淺論核工業生產中DCS控制系統的應用現狀和發展趨勢

劉海林 冷強

摘要：隨著信息技術、網絡技術、顯示及控制技術等領域的發展，DCS控制系統在工業領域得到了廣泛應用，工業4.0的推進也使得DCS控制系統在核工業領域逐步普及。DCS控制系統的引入，在提高核工業生產效率的基礎上，保證了工業現場的安全穩定運行，同時達到節能減排的目的，并助推實現碳達峰碳中和目標。因此，本文結合DCS控制系統在工業領域的發展現狀，分析其在核工業領域應用的特點和設計的技術難點，探討現存方案在應用過程中存在的問題及未來發展趨勢，為DCS控制系統在核工業的應用與普及提供一定的理論與實際依據。

關鍵詞：DCS控制系統;核工業;應用現狀;發展趨勢

中圖分類號：TP311??? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）29-0166-02

1引言

DCS（Distributed Control System）控制系統是工業現場的“大腦”，目的是實現工業生產全流程高品質監控與管理，詳細的掌握生產設備運行狀態，嚴格把控工業生產過程[1]。現如今， DCS控制系統已廣泛應用于我國各工業領域，如制漿造紙生產過程[2]、石化工業[3]、燒堿生產[4]、火力發電廠[5]等，因此，對 DCS 控制系統的研究越發深入，其系統功能開發也越來越完備。目前，DCS 系統已發展成為一個多數據融合的系統平臺，能實時進行數據采集、分析、監測并控制生產工藝過程及設備，保障現場生產安全、穩定、高效[6-7]。

在過去，核工業現場控制系統多采用模擬控制系統（即：依靠現場采集的模擬量，通過運放為基礎的模擬電子線路實現模擬量儀表的控制與監測）。模擬控制系統的缺點是硬件數量大、能耗大、運算能力差、可靠性差，且很難進行大規模集中控制。因此，依托本行業需求和技術發展，現今核工業現場絕大多數項目均已采用數字化 DCS控制系統，與模擬控制技術相比，具有明顯的技術先進性及優勢，其數字化控制系統的應用有利于改善核工業現場的安全狀況、運行水平以及經濟性。針對 DCS控制系統在核工業領域的發展基礎，本文進行深入研究，分析其在核工業領域應用的設計技術難點與解決措施，后續實施過程中存在的問題以及未來DCS控制系統在核工業領域的發展，為DCS控制系統在核工業的應用與普及提供借鑒。

2 DCS 系統介紹

DCS分布式控制系統是以微處理器為控制核心，實現分散與集中的操作與控制，同時具備分布式與協同的新型控制系統[7]。在微處理器為控制核心的基礎上，實現分布式控制功能、集控式操作、兼顧分而自治和綜合協調的新一代儀表控制系統[8]。

按照傳統界限劃分，DCS控制系統包括：（1）自動控制和保護層，主要包括系統監控信號的調制和處理;（2）操作和信息管理層，主要是指顯示與操作設備運行信息，保障運行人員能夠操控、監督工廠狀態并對工廠I&C實施運行。

3核工業現場DCS控制系統的設計要求和解決方案

在核工業現場，其現場設備主要具有信號分布廣、功能設備多、重要程度不一等特點，要求DCS控制系統需承擔對核設施正常運行與控制等功能，如果現場DCS控制系統出現問題將導致控制單元異常、工藝設備停運，甚至出現重大核安全事故等。因此，需要考慮DCS控制系統的可靠性、穩定性和利用率。本文根據核工業現場需求，從環境適應性、絕緣性、可靠性以及信息安全性出發，提出相應的核DCS控制系統的設計要求與解決方案，確保 DCS控制系統在核工業現場安全、穩定、高效的運行。

3.1 DCS控制系統環境適應性設計要求和解決方案

核工業現場安裝的DCS控制系統應能抵御典型工業環境下可能出現的電場和磁場干擾，保障系統在電磁環境下安全可靠運行。因此，現場DCS控制系統需要有相應的抗噪設計，使得DCS控制系統更好地適應核工業現場環境。主要的抗噪設計包括：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。其設計可從元器件設計、柜內/盤內設計、防護設計等方面抑制電磁干擾對系統的影響，確保DCS控制系統對核工業環境的適應性，設計與解決方案如表1所示。

3.2 DCS控制系統可靠性設計要求和解決方案

安全是核工業生命線，為保證和提高DCS控制系統現場應用的可靠性，需要對其關鍵設備和功能采用冗余配置。同時，保障在正常運行期間，DCS系統的冗余功能部件都可以進行在線維護和在線更換，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模塊也可在實現在線更換而無須關閉現場控制器。例如，DCS控制系統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控制系統信息安全的設計應用和解決方案

可用性作為DCS控制系統網絡安全防護的首要任務，通過邊界防護、網絡通信防護、主機防護的三層防御體系防御攻擊，重點保護系統的功能、性能及可用率不因信息安全攻擊產生影響。其縱深防御措施如下所示：

（1）網絡流量嚴格限制為物理單向，由安全級平臺內部設計結構保障，即：安全級平臺內部設備與網關站之間為物理單向隔離，限制從非安平臺側向安全級平臺發起的網絡攻擊;在 DCS與三層系統的邊界部署單向隔離網閘，物理限制反向數據流量，隔絕來自管理信息網絡的各種類型的網絡攻擊;在DCS 與第三方控制系統的邊界應在充分評估相關措施對系統功能、性能、可靠性不構成影響的前提下，考慮部署工業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的網絡攻擊;

（2）在DCS 內部網絡部署入侵檢測和安全審計系統，實時感知異常流量和非法操作;

（3）在DCS 內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，匯總各類型安全設備推送的安全日志和有關主機及網絡設備推送的安全日志，形成統一態勢感知能力。

4 DCS控制系統實際應用過程中存在的不足

核工業的快速發展使得DCS系統在核燃料元件生產廠、核電廠、后處理廠等已經逐步普及，不斷累積了大量DCS控制系統現場工程實踐經驗。但是，在核工業領域內應用但DCS控制系統的同時，其局限性和不足也逐步體現出來，主要包括以下幾個方面：

4.1 DCS 系統調試過程繁雜

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

4.2抗干擾防護要求高

現場儀表的模擬信號與DCS控制系統進行信息交互傳輸時，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 系統為此需要另外采取相應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

核工業現場儀表均采用標準電流（4～20mA）信號的傳統儀表，傳統儀表信息單一、功能簡單，與現在的數字化工廠要求有一定差距，其傳輸信號無法與設備管理系統接口，并且無法實現遠程的儀表診斷、標定等功能。

5新技術對于DCS控制系統的影響及發展趨勢分析

21世紀新科技快速發展，數字化、智能化將作為未來制造業提升競爭力的核心。企業需要將技術、生產、資源等環節要素進行整合，提高智能化水平。在此行業發展的需求背景下，將推動各種符合業主需求的新技術、新產品等不斷涌現。

現場總線技術是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線。它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題[10]，具備簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優點，已受到世界范圍的關注而成為自動化技術發展的熱點并將導致自動化系統結構與設備的深刻變革。該技術目前廣泛用于電力、石化、生產等各個領域，是一種開放式、新型全分布控制系統，目前已在核工業部分項目的輔助子項中實現逐步應用。按照新技術逐步應用的發展趨勢，核工業DCS 控制系統也將需具備對FF、HART、Profibus等現場總線協議智能儀表的組態、下裝、管理及配置的功能。

目前市場中已存在DCS控制系統、決策支持系統及管理信息系統的成套解決方案，在未來將逐步實現DCS控制系統、決策支持系統、信息管理系統的深度融合。決策支持系統，通過建立在DCS基礎上對監測數據的實時分析對全廠生產運行實時指揮調度[11]。管理信息系統，為全廠的生產經營和管理人員提供所需的信息，強調多維度的關系協調，主要完成設備和維修管理直至生產經營管理、財務管理以及辦公自動化[11]。

6總結

目前DCS控制系統在核工業的應用已極大程度地改善了核工業現場運行的安全性、可靠性以及經濟性。現階段，對于核工業領域的DCS控制系統的設計、制造要求還較高，控制系統的現場運行還存在較多需要提升完善的問題。隨著技術的快速發展，受到現場總線技術、通信技術、智能化技術的影響，后續必然要求DCS系統具備更高、更強的設備控制以及監管能力。新的控制技術、信息技術、決策和管理功能，都將與現有 DCS控制系統相結合，使得新一代的 DCS控制系統具備集成化、數據化、信息化、數字化、智慧化等特點，更適應核工業市場的發展趨勢。

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【通聯編輯：梁書】