GE新华XDPS400+DCS到国电智深EDPF-NT+整体国产化的升级改造

郭伟

摘要：中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司热电生产中心DCS系统采用GE新华XDPS400+DCS，工作站型号为研华610H，控制器型号为XDPS400+V6.0SP1，卡件为CCC2.908系列，控制网络为双环网冗余结构。鄂尔多斯煤制油分公司热电生产中心DCS系统自2007年投产运行至今已经13年，设备已经进入电子元件老化阶段，故障频发尤其是多为硬件故障，严重影响了机组安全稳定运行。同时，由于当前DCS系统没有设置工控网络安全相关系统，网络完全隐患突出。为解决上述DCS系统存在问题，本文阐述运行时间周期较长的XDPS400+DCS国产化升级改造国电智深EDPF-NT+，同时配置完善的工控网络安全相关系统方法和注意事项等，并简要介绍升级改造后的优势，以期为电力行业同行提供借鉴参考。

关键词：DCS;国产化升级改造;组态;无差编译转换;信息安全防护

Abstract： Thermal power production center of Ordos coal to liquid branch of China Shenhua coal to liquid chemical Co.， Ltd uses GE Xinhua XDPS400 + DCS. The workstation model is Advantech 610H， the controller model is XDPS400 + V6.0SP1， the card is CCC2.908 series， and the control network adopts a dual-ring network redundant structure. It has been used for 13 years since it was put into operation in Thermal Power Production Center at 2007. The equipment has entered the aging stage of electronic components and there are lots of failures， especially hardware failures.  These failures have seriously affected the safe and stable operation of the unit. In addition， because the current DCS system does not set up industrial control network security related systems， the existing network is full of hidden dangers. In order to solve the above mentioned problems with the DCS system， this article describes the upgradation of DCS system from XDPS400 + which has run for a long time to Guodian Zhishen EDPF-NT +， and the methods and precautions of configuring the security related industrial control network system， and also briefly introduces the upgrade Advantages， which provide reference for power industry peers.

Key words： DCS; localization upgrade; configuration; error-free compilation and conversion; information security protection

1  引言

集散控制系統（Distributed Control System， DCS）于上世纪八十年代开始应用于工业领域，现已是电力行业生产运行监视和控制的主要手段。随着DCS系统运行周期的增长，电子元器件老化严重，硬件性能下降，整个DCS系统故障率明显上升，影响机组安全运行。随着DCS系统改造的不断扩容，软硬件需要不断打补丁，系统容量空间逐渐被占用，造成运行负荷率上升，系统处理速率降低。严重时，会造成通讯不畅甚至中断。与此同时，由于计算机技术的发展及电子原件的更新换代，原有旧的版本系列备件越来越少，备件采购周期长，部分升级硬件与旧型号硬件不兼容;系统厂家由于产品升级换代、技术人员转型，造成技术支持越来越困难;再者由于当前DCS系统没有设置工控网络安全相关系统，网络完全隐患突出;诸上因素不仅增加了系统安全运行的风险，也增加了机组维护困难。

为提高DCS系统运行可靠性，保证机组安全运行，确保机组的工控系统网络安全，DCS系统升级改造势在必行。根据国家能源投资集团有限责任公司《火力发电厂分散控制系统技术规范》8.5.2规定，“DCS使用时间超过8-10年，如果系统升级费用达到整体更换同规模DCS市场平均费用的50%或以上，应进行整体改造”。本公司原有DCS系统为XDPS400+系统，现国产化升级改造为国电智深EDPF-NT+。EDPF-NT+DCS系统是国家能源投资集团北京国电智深控制技术有限公司的最新产品。EDPF-NT+分散控制系统是吸取国际众多同类系统的先进思想，并结合我国国情而设计开发的一套以网络通信系统为基础，以面向功能和对象而实现的“站”为基本单元，专门设计的分布式动态实时数据库管理各站全部运行数据的先进过程控制系统。该分散控制系统支持面向厂区级应用的基于分布式计算环境（DCE）的多域网络环境，采用“域”管理技术，成功解决多套控制系统管理互连及集中监控功能要求。

2  DCS系统升级改造方案

2.1 改造前状况

原有的DCS系统为使用GE新华XDPS400+控制系统的三炉两机主控系统。控制范围包括膛安全监视系统（FSSS）、顺序控制系统（SCS）、模拟量控制系统（MCS）、数据采集系统（DAS）、旁路控制系统（BPC）、电气控制系统（ECS）、汽机数字电液调节系统（DEH）和汽机紧急跳闸系统（ETS）。机组共配置10个操作员站、3个工程师站、1个值长站、1个历史站、1个网桥站，均采用Windows XP操作系统。机组GE新华XDPS400+控制系统共配置FSSS系统（2对DPU）、BSCS系统（6对DPU）、TSCS系统（14对DPU）、DEH系统（4对DPU）、ETS系统（2对DPU）及ECS系统（2对DPU），数据高速公路采用总线型，采用冗余DPU、冗余网络、冗余交换机控制（2对48口及6对24口交换机）。机组DCS控制系统主要布置在集中控制室、电子间和工程师站。原有I/O总硬点数为12915点。

2.2 DCS系统的升级改造

从节约改造成本和缩短施工周期来考虑，采用整个系统国产化升级的方案即整体替换的方案，包括升级原XDPS400+系统所有的控制器、I/O模件、网络系统、HMI站和应用软件，以及设置工控网络安全相关系统。并在2020年全厂停工检修期间三炉两机发电机组一次性完成DCS升级改造，需完成对#0炉及公用系统、#1炉及#1发电机组、#2炉及#2机组DCS系统的升级改造。北京国电智深EDPF-NT+控制系统进行全面化改造后，DCS整体性能得到提升和优化，控制器速度和安全性、I/O模件的精度和可靠性以及机柜I/O分散度等都得到大幅提高。同时改造后，系统软件方面的图形化组态工具、过程画面制作工具更直觀，易于学习。具体改造方案如下图所示：

a.硬件方面：机组DCS控制系统更换为EDPF-NT+控制系统，对控制器数量重点进行增加调整，使分配更为合理，风险更为分散。将ETS系统并入DCS系统，配置一对控制器。DCS系统更换后，重新配置交换机，以确保与系统的兼容性。主控系统IO模件尽量在原位置进行替换。跳闸柜内部组件进行整体更换，跳闸继电器选用双路110VDC供电，按照要求设计失电/带电跳闸，双套冗余设计。上位机更换为高性能工控机，选用目前主流产品（国电智深标配）。主控GE新华XDPS400+控制系统原机柜整体更换为EDPF-NT+系统的控制柜。在现场实施过程中，控制电缆位置相对不变，可以减少部分接线校线工作量。

b.排卡方面：充分利用空间，利用原有接线的预留度，确保绝大部分电缆满足直接接入要求。

c.布线方面：现场信号电缆拆除后做好标记，下放到电缆夹层，新机柜就位后再穿入机柜进行接线。电源电缆、网络电缆等DCS系统内部联络电缆随原机柜拆除，机柜就位后部署新电缆。接地电缆在保证系统接地可靠性的前提下尽量利旧。ETS部分的接线电缆重新敷设。

d.软件方面：尽量沿用原DCS系统的测点分配原则，必要的情况下进行优化调整。DPU和机柜编号按照EDPF-NT+系统的习惯进行调整。升级改造中尽量保留测点的原有点名，必要的情况下做调整，按照EDPF-NT+系统的数据库格式和要求重新生成数据库并下载。逻辑组态仍沿用热电中心现有的控制方式，对每个DPU站重新绘制逻辑图，将原有的GE新华XDPS400+控制系统算法用更加方便的标准SAMA图方式绘制，最终生成EDPF-NT+系统需要的SAMA图。部分需要改造和优化设计的控制逻辑由业主方提出要求，国电智深形成功能说明书，经业主方审批后形成逻辑组态。过程画面尽量保持原系统主界面基本不变，适应运行习惯。操作面板按照标准模板配置。机组DCS系统改造的同时进行DCS系统主机加固防护，提高工控系统安全防护，杜绝DCS系统外部入侵，保证DCS系统安全可靠。DCS控制系统全面改造后，系统硬件、网络结构和软件应用都明显上一个台阶，系统稳定与安全以及自动化水平有明显的提升。

2.3 信息安全防护升级改造

a.在上位机上安装主机加固软件：将现有GE新华DCS系统中所有研华610H工控机升级为国电智深EDPF-NT+所配i7 3.2GHz高配工控机，使用含最新补丁windows7系统对windows系统上位机进行安全加固，加固后升级为Windows10操作系统。信息安全防护升级改造模块如表2-1所示。

b.增加系统信息安全管控平台：增加3台网络管控平台工控机用于对#0炉及公用、#1机炉和#2机炉DCS系统网络进行管控。每台网络管控平台工控机通过各自所在域内的核心交换机来监控网络，其主机单元机组核心交换机均采用国电智深标配。

c.增加系统安全审计和综合审计：增加3套工控安全审计系统用于对#0炉及公用、#1机炉和#2机炉DCS系统进行安全审计。同时增加3台综合审计工控机将上述3台工控安全审计系统信息进行汇总、管理，并增加3台综合审计用交换机，分别将3台工控安全审计系统与综合审计工控机相连。原主机及公用系统核心交换机为非网管型交换机，本次方案将其更换为网管型交换机。

d.增加工控入侵检测系统：增加1台工控入侵检测系统用于对#0炉及公用、#1机炉和#2机炉DCS系统的边界处进行入侵检测。另外增加4台工控域防火墙用于解决#0炉及公用、#1机炉和#2机炉DCS系统的域和域之间的病毒传播问题。

2.4 DCS网络改造方案

根据原控制系统的分配情况，采用EDPF-NT+的ACL柔性分域技术，将整个控制系统分配为三个相对独立的域，分别为#0炉、#1机炉、#2机炉。在各域中设置操作员站，在保证各机组相互独立、不会造成网络拥堵的情况下，保证各域之间的受控通讯。通过系统授权可以实现跨域的关联设备操作和管理。为实现此功能，所有交换机为网管交换机，如下图2-3所示。

2.5 DCS改造后系统优势

全面改造更换所有的硬件设备，以彻底解决硬件老化造成的设备故障问题。控制器和工作站性能得以全面提升，能处理更繁重的工作，加入更多的数据点，控制器负荷也得以降低。对原有的DCS系统功能和控制器分配进行一定程度上的优化调整，提高DCS系统的效率和安全性，降低风险。优化控制器扫描周期，满足原《中国国电集团公司二十五项重点反事故措施》及关于国家能源集团《火力发电厂分散控制系统技术规范》（国家能源办〔2019〕 381号）的相关要求。增强了DCS系统的扩展性，为今后技改项目提供了支持，同时极大地提升全厂自动化水平，降低运行的工作强度。改造为全新控制系统能减少热工人员后期维护工作量。全面改造选用的是当前最先进的控制系统，由国家能源集团内部专业化单位北京国电智深控制技术有限公司提供技术支持、售后服务以及备品备件的供应，为机组安全运行提供保障。

改造升级后使用的EDPF-NT+系统是具有全自由格式的SAMA图形化控制组态软件，便捷的全图形化SAMA图控制组态功能非常直观，易学易用，所见即所得。同时，逻辑图可离线组态、编译。设计图纸、组态调试图纸和竣工图纸完全相同，便于维护。NT+系统在图形化组态中增加了符合电力行业标准的驱动级逻辑，使SAMA图更直观和便捷。

升级后的系统提高了工控系统安全等级，避免病毒及网络攻击导致的系统停机，整体上提高了机组运行安全水平，降低机组停机造成的经济损失。对整个控制网络实现统一管理，可降低热控及网络人员的维护工作量，并提高网络的安全性能、实现网络故障的快速定位处理，实现减员增效目标。提高控制大区安全审计水平。确保满足相关文件及等保测评要求。

3  改造升级的实施

3.1 施工前准备

在设备出厂前，完成所有现有GE新华XDPS-400+DCS系统组态到国电智深EDPF-NT+组态的无缝编译转换，此项工作业主方工程师全程参与一同编译。工程人员在电厂停工检修前一周根据相关要求办理好人员入厂手续，此时设备也应入厂卸车。施工方案（包含技术措施、组织措施、安全措施）由DCS厂家及施工单位编写，业主审核。施工方案及调试方案由业主方、DCS厂家、施工单位共同讨论确定。施工单位做好施工准备工作，熟悉现场环境、改造方案，根据I/O清册提前打印线号标识，准备好人员配备及施工工器具，做好分工工作。

3.2 现场改造内容

对现有控制柜的外部线进行校对、标识、拆除，对现有控制柜进行拆除。根据现有控制柜外部线校对修正情况，形成每台控制柜完整的信号点表，由国电智深进行DCS控制柜设计。安装DCS控制柜，并恢复控制柜的外部缆线。对DCS通讯需要的光缆进行敷设、熔接。进行DCS控制系统软件的组态、仿真、调试、培训并交付使用。

3.3 施工难点分析

原系统机柜布置密度大，现场接线难度大、工作量大。现场停工时间紧，系统改造不能影响正常生产。现场共有60面控制柜，为保证工程进度，需合理安排施工计划。本项目施工时间短，要求施工单位在进入现场施工前，做好工厂内的前期工作，包括DPU组态逻辑、DCS操作画面、历史记录、报表功能等。本项目软件组态部分由GE新华XDPS-400+DCS系统组态到国电智深EDPF-NT+无差编译转换费时、费力、易出错。

4  结论

通过本次采用整体替换的方案来实现原有DCS系统国产化升级改造，系統的软硬件改造后达到了EDPF-NT+的最新版本、各项性能指标得到了大幅提升，并且可以实现DCS、DEH、ETS的一体化，新系统的人机界面更加友好，操作方面更加便捷，画面增加了诸多的设备信息，运行人员的使用及维护更容易上手，方便了热工技术人员的学习和掌握。

参考文献：

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[4] 中国电力企业联合会.DL 5000-2000-火力发电厂设计技术规程.2000.

[5] 国家能源集团.GN/HDSJ030-2019-火力发电厂分散控制系统技术规范.2019.

作者简介：郭  伟（1981-），男，陕西榆林人，本科，工程师，从事火电厂设备及仪表管理工作。