杭州和利時(shí)自動(dòng)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

傳統的DCS控制系統在工業(yè)領(lǐng)域的應用已有多年歷史，能較好地完成傳統控制任務(wù)。但隨著(zhù)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、大數據等新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，現在的控制系統不僅要處理傳統的溫度、壓力、流量和液位等四大傳感信號，而且還要能夠處理視覺(jué)、語(yǔ)音等以前沒(méi)有的信號，要支持5G等無(wú)線(xiàn)通信，這些傳統的控制系統是無(wú)法做到的；另外，傳統的控制系統廠(chǎng)家各自都有自己的通信協(xié)議，不開(kāi)放、不可擴展、不可兼容，這對于未來(lái)按需生產(chǎn)的智能制造是不相適應的。因此，傳統DCS難以實(shí)現與人工智能、大數據等技術(shù)的深度融合，難以滿(mǎn)足對控制系統、數據的更高要求。

近年來(lái)，隨著(zhù)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(chǎng)需要更扁平的架構、更簡(jiǎn)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(hù)單位）位于安徽省亳州市利辛縣胡集鎮，于2008年12月成立。其裝機規模為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(yíng)重點(diǎn)推進(jìn)項目，實(shí)現了全國工期最短、質(zhì)量最優(yōu)、安全最好、造價(jià)最低，是我國首座“科技領(lǐng)先、指標先進(jìn)、綠色環(huán)?！钡陌偃f(wàn)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”規劃建設重點(diǎn)項目，致力打造國際領(lǐng)先的新型智慧電廠(chǎng)。

本項目是以中煤新集利辛板集電廠(chǎng)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(chǎng)二期輔助車(chē)間。板集電廠(chǎng)擴建工程是在一期規劃的擴建場(chǎng)地上進(jìn)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控制系統是以發(fā)電過(guò)程的自動(dòng)化、信息化、數字化、標準化為基礎，運用5G、云計算、大數據、人工智能、數字孿生等新一代信息技術(shù)，探索構建適應電廠(chǎng)業(yè)務(wù)特點(diǎn)和發(fā)展需求的“數據中臺”“業(yè)務(wù)中臺”等新型IT架構模式，建設敏捷高效的新一代數字技術(shù)基礎設施。本項目以管控一體化、大數據、云計算、物聯(lián)網(wǎng)為平臺，集成智能傳感與執行、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(shí)現更加安全、高效、清潔、低耗、靈活的生產(chǎn)目標，構建更高階段的信息化與自動(dòng)化電廠(chǎng)，全面接近并最終實(shí)現感知智能化、控制智能化、運維智能化、經(jīng)營(yíng)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(xué)習、自尋優(yōu)、自適應等功能的國際領(lǐng)先新型智慧電廠(chǎng)。

本項目在二期輔助車(chē)間擬建設云平臺控制系統，其采用和利時(shí)虛擬化DCS控制系統來(lái)控制IO點(diǎn)規模6600多點(diǎn)，覆蓋水系統（原水石灰處理系統、循環(huán)水排污水膜處理系統、脫硫廢水零排放、工業(yè)水系統、含煤廢水處理等）、灰庫系統（廠(chǎng)內灰庫、鋼板大灰庫等）及輸煤系統，實(shí)現智能化控制。

圖1 板集電廠(chǎng)全景圖

2　案例介紹

2.1　系統架構

板集電廠(chǎng)二期項目首次在電力行業(yè)應用基于DCS虛擬化的輔助車(chē)間云平臺控制系統，取消輔網(wǎng)DCS控制裝置，通過(guò)部署在生產(chǎn)云系統的虛擬DCS控制器實(shí)現控制、遠程操作、統一管理等功能。

虛擬DCS控制系統通過(guò)在VMware ESXi虛擬化平臺上運行的硬實(shí)時(shí)操作系統（RTLinux）代替傳統分散控制系統控制器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、虛擬化控制器系統深度融合，開(kāi)放硬件平臺，實(shí)現軟件與硬件解耦，參用分布式設計，實(shí)現資源池的虛擬化、分時(shí)共享、動(dòng)態(tài)調配、彈性伸縮。

虛擬DCS控制系統的實(shí)施將促使傳統工業(yè)控制系統由軟硬件綁定架構逐步轉向云計算架構，解決工業(yè)控制系統平臺封閉、軟硬件捆綁、建設周期長(cháng)、資源利用率低、數據孤島、大數據應用開(kāi)發(fā)門(mén)檻高等技術(shù)難題，實(shí)現控制系統硬件軟件化，打破自動(dòng)化領(lǐng)域的國外大型供應商主導的壟斷局面，推進(jìn)軟件國產(chǎn)化的數字轉型。

虛擬DCS控制系統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?xún)r(jià)比高、可靠性高、可按需部署等技術(shù)特點(diǎn)。該成果已在板集電廠(chǎng)一期化水系統進(jìn)行試運行，系統性能良好、運行穩定；正在二期及其他項目推廣應用，將進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率、降低煤耗，推動(dòng)工業(yè)控制系統數字化轉型升級。

虛擬DCS控制系統是探索DCS產(chǎn)品未來(lái)新形態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)，主要研究?jì)热轂椋?/p>

（1）虛擬控制系統基礎研究，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選型，包括操作系統運行周期穩定性和準確性。

（3）研究虛擬控制器軟件架構、模塊化設計及可擴展性。

（4）研究控制網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò )結構、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(gè)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(luò )負荷的影響。

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

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

本系統構成如圖2、圖3所示。

圖2 虛擬控制器系統核心架構圖

圖3 板集電廠(chǎng)虛擬云平臺網(wǎng)絡(luò )架構圖

本虛擬控制系統核心架構包括上位監控、虛擬控制器、網(wǎng)關(guān)和IO設備，其中：

（1）上位監控

上位監控系統采用和利時(shí)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)和監控等功能，保持與傳統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(wù)器中，由硬件資源、虛擬化平臺軟件、操作系統及應用軟件組成，具備傳統控制器功能。通過(guò)虛擬化技術(shù)，一臺服務(wù)器可以部署多個(gè)控制器。虛擬控制器支持控制器冗余，和上位機軟件通過(guò)雙以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

硬件資源：支持X86架構的商用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：虛擬控制器的操作系統采用實(shí)時(shí)操作系統RSlinux+實(shí)時(shí)補丁方式，保證控制器能夠完成實(shí)時(shí)控制；

應用軟件：虛擬控制器軟件（RTS）架構。

（3）網(wǎng)絡(luò )

整個(gè)系統中包含三種網(wǎng)絡(luò )，即系統網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )、控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )、冗余網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。

系統網(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(luò )。

控制網(wǎng)：控制器與IO模塊進(jìn)行數據通信的網(wǎng)絡(luò )。

（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)議轉換，實(shí)現云化控制器和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(guò)以太網(wǎng)（UDP）通信，支持兩條鏈路冗余。5G網(wǎng)絡(luò )部署在虛擬控制器和網(wǎng)關(guān)之間，通過(guò)5G網(wǎng)關(guān)實(shí)現有線(xiàn)轉無(wú)線(xiàn)透傳。

（5）IO模塊

保持和傳統IO模塊一致。

2.2　系統特點(diǎn)

（1）硬件架構：云化部署，優(yōu)化資源配置。ICS硬件架構，包括虛擬控制器、智能應用云服務(wù)器、實(shí)時(shí)數據庫云服務(wù)器、關(guān)系數據庫云服務(wù)器、智能算法平臺云服務(wù)器、數據支撐環(huán)境云服務(wù)器、計算云服務(wù)器、智能控制器、高級值班員站等。

（2）軟件架構：低代碼更便捷、更可靠。全廠(chǎng)一體化控制，同時(shí)提供高度開(kāi)放的第三方應用開(kāi)發(fā)環(huán)境和接口規范，支持對第三方專(zhuān)用控制運行軟件包的集成。系統應具有數據挖掘、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(huà)面增強、視頻集成、知識庫等的運行支撐環(huán)境。系統選擇成熟、穩定、先進(jìn)的操作系統、數據庫、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、中間件等，采用高可用技術(shù)，保證系統具備長(cháng)期穩定工作的能力，當出現誤操作或異常情況時(shí)，有良好的系統糾錯和恢復能力。

（3）網(wǎng)絡(luò )架構：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(luò )為架構，建立一體化系統平臺，實(shí)現生產(chǎn)運行智能監控，通過(guò)智能應用功能，實(shí)現發(fā)電智能控制與尋優(yōu)。生產(chǎn)控制網(wǎng)貫通ICS廠(chǎng)級和機組級，包括I/O通訊網(wǎng)、實(shí)時(shí)控制網(wǎng)和高級應用服務(wù)網(wǎng)，通過(guò)服務(wù)安全、網(wǎng)絡(luò )隔離、信道加密、分權限訪(fǎng)問(wèn)、審計等技術(shù)措施保障網(wǎng)絡(luò )安全。

圖4 和利時(shí)智能云平臺特點(diǎn)

2.3　技術(shù)指標

（1）支持虛擬控制器資源監測及診斷。

（2）支持傳統控制器冗余功能，實(shí)現控制器無(wú)擾切換。

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

（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，模型數據使用現場(chǎng)數據的鏡像，可實(shí)現現場(chǎng)事故預測。

（6）支持工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )與現場(chǎng)總線(xiàn)的統一。

（7）支持IEC61131-3組態(tài)多任務(wù)運行。

（8）支持傳統控制器的IEC61131-3組態(tài)邏輯運算。

（9）支持C語(yǔ)言編制算法，擴展第三方智能優(yōu)化算法。

2.4　安全措施

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

（1）針對系統單控制器及單網(wǎng)絡(luò )故障風(fēng)險

通過(guò)控制器冗余、網(wǎng)絡(luò )冗余設計實(shí)現故障自動(dòng)切換機制，對風(fēng)險進(jìn)行了有效避免。

（2）針對電源故障可靠性風(fēng)險

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

（3）針對通信故障風(fēng)險

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

由上節技術(shù)說(shuō)明，整個(gè)控制系統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(wèn)題。整個(gè)控制系統通信層級各個(gè)環(huán)節都是冗余設計，冗余設計提高了系統可用性和可靠性。如果控制系統中的網(wǎng)絡(luò )多重故障，控制系統策略：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(lái)實(shí)現的。Hypervisor具有監管功能，可以讓多個(gè)運行環(huán)境相互獨立，由此提供了一種隔絕機制，讓每個(gè)應用都運行在獨立的環(huán)境中，從而提高系統的可靠性、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(shí)時(shí)性有保障，各個(gè)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異常情況，相當于傳統控制器的控制器異常，虛擬控制器會(huì )重啟，備機會(huì )升主機。單故障實(shí)現無(wú)擾切換。

（5）虛擬控制器實(shí)時(shí)操作系統的可靠性及故障應對措施

虛擬控制器采用的是實(shí)時(shí)操作系統。這個(gè)實(shí)時(shí)操作系統經(jīng)過(guò)多行業(yè)（包括工控行業(yè)）、多種場(chǎng)景使用，是非常成熟的系統。操作系統后臺有監控程序（相當于看門(mén)狗），一旦出現操作系統異常能夠識別。如果操作系統出現異常情況，故障控制器會(huì )重啟，降為備機控制器，之前的備機控制器會(huì )升主機。單故障實(shí)現無(wú)擾切換。

（6）虛擬控制系統網(wǎng)絡(luò )可靠性保障

組網(wǎng)方案：物理層專(zhuān)用通道或者劃分VLAN，確保輔助車(chē)間就地設備與云平臺虛擬控制器的穩定通信，避免網(wǎng)絡(luò )擁塞、風(fēng)暴等問(wèn)題。

（7）工業(yè)控制系統網(wǎng)絡(luò )安全

依據國能安全36號文中對于發(fā)電廠(chǎng)控制系統網(wǎng)絡(luò )安全等級保護的要求，中煤新集利辛板集電廠(chǎng)二期項目為2臺66萬(wàn)的機組，本次輔助車(chē)間控制系統的網(wǎng)絡(luò )安全等級保護建設應按照安全等級保護3級系統能力進(jìn)行建設，要求解決方案設計遵循GB/T25070-2019網(wǎng)絡(luò )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)控制系統保護安全技術(shù)設計框架為基礎，滿(mǎn)足工業(yè)控制系統等級保護安全技術(shù)設計構建在安全管理中心支持下的計算環(huán)境、區域邊界、通信網(wǎng)絡(luò )三重防御體系，“一個(gè)中心三重防護”，就是針對安全管理中心和安全計算環(huán)境、安全區域邊界、安全通信網(wǎng)絡(luò )的安全合規進(jìn)行方案設計，建立以計算環(huán)境安全為基礎，以區域邊界安全、通信網(wǎng)絡(luò )安全為保障，以安全管理中心為核心的網(wǎng)絡(luò )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IO大規?；萘?，及不同工藝系統對控制實(shí)時(shí)性及保護等級要求，以基于圖論優(yōu)化設計方法對系統網(wǎng)絡(luò )拓撲進(jìn)行了優(yōu)化設計，充分保障系統交換節點(diǎn)的延遲，并通過(guò)工藝專(zhuān)家經(jīng)驗對系統進(jìn)行合理的分站設計及硬件配置。同時(shí)設計還考慮到整個(gè)系統遇到光纜被挖斷等不可抗力風(fēng)險出現時(shí)，系統的安全停運、虛擬控制系統與實(shí)體控制系統的快速切換等方案。

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

3　代表性及推廣價(jià)值

能源領(lǐng)域首臺虛擬化控制系統的研制和應用具有重要意義。在國內可規?；I(yè)應用的虛擬化控制系統尚未推出，在能源行業(yè)尤其無(wú)規模應用先例，該技術(shù)國內主要還在小規模試驗階段。板集電廠(chǎng)作為國內第一家虛擬化技術(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)展史中占據極為重要的地位，代表著(zhù)國內電力能源領(lǐng)域在智能化、智慧化進(jìn)程中又一個(gè)標志性的里程碑。

首先，虛擬化控制系統可以實(shí)現智慧能源的管理和調度。通過(guò)將能源控制系統核心控制器的虛擬化，可以實(shí)現對能源系統的遠程控制，實(shí)時(shí)監測分析和優(yōu)化。虛擬化控制系統支持強大算力，可以通過(guò)智能算法和機器學(xué)習技術(shù)，根據能源需求、供需情況和環(huán)境條件等因素，自動(dòng)調整能源系統的運行狀態(tài)，提高能源利用效率，降低能源消耗和排放。

其次，虛擬化控制系統通過(guò)5G的互聯(lián)，能夠實(shí)現能源互聯(lián)和合作。隨著(zhù)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能源系統不再是單一的能源供給和消耗系統，而是通過(guò)互聯(lián)技術(shù)實(shí)現能源生產(chǎn)、儲存、輸送和使用的全面互聯(lián)。虛擬化控制系統可以通過(guò)智能化和自動(dòng)化的方式，實(shí)現不同能源系統的互聯(lián)和協(xié)同運行，提高系統的穩定性和可靠性。

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

最后，虛擬化控制系統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(shí)延和大規模連接等特點(diǎn)，能夠為虛擬化控制系統提供強大的網(wǎng)絡(luò )支持和數據傳輸能力。通過(guò)5G技術(shù)，虛擬化控制系統可以實(shí)現能源系統的實(shí)時(shí)監測和控制，提高系統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的研制和應用具有重要的意義。它將推動(dòng)能源系統向智能化、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(shí)現可持續能源發(fā)展的目標。同時(shí)，虛擬化控制系統的應用還將受益于5G技術(shù)的引入，后者為能源系統提供強大的網(wǎng)絡(luò )支持和數據傳輸能力。

摘自《自動(dòng)化博覽》2025年2月刊