★杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司李戎，賈曉科

1　方案目標和概述

為了適應國家“雙碳”目標提出后電力行業(yè)長(cháng)遠發(fā)展需要，電力行業(yè)企業(yè)積極融入和服務(wù)新型電力市場(chǎng)建設，加快推進(jìn)火力發(fā)電機組的改造進(jìn)程。在推進(jìn)煤電機組改造升級過(guò)程中，統籌考慮煤電節能改造、供熱改造及靈活性改造，更多地承擔系統調峰、調頻、調壓和備用功能，發(fā)揮“托底保供”的作用。隨著(zhù)“碳達峰、碳中和”戰略的進(jìn)一步推行，清潔高效的火力發(fā)電將是我國雙碳目標實(shí)現的重要抓手。面對如今日益嚴格的綠色發(fā)展要求，火力發(fā)電行業(yè)將加大科技創(chuàng )新力度，提升綠色管理水平，增強行業(yè)綠色競爭力。

在工業(yè)互聯(lián)發(fā)展階段的新形勢下，在企業(yè)現有傳統DCS控制系統的基礎上建設智能化控制平臺，可以提供更聰明、準確、本地化的數據處理，與DCS控制系統形成良好地統一，可以為工業(yè)企業(yè)提供一套堅強的智能控制系統方案，以滿(mǎn)足智能制造、產(chǎn)業(yè)升級的發(fā)展趨勢。

從工業(yè)企業(yè)的大量生產(chǎn)控制數據中發(fā)覺(jué)價(jià)值，并有效服務(wù)于自身的業(yè)務(wù)是基于智能系統的智能監盤(pán)系統給出的解決方案，把數據從生產(chǎn)控制系統提取出來(lái)進(jìn)行深度分析、計算、加工后反饋給控制系統和操作人員，讓傳統監盤(pán)走向智能化、自動(dòng)化控制邁向智能化控制。

通過(guò)智能平臺將自動(dòng)化、信息化與智能化技術(shù)在發(fā)電生產(chǎn)領(lǐng)域進(jìn)行深度融合，實(shí)現大數據、物聯(lián)網(wǎng)、可視化、專(zhuān)家系統、先進(jìn)測量與智能控制等技術(shù)在發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程中的系統化的應用，達成發(fā)電生產(chǎn)更安全、更高效、更清潔、更低碳、更靈活的目標。

和利時(shí)智能控制系統平臺（ICS）以和利時(shí)DCS系統網(wǎng)絡(luò )為網(wǎng)絡(luò )基礎架構，在智能控制網(wǎng)段配備與DCS一體化的高級應用控制器和高級應用服務(wù)器、數據服務(wù)器等，提供數據分析環(huán)境、智能計算環(huán)境、智能控制環(huán)境和開(kāi)放的智能應用開(kāi)發(fā)環(huán)境，其中開(kāi)放的應用環(huán)境可以為第三方的智能模塊提供組態(tài)工具，支持第三方開(kāi)發(fā)的算法模型、高級應用置于統一的平臺資源環(huán)境下運行。將常規DCS系統升級成智能DCS系統，并確保不影響原有DCS系統安全。

ICS系統平臺幫助用戶(hù)實(shí)現從自動(dòng)化生產(chǎn)（Automated Production）向自主化生產(chǎn)（Autonomous Production）演變，通過(guò)智能應用實(shí)現控制、操作和管理的閉環(huán)（感知、分析、決策、執行），從而實(shí)現企業(yè)運營(yíng)的持續改善。

2　方案詳細介紹

和利時(shí)ICS智能控制平臺，用于構建智能、開(kāi)放、綜合的新一代大型火電智能化發(fā)電運行管控系統，使電廠(chǎng)生產(chǎn)運行更高效、更靈活、更可靠。平臺采用OT+IT的融合架構，集成專(zhuān)家經(jīng)驗、機理模型、先進(jìn)預測控制、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、先進(jìn)傳感技術(shù)，對邊緣采集數據進(jìn)行采集、挖掘和深度分析，提供機組在線(xiàn)深度優(yōu)化、智能運行監控、設備故障預警與診斷等智能化應用，實(shí)現基于能效的閉環(huán)控制、提升設備的可靠性與利用率、提升人員經(jīng)驗與知識的可復用程度，從而最終實(shí)現電廠(chǎng)經(jīng)濟效益和運行安全的全面提升。ICS智能控制平臺整體架構如圖1所示。

圖1 ICS智能控制平臺整體架構

ICS智能控制平臺采用彈性計算的服務(wù)器架構，彈性計算是一種可縮放的計算資源，支持動(dòng)態(tài)調整計算、存儲和網(wǎng)絡(luò )資源以適應使用需求的增加和減少，可以將計算和存儲資源的供應與需求密切相關(guān)，橫跨整個(gè)計算、存儲和網(wǎng)絡(luò )范圍的動(dòng)態(tài)調整。

ICS采用平臺+應用的軟件架構（如圖2所示），平臺層為應用提供公用的軟件資源，包括實(shí)時(shí)庫、歷史庫、報警庫等數據庫資源，也為應用提供通用的組態(tài)工具，如算法工具、報表工具、畫(huà)面組態(tài)工具等，同時(shí)還提供算法的運行時(shí)環(huán)境。應用層提供參數模型管理、參數模型訓練、機器視覺(jué)的訓練與管理、智能尋優(yōu)等應用工具，支持智能控制應用的設計和運行管理。

圖2 ICS智能控制平臺軟件架構

ICS提供豐富的數據通訊方式，支持基于TCP、MQTT協(xié)議的數據采集，提供基于RESTful、gRPC、OPCUA等方式的數據服務(wù)接口。ICS服務(wù)器所有端口采用加固策略限制，通訊僅限于指定的設備之間，ICS與控制系統之間采用白名單的機制，只有在白名單內的測點(diǎn)才允許被回寫(xiě)，敏感數據采用加密的方式訪(fǎng)問(wèn)和存儲。

綜上所述，ICS的主要特點(diǎn)如下：

（1）該平臺基于傳統集散控制系統功能之上，提供虛擬化、分布式、彈性可伸縮的智能控制能力，以“軟件定義控制”的方式滿(mǎn)足智能工廠(chǎng)各類(lèi)柔性、動(dòng)態(tài)、分布式的高級控制及部署要求，形成流程行業(yè)生產(chǎn)運營(yíng)的智能一體化方案。

（2）平臺提供了基于Web技術(shù)的符合用戶(hù)習慣的類(lèi)IEC61131-3低代碼組態(tài)調試工具，提供工業(yè)常用通用算法及流程行業(yè)專(zhuān)業(yè)算法，如智能檢測、智能控制、智能尋優(yōu)、智能監盤(pán)、智慧決策等；支持包括Matlab/Simulink、C/C++、Python、Java等語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的模型導入，方便用戶(hù)積累沉淀現有成熟工業(yè)機理、機器學(xué)習模型及專(zhuān)家經(jīng)驗；工程師及用戶(hù)可針對現場(chǎng)實(shí)際情況靈活配置、編排、調試已有行業(yè)機理及機器學(xué)習模型算法，加速應用落地及迭代升級。

（3）平臺支持主流工業(yè)協(xié)議接入、具備工業(yè)異構數據融合能力，提供基于OPCUA開(kāi)放的信息模型組織數據，配合低代碼人機界面工具，工程師及用戶(hù)快實(shí)現智能應用的數據集成及人機頁(yè)面搭建。

（4）平臺提供基于5G網(wǎng)絡(luò )的閉環(huán)控制功能，通過(guò)5G+智能控制器+通用I/O+智能現場(chǎng)儀表，實(shí)現高可靠、安全的無(wú)線(xiàn)控制閉環(huán)，預期可以極大節省工廠(chǎng)工程實(shí)施、維護與運維成本。

（5）提供安全可信技術(shù)架構，基于工業(yè)生產(chǎn)與控制的特點(diǎn)，防護措施覆蓋生產(chǎn)層到現場(chǎng)控制層，實(shí)現了控制與安全的真正深度融合，確保在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構下，企業(yè)生產(chǎn)的主動(dòng)信息安全防御能力。

3　代表性及推廣價(jià)值

基于ICS的智能控制應用可圍繞經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性目標充分挖掘創(chuàng )新技術(shù)應用的價(jià)值，為工業(yè)企業(yè)、社會(huì )產(chǎn)生積極的價(jià)值和貢獻。

本方案采用ICS平臺+智能應用的生態(tài)模式，平臺軟件系統采用低成本或免費銷(xiāo)售模式，合作廠(chǎng)商通過(guò)平臺開(kāi)發(fā)規范形成特定行業(yè)客戶(hù)的智能控制解決方案，實(shí)現對用戶(hù)的價(jià)值。ICS平臺具備通用性，可廣泛應用于火電、熱電、石化、新能源行業(yè)。

目前針對大型火電廠(chǎng)、石化企業(yè)的智能工廠(chǎng)項目總合同一般在800萬(wàn)~4000萬(wàn)之間，按1000萬(wàn)計算，該產(chǎn)品合同額占比約40%左右，純利潤率可達20%左右，總體利潤可具備可觀(guān)投資前景。投資回報率高，行業(yè)發(fā)展趨勢明顯，業(yè)績(jì)增長(cháng)塊，預計3到5年可實(shí)現盈虧平衡。

典型應用場(chǎng)景：電廠(chǎng)智能監盤(pán)。

3.1　解決的問(wèn)題

性能計算與耗差分析通過(guò)DCS系統實(shí)時(shí)準確獲取現場(chǎng)數據，通過(guò)對電廠(chǎng)設備及系統參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、計算與分析，實(shí)時(shí)計算主要經(jīng)濟指標，全面、直觀(guān)反映機組運行狀況，對機組運行中的關(guān)鍵參數偏離基準值時(shí)產(chǎn)生的能耗與機組運行關(guān)鍵參數在基準時(shí)產(chǎn)生的能耗之差進(jìn)行分析，明確給出其節能降耗潛力，使運行人員在這些結果的支持與指導下進(jìn)行合理調整，達到深入分析機組運行特性、深挖機組節能潛力，最大限度地提高機組運行經(jīng)濟性的目的。通過(guò)對影響機組安全性、經(jīng)濟性的關(guān)鍵性指標進(jìn)行偏差在線(xiàn)計算，對其發(fā)展變化趨勢進(jìn)行提前預測，產(chǎn)生預測性報警，以便于運行人員提前采取措施，最大限度地避免參數越限情況的發(fā)生。

3.2　應用情況

智能控制平臺與現有DCS系統集成，在生產(chǎn)實(shí)時(shí)數據基礎上，應用《GB10184-2015電站鍋爐性能試驗規程》《GB10184-2015電站鍋爐性能試驗規程》《ASME_PTC6-2004美國汽輪機性能試驗規程》的要求作為參數計算的標準；應用機組汽水分布方程、系統功率方程、系統吸熱方程等系統工程的分析方法，建立工藝系統及設備機理模型，通過(guò)分析計算和多目標自尋優(yōu)，全面、精確、直觀(guān)反映機組的運行狀況、性能指標和能損分布及大小，明確給出機組不同工況下的節能降耗潛力和最佳控制目標，運行人員在計算結果的支持與指導下可以進(jìn)行優(yōu)化操作，調整機組運行方式，提升機組運行效率。

3.3　成效總結

性能計算通過(guò)對單個(gè)設備或子系統采用能量守恒、質(zhì)量守恒，進(jìn)行效率和其它計算，并綜合單個(gè)設備和子系統效率計算整體機組效率、煤耗等參數。計算的結果實(shí)時(shí)在操作員站畫(huà)面顯示并在歷史數據庫中保存，提供DCS在線(xiàn)報表和趨勢實(shí)時(shí)查詢(xún)。

耗差分析采用能量平衡和汽輪機變工況計算方法，對機組運行中的關(guān)鍵參數偏離基準值時(shí)產(chǎn)生的煤耗與機組運行關(guān)鍵參數在基準時(shí)產(chǎn)生的煤耗之差，作為某一參數引起的煤耗偏差，分析結果實(shí)時(shí)在線(xiàn)推送給運行人員，運行人員在計算結果的支持與指導下可以進(jìn)行優(yōu)化操作，調整機組運行方式，提升機組運行效率。

性能計算與耗差分析系統提供操作員站實(shí)時(shí)監測畫(huà)面，供運行人員實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測和趨勢查詢(xún)、事故追憶，異常時(shí)自動(dòng)報警。計算數據能送DCS協(xié)調優(yōu)化、燃燒優(yōu)化、制粉系統等控制回路，提高控制品質(zhì)。

3.4　項目?jì)r(jià)值

結合現有系統情況，按照建設資源節約型、環(huán)境友好型的社會(huì )要求，降低能源消耗和滿(mǎn)足環(huán)保要求，充分借鑒國內外的先進(jìn)設計思想，打造與當地外部環(huán)境相融合及綠色環(huán)保一流發(fā)電和供熱企業(yè)，積極采用成型的優(yōu)化設計成果和國內外最新技術(shù)，充分優(yōu)化系統配置及各項技術(shù)經(jīng)濟指標，控制工程投資，技術(shù)經(jīng)濟指標達到并超過(guò)同類(lèi)熱電的最好水平。

通過(guò)對鍋爐、供熱、脫硫脫硝等全系統進(jìn)行優(yōu)化控制升級，實(shí)現四個(gè)方面功能：

一是對鍋爐燃燒系統進(jìn)行優(yōu)化自動(dòng)控制；

二是對熱電系統進(jìn)行協(xié)調控制，母管協(xié)調控制；讓鍋爐快速響應供熱的需求和自動(dòng)控制；

三是實(shí)現環(huán)保參數的自動(dòng)控制和越低排放的要求；四是控制畫(huà)面集成，機爐電熱集中監控，減少運行機位（這需要DCS統一才行，多套獨立系統，要減少信息孤島，逐漸統一，只能分步實(shí)現），減輕運行勞動(dòng)強度，讓運行解放出來(lái)，做更多其他事情，也為減人增效奠定基礎。

通過(guò)實(shí)施智能邊緣控制平臺，一方面可以實(shí)現鍋爐的全自動(dòng)運行（40%~100%負荷），保證運行參數壓紅線(xiàn)運行，實(shí)現降低勞動(dòng)強度、減員增效，最主要的是可以提高鍋爐的經(jīng)濟效益2%左右，實(shí)現節能減排，項目的主要指標包括：

（1）實(shí)現鍋爐及輔助系統的全自動(dòng)優(yōu)化運行，自動(dòng)投入率不低于95%，降低工人勞動(dòng)強度，提高安全生產(chǎn)水平。

（2）在工藝和設備正常情況下，實(shí)現重點(diǎn)工藝指標合格率均在99%以上，實(shí)現各控制指標波動(dòng)比手動(dòng)調節降低30%以上，各工藝指標控制平穩，減少波動(dòng)。系統自動(dòng)調整，減少誤操作，從而減少操作事故停機。

（3）實(shí)現鍋爐經(jīng)濟運行：在實(shí)現鍋爐燃燒全自動(dòng)控制的基礎上實(shí)現鍋爐給煤、一次風(fēng)、二次風(fēng)的二維優(yōu)化以實(shí)現鍋爐的最經(jīng)濟運行，提高鍋爐效率1%以上。

（4）實(shí)現給水的減溫水調節的全自動(dòng)運行。

（5）實(shí)現供熱溫度和壓力自動(dòng)控制。

（6）實(shí)現供熱與鍋爐母管壓力協(xié)調控制。

（7）實(shí)現脫硫脫硝的自動(dòng)控制，達到超低排放要求，通過(guò)壓紅線(xiàn)運行，減少氨水和石灰使用量3%以上。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊