神东洗选中心煤制油选煤厂属用户型选煤厂, 设计处理能力 6.50Mt/a, 原煤经三级破碎至30mm以下, 经脱泥筛脱泥后由有压两产品重介旋流器进行分选; 粗煤泥采用旋流器分选+弧形筛+煤泥离心机脱水回收; 细煤泥采用浓缩机、加压过滤机回收。

神东煤炭集团各选煤厂建设于 20 世纪 90 年代至 21 世纪初期, 工业控制系统PLC 控制器硬件及软件均选用美国罗克韦尔公司 A-B 系列产品。 煤制油选煤厂现有各类选煤设备 79 余台套,工业控制系统硬件设备设施以美国罗克韦尔(AB)公司的PLC 控制器为主, 主要为PLC5000系列产品, 其中CPU为ControlLogix5572控制器,输入输出模块分布于筛分、主洗、仓上、煤泥等配电室, 控制系统机架间以ControlNet 通讯为主,EntherNet、DH+、PROFIBUS DP等通讯方式为辅, 构成生产系统的控制; 此外, 国产加压过滤机应用A-B SCL500系列产品, 通过DH+通讯与生产系统形成数据交互。 此外, 罗克韦尔官方宣布SCL500 Bulletin编号的部分产品已经停产, 不再销售。

一、背景

随着我国工业数字化、 网络化、 智能化的快速发展, 新形势下工业控制系统安全工作的重要性和紧迫性更加凸显。《中国制造 2025》 提出:“加强智能制造工业控制系统的安全保障能力建设, 健全综合保障体系”。

工业控制系统是通过工业控制计算机对传感器及局域网所采集的各种信息的归纳、 分析、 整理, 实现信息管理与自动控制的一体化。 数据采集与监控(SCADA)、 分布式控制系统(DCS)、 过程控制系统(PCS)、 可编程逻辑控制器(PLC)等工业控制系统广泛运用于能源、交通、水利以及市政等领域, 用于控制生产设备的运行。

一旦工业控制系统信息安全出现漏洞, 将对工业生产运行和国家经济安全造成重大隐患。 随着计算机和网络技术的发展, 特别是信息化与工业化深度融合以及物联网的快速发展, 工业控制系统产品越来越多地采用通用协议、 通用硬件和通用软件,以各种方式与互联网等公共网络连接, 病毒、 木马等威胁正在向工业控制系统扩散, 工业控制系统信息安全问题日益突出。

2010 年发生的 “震网” 病毒事件、 委内瑞拉最大的电力设施古里水电站计算机系统控制中枢遭受到网络攻击导致引发全国性大面积停电事件、 世界炼铝巨头挪威海德鲁公司(Norsk Hydro)发布公告称, 旗下多家工厂受到一款名为 LockerGoga 的勒索病毒攻击, 引发数条自动化生产线被迫停运等工业控制系统网络安全事件, 充分反映出工业控制系统信息安全面临着严峻的形势。

与此同时, 我国工业控制系统信息安全管理工作中仍存在不少问题, 主要是对工业控制系统信息安全问题重视不够, 管理制度不健全, 相关标准规范缺失, 技术防护措施不到位, 安全防护能力和应急处置能力不高等, 威胁着工业生产安全和社会正常运转。 因此, 煤炭行业作为国家能源基础行业, 有责任和义务切实加强工业控制系统的安全运行。

二、国产PLC改造实践

2. 1 现有工业控制系统硬件概况

依据煤制油选煤厂现有工业控制系统, 对其硬件配置进行梳理: 包括1套 CPU 控制器、 7个远程分站机架、 7台 PLC控制柜, 系统物理 I/O点数3268 个, 另有1套压滤机和2台加药控制系统(见图1)。

2. 2 国产 PLC 选型

根据中华人民共和国工业和信息化部有关工业控制系统方面的规定和指导意见以及国家能源集团国能电力〔2021〕337 号文 《国家能源集团关于切实保障工控系统自主安全可控 大力推进工控产业高质量发展的指导意见》等要求, 结合国内PLC控制系统的应用情况, 主要从工业控制系统的高可靠、 信息安全、 自主化、大规模、 网络化等方面综合考虑, 选用和利时LK系列安全可信的大型可编程控制器进行改造。

2. 3 国产 PLC 测试应用

为了保障神东选煤厂国产PLC改造实践, 对国产PLC进行了基于罗克韦尔PLC为主体的通讯及控制功能测试, 用于检验国产PLC与 A-B PLC控制系统的兼容性, 包括: 国产PLC与AB PLC间的通讯及数据交互; 国产 PLC 对设备IO 点控制、 配电柜电机保护器( UMC22) 的接入、模拟量输入、输出监测信号的采集及控制;根据选煤厂的生产工艺和设备控制要求, 控制功能包括设备就地控制、 远程控制、 设备的保护控制、 设备间的闭锁控制、 设备的联动控制及调节控制等。

2. 3. 1 基于罗克韦尔 PLC 控制系统, 单机设备控制应用国产 PLC 的试验

以神东洗选中心哈拉沟选煤厂 105 给煤机为对象, 底 层 使 用 国 产 PLC 控 制 器 替 代 A - BPLC5, 将其控制线路接入国产 PLC, 逻辑关系及上位机操作不变, 实施国产 PLC 与在用进口工业控制系统通讯及配置, 实现了国产 PLC 与罗克韦尔 PLC 控制系统的 “交互”。使用RSView32画面进行 105 给煤机的启停控制及联锁测试, 均能满足哈拉沟选煤厂生产控制要求。

2. 3. 2 基于罗克韦尔 PLC 控制系统, 国产 PLC在工艺系统控制上的研究

以工艺系统控制测试为主, 选择哈拉沟选煤厂末煤 3 系统约 15 台工艺分选设备为对象, 主要包括末煤脱泥筛、 脱介筛、稀介泵、磁选机、煤泥泵、离心机、变频混料泵、合介泵、密度PID 补水阀、液位分流阀、压力传感器等, 将设备设施的控制线路接入国产 PLC, 使用国产 PLC编译工具进行编程及处理器运行, 国产 PLC 同在用进口工业控制系统通讯, 上位机操作继续实用RSView32。 从测试方案的拟定、 测试设备的确认、测试设备控制点位和接线梳理、国产化测试柜控制规划及安装、 控制线路敷设及接线、控制通讯选择及调试、设备控制逻辑梳理及编译、国产控制与现有进口控制的融合及调试。

(1)上位机。调度室上位机保持原有画面不变, 继续使用原有的监控软件 RSView32, 安全可信 PLC 控制系统通过以太网接入选煤厂自动化控制系统(AB PLC 控制系统), 与 AB PLC 控制系统进行数据交互, 实现调度员对设备的监视和控制功能。监视画面不做改动, 在后台对设备的监控信息点进行更换, 将原来 AB PLC 控制系统的监控点更换为国产 PLC 控制系统的监控点。

(2) 国产控制系统与罗克韦尔控制系统的“内聚”。在末煤配电室 AB PLC 控制系统主站机架中, 配置通讯接口模块, 实现国产 PLC 与 ABPLC 控制系统的接入。 ① AB PLC 软件内通讯模块的添加及配置; ② 通讯模块的配置(新建、 寄存器等配置); ③ 安全可信 PLC 与配电柜 ABB UMC 综合保护器的信息集成; ④ 控制系统的硬件集成及调试; ⑤ 控制系统的软件集成及调试。

经过一系列的技术攻关和参数寻优, 对国产化工业控制系统在选煤厂工艺系统的应用进行了实践和论证。此阶段的测试主要以 UMC 综合保护器的通讯、局部国产化与在用进口系统的交互融合、工艺系统的逻辑控制及联动联锁等通讯技术和功能性应用工作为主, 以确保国产化工业控制系统与在用进口工业控制共存的兼容性、功能性、可靠性、稳定性和响应及时性, 从而保障选煤厂国产化工业控制系统的改造和应用。

2. 4 煤制油选煤厂国产 PLC 改造实践

煤制油选煤厂洗选加工, 定向为鄂尔多斯煤制油分公司输送煤炭原料, 根据该公司停机检修计划, 煤制油选煤厂利用阶段性的停机时间实施国产 PLC 改造实践, 从而提升该厂工业控制系统的自主性、 安全性。

2. 4. 1 国产 PLC 改造方案

结合煤制油选煤厂的停机时间, 利用煤制油选煤厂 33d 停产检修时间对其工业控制系统进行国产化改造, 通过整体统筹部署和计划, 采用“分类分级, 多种方式相结合的模式” 完成整体改造。

方式一:筛分配电室、 仓上配电室区域对于筛分配电室、 仓上配电室等电煤流程相关设备, 不能够长时间连续停机。 在停产时间段内, 不能完成全部自动化控制系统 PLC 的替换。采用分区域、 分工艺段方式对煤制油选煤厂自动化控制系统的罗克韦尔 PLC 进行国产化改造替换。

方式二:主洗配电室、 煤泥配电室对于主洗配电室、 煤泥配电室 PLC 控制系统, 在煤制油选煤厂停产期间, 一次完成全厂自动化控制系统 PLC 的国产化替换。

针对方式一和二实施的改造, 调度室监控软件采用原有画面, 国产 PLC 将数据传给原监控软件, 实现对替换部分 PLC 接入设备的监控功能。

方式三:利用日常生产检修时间, 对单机设备控制实施国产化改造, 同时完成国产监控平台的部署及应用。

2. 4. 2 国产 PLC 系统设计

改造采用国产 PLC 替换现有罗克韦尔 PLC控制系统, 控制系统采用自主可控、 安全可信PLC 产品。

改造所使用的可信 PLC 控制系统, 控制器及PLC 控制柜的数量、 安装位置原则上与原系统保持一致, 但是对于能够提升系统稳定性、 易维护性等方面的部分可以进行优化设计。

根据煤制油选煤厂自动化控制系统现有设备监控点数、 智能化选煤厂建设增加设备的监控点数、 PLC 控制柜的布置及各配电室之间的距离,煤制油选煤厂自动化控制系统采用国产 PLC 改造替换罗克韦尔 PLC, 在主洗配电室、 筛分配电室设置 2 套国产 PLC 控制器, 控制器采用冗余配置。国产可信 PLC 控制器间采用工业以太网进行连接, 传输介质采用光纤。 控制器主控单元与RI/ O 扩展从站间采用 Ethernet POWERLINK 连接, 当扩展从站与主控单元不在同一个控制柜、距离较远时, 采用光纤进行连接。

2. 4. 3 国产 PLC 网络结构设计

结合煤制油选煤厂工业控制系统的网络现状, 国产 PLC 改造实践中对工业控制网络进行全面梳理及优化, 采用更加可靠的 “环网” 结构,控制系统网络架构如图 2 所示。

2. 4. 4 国产 PLC 改造实施流程

煤制油选煤厂 PLC 国产化改造实施过程主要包含: 现场实际调研及准备工作, 硬件安装、 软件编译及测试, 调试及运行优化。

(1)调研及准备工作。在停机改造前, 对煤制油选煤厂工业控制系统进行全方位梳理, 包括PLC 柜电源配置、 网络结构、 PLC 模块数量及配置、 通讯方式、 设备控制属性、 生产系统工艺流程、 控制逻辑等, 对其中能够优化的部分进行设计优化。 比如, 对同一台设备的 INPUT 点位进行整合配置, 防止出现同一台设备的输入点位分布在不同模块, 甚至分布在不同机柜模块。

对煤制油选煤厂现有工业控制系统进行梳理和优化后, 严格按照电气行业标准, 绘制图纸并进行会签审核, 图纸包括控制网络结构图、 PLC柜接线图、 I/ O 模块配线图等。

(2)硬件设计安装、 软件编译及测试。煤制油选煤厂停机改造期间, 国产 PLC 柜依据审核后的图纸进行成套配置, 配置完成后进行检测, 确保准确性; 现场实施人员根据前期梳理情况进行拆除标记, 做到线路标识准确清晰; 成套配置期间, 成套配置人员与现场实施人员加强沟通交流, 确保成套配置能够符合设计及现场装配要求。 PLC 成套柜完成后搬运至改造现场, 同时将原 PLC 柜搬离, 安装固定新的成套 PLC 柜, 按计划进行设备控制接线。在硬件安装及接线的同时, 完成设备控制程序的编译及模拟测试。

(3)调试及运行优化。结合现场 PLC 柜接线和软件程序编译测试情况, 对优先完成接线和程序测试的 PLC 柜进行局部调试, 通常先进行单机设备启停控制调试, 然后进行区域设备联动调试, 最后进行生产系统设备联调。 对生产设备控制功能及联启联停调试完成后, 针对生产工艺参数进行寻优调整, 特别是优化重介旋流器工艺系统参数, 如调节混料泵的压力与液位以及合介桶、 煤泥桶、 稀介桶的液位等参数。调试完成后, 生产系统运行跟踪, 针对生产动态过程中存在的问题进行处理及优化。

3 运行效果

煤制油选煤厂实施 PLC 国产化改造后, 国产PLC 改造整体运行平稳, 控制系统各项功能需求、通讯联接等均能满足工业控制及数字化提升需求; 鉴于选煤厂原工控系统数字量输入模块(220 V)与国产 PLC 数字量输入模块(24 V)信号源电压参数要求不一致, 需要中间继电器进行信号转换, 导致 PLC 柜容量、 控制回路、 运维上增加了新的 “接点”。 建议同产品供应商进行沟通交流, 针对选煤厂 PLC 控制现状, 提供继电器型(AC220 V)数字量输入模块, 以减少使用继电器转换, 从而避免新增故障点。

煤制油选煤厂国产 PLC 处理器操作系统进行了矿鸿适配并实践运行, 矿鸿系统的搭载为选煤厂各类设备、 传感器的互联互通提供联接支持,为选煤厂数据应用提供 “横到边、 纵到底” 的全域服务, 可以彻底实现选煤厂高质量的数字化建设和应用。

同时, 国产 PLC 改造应用中, 在国产 PLC控制器的基础上, 依托国产化 SCADA 软件对煤制油选煤厂工业控制系统进行了优化和升级, 从整体设计思路、 风格、 应用、 数据处理、 展示等多环节综合考虑, 从而提升了工控应用水平。

4 结语

通过对煤制油选煤厂工业控制系统进行国产PLC 改造实践及应用, 生产系统运行平稳, 功能完善。 同时, 改造实现了以下功能:

(1)提升煤制油选煤厂工业控制系统信息安全基础保障的能力。煤制油选煤厂 PLC 改造实践中应用的 PLC 控制器相比于西门子等传统 PLC控制器, 其以可信计算 3. 0 技术为基础, 通过将可信计算双体系架构应用在工控嵌入式操作系统上, 实现了控制器静态可信启动、 动态可信度量以及四元组访问控制等功能, 建立了安全可信PLC 控制器主动防御安全技术体系, 从根本上提升了控制系统对网络风暴、 网络病毒以及网络攻击的防御能力。

(2)实现煤制油选煤厂 PLC 控制系统以及CPU 芯片到关键元器件、编程软件等的国产化,进而实现生产控制系统的安全可信、自主可控。

(3)相比于进口品牌的控制系统, 国产 PLC控制系统编程、维护等更容易、便捷, 通过改造, 可以实现后期系统维护的自主化。

(4)通过国产化PLC改造, 解决国外品牌产品备件货期长, 货源不可控等风险因素; 在改造过程中沿用比较合理的控制逻辑, 并且引用一些更先进、安全、高效的控制思路及方式, 提升控制系统的易用性。

(5)实现国产化PLC控制系统替代 A-B系列 PLC控制系统, 通过从改造组织、改造实施过程、改造应用等全过程总结提升, 为后续国产化改造提供 “实战” 经验及指导。

(6)煤制油选煤厂工业控制系统实现 “ 矿鸿” 搭载应用, 进一步为设备 “互联” 场景提供技术支撑。

(7)通过国产化改造, 实现选煤厂控制系统的网络结构升级, 控制通讯标准化、 数据互联互通, 实现选煤厂控制系统一体化应用。