西门子PLC模块6ES7223-1BM22-0XA8

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一、前言

随着人类社会文明的不断进步，生产技术迅猛发展，尤其计算机技术和通信技术的飞速前进，使我国工业生产的自动化程度不断完善，节约了生产成本、解放了生产力，生产效率也得到提高。尤其随着我国电力的紧缺，全国各地电力项目的启动，使各生产DCS系统的生产企业有了广阔的市场。

虽然电力项目增多，但是人们对DCS系统的要求却更高了。人们不在是单纯的要求增加控制功能这样简单的问题，而是要求增强DCS系统可靠性和稳定性，减少运行人员的操作量，减少检修人员的工作量，提高DCS自动化水平，对过程控制响应快，减少通信部分的故障。

当前新建电厂的主要特点就是要求控制系统自动化程度高，维护和运行人员少，机组能够长周期稳定运行，而能够实现这些主要还是依赖使用的控制系统可靠性、稳定性和具有的强大控制功能。

DCS控制系统的意义在于“分散控制，集中管理”。过程控制分散好处就在于把危险分散，由于过程控制器完成的功能不同，承担的任务不同，所以当一个控制器出现问题，不会影响其他控制器稳定运行，同时集中管理是把分散的部分集中管理，协调分散的控制器能够共同完成一项控制任务。以往的控制系统确实也体现了这种意义。各DCS生产厂家在生产实践中不断的总结经验，对控制系统不断的改进，使DCS系统日趋完善。现有DCS系统虽然成熟，但各生产厂家生产DCS系统时都使用自己的专利技术，并严格保密自己的技术，如果需要与不同的系统通信只有借助网关等设备完成。

借助网关通信对管理系统和日常生活使用的网络十分适合，但是用于工业控制就存在很多问题，在我们七台河电厂的一期两台机组控制系统DCS部分是美国Honeywell公司的TDC3000系统而汽轮机主机部分的控制系统是GE公司的MARKV控制系统，由于两种控制系统的网络构成、网络协议的不同所以在通信方面存在问题，基于上述原因两个系统的联络都是依靠信号线硬线连接，这样虽然可靠性增加，但是却增加了系统的负荷率，违反了DCS系统的运行规范。所以寻求这种矛盾的途径就是采用使用了现场总线技术的控制系统。

二、现场总线的特点及优点

现场总线是生产过程区域现场设备/仪表和控制室系统之间的一种串行、数字式的双向通信的数据总线，是一门新兴的技术，同时也是控制系统今后主要的发展方向。这种新兴的技术在不久后就会全面应用于工业生产中。这种技术不只是新颖，而且设计思想对生产自动化程度以及生产效率的提高都有益处。

现场总线技术所具有的特点：

1、有较强的开放性。

    现场总线极大程度的开放了控制系统，通信协议一致开放，使用户在选择控制系统时不多考虑技术和设备的问题存在，各个厂家只要遵从标准，就完全可以实现不同厂家的设备之间实现信息互换。

2、现场总线具有互操作性和互用性。

     互操作性在互联的设备之间，系统之间的信息的传递与沟通，相互之间设备虽然来自不同厂家但是由于协议相同，可互相完成相同的工作。

     互用性不同厂家的设备如果有着相似的功能就可以相互替代，这样在设备损坏的情况下，可以使用不同厂家的设备，提高现场缺陷的。

3、控制系统的精性高。

     由于现场总线采用的是数字化通信的方式，所以不需要像DCS那样进行A/D和D/A转换，没有了D/A和A/D转换传输的数据精度就提高了，通信的速度也提高了，从而系统运行可靠性得到改善。

4、现场总线的使控制系统的就地控制分散性加强。

现场总线所连接现场设备都是高度智能化的设备，在这样的设备当中都设计了自己的控制回路，完全独立完成对现场工况的闭环控制，减少由于控制站故障的原因而引起的机组停运设备损坏的事故发生。

    现场总线的优点：

1、减少由于设备信号制不统一而出现的检修烦琐问题。

    我们现有的很多DCS系统使用的信号并不是统一的标准，模拟量信号包括有4-20Ma、0-5V的不同的电流、电压信号给检修工作带来大的不方便。而采用现场总线控制系统完全没有这种不便利的因素存在，在数据线上以相同的形式传送数据，增强了数据的可信度。

2、减少维修工作量，提高工作效率。

现场总线和就地设备都是通过网络进行，人们在进行维修工作时对现场设备的检查完全可以在工程师站或操作员站得以实现，对现场设备的设置通过网络直接下载到现场设备当中，并通过定期对参数的检查间接的确定设备是否故障，另外采用现场总线的控制系统的报警不单可以对现场控制站出现的硬件故障进行诊断分析，查明故障原因，通过工程师和操作员站的报警来提示检修人员进行设备维护。

3、在一定程度上提高机组的安全性。

    现在的DCS系统有很多情况下出现信号接地把控制系统的IO卡件烧毁或控制系统的电源短路失电，造成系统在故障状态下运行，或者出现非计划停运。这种事故出现后排查起来十分困难，既费工又费时。而现场总线的产生，轻而易举的解决这累问题，同时对查找出现故障的设备提供方便。

4、现场设备的免维护量提高。

由于采用了现场智能设备，所以检修工作大大降低，同时现场设备免维护的量加大，设备可以保证能够长周期稳定的运行。七台河电厂现场的HONEYWELL变送器是一种智能型变送器，此变送器的精度很高达到了0.1%,在检修的过程中,对此变送器热工专业一对重要参数的变送器抽检,在检验过程发现这种变送器性能十分好,基本可以达到免维护的要求。

虽然现场总线技术在电厂中有很广泛应用，但是现在还有很多的问题没有完全解决，所以现场总线的并没有完全应用到现场DCS系统中。

三、应注意的几个问题

1、现场总线噪音问题

现场总线应用必然涉及到系统噪音问题，由于所有的现场设备完全连接到现场总线的网络当中，连接处必然使用TAP接头，这种接头长期处于现场环境较为恶劣的地方，就会出现网络噪音的现象，继而出现设备与网络连接错误的报警，所以现场总线对现场的卫生条件，现场的振动条件都有严格的要求。接头每次停机都要进行检查，但是并不是检查后就可以完全噪音。

2、冗余问题

现场总线设计思想，低速部分是不要冗余的，因为现场总线已经分散了危险，现场仪表在现场可以自成调节回路而实现自主调节。虽然是这样，但是由于没有冗余功能，所以一旦总线故障，虽然可以完全依靠就地来完成功能调节，却无法让运行人员监视到全系统运行状况，按照热控的检修标准在控制系统机组主要运行参数的监视就应该停止机组运行，所以要想达到安全的目的，冗余设计是很有必要的。

3、维修成本较高

如果在以往的DCS系统改为有现场总线技术的DCS系统，现场的设备需要全部更换，以便适应现场总线的需要，现场智能设备承担的调节功能增加也会使其造价的成本增加，同样维修中，如果更换一样仪表都会有很昂贵的费用。减低这种费用就要选择信誉较好的厂家，使用其设备，如果设备的性能好，对环境适应能力强，同样可以达到降低生产成本的效果，改善设备运行性能。

4、对机组保护设计应重点考虑

    电厂中热控*重要的是对热控保护的严格设计，防止保护不发生误动同时也要保证保护不发生拒动，要求在控制系统的IO卡件以及设备上要求采用三取二的要求：如汽包水位变送器设计、炉膛负压的设计在DCS上要求现场的三个设备分别进入三个不相同的IO卡件当中，三个不同的IO卡件分属不同的控制站，达到保护不因为一个设备、一个IO卡件、一个控制站的故障而导致的保护误动现象。

现场总线对这方面应该着重考虑，由于现场总线现场布置需要我们改变这种设计，否则就要增加费用，如就地设备需要在就地完成三取二功能，而且信号需要分别与三条就地总线到达三个控制柜，这无疑增加了工作量，同时也增加了费用，只有这样才能达到现场的设计要求。

现场的总线现在还存在着一定的缺陷，所以在电厂中在大多数的监视系统和外围设备上应用广泛，原因就是外围设备的缺陷和停运不会对主业生产造成影响，同时总线用于外围设备控制可以使控制系统设计简洁明快

现场总线的特点是开放、互联，这是它优于其它形式系统的根本原因。但是这种开放互联的性质也给现场总线系统带来了不安全因素。讨论了现场总线系统的通信安全问题，指出这一问题的重要性，提出了在设备层实现通信安全的方案。根据现场总线技术的特点和发展现状提出了模块化的加密方案，并且对这一方案的适用性进行了分析，同时也探讨了其对总线通信性能的影响。

我国已经提出了“以信息化推动工业化”的战略。在生产自动化系统中实现信息交换和共享并以此为基础实施企业CIMS工程已成为人们的共识，这必将成为自动化系统未来发展的方向。现场总线在这一系统中扮演了重要的角色，它为底层的智能设备提供了开放的通信平台，使之能够实时地进行数据交换。而且便于自动化系统与企业局域网互联，从而实现任意时刻、任意地点的控制，进而推进整个企业的自动化、信息化进程。

一、问题的提出

图1为某中药生产厂的自动化系统。该系统实现了中约生产中的配料工作的自动化，能够提高生产效率，而且增加保密性，同时便于远程管理。

                             图1 中药配料系统

在生产一线上采用基于现场总线的控制系统。当中药配料落入秤斗中时，Panther仪表就可以出这个变化，经过A/D转换变成以数字表示的称重数值。通过RIO接口，PLC程序可直接读取Panther的称重数值。智能仪表与控制器作为总线节点，依托总线进行相互通信，协调工作。

可以看到基于现场总线的这一系统结构简单，成本较低，可以有灵活的控制，可扩展性强。而且能够方便地与企业局域网进行通信，从而满足远程控制的要求。

可是我们发现，在现场总线一级的设备之间的通信是不安全的，如图2中，者可以获取信道中的数据。现场总线协议标准是公开的，这些数据很容易被解释为有意义的信息，那么各个节点之间的通信就没有任何保密性可言。现场总线数据交换中的这种不安全因素来自于协议本身。现场总线采用类似局域网的广播报文方式进行通信，那么上面的这种窃听就可以获取总线上通信的所有信息。对于一个中药厂来说，的配方就是企业的生命，如果这些信息被，后果将不堪设想。

推而广泛，现代企业的许多关键技术都会在生产一线的仪器工作参数中体现出来，那么随着企业的自动化、信息化程度的提高，信息的不安全性也越来越高。企业的现代化进程是不可避免的，在这一过程中，必须对信息安全提出越来越高的要求，对于采用现场部构建的生产自动化系统，应该考虑总线网段的通信安全。

二、解决方案

我们提出的是一种进行设备间通信加密的方案，来解决上面提出的问题。

现场总线网段上设备的通信加密不同于目前通常的网络通信加密，，需要考虑实现加密的层次、实现方法以及对性能影响等诸多因素。