探讨:控制系统面临智能制造时代新挑战

  点击数:1060  发布时间:2019-07-30 13:32
控制系统是制造企业生产过程中的神经中枢、运行中心和安全屏障,实现监测、控制、优化整个工艺流程和产品质量的功能,是确保重大工程和重大装备安全可靠和高效优化运行的不可或缺的关键通用硬软件平台与系统。随着控制系统技术的不断完善与发展,其在工控领域的应用日趋成熟。
关键词:智能制造 ,工控安全 ,DCS

控制系统是制造企业生产过程中的神经中枢、运行中心和安全屏障,实现监测、控制、优化整个工艺流程和产品质量的功能,是确保重大工程和重大装备安全可靠和高效优化运行的不可或缺的关键通用硬软件平台与系统。随着控制系统技术的不断完善与发展,其在工控领域的应用日趋成熟。然而,随着智能制造时代的来临,IT与OT的融合发展已成大势所趋,控制系统作为智能制造的基础层、自动化控制层的核心,不可避免地面临着新的挑战。智能制造是以数据为核心,实现全局数据的完整、互联互通才能更好地协调整个生产过程。控制系统则是担任了整体智能制造架构之中硬能力的核心环节,需要具有更强大的数据采集、存储、计算以及分析能力,更好地支撑上层智能化软件的发展。从本期聚焦控制系统专题对多位专家的采访中,我们不难发现,围绕着数据的采集、存储、计算、分析能力,控制系统向网络化、智能化的发展趋势已日趋显现,同时数据安全问题也正引发各企业的关注和重视。

侯子良:新一代控制系统基本特征

中国自动化学会发电自动化专委会侯子良

笔者曾在《分散控制系统(DCS)正走向衰亡》一文中预示,经历四十多年发展的DCS时代行将结束,控制系统正经历质变,新一代控制系统 ——智能控制系统(Intelligent ControlSystem,简称ICS)将孕育而出。它必然产生的核心基础是计算机信息技术和人工智能技术这两方面的高度发展。它至少具有下列五个鲜明的基本特征:

(1)人工智能技术高度融合,极大提高控制系统和监视系统的智能化水平

除了控制系统由传统PID和简单逻辑算法进入到广泛和深度应用各种智能算法和大数据技术外,监视系统也开始进入智能化,广泛应用智能预测、预警和设备诊断等技术。

(2)“分散”控制结构将被“集中分散”拟人控制结构取代

片面强调分散的观念将被颠覆,取而代之的是集中和分散相结合的控制架构。这意味着,除了在过程控制器中进行分散智能控制外,上层实时历史数据站和高级应用服务器等将集中主导更为复杂和高级的智能控制应用,并成为新一代控制系统网络架构中控制层的大脑和重要组成部分,一个拟人的控制系统架构开始出现。

(3)监控系统(Monitoring and ControlSystem)和监管信息系统(Supervisory Information System)间功能将重新分配

从原则上讲,开环监视功能应严格按实时性要求和安全等级差异,合理的在监控系统(常简称控制系统)和监管信息系统间分配。例如,设备状态监测、机组故障诊断,以及智能报警(或预警)等大部分功能明显应列入到控制系统中。但是,20多年前,当我们提出电厂监管信息系统(SIS)概念时,由于当年DCS所处时代的计算机信息技术水平的限制,为了确保DCS可靠性,不得不将上述功能列入到SIS功能范围内(文献2)。20年后的今天,上述大部分功能,不仅应当而且也具备条件,重新配置回新一代控制系统的范畴内了。

(4)控制系统将从封闭走向开放

控制系统进入DCS时代,DCS厂家不仅提供硬件平台,而且负责控制算法和逻辑的设计、组态及调试,这极大束缚了广大技术队伍的积极性。当前,在我国专家倡导下,新一代控制系统开始融入一个包含智能算法群和智能计算引擎,并能确保第三方开发的智能算法知识产权的通用优化控制平台。开放的平台使我国庞大的科技队伍可借此开发自己特色的智能化系统,作为通用产品嵌入到厂家提供的ICS中。由此,招标技术规范要求也将可能由单一化向个性化发展。控制系统将从封闭走向开放,必将大大加快控制系统智能化发展进程。

(5)功能安全、本质安全和信息安全有机融合和强化

不言而喻,新一代控制系统信息安全技术应深度有机融合,并满足相关标准要求。除此之外,由于系统结构的变化,出现了一些新的确保系统功能安全的要求。例如,上层实时历史数据站和高级应用服务器等已不再只是传统的开环监视功能,而将主导更为复杂和高级的闭环智能控制功能,由此相关功能安全等级要求进一步提高。

罗安:未来DCS,接入和安全是两个挑战性课题

和利时集团原总工程师、中国自动化学会专家咨询工作委员会罗安

DCS最早是作为一种过程自动化系统推出的,随着其应用的范围不断扩大、其功能的不断完善以及应用程度的不断加深,DCS的基本概念已突破了原来的范畴而发展成为一种集成化的整体自动化系统。而近年来随着新技术的不断涌现并在DCS中得到广泛应用及与系统的深度结合,DCS的概念已经从一个系统发展成为一种体系架构,成为一种广泛应用于不同生产过程的整体解决方案,信息化与智能化是新一代DCS的最显著特点。

DCS是从仪表控制系统脱胎而来的,仪表厂家利用强大的数字处理技术不仅用软件实现了模拟仪表的各种测量控制功能,而且在控制功能的全面性、复杂性、可靠性及稳定性等各个方面都实现了质的提升。除此之外,数字处理技术还开辟了一个全新的领域,即数字通信领域,进而实现了网络功能,而正是有了网络功能,仪表控制系统方能全面进化为分布式控制系统,即DCS。

传统DCS是以控制器为核心的,因此所有系统配置都围绕着控制器及其所承担的控制功能进行,而现代DCS则是以网络为核心的。对于一个应用现场,系统设计师首先要根据应用需求进行网络架构的设计,特别要根据整个系统中各种信息的分布、发生、流动以及对信息实时性、流量密度等方面的要求对网络的设置进行严格细致的分析、选择及优化,在此基础上完成对整个系统的设计。

未来的DCS将有两个最显著的特点,一是在DCS网络上挂接的节点种类和数量将比以往大大增加,其种类不仅是控制站、操作员站、工程师站及实时/历史数据服务器这几种传统节点,还可能包括数字化仪表、智能仪表、嵌入式测控单元、远程终端单元RTU、智能电子设备IED、PLC等多种不同构成、不同用途的网络节点。而在今后,网络技术由互联网发展到物联网,生产现场的每一个机器、设备、装置都将成为一个独立的网络节点,都具有独立的节点功能、行为模式以及对外界进行信息交换的需求。在一个具有一定规模的应用现场,这些节点的数量可能会大大多于传统DCS的节点数量。这就要求系统网络必须具有更高的速度和效率,将现场产生的数据及二次计算产生的数据以控制应用所要求的速度及尽可能高的效率、尽量小的网络传输开销送达需要数据的各个节点。这对于网络架构的设计及通信体系、通信规约的设计和选用都提出了极高的要求。

系统的第二个特点,是系统内部、外部的通信接口无论是种类和数量,都更多,更复杂。系统内部种类繁多的各种节点之间需要高效通信,同时系统对外部的其他系统也需要大量地交换数据。无论是内部还是外部,系统网络都需要兼容多厂家的产品,因此几乎所有DCS都需要容纳更多的网络通信模式及通信规约。在多种通信模式中,有的需要实时通信,有的没有实时要求;有的采取周期通信模式,而有的采取随机通信模式;有点对点通信、也有组播或广播通信;有的通信采取主从方式,而有些通信则采取对等方式,等等。同时,通信介质也将是多种多样,如何在这种条件下保证系统通信的畅通与高效,将是系统设计的最大难题。

对于未来的DCS,接入和安全是两个极具挑战性的课题。随着生产现场的改变和生产需求的改变,系统的构成也会发生变化,新节点的接入是不可避免的。如何实现即插即用,不对系统造成干扰,这在系统设计时是必须认真考虑并妥善解决的问题。关于安全,由于系统的复杂性,特别是将来工业无线网的大量应用,已经使系统边界变得复杂而且模糊,这对于保证系统的信息安全将是非常不利的。因此在系统设计时需要仔细研究,制定完善的信息安全保证方案,在系统使用运行过程中,还需要随时进行风险评估及适应性改进。

王文海:打造高端控制装备及系统

杭州优稳自动化系统有限公司董事长王文海

虽然构成自动化系统的技术和设备已经发生了天翻地覆的变化,但系统的核心目的并未改变,仍然是围绕着提高产品的性能质量、满足多方面个性化需求、提高生产效率、生产过程的节能环保及安全保证等各个方面,利用新技术新设备持续不断地进行优化与改进提升。

控制装备及系统是现代工业装备以及冶金、能源、石化、国防等领域重大工程的神经中枢、运行中心和安全屏障,主要功能是监测、控制、优化整个工艺流程和产品质量,是确保重大工程和重大装备安全可靠和高效优化运行的不可或缺的关键通用硬软件平台与系统,是实现重大工程和重大装备节能、降耗、减排的有效途径。

控制系统发展回顾

国产控制系统经30余年科技创新、技术研发与工程应用,在各行业发挥了重大的作用。

第一阶段:功能实现,主要解决可靠性、可用性问题,具体来说就是研发控制系统硬件以满足工业控制现场的功能要求;

第二阶段:性能提升,主要解决控制系统的开放化、标准化及规模化应用的问题,逐步满足单站、分布式、规模化应用对数据、编程、监控、操作等功能的性能需求,进一步提高控制系统的性能;

第三阶段:自主设计,主要解决工业控制系统内应用的核心模块、核心软硬件被国外厂商垄断的问题,提高自主设计、自主开发、自主可控能力,同时解决高端控制装备的“三高一大”问题——高可靠性、高安全性、高适应性和大规模化应用;

第四阶段:综合安全,工业控制系统影响物理世界,关系国家关键基础设施安全,逐渐成为不对称攻击的手段,因此需要在保证功能安全的同时保障信息安全,实现功能安全结合信息安全的综合安全,与此同时,实现为专有装备构造成套专用的控制装置及系统的性能提升及可复制性。

今后,在智能制造的背景下,智能控制将成为核心需求,智能控制技术包括广域协同、自主智能、内生安全。

广域协同——工厂内多域系统、工厂间广域系统的协同控制。

自主智能——支撑智能制造需要单元设备、单元过程智能化。

内生安全——提高智能制造系统的可用性需要增强体系安全。

控制系统发展趋势

广域协同

优稳公司布局的广域协同高端大规模可编程自动化系统架构采用无服务器的对等网络结构,各控制器分布自治,基于冗余总线网络与分布式全局数据库,实现分散控制与协同控制,保证高可靠性、高安全性、高适应性与大规模化,支持动态自组织网络与广域云平台。

过程优化云平台支持无约束以及约束稳态优化、动态优化、智能优化问题的求解,给出并执行最优化决策方案,是广域协同的高端大规模可编程自动化系统的控制参数最优设定、系统最优化的核心。

自主智能

结合现代控制理论,应用人工智能技术,以微处理器为基础的智能化设备纷纷涌现;先进控制策略、故障诊断、过程优化、计算机辅助设计、仿真培训和在线维修技术等日益得到广泛应用;随着数据库系统、推理机能的发展,尤其是知识库系统和专家系统的应用,如自学习控制、远距离诊断、自寻优等,人工智能将在控制系统各级实现;控制系统架构扁平化趋势下,分散控制向分散智能发展;具体包括:自诊断、自修复、自校正、自适应、自学习、自协调、自组织、自决策等。

内生安全

工控系统的重要性、脆弱的安全状况以及日益严重的攻击威胁,引起世界各国的高度重视,并在政策、标准、技术等方面展开积极应对。

控制系统纵深防御:从工业防火墙、入侵检测到态势感知等系列产品;

控制系统内建安全:自身安全的设计、开发和认证,包括通信健壮性CRT认证、嵌入式设备安全保障认证EDSA和SSA、安全开发生命周期保障认证SDLA;

新一代主动防御技术:改变游戏规则的网络安全防御技术,移动目标防御MTD,自主智能功放等;

国内推出工控安全防护产品和大规模漏洞挖掘平台等,提出控制装备内建安全、拟态防御、自重构可信赖、使命确保,可信计算等创新性主动防御技术。

优稳研究构建结合功能安全、信息安全、操作安全,覆盖工控系统管理层、监控层、控制层、器件(部件)层,贯穿控制工程的设计、运行、服务等全生命周期,全面保障工控系统的安全性、可靠性、实时性以及可用性的主动防御内生安全的工控系统安全防范核心技术体系。并与浙江大学工业自动化国家工程研究中心联合攻关,基于安全增强、动态重构、工程模型检测,构建自主可控融合增强的内生安全防御体系;结合可编程电子控制模块、安全协议栈与控制核心网络、编程开发与运行操作软件环境,进行内生安全设计;保障工控系统在“有毒带菌”环境下的运行安全。

摘自《自动化博览》2019年7月刊

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