浅论核工业生产中DCS控制系统的应用现状和发展趋势

刘海林 冷强

摘要：随着信息技术、网络技术、显示及控制技术等领域的发展，DCS控制系统在工业领域得到了广泛应用，工业4.0的推进也使得DCS控制系统在核工业领域逐步普及。DCS控制系统的引入，在提高核工业生产效率的基础上，保证了工业现场的安全稳定运行，同时达到节能减排的目的，并助推实现碳达峰碳中和目标。因此，本文结合DCS控制系统在工业领域的发展现状，分析其在核工业领域应用的特点和设计的技术难点，探讨现存方案在应用过程中存在的问题及未来发展趋势，为DCS控制系统在核工业的应用与普及提供一定的理论与实际依据。

关键词：DCS控制系统;核工业;应用现状;发展趋势

中图分类号：TP311    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）29-0166-02

1引言

DCS（Distributed Control System）控制系统是工业现场的“大脑”，目的是实现工业生产全流程高品质监控与管理，详细的掌握生产设备运行状态，严格把控工业生产过程[1]。现如今， DCS控制系统已广泛应用于我国各工业领域，如制浆造纸生产过程[2]、石化工业[3]、烧碱生产[4]、火力发电厂[5]等，因此，对 DCS 控制系统的研究越发深入，其系统功能开发也越来越完备。目前，DCS 系统已发展成为一个多数据融合的系统平台，能实时进行数据采集、分析、监测并控制生产工艺过程及设备，保障现场生产安全、稳定、高效[6-7]。

在过去，核工业现场控制系统多采用模拟控制系统（即：依靠现场采集的模拟量，通过运放为基础的模拟电子线路实现模拟量仪表的控制与监测）。模拟控制系统的缺点是硬件数量大、能耗大、运算能力差、可靠性差，且很难进行大规模集中控制。因此，依托本行业需求和技术发展，现今核工业现场绝大多数项目均已采用数字化 DCS控制系统，与模拟控制技术相比，具有明显的技术先进性及优势，其数字化控制系统的应用有利于改善核工业现场的安全状况、运行水平以及经济性。针对 DCS控制系统在核工业领域的发展基础，本文进行深入研究，分析其在核工业领域应用的设计技术难点与解决措施，后续实施过程中存在的问题以及未来DCS控制系统在核工业领域的发展，为DCS控制系统在核工业的应用与普及提供借鉴。

2 DCS 系统介绍

DCS分布式控制系统是以微处理器为控制核心，实现分散与集中的操作与控制，同时具备分布式与协同的新型控制系统[7]。在微处理器为控制核心的基础上，实现分布式控制功能、集控式操作、兼顾分而自治和综合协调的新一代仪表控制系统[8]。

按照传统界限划分，DCS控制系统包括：（1）自动控制和保护层，主要包括系统监控信号的调制和处理;（2）操作和信息管理层，主要是指显示与操作设备运行信息，保障运行人员能够操控、监督工厂状态并对工厂I&C实施运行。

3核工业现场DCS控制系统的设计要求和解决方案

在核工业现场，其现场设备主要具有信号分布广、功能设备多、重要程度不一等特点，要求DCS控制系统需承担对核设施正常运行与控制等功能，如果现场DCS控制系统出现問题将导致控制单元异常、工艺设备停运，甚至出现重大核安全事故等。因此，需要考虑DCS控制系统的可靠性、稳定性和利用率。本文根据核工业现场需求，从环境适应性、绝缘性、可靠性以及信息安全性出发，提出相应的核DCS控制系统的设计要求与解决方案，确保 DCS控制系统在核工业现场安全、稳定、高效的运行。

3.1 DCS控制系统环境适应性设计要求和解决方案

核工业现场安装的DCS控制系统应能抵御典型工业环境下可能出现的电场和磁场干扰，保障系统在电磁环境下安全可靠运行。因此，现场DCS控制系统需要有相应的抗噪设计，使得DCS控制系统更好地适应核工业现场环境。主要的抗噪设计包括：光电隔离、提高共模抑制比、提高差模抑制比、良好的接地和屏蔽等。其设计可从元器件设计、柜内/盘内设计、防护设计等方面抑制电磁干扰对系统的影响，确保DCS控制系统对核工业环境的适应性，设计与解决方案如表1所示。

3.2 DCS控制系统可靠性设计要求和解决方案

安全是核工业生命线，为保证和提高DCS控制系统现场应用的可靠性，需要对其关键设备和功能采用冗余配置。同时，保障在正常运行期间，DCS系统的冗余功能部件都可以进行在线维护和在线更换，并且不会对正常运行造成任何影响，即使是非冗余配置的I/O模块也可在实现在线更换而无须关闭现场控制器。例如，DCS控制系统的主控制器采用主备双模冗余配置，硬件具备冗余切换和故障自检功能。

3.3 DCS控制系统信息安全的设计应用和解决方案

可用性作为DCS控制系统网络安全防护的首要任务，通过边界防护、网络通信防护、主机防护的三层防御体系防御攻击，重点保护系统的功能、性能及可用率不因信息安全攻击产生影响。其纵深防御措施如下所示：

（1）网络流量严格限制为物理单向，由安全级平台内部设计结构保障，即：安全级平台内部设备与网关站之间为物理单向隔离，限制从非安平台侧向安全级平台发起的网络攻击;在 DCS与三层系统的边界部署单向隔离网闸，物理限制反向数据流量，隔绝来自管理信息网络的各种类型的网络攻击;在DCS 与第三方控制系统的边界应在充分评估相关措施对系统功能、性能、可靠性不构成影响的前提下，考虑部署工业防火墙等逻辑隔离装置的可能性，限制来自高威胁性第三方控制系统的网络攻击;

（2）在DCS 内部网络部署入侵检测和安全审计系统，实时感知异常流量和非法操作;

（3）在DCS 内部各主机部署轻量级主机白名单软件，限制非法程序的启动;

（4）部署安全管理中心，汇总各类型安全设备推送的安全日志和有关主机及网络设备推送的安全日志，形成统一态势感知能力。

4 DCS控制系统实际应用过程中存在的不足

核工业的快速发展使得DCS系统在核燃料元件生产厂、核电厂、后处理厂等已经逐步普及，不断累积了大量DCS控制系统现场工程实践经验。但是，在核工业领域内应用但DCS控制系统的同时，其局限性和不足也逐步体现出来，主要包括以下几个方面：

4.1 DCS 系统调试过程繁杂

由于DCS控制系统针对每一台现场仪表设备均需1对传输线，单向传输1个信号，造成安装电缆数量庞大、接线庞杂，不便于现场调试与维护。例如，核燃料后处理厂，子项多且相距远，造成电缆的铺设、接线、校线测点等调试工作繁杂，远程操作不便且时间较长。

4.2抗干扰防护要求高

现场仪表的模拟信号与DCS控制系统进行信息交互传输时，模拟仪表自身精确度低，长距离传输易受干扰等固有特性，造成DCS 系统为此需要另外采取相应的措施提高抗干擾性和传输精确度。

4.3智能化水平有待提高

核工业现场仪表均采用标准电流（4～20mA）信号的传统仪表，传统仪表信息单一、功能简单，与现在的数字化工厂要求有一定差距，其传输信号无法与设备管理系统接口，并且无法实现远程的仪表诊断、标定等功能。

5新技术对于DCS控制系统的影响及发展趋势分析

21世纪新科技快速发展，数字化、智能化将作为未来制造业提升竞争力的核心。企业需要将技术、生产、资源等环节要素进行整合，提高智能化水平。在此行业发展的需求背景下，将推动各种符合业主需求的新技术、新产品等不断涌现。

现场总线技术是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线。它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题[10]，具备简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。该技术目前广泛用于电力、石化、生产等各个领域，是一种开放式、新型全分布控制系统，目前已在核工业部分项目的辅助子项中实现逐步应用。按照新技术逐步应用的发展趋势，核工业DCS 控制系统也将需具备对FF、HART、Profibus等现场总线协议智能仪表的组态、下装、管理及配置的功能。

目前市场中已存在DCS控制系统、决策支持系统及管理信息系统的成套解决方案，在未来将逐步实现DCS控制系统、决策支持系统、信息管理系统的深度融合。决策支持系统，通过建立在DCS基础上对监测数据的实时分析对全厂生产运行实时指挥调度[11]。管理信息系统，为全厂的生产经营和管理人员提供所需的信息，强调多维度的关系协调，主要完成设备和维修管理直至生产经营管理、财务管理以及办公自动化[11]。

6总结

目前DCS控制系统在核工业的应用已极大程度地改善了核工业现场运行的安全性、可靠性以及经济性。现阶段，对于核工业领域的DCS控制系统的设计、制造要求还较高，控制系统的现场运行还存在较多需要提升完善的问题。随着技术的快速发展，受到现场总线技术、通信技术、智能化技术的影响，后续必然要求DCS系统具备更高、更强的设备控制以及监管能力。新的控制技术、信息技术、决策和管理功能，都将与现有 DCS控制系统相结合，使得新一代的 DCS控制系统具备集成化、数据化、信息化、数字化、智慧化等特点，更适应核工业市场的发展趋势。

参考文献：

[1]康凯，高韵涵.探讨DCS控制系统在工业自动化中的应用[J].

[2] 郭佳文，罗佐帆，黄一峰，等.DCS系统在制浆造纸生产过程中的应用及发展[J].大众科技，2019，21（12）：22-25.

[3] 周堃.石油化工工业自动化仪表及系统的发展现状研究[J].化学工程与装备，2019（8）：254-256.

[4] 于秀明，刘武，马可楠，等.DCS控制系统在离子膜烧碱生产中的应用现状及维护[J].辽宁化工，2016，45（12）：1516-1519.

[5] 赵晓亮.火力电厂DCS控制技术研究现状及发展趋势[J].机械管理开发，2018，33（7）：242，255.

[6] 张忠民.浅析DCS控制系统在工业自动化中的应用[J].神州，2019（5）：241.

[7] 张福科.探讨DCS控制系统在工业自动化中的应用[J].数字技术与应用，2020，38（1）：3，5.

[8] 司秀斌.西门子DCS系统在新型干法水泥生产线的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2020，40（15）：31-32.

[9] 李宏.现场机柜间接地系统方案设计[C].中国仪器仪表学会2012年学术会议.

[10] 杨亚龙.建筑电气与智能化专业现场总线技术课程教学改革探索[J].电脑知识与技术，2012，8（10）：2286-2288.

[11] 张晶 .SIS、MIS 与 DCS 的关系[J]. 农业与技术，2008，28（1）：71-74.

【通联编辑：梁书】