★杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司

1 背景

以煤為主的能源結構決定了火電在我國電力生產(chǎn)中的主要地位。大型燃煤電站的生產(chǎn)安全、信息安全和智能化水平對于保證我國的能源安全，提升我國能源的利用效率有非常重要的意義。

新形勢下，工業(yè)信息的安全挑戰面臨復雜性和多樣性，以往國內工控系統核心技術(shù)對國外的依賴(lài)，對我國構成更加嚴重的安全隱患和挑戰，自主知識產(chǎn)權成為我國企業(yè)的生命線(xiàn)。服務(wù)于工業(yè)用戶(hù)數字化升級新需求，工業(yè)用戶(hù)將進(jìn)入到數字化轉型的進(jìn)程中，大數據分析、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設備、云技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )安全會(huì )得到廣泛的應用，控制系統將更加開(kāi)放，在開(kāi)放的應用環(huán)境中，智能制造各層面都面臨安全挑戰，不僅僅包含控制系統的安全，還包含設備安全、網(wǎng)絡(luò )安全、應用安全、數據安全等。早期DCS系統在系統設計方面對系統的本質(zhì)安全考慮較少，系統抵御網(wǎng)絡(luò )風(fēng)險的能力較低，具有較大的網(wǎng)絡(luò )安全的問(wèn)題，因此和利時(shí)自主可控、安全可信控制系統的研究建設應運而生。

2 案例實(shí)施與應用情況

從2000年以來(lái)，我國開(kāi)始發(fā)展大容量高參數燃煤機組，當前很多DCS系統存在超期運行，系統功能已經(jīng)不能滿(mǎn)足當前需要，運行的舊型號的設備老化嚴重，缺少庫存備件，進(jìn)口品牌控制系統，系統的維護費用大幅增加，可靠性下降，系統的升級換代非常必要。

本項目案例通過(guò)采用和利時(shí)全國產(chǎn)自主可控系統HOLLiASMACSIC完全自主可控DCS系統對大唐洛河電廠(chǎng)5號630MW機組的DCS和DEH控制系統進(jìn)行升級改造和一體化控制改造。

本次改造機組DCS、DEH一體化控制I/O測點(diǎn)共計11,000余點(diǎn)，完成機組的DAS、MCS、SCS、FSSS、ECS、ETS、DEH等功能。整個(gè)控制系統的架構采用P2P結構，由上到下分為系統網(wǎng)絡(luò )、控制網(wǎng)絡(luò )兩個(gè)層次。系統上層系統網(wǎng)絡(luò )配五臺操作員站（其中一臺DEH操作員站）、三臺工程師站（其中一臺為DEH工程師站）、兩臺互相冗余的歷史站、一臺通訊接口站。下層控制網(wǎng)絡(luò )共設計31個(gè)I/O控制站，配置31對K-CU12-C5控制器，46面機柜，883個(gè)I/O模塊，所有卡件均為自主可控。其中DEH配置4個(gè)I/O控制站，配置8對K-CU12-C5控制器，實(shí)現汽機的BTC、ATC、ETS、AUX控制。MEH配置2對K-CU12-C5控制器，實(shí)現小機MEH、METS控制，伺服卡為完全自主可控冗余伺服卡，轉速卡為完全自主可控轉速卡。

控制系統網(wǎng)絡(luò )結構圖如圖1所示。

圖1 控制系統網(wǎng)絡(luò )結構圖

項目從2021年6月確定采用全國產(chǎn)自主可控系統進(jìn)行對機組原控制系統升級的技術(shù)路線(xiàn)，經(jīng)過(guò)2個(gè)月的系統軟件組態(tài)和硬件成套后，于2021年8月30日完成項目的出廠(chǎng)驗收。2021年11月26日通過(guò)了中國自動(dòng)學(xué)會(huì )發(fā)電專(zhuān)委會(huì )專(zhuān)家組現場(chǎng)性能和功能測試。兩次系統的測試根據《火力發(fā)電廠(chǎng)熱工自動(dòng)化系統可靠性評估技術(shù)導則》DL/T261-2012》和《火力發(fā)電廠(chǎng)分散控制系統驗收測試規程DL/T659-2016》兩項行業(yè)標準，進(jìn)行了38項系統功能和性能的測試，主要包括：冗余性能試驗、系統容錯性能試驗、系統實(shí)時(shí)性測試、系統響應時(shí)間的測試、控制網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性測試、站間同步精度測試、抗干擾能力試驗、模件安全性測試、開(kāi)關(guān)量模件性能試驗、AI/AO信號穩定性試驗、輸入參數修正功能的試驗、超限診斷報警功能的試驗、AO信號通道可靠性測試、模件可維護性試驗、I/O通道冗余功能檢查、測量信號冗余功能試驗、SOE記錄分辨力測試和事故追憶系統檢查等。系統的各項技術(shù)指標和性能完全符合行業(yè)標準的要求，系統在實(shí)時(shí)性和穩定性等方面優(yōu)于目前的控制系統。整套系統通過(guò)調試后，于2022年1月12日完成滿(mǎn)負荷試運投入商業(yè)運行。

3 應用創(chuàng )新性分析

項目采用全國產(chǎn)自主可控系統應用于大型火電機組的控制，實(shí)現機組的穩定生產(chǎn)，需要解決國產(chǎn)芯片的可靠性和穩定性、系統信息安全等諸多問(wèn)題，同時(shí)國家“雙碳”目標的實(shí)現也對能源電力行業(yè)的發(fā)展提出了新的要求，電力生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)的清潔和低碳化勢在必行，對于控制系統來(lái)說(shuō)，控制系統不僅僅只是滿(mǎn)足常規控制的需要，平臺具備疊加物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能等新興技術(shù)的能力，構建更精準、實(shí)時(shí)、高效的數據采集體系，建設包括存儲、集成、訪(fǎng)問(wèn)、分析、管理功能的使能平臺，實(shí)現工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗、知識模型化、軟件化、復用化，滿(mǎn)足工業(yè)App等形式的各類(lèi)創(chuàng )新應用的運行環(huán)境。從而實(shí)現電力生產(chǎn)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），實(shí)現企業(yè)運營(yíng)品質(zhì)的持續改善，真正實(shí)現企業(yè)生產(chǎn)的清潔和低碳化。

為此，項目的實(shí)施采用“產(chǎn)、學(xué)、研、用”的技術(shù)路線(xiàn)，大唐安徽分公司召集大唐洛河電廠(chǎng)、華東電力設計院、大唐華東電力科學(xué)院和杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司設計了國產(chǎn)自主可控的DCS、DEH一體化的控制系統，并通過(guò)優(yōu)化控制系統的架構，通過(guò)部署智能控制器、高級應用服務(wù)器、大型實(shí)時(shí)歷史數據庫等部件，建立基本控制、智能控制等層級之間的閉環(huán)聯(lián)系，縱向打通直接控制與智能運行控制的界限，提供開(kāi)放的高級應用環(huán)境，將常規DCS系統升級成智能控制系統。利用升級的智能控制系統強大的性能，運行采用大數據、人工智能、機器學(xué)習等數據分析技術(shù)和系統辨識、機理仿真、軟測量、智能控制等先進(jìn)控制技術(shù)的智能算法，實(shí)現機組的智能運行和控制的綜合優(yōu)化，保證機組高效、靈活、環(huán)保、智能的運行。

系統架構如圖2所示。

圖2 系統架構圖

在此基礎上，開(kāi)發(fā)出國產(chǎn)芯片和操作系統的控制系統，系統的核心組件全部采用國產(chǎn)化器件。所有嵌入式固件、上位機軟件及組件，包括數據庫、組態(tài)軟件、畫(huà)面軟件都是基于Liux平臺自主開(kāi)發(fā)。系統軟件按照管控一體化思路設計，系統軟件包含IT層管理軟件和OT層控制軟件的模塊。用一套系統軟件，就可以實(shí)現管理網(wǎng)和控制網(wǎng)平臺的部署。系統按照超大型分布式系統設計，可滿(mǎn)足智能化電廠(chǎng)大規模數據量處理和實(shí)時(shí)性的應用需求。例如單域120萬(wàn)點(diǎn)，單站36,000點(diǎn)項等。

同時(shí)推進(jìn)了雙體系可信計算3.0體系架構在工業(yè)控制嵌入式領(lǐng)域的應用，為可信計算落地工業(yè)控制領(lǐng)域提供了可參考的技術(shù)實(shí)現架構，全面支持基于硬件國密計算的啟動(dòng)態(tài)和運行態(tài)可信度量能力，具備全生命周期的可信計算安全免疫能力，技術(shù)能力達到國際領(lǐng)先水平。

4 效益分析

隨著(zhù)全國產(chǎn)自主可控DCS控制系統在大唐洛河630MW火電機組的成功投運，標志著(zhù)作為大型火電機組控制的“大腦”成功應用了“中國芯”。項目的成功實(shí)施也實(shí)現了企業(yè)經(jīng)濟效益、安全效益和社會(huì )效益的三豐收。

（1）經(jīng)濟效益

此項目改造成本大幅較低，DCS一次性投入成本大幅降低。進(jìn)入生產(chǎn)期，國產(chǎn)DCS售后服務(wù)、備件采購相比進(jìn)口DCS，更加及時(shí)和低廉。在備件采購方面，按進(jìn)口DCS每年30萬(wàn)元計算，國產(chǎn)DCS備件約17萬(wàn)元左右，每年成本降低13萬(wàn)，約占成本的48%。

（2）安全效益

此項目自投產(chǎn)至今，未發(fā)生一例因DCS問(wèn)題導致的不安全事件，系統安全可靠，參數準確，策略合理。機組啟動(dòng)、運行及停機時(shí)，保護連鎖動(dòng)作正確，未發(fā)生過(guò)保護拒動(dòng)、誤動(dòng)事件?，F場(chǎng)設備出現故障、異常時(shí)，能及時(shí)報警提示運行人員，采取相應措施。系統本身容錯能力較強，冗余的控制器、網(wǎng)絡(luò )、交換機及服務(wù)器出現故障時(shí)，不影響現場(chǎng)工藝系統運行，處理過(guò)程不需停系統，系統安全性大大提高。

（3）社會(huì )效益

本項目所應用的國產(chǎn)自主可控DCS、DEH一體化DCS系統應用情況來(lái)看，目前國內DCS企業(yè)已完全掌握自主可控分散控制系統核心技術(shù)、打破對國外核心技術(shù)的依賴(lài)；同時(shí)，此項目的成功應用大幅降低電力企業(yè)建設和運維成本，打破了長(cháng)期以來(lái)進(jìn)口DCS價(jià)格昂貴、售后服務(wù)質(zhì)量不高的局面。大型火力發(fā)電廠(chǎng)國產(chǎn)自主可控DCS的推廣，對我國電力企業(yè)及其他工業(yè)行業(yè)建設有著(zhù)非常實(shí)際的經(jīng)濟和社會(huì )意義。

5 項目意義

本項目案例采用國產(chǎn)自主可控系統HOLLiAS MACS IC DCS在600MW以上超超臨界火電機組的成功應用是自主工業(yè)領(lǐng)域芯片、數據庫、操作系統、工業(yè)軟件、自動(dòng)化技術(shù)與大型火電行業(yè)技術(shù)的完美耦合，擺脫了國內工控系統核心技術(shù)對國外的依賴(lài)，解決了傳統的工控安全應用領(lǐng)域供應鏈安全、信息安全、功能安全、本質(zhì)安全等問(wèn)題，實(shí)現了大型工業(yè)控制系統的全國產(chǎn)化升級改造，提升了我國發(fā)電領(lǐng)域DCS控制系統的技術(shù)水平，對保障國家能源安全具有重要意義。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年7月刊