備的智能化控制、優化和工程應用技術進行研究開發，包括自適應建模、多尺度預測控制、實時聯合優化、快速精確軟測量等方法與工程應用技術的研究開發，實現對環境變化、原料狀況、負荷變換、品種切換等的自調整與自適應，保證工業裝備在復雜工況與需求下的安全、穩定、長期、滿負荷、優化運行。

UWinTech軟件內置的行業算法庫是優穩公司10余年來通過與設計院、設備制造商、工程公司、行業用戶不斷合作交流，并結合現場工程應用考核，提煉而成的一套工程算法庫。該算法庫兼具特定自動化應用行業的普適性與特殊性。優穩公司作為自動化控制的專家，與對工藝有著深刻理解的工藝專家一起，提煉針對行業工藝的最佳控制策略，形成一系列優化控制與先進控制算法塊。當然，這個算法庫也可以作為一個開放的平臺提供給客戶使用，開發自己的工藝軟件包，并對其進行管理。通過繼承、派生、重用、重構機制，利用行業算法庫，使得項目工程設計與編程開發更加輕松高效。目前，公司的行業算法庫包含豐富的針對化工、制藥、能源、輕工、環保、造紙等行業的算法塊，將以控制工程行業算法包的形式定期發布，終端只需加載便可輕松擁有。

曲國利 ：

△ 內生安全控制裝備及工控系統主動防御體系結構圖

王教授，雜志的許多用戶讀者想了解優穩的“內生安全控制裝備及工控系統主動防御體系” 。

王文海 ：

工業控制系統是現代工業裝備、國家重大工程及關鍵基礎設施的神經中樞、運行中心和安全屏障。工業控制系統與信息網絡融合的不斷深化，網絡攻擊方法的日益復雜多變，工控系統面臨前所未有的安全威脅。面對震網、BlackEnergy等集團式攻擊，僅依靠傳統圍堵式被動防御體系已無法有效應對，亟需在攻防嚴重不對稱，存在大量被漏洞、被后門的現實環境中，抵御跨越信息物理空間的未知威脅，突破功能安全與信息安全深度融合場景下的工控安全防護難題。工控安全事關國家之戰略安全，自主可控，掌握核心關鍵技術是立足之本。

我們研究構建結合功能安全、信息安全、操作安全，覆蓋工控系統管理層、監控層、控制層、器件（部件）層，貫穿控制工程的設計、運行、服務等全生命周期，全面保障工控系統的安全性、可靠性、實時性以及可用性的主動防御內生安全的工控系統安全防范核心技術體系。優穩自動化公司與浙江大學工業自動化國家工程研究中心聯合攻關，基于安全增強、動態重構、工程模型檢測，構建自主可控融合增強的內生安全防御體系；結合可編程電子控制模塊、安全協議棧與控制核心網絡、編程開發與運行操作軟件環境，進行內生安全設計；保障工控系統在“有毒帶菌”環境下的運行安全。主要內容包括：

第一，控制裝備內生安全，實現實時引擎運行空間的動態加密與完整性在線監測，及其系統資源的同步監測與隔離受控，結合雙重化或四重化同構或異構冗余，實現主控模塊等的內生安全。

第二，軟件平臺主動防御，基于身份安全域快速認證、工程信息與實時數據分級動態加密機制、完整性優化檢測策略、多域分布式冗余存儲與異步恢復技術等，實現軟件環境的深度安全。

第三，控制網絡安全增強模塊，實現控制網絡的安全隔離與安全信息交換，基于白名單技術、深度解析技術、主機隱藏技術、物理隔離技術、網絡行為分析技術等，實現端到端訪問控制、協議/命令/存儲器訪問控制、網絡異常行為檢測、主機惡意掃描防護、抵御協議漏洞攻擊、路由攻擊等。

第四，建立了安全受控的關鍵工業裝備控制設計與運行維護機制，實現基于設備多領域知識封裝與流程在線重構的工程設計技術，開發出智能裝備的安全保護方法及關鍵參數加密技術，實現生產流程與關鍵數據加密、意外操作阻斷、人為破壞修復，實現系統運行安全。

曲國利 ：

王教授，優穩面臨的機遇與挑戰是什么？

王文海：

UWNTEK各型控制系統產品已廣泛應用于化工、制藥、煉油、石化、鋼鐵、能源、建材、輕工、造紙、環保等行業 5000余套，智能控制器30000余套。

△ 內生安全控制裝備系統構成圖

△ 內生安全控制裝備應用部署圖

控制裝備與控制系統正處于重大轉型期，這是一個變革的時代，這是我們自動化領域最好的時代，機遇與挑戰并存；專心專注，持續改進升級產品技術，將產品做到極致，將用戶體驗做到極致；優質穩定，做最好的控制系統產品，就能在變革中生存、發展、壯大。

優穩穩定——做最好的控制系統產品。

共贏分享——為用戶創造價值，為合作伙伴創造價值，為員工與社會創造價值。