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杭州和利時自動化有限公司吳辰璇，朱珂，費盼峰

中煤新集利辛發(fā)電有限公司李啟鋒

1　項目目標和概述

傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的應用已有多年歷史，能較好地完成傳統(tǒng)控制任務。但隨著流程工業(yè)對生產(chǎn)控制精細化、高效化的要求不斷提高，以及人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)在的控制系統(tǒng)不僅要處理傳統(tǒng)的溫度、壓力、流量和液位等四大傳感信號，而且還要能夠處理視覺、語音等以前沒有的信號，要支持5G等無線通信，這些傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是無法做到的；另外，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)廠家各自都有自己的通信協(xié)議，不開放、不可擴展、不可兼容，這對于未來按需生產(chǎn)的智能制造是不相適應的。因此，傳統(tǒng)DCS難以實現(xiàn)與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的深度融合，難以滿足對控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的更高要求。

近年來，隨著業(yè)界針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等的技術(shù)體系探索，以及5G的通訊技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬化技術(shù)的發(fā)展，為OT與IT層深度融合、協(xié)同控制提供了途徑，工廠需要更扁平的架構(gòu)、更簡單的流程和更智能的分析。

中煤新集利辛發(fā)電有限公司（用戶單位）位于安徽省亳州市利辛縣胡集鎮(zhèn)，于2008年12月成立。其裝機規(guī)模為3320MW，分二期建設：一期工程2×1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機組于2016年10月建成投產(chǎn)，基建期先后獲得省部級以上獎項121項，2018年榮獲國家優(yōu)質(zhì)工程金獎，被列為國家第一批煤電聯(lián)營重點推進項目，實現(xiàn)了全國工期最短、質(zhì)量最優(yōu)、安全最好、造價最低，是我國首座“科技領(lǐng)先、指標先進、綠色環(huán)保”的百萬千瓦級“煤電一體化”標桿項目；二期工程2×660MW超超臨界燃煤機組于2021年1月獲得核準，正在建設，將于2024年迎峰度夏前正式發(fā)電，是安徽省“十四五”規(guī)劃建設重點項目，致力打造國際領(lǐng)先的新型智慧電廠。

本項目是以中煤新集利辛板集電廠擴建工程為基礎，研發(fā)控制器虛擬化軟件及配套通信網(wǎng)關(guān)，并應用到板集電廠二期輔助車間。板集電廠擴建工程是在一期規(guī)劃的擴建場地上進行擴建，其將建設2臺超超臨界二次再熱660MW燃煤發(fā)電機組，同步建設脫硫、脫硝、除塵、廢水處理等裝置。

本項目中的虛擬DCS控制系統(tǒng)是以發(fā)電過程的自動化、信息化、數(shù)字化、標準化為基礎，運用5G、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，探索構(gòu)建適應電廠業(yè)務特點和發(fā)展需求的“數(shù)據(jù)中臺”“業(yè)務中臺”等新型IT架構(gòu)模式，建設敏捷高效的新一代數(shù)字技術(shù)基礎設施。本項目以管控一體化、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)為平臺，集成智能傳感與執(zhí)行、智能控制與優(yōu)化、智能管理與決策等技術(shù)，形成智慧發(fā)電運行控制管理模式，實現(xiàn)更加安全、高效、清潔、低耗、靈活的生產(chǎn)目標，構(gòu)建更高階段的信息化與自動化電廠，全面接近并最終實現(xiàn)感知智能化、控制智能化、運維智能化、經(jīng)營智能化、安全智能化、值守少人化的理想目標，建設具有自感知、自分析、自診斷、自決策、自學習、自尋優(yōu)、自適應等功能的國際領(lǐng)先新型智慧電廠。

本項目在二期輔助車間擬建設云平臺控制系統(tǒng)，其采用和利時虛擬化DCS控制系統(tǒng)來控制IO點規(guī)模6600多點，覆蓋水系統(tǒng)（原水石灰處理系統(tǒng)、循環(huán)水排污水膜處理系統(tǒng)、脫硫廢水零排放、工業(yè)水系統(tǒng)、含煤廢水處理等）、灰?guī)煜到y(tǒng)（廠內(nèi)灰?guī)臁摪宕蠡規(guī)斓龋┘拜斆合到y(tǒng)，實現(xiàn)智能化控制。

圖1 板集電廠全景圖

2　案例介紹

2.1　系統(tǒng)架構(gòu)

板集電廠二期項目首次在電力行業(yè)應用基于DCS虛擬化的輔助車間云平臺控制系統(tǒng)，取消輔網(wǎng)DCS控制裝置，通過部署在生產(chǎn)云系統(tǒng)的虛擬DCS控制器實現(xiàn)控制、遠程操作、統(tǒng)一管理等功能。

虛擬DCS控制系統(tǒng)通過在VMware ESXi虛擬化平臺上運行的硬實時操作系統(tǒng)（RTLinux）代替?zhèn)鹘y(tǒng)分散控制系統(tǒng)控制器I/O控制、邏輯運算的功能。

虛擬DCS控制創(chuàng)新將5G技術(shù)與云平臺、虛擬化控制器系統(tǒng)深度融合，開放硬件平臺，實現(xiàn)軟件與硬件解耦，參用分布式設計，實現(xiàn)資源池的虛擬化、分時共享、動態(tài)調(diào)配、彈性伸縮。

虛擬DCS控制系統(tǒng)的實施將促使傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)由軟硬件綁定架構(gòu)逐步轉(zhuǎn)向云計算架構(gòu)，解決工業(yè)控制系統(tǒng)平臺封閉、軟硬件捆綁、建設周期長、資源利用率低、數(shù)據(jù)孤島、大數(shù)據(jù)應用開發(fā)門檻高等技術(shù)難題，實現(xiàn)控制系統(tǒng)硬件軟件化，打破自動化領(lǐng)域的國外大型供應商主導的壟斷局面，推進軟件國產(chǎn)化的數(shù)字轉(zhuǎn)型。

虛擬DCS控制系統(tǒng)采用通用虛擬化硬件平臺，研發(fā)輕量化云平臺、虛擬化控制技術(shù)等，具有靈活性高、性價比高、可靠性高、可按需部署等技術(shù)特點。該成果已在板集電廠一期化水系統(tǒng)進行試運行，系統(tǒng)性能良好、運行穩(wěn)定；正在二期及其他項目推廣應用，將進一步提高生產(chǎn)效率、降低煤耗，推動工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

虛擬DCS控制系統(tǒng)是探索DCS產(chǎn)品未來新形態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)，主要研究內(nèi)容為：

（1）虛擬控制系統(tǒng)基礎研究，基于電力生產(chǎn)指定運行環(huán)境部署的可行性研究。

（2）研究虛擬機下控制器底層操作系統(tǒng)選型，包括操作系統(tǒng)運行周期穩(wěn)定性和準確性。

（3）研究虛擬控制器軟件架構(gòu)、模塊化設計及可擴展性。

（4）研究控制網(wǎng)通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、可靠性、安全性和控制器、邊緣網(wǎng)關(guān)與IO的高速通信技術(shù)。

（5）研究虛擬化后多個控制器的冗余技術(shù)，包括控制網(wǎng)鏈路冗余、多控制器冗余網(wǎng)對帶寬的要求、網(wǎng)絡負荷的影響。

（6）研究5G技術(shù)應用于工業(yè)控制場景的可行性及接口裝置及測試驗證。

（7）基于板集電廠廢水處理、輸煤、除灰工藝系統(tǒng)特點，完成基于虛擬化DCS控制系統(tǒng)的工程設計、軟硬件配置、智能控制等應用研究。

本系統(tǒng)構(gòu)成如圖2、圖3所示。

圖2 虛擬控制器系統(tǒng)核心架構(gòu)圖

圖3 板集電廠虛擬云平臺網(wǎng)絡架構(gòu)圖

本虛擬控制系統(tǒng)核心架構(gòu)包括上位監(jiān)控、虛擬控制器、網(wǎng)關(guān)和IO設備，其中：

（1）上位監(jiān)控

上位監(jiān)控系統(tǒng)采用和利時MACS6.5.4版本，具備工程師站、操作員站、歷史站等功能，包含HAMS，支持新的虛擬控制器組態(tài)和監(jiān)控等功能，保持與傳統(tǒng)DCS軟件整體功能基本一致。

（2）虛擬控制器

虛擬控制器部署在服務器中，由硬件資源、虛擬化平臺軟件、操作系統(tǒng)及應用軟件組成，具備傳統(tǒng)控制器功能。通過虛擬化技術(shù)，一臺服務器可以部署多個控制器。虛擬控制器支持控制器冗余，和上位機軟件通過雙以太網(wǎng)進行通信。

硬件資源：支持X86架構(gòu)的商用PC機部署；

虛擬化平臺軟件：支持自定義虛擬化軟件部署，可以在商業(yè)虛擬機上運行；

操作系統(tǒng)：虛擬控制器的操作系統(tǒng)采用實時操作系統(tǒng)RSlinux+實時補丁方式，保證控制器能夠完成實時控制；

應用軟件：虛擬控制器軟件（RTS）架構(gòu)。

（3）網(wǎng)絡

整個系統(tǒng)中包含三種網(wǎng)絡，即系統(tǒng)網(wǎng)網(wǎng)絡、控制網(wǎng)網(wǎng)絡、冗余網(wǎng)網(wǎng)絡。

系統(tǒng)網(wǎng)：DCS工程師站、操作員站、歷史站、AMS軟件等與控制器通信的網(wǎng)絡。

控制網(wǎng)：控制器與IO模塊進行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡。

（4）網(wǎng)關(guān)

完成虛擬控制器與IO模塊間的以太網(wǎng)和DP之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)云化控制器和I/O模塊的通信。單網(wǎng)關(guān)支持4條鏈路獨立DP，與控制器之間通過以太網(wǎng)（UDP）通信，支持兩條鏈路冗余。5G網(wǎng)絡部署在虛擬控制器和網(wǎng)關(guān)之間，通過5G網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)有線轉(zhuǎn)無線透傳。

（5）IO模塊

保持和傳統(tǒng)IO模塊一致。

2.2　系統(tǒng)特點

（1）硬件架構(gòu)：云化部署，優(yōu)化資源配置。ICS硬件架構(gòu)，包括虛擬控制器、智能應用云服務器、實時數(shù)據(jù)庫云服務器、關(guān)系數(shù)據(jù)庫云服務器、智能算法平臺云服務器、數(shù)據(jù)支撐環(huán)境云服務器、計算云服務器、智能控制器、高級值班員站等。

（2）軟件架構(gòu)：低代碼更便捷、更可靠。全廠一體化控制，同時提供高度開放的第三方應用開發(fā)環(huán)境和接口規(guī)范，支持對第三方專用控制運行軟件包的集成。系統(tǒng)應具有數(shù)據(jù)挖掘、智能計算與分析、信息可視化組態(tài)、低代碼建模、高級報警管理、畫面增強、視頻集成、知識庫等的運行支撐環(huán)境。系統(tǒng)選擇成熟、穩(wěn)定、先進的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡協(xié)議、中間件等，采用高可用技術(shù)，保證系統(tǒng)具備長期穩(wěn)定工作的能力，當出現(xiàn)誤操作或異常情況時，有良好的系統(tǒng)糾錯和恢復能力。

（3）網(wǎng)絡架構(gòu)：互聯(lián)更安全，充分保障DCS層安全。生產(chǎn)控制網(wǎng)以ICS網(wǎng)絡為架構(gòu)，建立一體化系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)運行智能監(jiān)控，通過智能應用功能，實現(xiàn)發(fā)電智能控制與尋優(yōu)。生產(chǎn)控制網(wǎng)貫通ICS廠級和機組級，包括I/O通訊網(wǎng)、實時控制網(wǎng)和高級應用服務網(wǎng)，通過服務安全、網(wǎng)絡隔離、信道加密、分權(quán)限訪問、審計等技術(shù)措施保障網(wǎng)絡安全。

圖4 和利時智能云平臺特點

2.3　技術(shù)指標

（1）支持虛擬控制器資源監(jiān)測及診斷。

（2）支持傳統(tǒng)控制器冗余功能，實現(xiàn)控制器無擾切換。

（3）控制器虛擬化后借助高頻CPU運算能力比傳統(tǒng)控制器提高5倍數(shù)以上，可降低傳統(tǒng)控制器的運算負荷。

（4）支持運算和通信管理分核處理，獨自CPU核運算，提供強大運算能力。

（5）支持工藝模型仿真運行，模型數(shù)據(jù)使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)的鏡像，可實現(xiàn)現(xiàn)場事故預測。

（6）支持工業(yè)控制網(wǎng)絡與現(xiàn)場總線的統(tǒng)一。

（7）支持IEC61131-3組態(tài)多任務運行。

（8）支持傳統(tǒng)控制器的IEC61131-3組態(tài)邏輯運算。

（9）支持C語言編制算法，擴展第三方智能優(yōu)化算法。

2.4　安全措施

本系統(tǒng)及配套工程在設計之初就對運行安全風險進行了充分的評估，并將風險應對措施融入到了系統(tǒng)中。對于潛在的安全風險，我們也提出了切實可行的管控措施。本系統(tǒng)主要可能出現(xiàn)的風險及管控措施如下：

（1）針對系統(tǒng)單控制器及單網(wǎng)絡故障風險

通過控制器冗余、網(wǎng)絡冗余設計實現(xiàn)故障自動切換機制，對風險進行了有效避免。

（2）針對電源故障可靠性風險

如果出現(xiàn)單服務器電源全部失效，則所在該服務器的所有虛擬控制器冗余系統(tǒng)會診斷出對方機故障，會出現(xiàn)備機虛擬控制器升主的情況。這種情況也相當于傳統(tǒng)控制器的主控制器的電源全部是失效，系統(tǒng)也會出現(xiàn)備機升主的情況。

（3）針對通信故障風險

系統(tǒng)具有斷網(wǎng)后IO信號保持、聯(lián)鎖保護邏輯維持等功能。

由上節(jié)技術(shù)說明，整個控制系統(tǒng)通信層級設計相互獨立，互不影響，故障不擴散，降低因為耦合導致的問題。整個控制系統(tǒng)通信層級各個環(huán)節(jié)都是冗余設計，冗余設計提高了系統(tǒng)可用性和可靠性。如果控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡多重故障，控制系統(tǒng)策略：可以輸出保持和安全值輸出。

（4）云平臺虛擬機管理軟件的可靠性及故障應對措施

虛擬化是由Hypervisor來實現(xiàn)的。Hypervisor具有監(jiān)管功能，可以讓多個運行環(huán)境相互獨立，由此提供了一種隔絕機制，讓每個應用都運行在獨立的環(huán)境中，從而提高系統(tǒng)的可靠性、防護性和安全性。由于采用的是虛擬機方式，能達到完全隔離，實時性有保障，各個虛擬機間相互不影響。資源確定性：運算，存儲等資源預先分配好的，資源能夠得到保障，運行更安全。一旦虛擬機管理軟件出現(xiàn)異常情況，相當于傳統(tǒng)控制器的控制器異常，虛擬控制器會重啟，備機會升主機。單故障實現(xiàn)無擾切換。

（5）虛擬控制器實時操作系統(tǒng)的可靠性及故障應對措施

虛擬控制器采用的是實時操作系統(tǒng)。這個實時操作系統(tǒng)經(jīng)過多行業(yè)（包括工控行業(yè)）、多種場景使用，是非常成熟的系統(tǒng)。操作系統(tǒng)后臺有監(jiān)控程序（相當于看門狗），一旦出現(xiàn)操作系統(tǒng)異常能夠識別。如果操作系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況，故障控制器會重啟，降為備機控制器，之前的備機控制器會升主機。單故障實現(xiàn)無擾切換。

（6）虛擬控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性保障

組網(wǎng)方案：物理層專用通道或者劃分VLAN，確保輔助車間就地設備與云平臺虛擬控制器的穩(wěn)定通信，避免網(wǎng)絡擁塞、風暴等問題。

（7）工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡安全

依據(jù)國能安全36號文中對于發(fā)電廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡安全等級保護的要求，中煤新集利辛板集電廠二期項目為2臺66萬的機組，本次輔助車間控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全等級保護建設應按照安全等級保護3級系統(tǒng)能力進行建設，要求解決方案設計遵循GB/T25070-2019網(wǎng)絡安全等級保護安全設計技術(shù)要求，以設計要求中提出的工業(yè)控制系統(tǒng)保護安全技術(shù)設計框架為基礎，滿足工業(yè)控制系統(tǒng)等級保護安全技術(shù)設計構(gòu)建在安全管理中心支持下的計算環(huán)境、區(qū)域邊界、通信網(wǎng)絡三重防御體系，“一個中心三重防護”，就是針對安全管理中心和安全計算環(huán)境、安全區(qū)域邊界、安全通信網(wǎng)絡的安全合規(guī)進行方案設計，建立以計算環(huán)境安全為基礎，以區(qū)域邊界安全、通信網(wǎng)絡安全為保障，以安全管理中心為核心的網(wǎng)絡安全整體保障體系。

（8）工程可靠性設計加強保障

本項目針對遠距離通信，及系統(tǒng)IO大規(guī)模化容量，及不同工藝系統(tǒng)對控制實時性及保護等級要求，以基于圖論優(yōu)化設計方法對系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲進行了優(yōu)化設計，充分保障系統(tǒng)交換節(jié)點的延遲，并通過工藝專家經(jīng)驗對系統(tǒng)進行合理的分站設計及硬件配置。同時設計還考慮到整個系統(tǒng)遇到光纜被挖斷等不可抗力風險出現(xiàn)時，系統(tǒng)的安全停運、虛擬控制系統(tǒng)與實體控制系統(tǒng)的快速切換等方案。

總之，本項目在技術(shù)研發(fā)和工程設計階段均對未來風險進了充分的評估，并做好了充分的措施，確保系統(tǒng)可靠。

3　代表性及推廣價值

能源領(lǐng)域首臺虛擬化控制系統(tǒng)的研制和應用具有重要意義。在國內(nèi)可規(guī)模化工業(yè)應用的虛擬化控制系統(tǒng)尚未推出，在能源行業(yè)尤其無規(guī)模應用先例，該技術(shù)國內(nèi)主要還在小規(guī)模試驗階段。板集電廠作為國內(nèi)第一家虛擬化技術(shù)落地和應用的火電示范性項目，項目建成后，將在火電行業(yè)的技術(shù)發(fā)展史中占據(jù)極為重要的地位，代表著國內(nèi)電力能源領(lǐng)域在智能化、智慧化進程中又一個標志性的里程碑。

首先，虛擬化控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)智慧能源的管理和調(diào)度。通過將能源控制系統(tǒng)核心控制器的虛擬化，可以實現(xiàn)對能源系統(tǒng)的遠程控制，實時監(jiān)測分析和優(yōu)化。虛擬化控制系統(tǒng)支持強大算力，可以通過智能算法和機器學習技術(shù)，根據(jù)能源需求、供需情況和環(huán)境條件等因素，自動調(diào)整能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提高能源利用效率，降低能源消耗和排放。

其次，虛擬化控制系統(tǒng)通過5G的互聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)能源互聯(lián)和合作。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能源系統(tǒng)不再是單一的能源供給和消耗系統(tǒng)，而是通過互聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)能源生產(chǎn)、儲存、輸送和使用的全面互聯(lián)。虛擬化控制系統(tǒng)可以通過智能化和自動化的方式，實現(xiàn)不同能源系統(tǒng)的互聯(lián)和協(xié)同運行，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

第三，虛擬化控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)自主可控的能源管理。傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)通常由集中式的調(diào)度中心控制和管理，缺乏對系統(tǒng)的實時監(jiān)測和響應能力。而虛擬化控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)能源系統(tǒng)的分布式管理和控制，每個設備和組件都具備自主決策和調(diào)度功能。通過實時監(jiān)測和分析能源系統(tǒng)的狀態(tài)和性能，虛擬化控制系統(tǒng)可以快速響應能源需求和變化，實現(xiàn)更加靈活和可靠的能源管理。

最后，虛擬化控制系統(tǒng)的研制和應用將受益于5G技術(shù)的引入。5G技術(shù)具有高速傳輸、低時延和大規(guī)模連接等特點，能夠為虛擬化控制系統(tǒng)提供強大的網(wǎng)絡支持和數(shù)據(jù)傳輸能力。通過5G技術(shù)，虛擬化控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)能源系統(tǒng)的實時監(jiān)測和控制，提高系統(tǒng)的響應速度和精確度。

總之，能源領(lǐng)域首臺虛擬化控制系統(tǒng)的研制和應用具有重要的意義。它將推動能源系統(tǒng)向智能化、互聯(lián)化和自主可控的方向發(fā)展，提高能源利用效率和可靠性，實現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展的目標。同時，虛擬化控制系統(tǒng)的應用還將受益于5G技術(shù)的引入，后者為能源系統(tǒng)提供強大的網(wǎng)絡支持和數(shù)據(jù)傳輸能力。

摘自《自動化博覽》2025年2月刊