2011年是“十二五”開局之年，展望“十二五”，中國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化已經(jīng)進(jìn)入到21世紀(jì)，我國(guó)制造業(yè)的高速發(fā)展，拉動(dòng)了對(duì)自動(dòng)化儀器儀表與控制系統(tǒng)向國(guó)際水平發(fā)展的需求，我國(guó)新上的大型項(xiàng)目所用自動(dòng)化儀器儀表和控制系統(tǒng)的先進(jìn)程度的需求已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平。當(dāng)前，在自動(dòng)化技術(shù)的促進(jìn)下，工業(yè)正在朝著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化與綜合集成化的方向發(fā)展，制造業(yè)的工廠正不斷朝著高度一體化、集成化的進(jìn)程前行。而未來，隨著人們應(yīng)用高端自動(dòng)化技術(shù)的手段越來越成熟，我們能看到更多的可能發(fā)生！

　　一、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) ——自動(dòng)化系統(tǒng)的新動(dòng)向

　　21世紀(jì)的控制系統(tǒng)將是網(wǎng)絡(luò)與控制結(jié)合的系統(tǒng)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(Networked Control System，NCS)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域中的一個(gè)前沿課題。隨著通信網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)系統(tǒng)環(huán)節(jié)嵌入到控制系統(tǒng)中，從而很大地豐富了工業(yè)控制技術(shù)和手段，使自動(dòng)化系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、控制方法以及人機(jī)協(xié)作方法等方面都發(fā)生了較大的變化，與此同時(shí)也帶來了一些新的問題，如控制與通信的耦合、分布式的控制方式等。這些新問題的出現(xiàn)，使得自動(dòng)控制理論在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的控制方法和算法需要不斷地拓展和創(chuàng)新。

　　隨著控制理論、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變革：從原始單回路控制系統(tǒng)，先后發(fā)展到集散控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(NCS)，又稱集成通信與控制系統(tǒng)ICCS(Integrated Communication and Control System)，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，極大地簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性和控制質(zhì)量，是未來綜合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然形式。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是控制(contro1)、計(jì)算機(jī)(computer)和通信(communication)等3C技術(shù)相交叉的產(chǎn)物，其實(shí)質(zhì)是將分布在不同地理空間的傳感器、控制器和執(zhí)行器等控制系統(tǒng)的部件，通過串行數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng) 。通過網(wǎng)絡(luò)互連的大型工業(yè)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)資源共享，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的配置與設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可操作性、可維護(hù)性和可靠性，使上層管理決策、調(diào)度與優(yōu)化等任務(wù)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制任務(wù)連接到一起，降低大型系統(tǒng)的實(shí)施成本。網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)控制系統(tǒng)近年來已成為控制領(lǐng)域中的一個(gè)新的研究方向。
 

　　專家認(rèn)為，信息時(shí)代的企業(yè)是一個(gè)互連互通的網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)體。企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化能夠使企業(yè)生成高效率的生產(chǎn)能力與創(chuàng)新能力，也是企業(yè)效益新的增長(zhǎng)點(diǎn)。工業(yè)控制系統(tǒng)已跨入網(wǎng)絡(luò)化控制的新階段，網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)控制系統(tǒng)已成為制造業(yè)控制、過程控制和測(cè)控技術(shù)等領(lǐng)域中的重要研究方向。工業(yè)控制系統(tǒng)已經(jīng)沿著基地式儀表控制、模擬集中控制、計(jì)算機(jī)集中控制、集散式控制、現(xiàn)場(chǎng)總線控制發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)化控制的新階段。當(dāng)前，一方面由于工業(yè)控制系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大、控制對(duì)象的復(fù)雜化和地理分散化、控制性能要求的提高，另一方面由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在控制領(lǐng)域應(yīng)用的日益廣泛深入，網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)控制系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了。

　　網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)作為一種新型的控制方式，其研究方向主要有兩個(gè)分支：一是源于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以提高信息傳輸和遠(yuǎn)程通信服務(wù)質(zhì)量(QoS)為目標(biāo)；一個(gè)是源于自動(dòng)控制技術(shù)以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定及動(dòng)態(tài)特性(QoP)為目標(biāo)。前者實(shí)現(xiàn)的是對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)自身的控制，后者實(shí)現(xiàn)的是通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)的控制。

　　在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，傳感器和執(zhí)行器都是與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連線，傳遞信號(hào)一般采用電壓和電流等模擬信號(hào)。在這種結(jié)構(gòu)模式下，控制系統(tǒng)往往布線復(fù)雜，從而增加了系統(tǒng)成本，降低了系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性、靈活性和擴(kuò)展性，特別是在地域分散的情況下，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的高成本、低可靠性等弊端更加突出。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)也發(fā)生了巨大的技術(shù)變革，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(NCS)應(yīng)運(yùn)而生，其主要標(biāo)志就是在控制系統(tǒng)中引入了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，從而使得眾多的傳感器、執(zhí)行器和控制器等主要功能部件能夠通過網(wǎng)絡(luò)相連接，相關(guān)的信號(hào)和數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和交換，避免了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專線的鋪設(shè)，而且可以實(shí)現(xiàn)資源共享、遠(yuǎn)程操作和控制，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，徹底改變了傳統(tǒng)控制工程單一控制回路信息的封閉性與信息孤島現(xiàn)象，使得整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)、信息的完全透明，徹底實(shí)現(xiàn)了整個(gè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)控制信息管理信息的上行下達(dá)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理控制一體化，完成系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)信息化帶動(dòng)工業(yè)化的目的。在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，提高了系統(tǒng)的性能和開放性，但是這些控制網(wǎng)絡(luò)一般都是基于有線的網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)代控制網(wǎng)絡(luò)中，許多自動(dòng)化設(shè)備要求具有更高的靈活性和可移動(dòng)性，尤其在一些危險(xiǎn)場(chǎng)合或不適于使用有線網(wǎng)絡(luò)的情況下，就要考慮應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用就是利用NCS的系統(tǒng)集成技術(shù)構(gòu)造整個(gè)工業(yè)企業(yè)的管理與控制一體化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)集成是指：主控系統(tǒng)的集成；智能儀表的集成；控制軟件、優(yōu)化軟件和軟測(cè)量技術(shù)的集成；檢測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理、決策和經(jīng)營(yíng)等功能的集成等。

　　以信息化帶動(dòng)工業(yè)化是保持國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)的有力保證，也是改造傳統(tǒng)工業(yè)體系結(jié)構(gòu)的重要手段。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為信息技術(shù)的代表，其與工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)合將極大地提高控制系統(tǒng)的水平，改變現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)相對(duì)封閉的企業(yè)信息管理結(jié)構(gòu)，適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)綜合自動(dòng)化管理的需要。將現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)、多種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)融合到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，在保證控制系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等要求的同時(shí)，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的開放性和互操作性，提高了系統(tǒng)對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性。

　　二、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

　　1.控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化

　　控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(NCS)的根本特點(diǎn)，由于控制網(wǎng)絡(luò)的引入，將原來分散在不同地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)化系統(tǒng)原有的“信息孤島”被打破，為工業(yè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送與集中管理、以及控制系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的連接與溝通創(chuàng)造了條件。

　　2.信息傳輸數(shù)字化

　　數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化是相輔相成的，網(wǎng)絡(luò)化是從系統(tǒng)角度描述NCS的特點(diǎn)，而數(shù)字化則是從信息的角度描述NCS的特點(diǎn)。

　　3.控制結(jié)構(gòu)的層次化

　　控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)是引入控制網(wǎng)絡(luò)之后的一個(gè)基本特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，一臺(tái)計(jì)算機(jī)不僅要完成底層的回路控制與順序控制，還需要完成實(shí)時(shí)監(jiān)視、參數(shù)調(diào)試等任務(wù)。但在NCS中，這些任務(wù)則分別屬于處在不同層次上的不同計(jì)算機(jī)來完成，每臺(tái)計(jì)算機(jī)各司其職，控制層次與控制任務(wù)得到細(xì)分。

　　4.信息管理的集中化與底層控制的分散化

　　NCS的分層結(jié)構(gòu)確定了NCS的金字塔框架，這一特點(diǎn)其實(shí)是控制結(jié)構(gòu)層次化的延伸。這種結(jié)構(gòu)符合企業(yè)生產(chǎn)的需求：企業(yè)的生產(chǎn)底層是控制回路多，地域分散；而企業(yè)高層則要求能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)視、分析等。采用了NCS的企業(yè)在底層利用控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)了分布式控制，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的可靠性；在高層則實(shí)現(xiàn)了對(duì)底層數(shù)據(jù)的集中監(jiān)視、管理，為上層的協(xié)調(diào)與優(yōu)化以及對(duì)宏觀決策提供必要的信息支持。

　　5.硬件與軟件的模塊化

　　從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，各種NCS的軟硬件，目前都采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，硬件的模塊化使得系統(tǒng)具有良好的靈活性與可擴(kuò)展性，從而使系統(tǒng)的成本更低，體積更小，可靠性更高。軟件的模塊化則使系統(tǒng)的組態(tài)方便、控制靈活，效率更高，操作簡(jiǎn)單。

　　6.控制系統(tǒng)的智能化

　　控制系統(tǒng)的智能化包括兩個(gè)方面：一是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化。在底層由于微處理器的引入，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不僅能夠完成傳感測(cè)量、回路控制等基本功能，還可進(jìn)行故障診斷等；二是控制算法與優(yōu)化算法的智能化。在高層NCS提供了強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，為先進(jìn)的控制算法、人工智能方法及專家系統(tǒng)等在科學(xué)管理、計(jì)劃調(diào)度和操作指導(dǎo)等的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

　　7.通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)漸近化

　　協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化意味著NCS系統(tǒng)具有更好的開放性、互操作性。在互聯(lián)網(wǎng)中，雖然TCP/IP已經(jīng)成為了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；而在控制網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)自成體系，F(xiàn)CS盡管已經(jīng)達(dá)成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場(chǎng)總線的種類仍然有10多種，此外，工業(yè)基礎(chǔ)以太網(wǎng)也出現(xiàn)了多個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。因此，通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)漸近化將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。

　　總而言之，NCS的出現(xiàn)給傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)帶來了深刻變化，NCS具備了許多優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)資源共享與遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷，交互性好，減少了系統(tǒng)布線的復(fù)雜程度，增加了系統(tǒng)的柔性與可靠性及安裝維護(hù)比較方便等。

　　當(dāng)然，NCS的出現(xiàn)對(duì)于傳統(tǒng)的控制理論、技術(shù)與方法與工程應(yīng)用也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。在理論上，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)自身的服務(wù)質(zhì)量問題、擁塞問題等也變得越來越突出，從而給控制理論的研究帶來了新的問題，而由于網(wǎng)絡(luò)通信中不可避免存在傳輸延遲、丟包等問題，這也給傳統(tǒng)的控制理論提出了新的挑戰(zhàn)；在技術(shù)上，自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合為網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展前景與挑戰(zhàn)。

　　三、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的安全問題

　　眾所周知，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一的石油化工工業(yè)生產(chǎn)具有工藝復(fù)雜多變，生產(chǎn)裝置大型化，生產(chǎn)條件苛刻，原料及產(chǎn)品多數(shù)都具有易燃易爆、有毒有害和腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，石油化工工業(yè)的安全生產(chǎn)難度很大。安全生產(chǎn)關(guān)系到改革發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定，人民群眾的生命安全。因而，各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)都將石油化工工業(yè)的安全生產(chǎn)，作為十分重要的大事來抓。

　　網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(NCS)是通過一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。然而與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，NCS不僅規(guī)模更龐大，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，且不確定因素眾多，一旦發(fā)生故障，損失將難以估量，因此對(duì)安全性的要求更高，同時(shí)，為了確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全可靠，也更加需要注意網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用什么安全策略的問題。近年來，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性和可靠性已成為世界各國(guó)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　關(guān)于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的安全問題，屬于控制系統(tǒng)范疇，控制系統(tǒng)的安全是基礎(chǔ)。北美電力可靠性協(xié)會(huì)所做的調(diào)查顯示，控制系統(tǒng)安全性存在著十大威脅：

　　1)沒有足夠的政策、制度和文化來監(jiān)管控制系統(tǒng)的安全性。

　　2)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不完善，并且深度保護(hù)不夠�？刂葡到y(tǒng)必須有分層次的保護(hù)措施。

　　3)無適當(dāng)準(zhǔn)入控制的遠(yuǎn)程接入。

　　4)分散、可追查的管理機(jī)制。

　　5)無線通信安全性不足。

　　6)在非專用通道上傳輸命令和控制信號(hào)。

　　7)缺乏簡(jiǎn)易設(shè)備監(jiān)控和報(bào)告異常行為。

　　8)在主機(jī)上安裝不適當(dāng)?shù)某绦颉?/p>

　　9)不夠精細(xì)的控制系統(tǒng)軟件。

　　10)未授權(quán)的命令和控制數(shù)據(jù)。

　　現(xiàn)今高速發(fā)展的社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了21世紀(jì)，而2l世紀(jì)的重要特征就是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化，這是一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為核心的信息時(shí)代。網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開放和自由的網(wǎng)絡(luò)，它在大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)靈活性的同時(shí)，也給黑客攻擊和入侵敞開了方便之門。不僅傳統(tǒng)的病毒借助互聯(lián)網(wǎng)加快了其傳播速度并擴(kuò)大了其傳播范圍，而且各種針對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用程序漏洞的新型攻擊方法層出不窮。這些黑客把先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，當(dāng)成一種新式犯罪工具和手段，不僅影響了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行和用戶的正常使用，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)威脅到國(guó)家安全。

　　網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的安全顧名思義應(yīng)當(dāng)是：網(wǎng)絡(luò)安全+控制系統(tǒng)的安全首先是網(wǎng)絡(luò)安全問題。

　　網(wǎng)絡(luò)安全是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件、軟件及其系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)受到保護(hù)，不因偶然的或者惡意的原因而遭受到破壞、更改及泄露，系統(tǒng)連續(xù)可靠正常地運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不中斷。 網(wǎng)絡(luò)安全從其本質(zhì)上來講就是網(wǎng)絡(luò)上的信息安全。從廣義來說，凡是涉及到網(wǎng)絡(luò)上信息的保密性、完整性、可用性、真實(shí)性和可控性的相關(guān)技術(shù)和理論都是網(wǎng)絡(luò)安全的研究領(lǐng)域。

　　其次是控制系統(tǒng)的安全問題。

　　隨著石油化工、電力等行業(yè)進(jìn)入規(guī)模化生產(chǎn)，生產(chǎn)裝置積聚的能量越來越大，并造成重大工業(yè)事故。印度博帕爾毒氣泄漏、前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站爆炸等震驚世界的災(zāi)難使人們前所未有地重視工業(yè)生產(chǎn)中的安全問題。為此，安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrumented System， SIS)是安全相關(guān)系統(tǒng)( Safety－related System， SRS)的一類，是保障生產(chǎn)安全的重要措施，它應(yīng)在危險(xiǎn)事件發(fā)生之前正確地執(zhí)行其安全功能，避免或減少事故的發(fā)生。然而有些時(shí)候，由于安全儀表系統(tǒng)發(fā)生失效，在需要它執(zhí)行安全功能時(shí)無法正確執(zhí)行預(yù)定的功能，從而導(dǎo)致災(zāi)難事故的發(fā)生。為了確保安全儀表系統(tǒng)的功能得到切實(shí)執(zhí)行，功能安全的相關(guān)研究就誕生了。2000年，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)發(fā)布了IEC61508 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)明確提出了安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全。功能安全( Functional Safety， FS)是安全儀表系統(tǒng)有效地執(zhí)行其安全功能的能力體現(xiàn)，是以系統(tǒng)功能的可靠執(zhí)行來保證安全。功能安全相關(guān)問題已成為研究熱點(diǎn)。下面從功能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、理論研究、評(píng)估和認(rèn)證以及安全監(jiān)控產(chǎn)品等方面進(jìn)行綜述。
 

　　近年來，歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都在研究并致力解決安全儀表系統(tǒng)的功能安全問題，已發(fā)布了一系列功能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。1996年美國(guó)儀器儀表協(xié)會(huì)完成了第一個(gè)關(guān)于過程工業(yè)安全儀表系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)——ANSI/ISA2S84.01。隨后，國(guó)際電工委員會(huì)于2000年出臺(tái)了功能安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61805：電氣/電子/可編程電子(E/E/PE)安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全。該標(biāo)準(zhǔn)是功能安全的通用標(biāo)準(zhǔn)，是其他行業(yè)制訂功能安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。從此，功能安全的研究逐步成為研究熱點(diǎn)。2003年，IEC發(fā)布了適用于石油、化工等過程工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)IEC61511。

　　2000年，IEC 61508.1—7《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》標(biāo)準(zhǔn)的頒布標(biāo)志著功能安全作為獨(dú)立的安全學(xué)科進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。在國(guó)外，尤其是歐盟，對(duì)功能安全的研究已較為深入，且取得安全認(rèn)證的產(chǎn)品越來越多，范圍也在逐步擴(kuò)大。

　　在我國(guó)，功能安全還只是一個(gè)名詞概念，盡管在工業(yè)控制領(lǐng)域有一定的推廣，但是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電氣儀表產(chǎn)品獲得功能安全認(rèn)證的還很少，尤其是作為安全儀表系統(tǒng)核心部件的邏輯運(yùn)算器，目前尚無產(chǎn)品獲得認(rèn)證，這極不利于我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家戰(zhàn)略安全。目前，功能安全標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)僅為推薦性標(biāo)準(zhǔn)，而非強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，并且尚未發(fā)布與標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的應(yīng)用指南或指令，這在某種程度上限制了功能安全標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)的實(shí)施步伐。

　　我國(guó)與國(guó)外相比，在安全方面仍舊存在一些問題。

　　1)國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)廣泛地采用了功能安全標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實(shí)際出臺(tái)了相應(yīng)指南，甚至對(duì)功能安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)；而我國(guó)剛剛將功能安全標(biāo)準(zhǔn)作為推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)引進(jìn)，這在一定程度上限制了我國(guó)功能安全的發(fā)展步伐。

　　2)國(guó)外對(duì)功能安全理論研究比較深入，國(guó)內(nèi)剛剛起步，需要進(jìn)一步深入探討工業(yè)系統(tǒng)定量風(fēng)險(xiǎn)分析的方法，尤其是確定事故發(fā)生的頻率；目前對(duì)于安全儀表系統(tǒng)的評(píng)估側(cè)重于隨機(jī)硬件失效，對(duì)系統(tǒng)失效定量不夠，因此需要研究更完善的針對(duì)安全儀表系統(tǒng)本身的定量評(píng)估方法。

　　3)國(guó)外的功能安全評(píng)估和認(rèn)證已被廣泛接受，而我國(guó)目前尚無功能安全評(píng)估和認(rèn)證機(jī)構(gòu)，只是嘗試地開展了功能安全評(píng)估工作。

　　4)國(guó)外很多安全監(jiān)控產(chǎn)品已經(jīng)通過了功能安全產(chǎn)品第三方認(rèn)證，并加大功能安全產(chǎn)品的開發(fā)，而我國(guó)尚無經(jīng)過第三方認(rèn)證的功能安全產(chǎn)品。

　　如何研制開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)安全儀表系統(tǒng)，從而打破國(guó)外產(chǎn)品長(zhǎng)期壟斷，價(jià)格居高不下的局面，是當(dāng)前工控領(lǐng)域面臨的新課題。NCS中網(wǎng)絡(luò)的引入會(huì)帶來一些問題：傳感器發(fā)出的系統(tǒng)輸出信號(hào)和控制器發(fā)出的系統(tǒng)控制命令要通過網(wǎng)絡(luò)傳送，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬通常是有限的，因此可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不能同時(shí)傳輸所有信息的情況，這就需要引入調(diào)度策略來解決；在數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于網(wǎng)絡(luò)的不確定性，傳輸?shù)男畔⒖赡鼙谎舆t甚至丟失；此外，由于網(wǎng)絡(luò)只能傳輸數(shù)字信號(hào)，傳感器采集的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過量化才能通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送，這又將導(dǎo)致量化誤差的產(chǎn)生。由于受網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制和傳輸不可靠的影響，網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和丟包是NCS最基本的問題，故障與時(shí)延丟包的共存不僅會(huì)使系統(tǒng)性能下降，甚至?xí)��?dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，因而以時(shí)延和丟包為基本問題進(jìn)行NCS容錯(cuò)控制的研究引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

　　相比其他工業(yè)控制系統(tǒng)，如DCS、PLC等，安全儀表系統(tǒng)(SIS)具有如下基本特征。

　　(1)一定的安全完整性等級(jí)

　　IEC 61508作為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮了安全儀表系統(tǒng)的整體安全生命周期，提出了評(píng)估安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)SIL(Safety Integrity Level)的方法，規(guī)范了為實(shí)現(xiàn)必要的功能安全所使用的工具與措施。安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程必須遵循IEC 61508，并應(yīng)通過獨(dú)立機(jī)構(gòu)(如德國(guó)TUV或美國(guó)的exida等)的功能安全評(píng)估和認(rèn)證，取得認(rèn)證證書，才能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用。

　　(2)容錯(cuò)性的多重冗余系統(tǒng)

　　SIS一般采用多重冗余結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的硬件故障裕度，單一故障不會(huì)導(dǎo)致SIS安全功能的喪失。

　　(3)全面的故障自診斷能力

　　SIS的安全完整性要求還包括避免失效的要求和系統(tǒng)故障控制的要求，同時(shí)，構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)部件均需明確故障診斷措施和失效后的行為。系統(tǒng)整體診斷覆蓋率一般高達(dá)90％以上。SIS的硬件具有高度可靠性，能承受大多數(shù)環(huán)境應(yīng)力，如現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾等，從而可以較好地應(yīng)用于各種工業(yè)環(huán)境。

　　(4)響應(yīng)速度快

　　SIS的實(shí)時(shí)性較好，一般從輸入變化到輸出變化的響應(yīng)時(shí)間在10～50 ms左右(此處指的是邏輯運(yùn)算器的響應(yīng)速度，不包括現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu))，一些小型SIS甚至可達(dá)到幾毫秒的響應(yīng)速度。

　　(5)事件順序記錄功能

　　為了更好地進(jìn)行事故分析與事后追憶，SIS一般具有事件順序記錄SoE(sequence of events)功能，即可按時(shí)間順序記錄各個(gè)指定輸入、輸出及狀態(tài)變量的變化時(shí)間，記錄精度一般精確到毫秒級(jí)。

　　在2011年3月16日第十一次全國(guó)人民代表大會(huì)第四次全體會(huì)議通過的《我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展十二五規(guī)劃綱要》中，對(duì)于安全生產(chǎn)，國(guó)家“十二五”規(guī)劃綱對(duì)安全生產(chǎn)做出了規(guī)定和要求。規(guī)劃綱要在第41章加強(qiáng)公共安全體系建設(shè)，專門設(shè)立了“嚴(yán)格安全生產(chǎn)管理”章節(jié)，從企業(yè)主體責(zé)任到政府監(jiān)管，從重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域安全專項(xiàng)整治到公共安全基礎(chǔ)建設(shè)和社會(huì)服務(wù)，從治標(biāo)到治本，從重點(diǎn)工作任務(wù)到主要奮斗目標(biāo)，都提出了明確的要求，從而搭建和勾勒出了“十二五”時(shí)期全國(guó)安全生產(chǎn)的框架與大綱，具有重大戰(zhàn)略意義和長(zhǎng)期指導(dǎo)作用。

　　四、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的若干發(fā)展方向

　　網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是工業(yè)制造業(yè)控制、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域中的新的研究方向，其應(yīng)用前景十分廣闊，但目前仍處于初創(chuàng)階段，還存在許多有待于進(jìn)一步解決的問題。從實(shí)現(xiàn)技術(shù)上說，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制和傳感技術(shù)等的集成，下面從這三方面闡述其主要發(fā)展方向。

　　(1)從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方面看

　　1)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，多種現(xiàn)場(chǎng)總線和控制網(wǎng)絡(luò)共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)問題。

　　2)計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的成熟化，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果的加強(qiáng)問題。

　　3)工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性有待于進(jìn)一步提高，以滿足更加苛刻的實(shí)時(shí)應(yīng)用環(huán)境問題。

　　4)通過帶寬配置、網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度、擁塞控制設(shè)計(jì)、通信約束設(shè)計(jì)等方法，以提高網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的QoS(即減小延遲、延遲抖動(dòng)、丟包、失序)問題等。

　　(2)從自動(dòng)控制方面看

　　1)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的延遲和丟包的隨機(jī)性、不確定性，采用各種先進(jìn)而實(shí)用的控制算法(如自適應(yīng)控制算法)，以提高閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性問題。

　　2)通過時(shí)鐘同步和基于事件驅(qū)動(dòng)方法，處理傳感器、控制器和執(zhí)行器之間的同步采樣問題。

　　3)通過控制任務(wù)調(diào)度算法、單/多包傳輸設(shè)計(jì)、多變量系統(tǒng)解耦控制、隨機(jī)最優(yōu)控制及魯棒控制等方法，以提高閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的QoP(動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能)問題。

　　4)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中通常同時(shí)包含離散的和連續(xù)的過程與狀態(tài)，這是一個(gè)混合控制系統(tǒng)，因此可采用混合控制系統(tǒng)的理論與方法進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的問題等。

　　(3)從傳感技術(shù)方面看，必須加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)測(cè)控器的研究

　　1)集成化問題，即如何將網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的傳感器、控制器和執(zhí)行器采用嵌入式系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，并具備合適的通信接口和相關(guān)的協(xié)議軟件。

　　2)網(wǎng)絡(luò)通信接口的統(tǒng)一化問題，即在網(wǎng)絡(luò)化與智能化的傳感器、控制器和執(zhí)行器的節(jié)點(diǎn)上提供直接連接到網(wǎng)絡(luò)的接口(如采用以太網(wǎng)通信控制芯片和支持TCP/IP的通信協(xié)議)。

　　3)節(jié)點(diǎn)測(cè)控器應(yīng)提供數(shù)據(jù)處理能力，提供工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的安全性(如電磁隔離)和可靠性(如冗余容錯(cuò)和故障診斷)等。

　　隨著控制系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在今后一段時(shí)間內(nèi)，大型的、采用多種總線集成的且分層的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化控制體系結(jié)構(gòu)是工業(yè)控制領(lǐng)域的主要實(shí)現(xiàn)形式，這種異構(gòu)體系使工業(yè)控制系統(tǒng)中的設(shè)備層、控制層、網(wǎng)絡(luò)交換層、數(shù)據(jù)管理層和客戶層等構(gòu)成一個(gè)完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)兩種集成。

　　1)控制系統(tǒng)之間的水平集成， 使測(cè)控信息橫向?qū)崟r(shí)交互。

　　2)控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的垂直集成，使管理信息縱向快速流動(dòng)。這種體系對(duì)實(shí)現(xiàn)上層過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，建立綜合決策信息庫，保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和完整性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷以及加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)外部信息交流等，都有重要作用。

　　五、若干案例

　　案例一、上海賽科百萬噸乙烯工程

　　上海賽科建設(shè)時(shí)，采用了當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的工藝技術(shù)，生產(chǎn)乙烯、丙烯、聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈、丁二烯、苯、甲苯及副產(chǎn)品等，每年可向市場(chǎng)提供國(guó)內(nèi)緊缺的高質(zhì)量、多規(guī)格、寬覆蓋面的石化產(chǎn)品228萬噸。

　　賽科高度重視HSSE(健康/安全/保安/環(huán)保)，保護(hù)公司的員工和產(chǎn)品的使用者，重視社會(huì)公眾的安全和健康，關(guān)注環(huán)保是公司對(duì)社會(huì)的承諾。
 

　　上海賽科百萬噸乙烯工程采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。上海賽科乙烯工程大規(guī)模全面使用FF現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)(是由美國(guó)Emerson公司提供)是成功的，F(xiàn)F總線的通訊速度是能夠滿足石油化工過程控制的要求。除少量?jī)x表故障外，F(xiàn)F總線儀表運(yùn)行基本正常，F(xiàn)F總線的優(yōu)越性正在逐漸發(fā)揮作用。實(shí)踐證明，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)在大型石油化工裝置大規(guī)模的應(yīng)用是可行的。

　　以下是上海賽科控制系統(tǒng)的概況：

　　全廠自動(dòng)控制系統(tǒng)包括：分散控制系統(tǒng)(DCS)/現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)、火災(zāi)和可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)(FGS)、儀表設(shè)備管理系統(tǒng)(AMS)、在線分析儀管理系統(tǒng)(ADAQ)、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備管理系統(tǒng)(MMS)、電氣設(shè)備管理系統(tǒng)(EMS)、先進(jìn)過程控制(APC)、在線優(yōu)化(OPT)、操作培訓(xùn)仿真系統(tǒng)(OTS)、閉路電視系統(tǒng)(CCTV)等。

　　全廠設(shè)有十五個(gè)衛(wèi)星控制外站，分別設(shè)在各個(gè)生產(chǎn)裝置、公用工程及輔助設(shè)施內(nèi)，全部按抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各外站內(nèi)安裝有各種控制系統(tǒng)機(jī)柜，并設(shè)至少一臺(tái)帶工程師屬性的操作站。最遠(yuǎn)的外站到中央控制室的距離約有2．5公里。各外站到中控室的各種信號(hào)全部采用雙冗余光纖電纜通信方式傳輸。全廠設(shè)有一個(gè)中央控制室，所有生產(chǎn)裝置、公用工程及輔助設(shè)施等的操作控制和生產(chǎn)管理全部集中在中控室內(nèi)。全廠控制系統(tǒng)規(guī)模：DC$I/O 141809，SIS I/O 9487，合計(jì)151296。

　　案例二、上海吳涇化工廠

　　上海吳涇化工有限公司采用基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)醋酸裝置優(yōu)化運(yùn)行。儀表電纜和機(jī)柜節(jié)省50%；1 14個(gè)回路控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)，分散控制提高了安全性；應(yīng)用智能閥門定位器，節(jié)省80%閥門調(diào)校時(shí)間；基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(Ff)幫助裝置提前10天順利開車。

　　案例三、中國(guó)海洋石油總公司旅大10-1項(xiàng)目

　　旅大10-1項(xiàng)目采用基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)減少項(xiàng)目調(diào)試和開車時(shí)間。工程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，儀表回路圖減少70%；模擬量卡件和端子模塊減少75%；儀表電纜減少75%，降低成本和布線工作量；控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)間由30天減少到7天；采用AMS軟件，一天完成31個(gè)網(wǎng)段208臺(tái)FF總線儀表調(diào)試；基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)幫助平臺(tái)提前62天開車；PID控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)。應(yīng)當(dāng)說，在石油化工領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)安全策略方面，中石化、中海油、西門子、霍尼韋爾、ABB、浙江中控等國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)各自都取得了研究成果，而且不少成果已經(jīng)取得實(shí)效。

　　結(jié)束語

　　人類進(jìn)入21世紀(jì)以來，一些重要的科技領(lǐng)域出現(xiàn)革命性突破的先兆已經(jīng)露出端倪。這場(chǎng)新的科技革命，將源于知識(shí)與技術(shù)體系的創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)。信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用不斷推動(dòng)生產(chǎn)方式發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)制造、綠色制造、智能制造、柔性制造與全球制造等日益成為生產(chǎn)方式變革的方向，互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、知識(shí)服務(wù)、智能服務(wù)及遠(yuǎn)程服務(wù)等的快速發(fā)展為個(gè)性化制造和服務(wù)創(chuàng)新提供了有力的工具和環(huán)境。

　　當(dāng)今世界，各國(guó)都在積極追求綠色、智能及可持續(xù)的發(fā)展。綠色發(fā)展，就是要節(jié)能、降耗、減排、治污、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和低碳經(jīng)濟(jì)，保護(hù)和修復(fù)生態(tài)環(huán)境，使國(guó)家發(fā)展與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)；智能發(fā)展，就是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、信息共享、智能處理、協(xié)同工作，不斷創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)、新的市場(chǎng)機(jī)遇、新的就業(yè)形態(tài)。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)及其安全問題

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