1. 方案背景与目标

1.1 行业背景

煤炭行业作为保障国家能源安全的基础保障行业，其控制系统的安全性和稳定性至关重要，然而我国的能源煤炭领域工业控制系统网络安全防护相对薄弱，仅采用防火墙等传统手段，在智能化需求数据互联互通的建设过程中，无法彻底保证生产数据的安全性和保密性，提升控制系统安全可信势在必行。

2020年3月，由国家发展改革委、能源局、应急部、煤监局、工信部、财政部、科技部、教育部8部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，煤矿智能化是煤炭行业发展的必由之路，推动智能化技术与煤炭产业融合发展，提升煤矿智能化水平，促进我国煤炭工业高质量发展推动。能源煤炭是我国关键信息基础设施领域，其核心的工控系统是实现自动化、智能化的指挥大脑、控制中心和安全中心，是国民经济、社会运行和国家安全重要基础。《网络安全法》、《关键信息基础设施安全保护条例》等法规政策明确要求提升工业控制系统安全可信、自主可控能力。2021年由国家能源局、国家矿山安全监察局发布的《煤矿智能化建设指南（2021年版）》中明确提出，要逐步实现核心装备控制系统国产化安全可信、自主可控。

各能源集团积极响应煤矿智能化建设发展，围绕自主可控、安全可信、智能互联等关键核心技术问题，推动智能化建设实施安排。

1.2 建设目标

PLC作为煤炭行业生产控制系统的核心，主要应用于煤矿和选煤厂。

智能化煤矿控制系统主要包括智能主运输、智能压风、智能供电、智能采掘、智能通风、智能配电、智能水泵房等系统，承担着煤矿生产及辅助生产的重要作用，高效、稳定、安全的智能化控制系统不仅是保障煤矿安全生产的必备条件，同时也是煤矿信息化、智能化的核心基础。

选煤厂生产控制系统按照业务流程及各设备功能属性，可以将整个系统划分为以下流程或子系统：筛分系统、主洗系统、配电系统、通风系统，以及加压过滤机、阴离子加药、阳离子加药、污水处理等专机设备控制系统。

结合煤炭行业控制系统智能化建设业务需求和网络信息安全的相关规定，控制系统国产化改造主要实现以下目标：

Ø  采用安全可信PLC对原有控制系统升级改造；

Ø  自动化控制系统PLC控制程序的迁移，实现生产控制功能；

Ø  结合“无人值守，少人值班”，完善诊断报警功能；

Ø  提升控制系统自主可控、安全可信能力。

2. 方案详细介绍

智能化控制系统是信息中心SCADA系统的远程监控站点和数据来源，主要应用于井下智能化控制系统（智能主运输、智能压风、智能供电、智能采掘）、井上智能化控制系统（智能通风、智能配电、智能水泵房）、智能化洗煤厂控制系统等。随着煤矿智能化的推进，煤矿工艺日趋完善，各系统数据互联互通，对控制系统设备的稳定性及安全性要求逐渐提高。

为保证煤炭生产控制过程的可靠性和生产的连续性，提高智能化水平的同时保证控制系统信息的安全性，智能化方案采用以和利时公司自主研发的HOLLiSec系列安全可信PLC作为核心控制器。安全可信PLC采用可信计算3.0技术，是一种运算和防护并存的自我免疫的新计算模式，整个过程基于国密芯片可信根，在保证煤炭生产业务流实时性的基础上并行保护策略，进行加解密保护，主动度量不安全因素，及时识别“自己”和“非己”成份，构建控制系统内生安全，下图为可信计算3.0双体系架构图：

煤炭系统架构设计中，信息中心与调度中心之间的远程传输网络、调度中心与现场控制站之间的监控网络、现场控制站与远程IO之间的控制网络提供融合的全以太网方案，同时在通讯协议网络传输过程中，通过安全可信PLC和上位机安装相关安全可信组件，实现对关键数据报文进行加解密，保证数据安全。

PLC集成2个支持Modbus TCP协议的千兆以太网RJ45端口，智能化控制系统站间通信时可设置两个独立IP地址，PLC站间互联时，网段1故障可无扰切换到网段2，保证站间通信的高可靠性。为PLC配置专用以太网接口模块，通过以太网交换机采用OPC UA以太网协议与调度中心的采集服务器进行通信连接，工程师站可通过该通信链路实现对PLC程序的应用管理；此网络独立于现场控制站间通信网络，保证通信的高可用性。可信冗余PLC的主备CPU的专用以太网接口模块对外提供统一的IP地址，主从切换时，上位监控系统的IP地址无需调整即可正常连接，提高系统之间通信效率。

智能化控制系统的PLC与远程IO之间通过网线采用实时工业以太网环网结构连接，当IO距离主站距离较远时，可通过光纤连接。PowerLink协议支持大容量系统的高实时性通信，保证大规模应用时现场数据高实时性传输；PowerLink以太网环网结构，支持对时同步、环网冗余等功能，网络架构中任意断开一个节点，不影响整个系统的网络连通性，保证数据传输安全，确保系统稳定运行。环网自愈时间高达21毫秒，保证环网断网时通信无扰切换，确保设备无扰运行。

安全可信PLC架构可适用于煤炭多个应用场景，下图为选煤厂控制系统整体架构图：

3. 代表性及推广价值

3.1 代表性

基于安全可信PLC控制系统的煤炭智能化解决方案在抵御网络安全攻击的过程中发挥重要的作用，助力推动煤炭行业领域关键信息基础设施的安全防护能力建设，打造具备内生免疫能力的主动安全防御体系，保障煤炭行业各类工控系统的信息安全，从而有效保障国家信息安全。

该方案目前已在多个能源集团现场实现了规模化应用，在井工矿、露天矿、洗选等各类场景中，很好的实现了对原控制系统的升级改造，长期运行稳定、可靠，在关键技术指标上达到或超越国际先进水平，为煤炭行业智能化建设和信息安全建设提供技术保障，为后期煤炭行业控制系统智能化方案设计及改造施工积累了宝贵经验。

3.2 推广价值

长期以来，国内煤炭行业选煤厂等业务场景中大型PLC市场基本上被进口品牌垄断，对我国关键信息基础设施的安全可控造成巨大隐患，在产品和工程方面存在的不可预期的安全隐患，对后期运行维护可能带来的经济损失不可估量。此外，受当前严峻、复杂的国际环境影响，国外控制系统市场价格波动大、供货周期不稳定等各方面因素，带来了直接经济成本明显增大。

安全可信PLC控制系统可广泛应用于矿山自动化的各个场景，包括选煤厂各生产流程和工艺环节，以及露天、井工矿等主辅生产过程和装备控制，在确保安全生产和经济运行方面发挥着重要作用。同时，安全可信PLC控制系统因其良好的宽温和环境适应性，不论在矿山井下等恶劣自然条件下仍能够保持稳定、可靠的控制能力，具备极大的推广价值。

控制系统具有全中文环境、界面友好、易上手、兼容性强；一体化软件无需插件等多方面易用性功能设计，相比其它控制系统更加简单易用。同时，国产控制系统在技术上实现全面自主可控，可提供完整的技术资料交付，方便现场各类维护，并且能够实现专业维护和技术人员的快速培养。

国产控制系统生产制造均设立在中国境内，软硬件设计、生产和成套均能够提供属地化资源配置，已具备成规模的自有产线和成熟的质检体系，确保产品供货能力与品质可控，大幅度提高了供应链和生产过程的稳定性、可靠性。技术和产品服务可实现全国范围内的属地化服务，目前已建设覆盖全国的服务网点，研发团队与工程团队本地化，可快速响应并有效提升产品和工程的服务质量。