关于工业控制系统升级改造的思考

丁宁

(天津渤化永利化工股份有限公司，天津300452)

1 工业控制系统简介

1.1 PLC

可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller)，是专为工业生产设计的一种数字运算操作电子装置，采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

1.2 DCS

分布式控制系统（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。

1.3 FCS

现场总线控制系统（Fieldbus Control System），用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。因此，FCS实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。

2 控制系统升级的必要性

2.1 设备老化

工业控制系统主要由控制器、卡件、网络设备、操作站/服务器、人机界面组成。工业控制系统主要组成部分均为电子产品。随着使用年限的增加，电子产品会因为工作温度、湿度等环境因素或者受外界电压、电流等因素造成内部元器件损耗，造成设备隐患增多，故障率增加。

2.2 系统容量以及负荷限制

在项目建设初期，设计方、业主方以及工业控制系统提供方会将项目规模、相关规范、项目中远期规划、工业控制系统本身的产品特点相结合，在控制系统成套过程中对系统容量做一个估算，项目建成初期，系统容量通常都会有10%～20%的备用通道，DPU以及服务器的CPU负荷都会严格控制在一个合理的水平之内。但随着项目的投用，一些技改技措项目以及小规模基建项目会逐步增加，加上日常使用过程中个别通道会因为各种因素损坏，控制系统的备用通道会初步减少，同时控制器DPU以及服务器的负荷会逐步增加。

2.3 计算机技术的发展

随着计算机技术的发展，无论是计算机硬件还是软件都面临着更新换代。以霍尼韦尔PKS300系列产品为例，PKS300产品需要安装在WINDOWS XP以及WINDOWS SERVER 2003，但目前两款产品微软公司均已经停止技术支持。这就意味着操作系统的所有数据将无法获得更新和修补程序，同时将无法满足合规性要求，风险隐患大。

并且随着微软推出新一代的操作系统，计算机硬件厂商服务器，操作站配置等也在更新，原有型号的服务器、操作站停产，新型号的服务器、操作站机型无法安装上一代版本的操作系统。这就意味着我们的工业控制系统的服务器、操作站出现问题，市场上没有适合的产品供我们选择使用，造成服务器、操作站等备件支持困难，风险隐患增大。

2.4 新工控系统采用最新技术，会提升工作效率

随着新的工控系统的推出，系统厂家会对过去的功能进行优化完善以及推出新的功能，为操作人员以及管理人员在日常操作、设备检修、基础管理方面带来极大便利。

3 控制系统升级的两种方案类型

整体更换：相当于将整个项目推倒重建。此种升级改造可以不限控制系统的厂家。可以根据过往使用情况合理的选择新的系统厂商。但此种升级方式对时间以及资金成本要求较高。

部分升级改造：仅仅对出现问题较多部分进行升级改造，目前此种改造通常指针对软件部分以及HMI层面进行升级，部分厂商由于系统兼容性问题会更换部分控制系统，但整体IO卡件部分保留。考虑到兼容性问题，此种升级方式只能与原厂家合作开展。此种方案整体价格较低，改造难度相对较小。但与项目整体更换相比，因只能与原厂家合作，业主议价能力较低，产品单价相对偏高。

这种升级方式有如下好处：延长系统安全服役时间；使用最新技术；避免全部推倒重建；保留现场设备和接线；保留现有逻辑程序；人员培训需求最小化；时间成本以及资金成本低。

通过与不同工控系统厂商沟通，目前绝大部分最终用户通常都会选用第二种，也就是部分升级改造的方式。这与我国目前大中型工控系统使用现状吻合。我国大部分使用大中型工控系统的最终用户使用系统的时间通常在15a之内，在良好的基础管理前提下，通常工控系统的核心部分如DPU、IO卡故障率很低，而且这类备件系统厂商可以提供一个较长时间的备件供货周期。绝大部分问题出在PC机上，所以针对PC机以及软件的部分升级成为了绝大部分最终用户的选择。

4 何时进行应该进入升级改造

升级改造的最佳时机要与系统升级改造的立项初衷想结合，选取最佳时间节点。

升级改造之前首先要明显了解目前工况系统的运行状况，选择整体升级或者部分升级；要与系统厂家充分沟通确定升级所需要的时间；要充分了解厂家最新的软件平台，通常在软件平台刚更新的2a左右是一个比较好的时间，一是因为软件经过2a的使用，厂商有针对性的对软件在使用过程中的不足进行了更新，系统更加完善，二是因为软件平台通常有10a左右的生命周期，此时选择留给最终用户自己有效的使用周期时间更长。

例如某大型企业使用的和利时以及霍尼韦尔系统前后几次就升级问题与厂家进行了沟通，为的就是解决微软停止对XP/Server2003的更新以及PC端故障率高、备件采购困难的现状。

在2017年上半年的沟通过程中，和利时给出的方案中系统软件是建立在微软WIN7平台上的，众所周知，微软已经宣布将在2019年停止更新WIN7系统，而且此时市场上支持WIN7系统的PC机的供给数量已经呈下降趋势，此时如果选择系统升级，必然不是一个最优选择。升级后的不久，就会面临微软系统的停止更新以及PC机采购愈发困难的状况。后来再次沟通过程中和利时表示已经就WIN10平台下的工控系统进行最终测试，新产品即将上市。所以在2017年上半年就不是一个和利时系统选择升级的最优时间，原系统在经过可靠性的评估后，可以选择适当延迟升级时间等待新产品。目前和利时最新工况系统已经在WIN10平台下。

2018年年中，某大型企业在与霍尼韦尔厂家沟通升级方案的时候，霍尼韦尔给出的软件平台是 WIN10以及 Server2016，WIN10支持到 2026年10月，Server2016支持到2027年1月，市面上支持这两款软件平台的PC机是市场上的主流产品。此时选择升级就是某大型企业选择系统升级的目的有机结合在了一起，有效的解决了XP，以及Server2008停止更新带来的安全隐患，也解决了PC端故障率高，备件采购困难的问题。而且留给自己的工控系统有效生命周期较长。

5 如何延长使用工控系统使用周期

5.1 建立完善的管理机制

严格控制控制室的温度、湿度、粉尘外部环境，定期对机柜接地等进行检查，发现问题及时整改。给我们工控系统一个优良的运行环境。

5.2 建立完善的备件体系

工控系统可以分为两部分，一部分是服务器、操作站、网络设备等第三方设备，另一部分为控制器、IO卡等工控厂家自己生产的核心部分。第三方设备受软件更新、自身设备老化等因素影响较大，而且此类设备故障相对较多，产品周期短。建议此类设备可以根据工控系统规模尽可能的多储存备件。而且要注意此类设备的存储环境，防止设备在存储过程中的损坏。工况系统厂家自身的控制器、IO卡等生命周期很长，大部分工况厂家一般都会提供20a以上的产品备件。且在没有外界因素干扰下产品本身故障率很低。此类设备的备件比例可以相对降低。

5.3 深入了解市场和产品，大胆创新尝试，突破厂家限制壁垒。

目前市场上已经采购不到DELL、HP等品牌的支持XP系统的全新的操作站，但如研华等品牌的工控机目前仍有支持XP系统的机型，并且在研华工控机上已经安装了西门子STEP7/WINCC，和利时MACS6等软件，经上线试验成功。其他品牌工况软件正在测试中。基于英特尔C610芯片组的DELL730服务器目前市场上仍有售，英特尔C610芯片组是支持Server2008的。虽然服务器型号与目前使用的服务器型号不一致，但工况软件应该只对操作系统有要求，对服务器机型无要求。如经过测试，可以将此种方案作为应急方案使用。

总之，从文中我们可以看出：工控系统的升级是一个必然选择。作为技术人员以及管理人员需要做的就是在安全的前提下尽量延长现有工控系统的使用周期，结合工控系统运行情况、企业现状、操作系统以及工控系统版本更新等几方面因素，优化工控系统选择时间点的选择。