CN112558561A - 一种火电厂工控虚拟dcs网络安全实现方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于预测控制的火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法，具体包括S1：创建虚拟DCS系统；S2：将预测控制算法加入所创建的虚拟DCS系统的控制功能模块得到基于预测控制的虚拟DCS系统；S3：对所创建的基于预测控制的虚拟DCS系统进行安全控制功能测试，确认测试结果；S4：对基于预测控制的虚拟DCS系统与DCS系统同步进行运行计算；S5：确定基于预测控制的虚拟DCS系统与DCS系统运行结果，确认所述结果是否一致；S6：当基于预测控制的虚拟DCS与真实DCS系统与运行结果一致时，判定系统安全，继续运行，本发明创建一个基于预测控制的虚拟DCS系统，通过对比动作、关键信号的一致性，解决了火电厂DCS系统遭受网络安全威胁的问题。

Description

一种火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法及系统
技术领域
本发明涉及网路监控领域，具体涉及一种基于预测控制的火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法。
背景技术
火电厂工控系统DCS在遭受网络安全威胁时，会发生误动作或者重大危险动作等危害，给火电厂的生产运行安全和经济带来极大的损失。本发明创建一个基于预测控制的虚拟DCS系统，通过对比动作、关键信号的一致性，解决了火电厂DCS系统遭受网络安全威胁的问题。
传统的DCS虚拟技术，较多使用算计较低的微型处理器，使虚拟DCS分析处理输入信号时不具有实时性；且大多未采用优化控制算法，处理结果大相径庭，实用性非常差。本发明提出的基于预测控制优化算法的虚拟DCS系统，开发使用平台是工业主机，满足实时性的同时，也对输出结果的精准性得到了算法上的保障。
火电厂的DCS系统是关键的工控系统，其操作动作具有极其严格的规定。新的操作员一般需要很长的理论培训时间，并需长期在熟练操作员的监督下才能上岗。本发明开发的基于预测控制的虚拟DCS系统，可以让理论得到实践，且结果具有极高的可信度，可以缩短新操作员的实践操作时间，为火电厂DCS系统的操作工作更好更快的开展具有很大的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于预测控制的火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法。
为实现上述目的，本发明提供一种基于预测控制的火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法，具体包括：
S1：创建虚拟DCS系统；
S2：将预测控制算法加入所创建的虚拟DCS系统的控制功能模块得到基于预测控制的虚拟DCS系统；
S3：对所创建的基于预测控制的虚拟DCS系统进行安全控制功能测试，确认测试结果；
S4：对基于预测控制的虚拟DCS系统与DCS系统同步进行运行计算；
S5：确定基于预测控制的虚拟DCS系统与DCS系统运行结果，确认所述结果是否一致；
S6：当基于预测控制的虚拟DCS与真实DCS系统与运行结果一致时，判定系统安全，继续运行。
作为本发明的进一步改进，所述判断基于预测控制的虚拟DCS与真实DCS系统运行结果不一致时，判定系统不安全，报警并通知进入手动操作。
作为本发明的进一步改进，在确定基于预测控制的虚拟DCS系统与DCS系统运行结果，确认所述结果是否一致之前还包括，筛选DCS系统和基于预测控制的虚拟DCS系统中的各项功能输出，得到重要操作输出、重要拒动点和误动点输出项，并加以对比判断两者是否一致。
一种火电厂工控虚拟DCS网络安全实现系统，所述系统包括DCS系统、虚拟逻辑设计系统、基于预测控制的虚拟DCS系统和网络安全监视系统；
所述DCS系统包括DCS功能设计模块和火电厂DCS功能组态模块；
所述DCS功能设计模块，用于提供火电厂DCS各项功能；
所述火电厂DCS功能组态模块，用于提供火电厂DCS组态文件；
所述虚拟逻辑设计系统，用于对火电厂DCS功能设计模块和火电厂DCS功能组态模块提供的各项设置进行软件仿真设计；
所述基于预测控制的虚拟DCS系统用于对创建的虚拟DCS系统的优化控制；
所述网络安全监视系统，用于筛选DCS系统和基于预测控制的虚拟DCS系统各项功能输出，得到重要操作输出、重要拒动点和误动点输出项，并加以对比判断两者是否一致。
作为本发明的进一步改进，所述系统还包括MATLAB编译仿真模块，用于将创建的虚拟DCS系统在工业主机上进行可视化编译集成。
作为本发明的进一步改进，所述虚拟逻辑设计系统还包括虚拟DCS模块，用于对DCS各项功能进行仿真计算，得到与真实DCS系统在相同操作下一致的输出结果。
作为本发明的进一步改进，所述基于预测控制的虚拟DCS系统包含控制器、虚拟DCS系统和状态评估器；
所述虚拟DCS系统，用于提供控制输入变量，所述控制输入变量包括通过传感器观测量和控制输入得到输出量。
所述状态评估器，用于对无法通过传感器观测得到或者观测成本较高的状态量进行估计；
所述控制器，用于对状态量的最优化求解，得到最优控制序列。
本发明中，虚拟DCS(Virtual DCS)，是相对于真实DCS(Real DCS)而言的，虚拟DCS是要在非DCS计算机系统上再现DCS的计算机系统，具体地说，就是要在非DCS系统的通用平台上，尽可能真实地由软件再现建立在实时工业平台上的DCS系统(冷杉.论虚拟分散控制系统技术[J].中国电力,2003,36(2):53-56.)。虚拟DCS的特点，是控制参数和算法来源于从DCS工程师站下载的组态文件，使用与真实DCS系统相同的控制算法、模块、时间片、位号等，能够随着真实DCS系统的修改同步进行更新，能完成复杂的仿真控制应用功能，虚拟DCS的功能逼真度和可信度很高；
预测控制，即模型预测控制(MPC)，是一类特殊的控制。它的当前控制动作是在每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题而获得；过程的当前状态作为最优控制问题的初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用。这是它与那些使用预先计算控制律的算法的最大不同。
有益效果
本发明公开一种火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法及系统中，规避了火电厂工控系统DCS在遭受网络安全威胁时，会发生误动作或者重大危险动作等危害，给火电厂的生产运行安全和经济带来极大的损失。本发明创建一个基于预测控制的虚拟DCS系统，通过对比动作、关键信号的一致性，解决了火电厂DCS系统遭受网络安全威胁的问题。
附图说明
图1本发明所述的基于预测控制的虚拟DCS网络安全实现方法的方法示意图；
图2本发明所述的基于预测控制的虚拟DCS网络安全实现方法流程图；
图3本发明所述的对虚拟DCS施加的预测控制优化控制算法。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体地，如图1，本发明提供一种基于预测控制的火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法，具体包括：
S1：创建虚拟DCS系统；
S2：将预测控制算法加入所创建的虚拟DCS系统的控制功能模块得到基于预测控制的虚拟DCS系统；
S3：对所创建的基于预测控制的虚拟DCS系统进行安全控制功能测试，确认测试结果；
S4：对基于预测控制的虚拟DCS系统与DCS系统同步进行运行计算；
S5：确定基于预测控制的虚拟DCS系统与DCS系统运行结果，确认所述结果是否一致。
S6：当基于预测控制的虚拟DCS与真实DCS系统与运行结果一致时，判定系统安全，继续运行。
作为本发明的进一步改进，所述判断基于预测控制的虚拟DCS与真实DCS系统运行结果不一致时，判定系统不安全，报警并通知进入手动操作。
作为本发明的进一步改进，在确定基于预测控制的虚拟DCS系统与DCS系统运行结果，确认所述结果是否一致之前还包括，筛选DCS系统和基于预测控制的虚拟DCS系统中的各项功能输出，得到重要操作输出、重要拒动点和误动点输出项，并加以对比判断两者是否一致。
一种火电厂工控虚拟DCS网络安全实现系统，所述系统包括DCS系统、虚拟逻辑设计系统、基于预测控制的虚拟DCS系统和网络安全监视系统；
所述DCS系统包括DCS功能设计模块和火电厂DCS功能组态模块；
所述DCS功能设计模块，用于提供火电厂DCS各项功能，所述功能主要包括现场控制功能、集中操作监视功能和综合信息管理功能；
所述火电厂DCS功能组态模块，用于提供火电厂DCS组态文件，具体的主要包括额定控制参数、算法和关联、接口、时间片、位号等参数设置和物理设置；
所述虚拟逻辑设计系统，用于对火电厂DCS功能设计模块和火电厂DCS功能组态模块提供的各项设置进行软件仿真设计；
所述基于预测控制的虚拟DCS系统用于对创建的虚拟DCS系统的优化控制；
所述网络安全监视系统，用于筛选DCS系统和基于预测控制的虚拟DCS系统各项功能输出，得到重要操作输出、重要拒动点和误动点输出项，并加以对比判断两者是否一致。
作为本发明的进一步改进，所述系统还包括MATLAB编译仿真模块，用于将创建的虚拟DCS系统在工业主机上进行可视化编译集成。
作为本发明的进一步改进，所述虚拟逻辑设计系统还包括虚拟DCS模块，用于对DCS各项功能进行仿真计算，得到与真实DCS系统在相同操作下一致的输出结果。
作为本发明的进一步改进，所述基于预测控制的虚拟DCS系统包含控制器、虚拟DCS系统和状态评估器；
所述虚拟DCS系统，用于提供控制输入变量，所述控制输入变量包括通过传感器观测量和控制输入得到输出量，该虚拟DCS系统是预测控制的被控对象，主要提供控制输入变量x(t)，主要有传感器观测量和控制输入等。最终得到输出量y(t)。
所述状态评估器，用于对无法通过传感器观测得到或者观测成本较高的状态量进行估计，具体的用于对无法通过传感器观测得到或者观测成本较高的状态量进行估计，多采用卡尔曼滤波、粒子滤波等方法。提供状态量
Figure BDA0002799505740000061
给控制器加以处理；
所述控制器，用于对状态量的最优化求解，得到最优控制序列，具体的用于对状态量
Figure BDA0002799505740000062
的最优化求解，得到最优控制序列u*(t)。控制器结合预测模型、目标函数和约束条件进行最优化求解。
火电厂的DCS系统是关键的工控系统，其操作动作具有极其严格的规定。新的操作员一般需要很长的理论培训时间，并需长期在熟练操作员的监督下才能上岗。本发明开发的基于预测控制的虚拟DCS系统，可以让理论得到实践，且结果具有极高的可信度，可以缩短新操作员的实践操作时间，为火电厂DCS系统的操作工作更好更快的开展具有很大的意义。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：创建虚拟DCS系统；
S2：将预测控制算法加入所创建的虚拟DCS系统的控制功能模块得到基于预测控制的虚拟DCS系统；
S3：对所创建的基于预测控制的虚拟DCS系统进行安全控制功能测试，确认测试结果；
S4：对基于预测控制的虚拟DCS系统与DCS系统同步进行运行计算；
S5：确定基于预测控制的虚拟DCS系统与DCS系统运行结果，确认所述结果是否一致。
S6：当基于预测控制的虚拟DCS与真实DCS系统与运行结果一致时，判定系统安全，继续运行。
2.根据权利要求1所述的火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法，其特征在于，所述判断基于预测控制的虚拟DCS与真实DCS系统运行结果不一致时，判定系统不安全，报警并通知进入手动操作。
3.根据权利要求2所述的火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法，其特征在于，在确定基于预测控制的虚拟DCS系统与DCS系统运行结果，确认所述结果是否一致之前还包括，筛选DCS系统和基于预测控制的虚拟DCS系统中的各项功能输出，得到重要操作输出、重要拒动点和误动点输出项，并加以对比判断两者是否一致。
4.一种火电厂工控虚拟DCS网络安全实现系统，其特征在于，所述系统包括DCS系统、虚拟逻辑设计系统、基于预测控制的虚拟DCS系统和网络安全监视系统；
所述DCS系统包括DCS功能设计模块和火电厂DCS功能组态模块；
所述DCS功能设计模块，用于提供火电厂DCS各项功能；
所述火电厂DCS功能组态模块，用于提供火电厂DCS组态文件；
所述虚拟逻辑设计系统，用于对火电厂DCS功能设计模块和火电厂DCS功能组态模块提供的各项设置进行软件仿真设计；
所述基于预测控制的虚拟DCS系统用于对创建的虚拟DCS系统的优化控制；
所述网络安全监视系统，用于筛选DCS系统和基于预测控制的虚拟DCS系统各项功能输出，得到重要操作输出、重要拒动点和误动点输出项，并加以对比判断两者是否一致。
5.根据权利要求4所述的火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法，其特征在于，所述系统还包括MATLAB编译仿真模块，用于将创建的虚拟DCS系统在工业主机上进行可视化编译集成。
6.根据权利要求5所述的火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法，其特征在于，所述虚拟逻辑设计系统还包括虚拟DCS模块，用于对DCS各项功能进行仿真计算，得到与真实DCS系统在相同操作下一致的输出结果。
7.根据权利要求6所述的火电厂工控虚拟DCS网络安全实现方法，其特征在于，所述基于预测控制的虚拟DCS系统包含控制器、虚拟DCS系统和状态评估器；
所述虚拟DCS系统，用于提供控制输入变量，所述控制输入变量包括通过传感器观测量和控制输入得到输出量。
所述状态评估器，用于对无法通过传感器观测得到或者观测成本较高的状态量进行估计；
所述控制器，用于对状态量的最优化求解，得到最优控制序列。
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