工业过程的集散控制系统及网络安全防护虚拟仿真实验

一、实验目的

该虚拟仿真实验项目以典型的复杂工业过程即火电厂发电过程为被控对象，并按照实际工控系统设计开发全流程设计了所有的实验步骤，让学生从自动化工程师的角度来完成整个复杂工业过程控制系统的分析、设计、开发和调试等过程。仿真实验内容包括被控对象工艺流程及特性分析，集散控制系统设计、开发和调试、工控网络安全防护等环节。被控对象工艺流程及特性分析，集散控制系统设计、开发和调试等实验环节让学生以自动化工程师的身份，系统并完整的进行复杂工业过程集散控制系统设计与开发。在此基础上，鉴于工控网络信息安全作为新兴产业技术已经得到了工业界特别是工控行业的广泛关注，而工控网络是集散控制系统的重要组成部分，因此以火电厂集散控制系统为例，设计了工控网络信息安全防护的虚拟仿真实验教学环节。

基于成果导向，本项目的实验目的是通过虚拟仿真实验教学，使学生具备以下能力：

（1）以典型的复杂工业过程即火电厂发电过程为场景，通过火电厂集散控制系统仿真实验环节，使学生具备工业过程集散控制系统的设计、开发和调试的能力。

（2）以火电厂集散控制系统为例，通过工控网络安全防护虚拟仿真实验环节，使学生具备工业控制网络的安全分析、防护设计能力。

（3）通过被控对象特性分析、集散控制系统设计和开发、工控网络安全防护等虚拟仿真实验教学环节，使学生掌握实际复杂工业过程控制系统的设计开发全流程，并具备以系统的、整体的观点对工业控制系统进行分析和设计的能力。

本虚拟仿真实验以完整的复杂工业场景为背景，并依据实际工业现场控制系统的设计开发流程设计了全部的实验步骤，通过构建逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的专业实验和实训，达到实物装置实验不具备或难以实现的教学效果，可有效地培养学生解决复杂工程问题的能力，有效地培养学生系统的工程思维能力。

二、实验原理

本虚拟仿真实验项目以火电厂发电过程为被控场景，完成火电厂集散控制系统的设计开发及工控网络的安全防护。在实验过程中，学生需要从工程师的角度来完成复杂工业过程集散控制系统的设计开发，整个实验步骤完全按照工业现场实际控制系统的设计开发流程进行，包括被控对象工艺流程及特性分析、控制目标、控制方案、硬件设计（包括I/O点统计、设备接线等）、DCS软件组态、DCS运行及故障维护、DCS工控网络安全防护等内容。

本虚拟仿真实验项目主要包括“认知学习”、“DCS调试运行”、“工控网络信息安全”三个实验模块。在“认知学习”模块中，学生需要掌握被控对象即火电厂的工艺流程及特性分析。“认知学习”模块包含火电厂三维场景漫游，可以在三维场景进行炉膛风烟设备（包括炉膛、空气预热器、送风机、引风机、脱硝装置、除尘器等），除氧给水设备（包括除氧器、高压加热器、给水泵、前置泵等），执行机构（给水调节阀等），传感器（压力变送器等）等各种设备进行认知学习，可以查看被控对象运行状态、关键设备内部结构和流程特效动画，从而可以更好的了解被控对象的工艺流程以及被控设备特性。“认知学习”模块中还包括DCS设备组成、网络架构、工控网络安全原理及设备学习等内容。

“DCS调试运行”模块覆盖了实际工业现场控制系统开发的全流程，主要包括控制目标、控制方案、硬件设计（包括I/O点统计、设备接线等）、网络配置、DCS组态（包括控制软件和监控画面）、DCS运行及故障维护等内容。按照工业现场实际控制系统的设计开发流程，学生首先确定控制目标，然后根据控制目标和工艺流程特性确定控制方案，本实验中控制方案主要包括单回路控制与串级控制。依据控制方案，学生需统计现场I/O点，确定DCS硬件模块后完成设备接线，之后，学生完成DCS通信网络的设计和配置。当系统控制方案设计、硬件接线和网络配置完成以后，学生进入DCS软件开发过程，包括控制软件SAMA组态、监控画面的开发、控制参数调试等等。软件开发完成以后，学生进入DCS运行界面，观察系统运行效果，并根据运行效果对控制方案和控制参数进行优化。最后，模拟现场注入故障，学生对DCS突发的故障进行维护。

“工控网络信息安全”模块中包括工控网络攻击演练、工控网络防护规划、防护实施与测试等实验内容。学生首先完成工控网络攻击演练。在攻击演练完成后，系统会根据演练结果形成攻击演练分析表。学生根据分析表分进行工控网络防护方案设计，并完成相关步骤，然后再次进行攻击测试以验证防控效果，入侵信息会发送到工业安全管控平台，学生可以在工业安全管控平台上查看入侵结果与信息。

三、实验教学方法

本虚拟仿真实验教学目标是培养学生具备复杂工业控制系统的设计和开发能力，以及系统的工程思维能力。为实现该教学目标，本虚拟仿真实验坚持以学生为中心的实验教学理念，采用多样化的实验教学方法以充分调动学生参与实验的积极性和主动性。本虚拟仿真实验的教学方法主要包括任务驱动式教学方法、交互体验式教学方法和探究式教学方法，将上述教学方法贯穿于场景构建、环节设置、步骤安排和评价体系等各环节中，各个实验教学方法的实施过程如下：

（1）任务驱动式的实验教学方法

在本虚拟仿真实验教学项目中，学生需要完成的整体任务是复杂工业过程DCS控制系统的设计和开发（含网络安全防护配置）。在实验过程中，将整体任务将分解成若干个子任务。例如，在DCS调试运行中，将任务分解为控制目标与方案设计、I/O点统计、硬件安装与接线、网络配置、DCS软件组态、DCS系统运行与调试等多项子任务。以这种任务驱动的方式，引领学生开展实验，在完成任务过程中发现问题、分析问题和解决问题，充分培养学生的理论联系实际能力，以及系统的工程思维能力。

（2）交互体验式的实验教学方法

本项目的三维场景可以有效的还原工业现场环境，包括火电厂场景漫游，DCS硬件安装调试，DCS运行及故障调试、工控网络攻击演练等多个实验环节均采用三维交互体验式的教学方法。学生以自动化工程师的身份在场景中漫游，可以产生身临其境的感受，并可以进行各种信息的交互，强化了实验教学效果。

（3）探究式的实验教学方法

本项目的多个实验环节均需要学生以工程师的身份进行自主探索完成。例如在控制方案设计环节中，需要学生自主探索控制方案的设计，当方案设计或控制参数不合理时，系统会给出相应的提示操作，并显示错误的控制响应曲线；当系统控制方案环节完成后，学生进入软件组态和监控画面组态的实验环节中，在这些实验环节中，学生仍然需自主探索并完成控制软件开发和监控画面的开发。在上述不断探索和试错过程中，学生能够更加深刻的理解相关的知识内容，更好的提升工程实践能力。