网络环境下火电机组DCS自主可控改造与前景分析

关键词：火电机组；DCS；自主可控

中图分类号：TP273+.5；TM621 文献标识码：A

0 引言

分布式控制系统（distributed control system，DCS）是火电机组控制与管理的核心，其主要功能是实现操作人员对机组各部分的监控与控制，确保电厂安全、稳定和高效地运行。随着信息技术的快速发展和网络环境的复杂化，传统DCS 逐渐暴露出安全性和自主可控性不足的问题。在网络环境下，DCS 面临来自网络攻击、数据窃取、系统入侵等多方面的安全威胁。因此，实现DCS 的自主可控，不仅可以提升系统的安全性，还可以增强国家能源安全和自主创新能力。

1 火电机组DCS概念与现状

1.1DCS的基本概念与结构

1.1.1定义和功能

DCS是20世纪70年代末引入工业自动化领域的一种控制系统，旨在通过分散的控制架构来提高系统的灵活性和可靠性。在火电机组中，DCS主要负责监控和控制各个子系统，如锅炉、汽轮机和发电机等，实现对整个电厂的统一管理。DCS的分布式架构不仅减少了单点故障的风险，还使系统具备高度的灵活性，可以根据实际需求进行配置和调整[1]。

1.1.2 主要组件和工作原理

DCS的主要组件包括现场设备、控制器、输入/ 输出（input/output，I/O） 模块、人机界面（human machine interface，HMI）和通信网络。现场设备（如传感器和执行器）负责采集工艺参数和执行控制命令，I/O 模块则负责实现现场设备与控制器之间的信号传输。控制器是DCS 的核心部分，负责执行控制算法和逻辑操作，通过与I/O 模块和通信网络进行协作，实现对现场设备的实时控制。控制器通过通信网络与HMI 连接，HMI 为操作人员提供了友好的图形界面，使其能够监视系统运行状态、操作控制参数、处理报警和生成报表。

1.2 DCS应用现状

在全球范围内，DCS已广泛应用于火电机组的控制和管理。美国、德国和日本等国家早在20 世纪80 年代就开始采用DCS进行电厂自动化控制，并不断推进系统的升级和优化。随着电力需求的增长和技术的进步，中国也逐步推广和应用DCS。DCS在火电机组的应用中展现了诸多优势。DCS通过分布式控制架构，显著提高了系统的可靠性和灵活性，减少了单点故障的风险。DCS具备强大的数据处理和分析能力，可以实时监测和控制各个子系统的运行状态，优化控制策略，提高设备运行效率和能效比[2]。DCS的HMI 友好，操作简便，操作人员能够直观地监控和调整系统参数，快速响应异常情况。

2 网络环境下火电机组DCS面临的挑战与需求

2.1 网络环境对DCS的影响

2.1.1 网络安全威胁

在现代工业控制系统中，DCS由于其分布式架构和广泛的网络连接，面临着日益严峻的网络安全威胁。网络攻击者可以通过网络漏洞入侵DCS，实施数据窃取、系统破坏和恶意操控等行为，直接威胁电厂的安全运行。常见的网络安全威胁包括病毒和恶意软件的入侵、分布式拒绝服务（distributeddenial of service，DDoS）攻击、网络钓鱼以及内部人员的恶意行为。

2.1.2 数据传输和处理的实时性要求

火电机组DCS 对实时性要求极高，其控制指令和数据传输必须在极短的时间内完成，以确保DCS 的高效运行和安全性。然而，网络环境的复杂性和不确定性为DCS 的实时数据传输和处理带来了巨大挑战。网络延迟、数据丢包和带宽不足等问题，都会影响控制指令的及时传递和反馈，进而影响系统的控制效果和运行效率。

2.2 自主可控的必要性

2.2.1 自主可控对DCS安全的保障

如何实现DCS的自主可控是保障系统安全的关键。当前，许多DCS依赖于进口设备和技术，核心技术具有一定的局限性，存在巨大的安全隐患。一旦进口设备和技术遭到限制或供应中断，系统的正常运行将受到严重影响。此外，外部供应商的技术支持和升级服务存在不确定性，这也增加了系统维护与升级的难度和风险。自主可控的DCS能够有效避免这些问题，提高系统的安全性和稳定性。

2.2.2 国家政策和标准的要求

随着国家对信息安全和自主可控技术的逐渐重视，相关政策和标准的制定和实施为DCS 的自主可控改造提供了重要指导和保障。近年来，我国相继出台了一系列政策文件，明确要求加强关键基础设施的网络安全防护，推动自主可控技术的发展和应用。

3 火电机组DCS自主可控改造方案

3.1 技术方案设计

3.1.1硬件改造

火电机组DCS 的硬件改造是实现自主可控的基础，其主要目的是替换依赖进口的关键设备，实现硬件的国产化和自主研发。硬件改造的重点包括控制器、I/O模块、网络设备和冗余电源等。在控制器方面，现有的DCS 通常采用国外品牌的控制器，如西门子、霍尼韦尔等。为了实现自主可控，可以采用国内自主研发的高性能控制器，如中控技术股份有限公司的GCS 云化控制系统，该系列控制器具备高速数据处理能力和强大的实时控制功能，能够支持多种通信协议（如Modbus、Profibus、以太网等），并且具有冗余设计，确保系统的可靠性和稳定性[3]。I/O 模块是DCS 与现场设备连接的重要组件，现有系统中的I/O 模块也多依赖于进口。在硬件改造过程中，可以采用国内品牌的I/O 模块，如浙江浙大中控信息技术有限公司的DI 716-S11 16路数字信号输入模块，该系列模块支持多种信号类型（如模拟量、数字量、脉冲量等），具有高精度、高可靠性和强抗干扰能力等特点。

3.1.2 软件升级与优化

在实现硬件自主可控的基础上，软件的升级与优化也是DCS 改造的关键环节。软件升级与优化的目标是提高系统的控制精度、响应速度和运行效率，同时增强系统的安全性和稳定性。软件改造主要包括控制算法的优化、操作系统的升级和应用软件的开发等方面。首先，控制算法的优化是提高DCS 控制性能的核心。现有DCS 中的控制算法多为经典的比例积分微分（proportion integraldifferential，PID）控制算法，该算法虽然简单易用，但在复杂工况下控制效果不佳。在软件升级过程中，可以引入先进的控制算法，如模糊控制、神经网络控制和自适应控制等算法，以提高系统的控制精度和适应性。

3.2 安全性增强措施

3.2.1 网络安全防护策略

在网络环境下，DCS面临的网络安全威胁日益严重，必须采取有效的网络安全防护策略，保障系统的安全运行。网络安全防护策略主要包括多层次的网络安全架构设计、严格的访问控制策略和实时的网络安全监测与预警机制等。多层次的网络安全架构设计是保障DCS 网络安全的基础。系统采用纵深防御策略，将DCS 网络划分为多个安全区域，每个区域之间通过防火墙、网闸等安全设备进行隔离，形成多层次的安全防护体系[4]。例如，将生产控制区、管理区和外部网络区进行隔离，确保各区域之间的数据传输安全。同时，在各安全区域内部，利用虚拟局域网技术进一步细分网络，减少网络攻击的范围和影响。严格的访问控制策略是防止未经授权访问和操作的关键，通过采用基于角色的访问控制（role-based access control，RBAC）策略，根据用户的角色和权限，严格控制其对DCS 的访问和操作。

3.2.2 数据加密与传输保护

数据加密与传输保护措施主要包括数据加密技术、安全传输层（transport layer security，TLS）协议和数据备份与恢复等。在DCS 中，可以采用对称加密和非对称加密相结合的方式，对重要数据进行加密存储和传输。例如，采用高级加密标准（advanced encryption standard，AES）对实时控制数据进行加密，确保数据在传输过程中不被窃取和篡改；采用公钥基础设施（public key infrastructure，PKI）技术，对用户身份进行认证和数据签名，确保数据的合法性和完整性。在DCS 的网络通信中，可以采用TLS 协议或虚拟专用网络（virtual privatenetwork，VPN）技术，对数据传输通道进行加密保护。例如，TLS 协议可以在传输层对数据进行加密，确保数据在传输过程中不被截获和篡改；VPN技术可以通过隧道加密技术，建立安全的数据传输通道，确保数据在公网环境下的安全传输。

3.3 系统集成与测试

3.3.1 系统集成方案

系统集成方案主要包括系统架构设计、设备选型与配置、系统集成测试与优化等环节。在系统架构设计方面，可以采用分层次、模块化的设计思想，将DCS 划分为数据采集层、控制层、网络传输层和应用层等不同功能模块，每个模块内部实现独立运行和协同工作。例如，数据采集层包括传感器和I/O 模块，负责现场数据的采集和初步处理；控制层包括控制器和执行器，负责执行控制算法和下发控制指令；网络传输层包括工业以太网交换机和路由器，负责数据的高速传输和网络安全防护；应用层包括HMI 和数据库，负责系统监控和数据管理。

3.3.2 系统测试方法

系统测试是确保DCS自主可控改造质量和效果的重要环节，其目标是验证系统的功能和性能是否满足设计要求，发现并解决系统中的问题和缺陷。测试方法主要包括功能测试、性能测试、安全测试和可靠性测试等。在功能测试方面，通过模拟实际工况，验证系统的各项功能是否正常[5]。例如，通过模拟火电机组的启动、运行和停机过程，验证系统的控制算法和控制逻辑是否正确；通过模拟不同的工况和负载，验证系统的响应速度和控制精度是否满足要求；通过模拟各种故障和异常情况，验证系统的故障诊断和应急处理能力是否可靠。

4结语

本文探讨了在网络环境下火电机组DCS的自主可控改造方案。自主可控DCS 不仅能提高火电机组的运行效率和稳定性，还可增强国家能源安全和自主创新能力。未来，应继续加强技术创新和标准规范建设，促进自主可控技术的广泛应用。