網絡環境下火電機組DCS自主可控改造與前景分析

關鍵詞：火電機組；DCS；自主可控

中圖分類號：TP273+.5；TM621 文獻標識碼：A

0 引言

分布式控制系統（distributed control system，DCS）是火電機組控制與管理的核心，其主要功能是實現操作人員對機組各部分的監控與控制，確保電廠安全、穩定和高效地運行。隨著信息技術的快速發展和網絡環境的復雜化，傳統DCS 逐漸暴露出安全性和自主可控性不足的問題。在網絡環境下，DCS 面臨來自網絡攻擊、數據竊取、系統入侵等多方面的安全威脅。因此，實現DCS 的自主可控，不僅可以提升系統的安全性，還可以增強國家能源安全和自主創新能力。

1 火電機組DCS概念與現狀

1.1DCS的基本概念與結構

1.1.1定義和功能

DCS是20世紀70年代末引入工業自動化領域的一種控制系統，旨在通過分散的控制架構來提高系統的靈活性和可靠性。在火電機組中，DCS主要負責監控和控制各個子系統，如鍋爐、汽輪機和發電機等，實現對整個電廠的統一管理。DCS的分布式架構不僅減少了單點故障的風險，還使系統具備高度的靈活性，可以根據實際需求進行配置和調整[1]。

1.1.2 主要組件和工作原理

DCS的主要組件包括現場設備、控制器、輸入/ 輸出（input/output，I/O） 模塊、人機界面（human machine interface，HMI）和通信網絡。現場設備（如傳感器和執行器）負責采集工藝參數和執行控制命令，I/O 模塊則負責實現現場設備與控制器之間的信號傳輸。控制器是DCS 的核心部分，負責執行控制算法和邏輯操作，通過與I/O 模塊和通信網絡進行協作，實現對現場設備的實時控制。控制器通過通信網絡與HMI 連接，HMI 為操作人員提供了友好的圖形界面，使其能夠監視系統運行狀態、操作控制參數、處理報警和生成報表。

1.2 DCS應用現狀

在全球范圍內，DCS已廣泛應用于火電機組的控制和管理。美國、德國和日本等國家早在20 世紀80 年代就開始采用DCS進行電廠自動化控制，并不斷推進系統的升級和優化。隨著電力需求的增長和技術的進步，中國也逐步推廣和應用DCS。DCS在火電機組的應用中展現了諸多優勢。DCS通過分布式控制架構，顯著提高了系統的可靠性和靈活性，減少了單點故障的風險。DCS具備強大的數據處理和分析能力，可以實時監測和控制各個子系統的運行狀態，優化控制策略，提高設備運行效率和能效比[2]。DCS的HMI 友好，操作簡便，操作人員能夠直觀地監控和調整系統參數，快速響應異常情況。

2 網絡環境下火電機組DCS面臨的挑戰與需求

2.1 網絡環境對DCS的影響

2.1.1 網絡安全威脅

在現代工業控制系統中，DCS由于其分布式架構和廣泛的網絡連接，面臨著日益嚴峻的網絡安全威脅。網絡攻擊者可以通過網絡漏洞入侵DCS，實施數據竊取、系統破壞和惡意操控等行為，直接威脅電廠的安全運行。常見的網絡安全威脅包括病毒和惡意軟件的入侵、分布式拒絕服務（distributeddenial of service，DDoS）攻擊、網絡釣魚以及內部人員的惡意行為。

2.1.2 數據傳輸和處理的實時性要求

火電機組DCS 對實時性要求極高，其控制指令和數據傳輸必須在極短的時間內完成，以確保DCS 的高效運行和安全性。然而，網絡環境的復雜性和不確定性為DCS 的實時數據傳輸和處理帶來了巨大挑戰。網絡延遲、數據丟包和帶寬不足等問題，都會影響控制指令的及時傳遞和反饋，進而影響系統的控制效果和運行效率。

2.2 自主可控的必要性

2.2.1 自主可控對DCS安全的保障

如何實現DCS的自主可控是保障系統安全的關鍵。當前，許多DCS依賴于進口設備和技術，核心技術具有一定的局限性，存在巨大的安全隱患。一旦進口設備和技術遭到限制或供應中斷，系統的正常運行將受到嚴重影響。此外，外部供應商的技術支持和升級服務存在不確定性，這也增加了系統維護與升級的難度和風險。自主可控的DCS能夠有效避免這些問題，提高系統的安全性和穩定性。

2.2.2 國家政策和標準的要求

隨著國家對信息安全和自主可控技術的逐漸重視，相關政策和標準的制定和實施為DCS 的自主可控改造提供了重要指導和保障。近年來，我國相繼出臺了一系列政策文件，明確要求加強關鍵基礎設施的網絡安全防護，推動自主可控技術的發展和應用。

3 火電機組DCS自主可控改造方案

3.1 技術方案設計

3.1.1硬件改造

火電機組DCS 的硬件改造是實現自主可控的基礎，其主要目的是替換依賴進口的關鍵設備，實現硬件的國產化和自主研發。硬件改造的重點包括控制器、I/O模塊、網絡設備和冗余電源等。在控制器方面，現有的DCS 通常采用國外品牌的控制器，如西門子、霍尼韋爾等。為了實現自主可控，可以采用國內自主研發的高性能控制器，如中控技術股份有限公司的GCS 云化控制系統，該系列控制器具備高速數據處理能力和強大的實時控制功能，能夠支持多種通信協議（如Modbus、Profibus、以太網等），并且具有冗余設計，確保系統的可靠性和穩定性[3]。I/O 模塊是DCS 與現場設備連接的重要組件，現有系統中的I/O 模塊也多依賴于進口。在硬件改造過程中，可以采用國內品牌的I/O 模塊，如浙江浙大中控信息技術有限公司的DI 716-S11 16路數字信號輸入模塊，該系列模塊支持多種信號類型（如模擬量、數字量、脈沖量等），具有高精度、高可靠性和強抗干擾能力等特點。

3.1.2 軟件升級與優化

在實現硬件自主可控的基礎上，軟件的升級與優化也是DCS 改造的關鍵環節。軟件升級與優化的目標是提高系統的控制精度、響應速度和運行效率，同時增強系統的安全性和穩定性。軟件改造主要包括控制算法的優化、操作系統的升級和應用軟件的開發等方面。首先，控制算法的優化是提高DCS 控制性能的核心。現有DCS 中的控制算法多為經典的比例積分微分（proportion integraldifferential，PID）控制算法，該算法雖然簡單易用，但在復雜工況下控制效果不佳。在軟件升級過程中，可以引入先進的控制算法，如模糊控制、神經網絡控制和自適應控制等算法，以提高系統的控制精度和適應性。

3.2 安全性增強措施

3.2.1 網絡安全防護策略

在網絡環境下，DCS面臨的網絡安全威脅日益嚴重，必須采取有效的網絡安全防護策略，保障系統的安全運行。網絡安全防護策略主要包括多層次的網絡安全架構設計、嚴格的訪問控制策略和實時的網絡安全監測與預警機制等。多層次的網絡安全架構設計是保障DCS 網絡安全的基礎。系統采用縱深防御策略，將DCS 網絡劃分為多個安全區域，每個區域之間通過防火墻、網閘等安全設備進行隔離，形成多層次的安全防護體系[4]。例如，將生產控制區、管理區和外部網絡區進行隔離，確保各區域之間的數據傳輸安全。同時，在各安全區域內部，利用虛擬局域網技術進一步細分網絡，減少網絡攻擊的范圍和影響。嚴格的訪問控制策略是防止未經授權訪問和操作的關鍵，通過采用基于角色的訪問控制（role-based access control，RBAC）策略，根據用戶的角色和權限，嚴格控制其對DCS 的訪問和操作。

3.2.2 數據加密與傳輸保護

數據加密與傳輸保護措施主要包括數據加密技術、安全傳輸層（transport layer security，TLS）協議和數據備份與恢復等。在DCS 中，可以采用對稱加密和非對稱加密相結合的方式，對重要數據進行加密存儲和傳輸。例如，采用高級加密標準（advanced encryption standard，AES）對實時控制數據進行加密，確保數據在傳輸過程中不被竊取和篡改；采用公鑰基礎設施（public key infrastructure，PKI）技術，對用戶身份進行認證和數據簽名，確保數據的合法性和完整性。在DCS 的網絡通信中，可以采用TLS 協議或虛擬專用網絡（virtual privatenetwork，VPN）技術，對數據傳輸通道進行加密保護。例如，TLS 協議可以在傳輸層對數據進行加密，確保數據在傳輸過程中不被截獲和篡改；VPN技術可以通過隧道加密技術，建立安全的數據傳輸通道，確保數據在公網環境下的安全傳輸。

3.3 系統集成與測試

3.3.1 系統集成方案

系統集成方案主要包括系統架構設計、設備選型與配置、系統集成測試與優化等環節。在系統架構設計方面，可以采用分層次、模塊化的設計思想，將DCS 劃分為數據采集層、控制層、網絡傳輸層和應用層等不同功能模塊，每個模塊內部實現獨立運行和協同工作。例如，數據采集層包括傳感器和I/O 模塊，負責現場數據的采集和初步處理；控制層包括控制器和執行器，負責執行控制算法和下發控制指令；網絡傳輸層包括工業以太網交換機和路由器，負責數據的高速傳輸和網絡安全防護；應用層包括HMI 和數據庫，負責系統監控和數據管理。

3.3.2 系統測試方法

系統測試是確保DCS自主可控改造質量和效果的重要環節，其目標是驗證系統的功能和性能是否滿足設計要求，發現并解決系統中的問題和缺陷。測試方法主要包括功能測試、性能測試、安全測試和可靠性測試等。在功能測試方面，通過模擬實際工況，驗證系統的各項功能是否正常[5]。例如，通過模擬火電機組的啟動、運行和停機過程，驗證系統的控制算法和控制邏輯是否正確；通過模擬不同的工況和負載，驗證系統的響應速度和控制精度是否滿足要求；通過模擬各種故障和異常情況，驗證系統的故障診斷和應急處理能力是否可靠。

4結語

本文探討了在網絡環境下火電機組DCS的自主可控改造方案。自主可控DCS 不僅能提高火電機組的運行效率和穩定性，還可增強國家能源安全和自主創新能力。未來，應繼續加強技術創新和標準規范建設，促進自主可控技術的廣泛應用。