1. 建設背景與目標

1.1.    虛擬化技術(shù)的介紹

虛擬化的含義很廣泛，將任何一種形式的資源抽象成另一種形式的技術(shù)都是虛擬化技術(shù)。它是一種能夠更有效地利用物理計算機硬件的過(guò)程，也是云計算的基礎。虛擬化或虛擬技術(shù)（Virtualization）作為一種資源管理技術(shù)，能夠實(shí)現將計算機中諸如CPU、內存、磁盤(pán)空間、網(wǎng)絡(luò )適配器等各種實(shí)體資源加以抽象、轉換后形成一種全新形態(tài)的電腦配置環(huán)境。并且其組合形態(tài)的可塑性極強，可拆分和組合為一個(gè)或多個(gè)環(huán)境形態(tài)。因其形態(tài)的特殊性，使得該虛擬的電腦配置環(huán)境打破了實(shí)體結構間的不可拆分和切割的桎梏，使用戶(hù)可以采用更便捷高效更合理化的方式來(lái)應用這些電腦硬件資源。

隨著(zhù)目前業(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，具體來(lái)說(shuō)實(shí)現控制器靈活性和可擴展性的技術(shù)路線(xiàn)主要有以下兩種：

（1）實(shí)現控制器虛擬化。利用控制器虛擬化取代傳統硬件控制器；

（2）控制器硬件重構，實(shí)現下一代新型和智能的控制器設備，取代傳統硬件控制器。

這兩種技術(shù)是目前工業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)轉化的技術(shù)熱點(diǎn)和研究方向，至少從理論實(shí)現的角度上來(lái)說(shuō)，實(shí)現控制器虛擬化將最大程度的保障現有的大部分廠(chǎng)家及其用戶(hù)的現有利益，并且基于在IT系統的成功應用，使得該項技術(shù)應用于工業(yè)領(lǐng)域充滿(mǎn)希望。另外的控制器硬件重構，主要以軟件定義思想為核心，將控制器硬件的邏輯運算平面和邏輯控制平面進(jìn)行分離，控制器硬件將實(shí)現通用的邏輯運算，統一由控制器進(jìn)行控制平面的邏輯控制和邏輯管理。

1.2.    虛擬化技術(shù)在電廠(chǎng)中的應用

虛擬化技術(shù)在電廠(chǎng)中的應用主要體現在以下幾個(gè)方面：

①　提高資源利用率：通過(guò)虛擬化技術(shù)，可以在物理服務(wù)器上創(chuàng )建多個(gè)虛擬機，實(shí)現更高的資源利用率和靈活性。

②　提高系統可靠性：每個(gè)虛擬機都是獨立的，并且具有自己的操作系統和應用程序。如果某個(gè)虛擬機出現故障，其他的虛擬機可以繼續正常運行，不會(huì )受到任何影響。

③　提高可管理性：通過(guò)虛擬化技術(shù)，可以對所有的虛擬機進(jìn)行統一管理和維護，大大降低了管理成本和維護成本。

④　提高安全性：虛擬化技術(shù)可以實(shí)現資源的動(dòng)態(tài)分配和調整，使得輸煤系統控制云平臺可以更好地適應不同的業(yè)務(wù)需求和場(chǎng)景。

⑤　在電力行業(yè)中，虛擬化技術(shù)的應用已經(jīng)成為了行業(yè)變革的重要驅動(dòng)力。它不僅提升了運營(yíng)效率，增強了數據安全，還優(yōu)化了資源配置，為電力行業(yè)的可持續發(fā)展注入了新的活力。

首先，服務(wù)器虛擬化技術(shù)讓電廠(chǎng)的運營(yíng)變得更為高效。它通過(guò)虛擬化技術(shù)將物理服務(wù)器轉化為虛擬服務(wù)器，使得服務(wù)器資源得到了更為合理的分配和共享。這不僅減少了服務(wù)器的閑置和浪費，提高了服務(wù)器的利用率，還降低了能源的消耗和排放，為電廠(chǎng)的環(huán)保事業(yè)做出了積極的貢獻。此外，服務(wù)器虛擬化技術(shù)還具備出色的能效比，使得電力行業(yè)在滿(mǎn)足高效率的同時(shí)，也能夠實(shí)現綠色、可持續的發(fā)展。

其次，存儲虛擬化技術(shù)的應用為電力行業(yè)的數據管理提供了更為可靠的支持。它能夠將各種存儲設備統一管理起來(lái)，形成一個(gè)邏輯上的存儲池，使得數據的讀寫(xiě)、備份和管理變得更加高效和有序。這種技術(shù)不僅保證了數據的安全性，還提高了存儲設備的運行效率，為電力行業(yè)的數據管理帶來(lái)了革命性的變革。同時(shí)，存儲虛擬化技術(shù)的應用還為電力行業(yè)提供了更為靈活和可靠的數據存儲解決方案，使得電力行業(yè)在應對數據存儲需求時(shí)更加從容和自信。

此外，網(wǎng)絡(luò )虛擬化技術(shù)的應用也為電力行業(yè)的網(wǎng)絡(luò )安全防護提供了更為全面和可靠的支持。它通過(guò)將多個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備整合為一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )的靈活配置和高效管理。這不僅提高了網(wǎng)絡(luò )的可靠性，降低了網(wǎng)絡(luò )的故障風(fēng)險，還大大增強了網(wǎng)絡(luò )的安全防護能力，使得電力行業(yè)能夠從容應對各種網(wǎng)絡(luò )安全威脅，確保關(guān)鍵信息的安全和完整。網(wǎng)絡(luò )虛擬化技術(shù)的應用還為電力行業(yè)提供了更為靈活和可靠的網(wǎng)絡(luò )安全解決方案，使得電力行業(yè)在應對網(wǎng)絡(luò )安全威脅時(shí)更加從容和自信。

1.3.    方案建設目標

傳統的DCS控制系統在工業(yè)領(lǐng)域的應用已有多年歷史，能較好的完成傳統控制任務(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，這些對于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。

傳統的工業(yè)控制系統通常被稱(chēng)為五層金字塔模型，從現場(chǎng)傳感層到PLC/DCS控制層，再到上面的數據采集和監控SCADA層，生產(chǎn)執行MES層和企業(yè)管理ERP層。目前的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺以兼容傳統架構的方式運行，通過(guò)實(shí)時(shí)或者歷史數據庫或者專(zhuān)門(mén)的數據采集網(wǎng)關(guān)進(jìn)行現場(chǎng)數據的采集，然后上傳到平臺上進(jìn)行數據處理、展示，以及利用工業(yè)App做數據應用，進(jìn)行預測和優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程。但要實(shí)現真正意義上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所構建的藍圖，這樣的架構并不能滿(mǎn)足要求。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，最終的控制過(guò)程還需要PLC/DCS來(lái)進(jìn)行控制，MES、ERP或者工業(yè)APP不僅需要從PLC/DCS直接采集數據，而且還需要PLC/DCS能夠直接執行來(lái)自MES、ERP或者工業(yè)APP的指令，根據指令優(yōu)化和調整PLC控制程序，實(shí)現工業(yè)生產(chǎn)的效率提升，同時(shí)也避免繁瑣的人工調試過(guò)程。近年來(lái)，隨著(zhù)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。

圖1.3-1 虛擬云化演進(jìn)圖

控制器云化（虛擬化）是技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向，在云端運行傳統控制器軟件，通過(guò)將物聯(lián)接口標準化和應用云化，實(shí)現設備的遠程控制。將傳統的DCS控制器部署于云端，利用云平臺的強大算力，可以顯著(zhù)提升控制器指令速度，縮短控制周期，降低控制器負荷；云平臺的大型存儲能力、分析能力，可以支撐更多復雜控制和優(yōu)化算法，通過(guò)機器學(xué)習形成對被控設備的自動(dòng)控制策略，提高過(guò)程控制分析能力、自動(dòng)化水平，通過(guò)云端底層數據打通，OT與IT的融合具備廣闊的想象和產(chǎn)品創(chuàng )新發(fā)展空間，產(chǎn)生一系列的優(yōu)化控制、節能降耗等行業(yè)控制方法應用，以上軟件服務(wù)均布置在統一云平臺，為用戶(hù)形成完整的解決方案，形成產(chǎn)品組合并創(chuàng )造增值空間，能夠更好的支撐云平臺推廣。當前，智能優(yōu)化控制技術(shù)在行業(yè)內已紛紛開(kāi)展試點(diǎn)和應用，這是配合智能電網(wǎng)發(fā)展智能化電廠(chǎng)必須完成的下一個(gè)目標。隨著(zhù)先進(jìn)控制策略、智能算法、優(yōu)化算法的發(fā)展已逐步成熟，在傳統DCS工業(yè)控制系統的基礎上，發(fā)展新一代智能運行控制系統已經(jīng)成為必然。

圖1.3-2 虛擬化DCS演進(jìn)圖

本方案中的虛擬化控制系統采用基于DCS控制器虛擬化技術(shù)，可部署在電廠(chǎng)私有云計算平臺的虛擬機上，利用云服務(wù)器的算力資源，通過(guò)云服務(wù)器提供的冗余虛擬機環(huán)境加載實(shí)時(shí)操作系統，實(shí)現DCS DPU在虛擬化環(huán)境中的運行，實(shí)現DCS控制邏輯、監視畫(huà)面的虛擬化部署，最終達到數據的交互綜合利用，資源的合理配置。

系統由虛擬控制器、控制網(wǎng)絡(luò )、遠程網(wǎng)關(guān)及IO模塊組成，并配有操作員站、工程師及歷史站及相關(guān)配套軟件，系統使用操作符合常規DCS操作習慣。虛擬控制器為完全虛擬化控制器，虛擬控制器支持在單個(gè)虛擬機部署，可安裝于云平臺，由云平臺分配虛擬機、用于安裝云控制器、網(wǎng)絡(luò )通訊及其依賴(lài)的環(huán)境。云控制器的邏輯組態(tài)以及數據存儲均在虛擬服務(wù)器中實(shí)現，邏輯運算依托虛擬控制器，整個(gè)云平臺虛擬控制器的掃描周期、信號回路的傳輸周期、可靠性應滿(mǎn)足電廠(chǎng)輔助車(chē)間生產(chǎn)時(shí)延性要求（小于等于200ms）。

2.  方案詳細介紹

2.1.    生產(chǎn)云平臺整體架構設計

本項目在機組DCS、公用DCS網(wǎng)段之上構建生產(chǎn)云與廠(chǎng)級云兩級云平臺。利用生產(chǎn)云計算基礎設施強大的算力構建智能計算服務(wù)平臺，部署智能尋優(yōu)控制、智能監盤(pán)、及鍋爐數字孿生等智能應用，同時(shí)，通過(guò)一體化通訊機制與DCS控制系統進(jìn)行高效安全數據雙向通訊，實(shí)現閉環(huán)實(shí)時(shí)控制，這樣，就共同組成了一套基于生產(chǎn)云計算的電廠(chǎng)一體化的智能DCS控制系統（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“ICS”），成為電廠(chǎng)實(shí)現智能化生產(chǎn)提供強有力的保障。

圖2.1-1 生產(chǎn)云平臺技術(shù)架構

和利時(shí)在大型燃煤發(fā)電廠(chǎng)的ICS發(fā)電控制系統建設方面有著(zhù)豐富的工程經(jīng)驗和眾多的實(shí)施案例，可為電廠(chǎng)提供以和利時(shí)DCS系統網(wǎng)絡(luò )為網(wǎng)絡(luò )基礎拓展出智能控制所需智能優(yōu)化控制站、基于私有云部署的大數據分析環(huán)境、智能計算環(huán)境、智能控制環(huán)境、智能算法組態(tài)環(huán)境和開(kāi)放的應用開(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生產(chǎn)云平臺資源環(huán)境下運行。將常規DCS系統無(wú)縫升級成ICS系統，并確保不影響原有DCS系統的安全性和實(shí)時(shí)性。

圖2.1-2 生產(chǎn)云平臺界面示意圖

和利時(shí)智能生產(chǎn)云平臺采用以智能發(fā)電控制系統（ICS）為核心，在傳統DCS配置基礎上擴展智能優(yōu)化算法庫、智能控制器、高級值班員工作站、高性能服務(wù)器等資源，為實(shí)現發(fā)電過(guò)程的智能監盤(pán)、智能控制、智能尋優(yōu)提供可靠的軟硬件環(huán)境。在智能發(fā)電控制系統上，在系統的智能控制器及高性能服務(wù)器中預留了運行第三方高級應用的開(kāi)放環(huán)境，具備吸收各種優(yōu)秀智能應用資源能力，實(shí)現機組APS智能啟停、在線(xiàn)尋優(yōu)控制、智能監盤(pán)等智能化的應用，實(shí)現機組智能發(fā)電控制及輔助運行。

和利時(shí)智能生產(chǎn)云平臺設計包含DCS實(shí)時(shí)控制網(wǎng)、生產(chǎn)云智能計算網(wǎng)等多層網(wǎng)絡(luò )并接入生產(chǎn)視頻網(wǎng)絡(luò )實(shí)現綜合泛在感知。本項目網(wǎng)絡(luò )結構圖如下：

圖2.1-3 板集電廠(chǎng)二期生產(chǎn)云平臺網(wǎng)絡(luò )架構圖

2.1.1.            平臺性能優(yōu)勢

（1）橫向擴充，更強大的計算、存儲能力

集群模式下，傳統雙網(wǎng)雙冗余的結構，只能同時(shí)有一臺服務(wù)器能提供處理能力，和利時(shí)智能生產(chǎn)云平臺采用雙網(wǎng)三冗余的結構，三臺服務(wù)器通過(guò)負載均衡的方式同時(shí)工作，相當于左側三倍的處理能力，同時(shí)還具有橫向擴充能力。當一臺服務(wù)器故障時(shí)仍然能正常工作。同時(shí)實(shí)時(shí)數據和歷史數據進(jìn)行分布式部署和備份，確保服務(wù)高可用及數據的安全。所有服務(wù)器構建為一個(gè)統一集群，服務(wù)器內部通訊對外隔離，按照運行的權限和接口進(jìn)行調用；基于 RBAC 的權限管理服務(wù)，細化每一個(gè)資源的訪(fǎng)問(wèn)權限，并對所有操作進(jìn)行記錄和審計。

圖2.1.1-1 智能生產(chǎn)云平臺服務(wù)器監控詳情

（2）對第三方算法應用進(jìn)行有效網(wǎng)絡(luò )抑制

第三方應用查詢(xún)請求建立在數據服務(wù)器自有歷史庫和實(shí)時(shí)庫，不會(huì )對DCS系統網(wǎng)絡(luò )負荷率造成影響。數據服務(wù)器對第三方應用寫(xiě)請求進(jìn)行緩存匯聚，定時(shí)穩定下發(fā)，對DCS系統網(wǎng)造成影響有限。數據服務(wù)器具備對第三方應用寫(xiě)請求的閾值、梯度、權限等合法校驗功能。應用控制器中第三方算法，只能被動(dòng)等候調用，沒(méi)有操作網(wǎng)絡(luò )、內存、存儲、調度的能力。應用控制器中的第三方算法雖然是黑盒提供，但是平臺具備應用前對其使用的函數和資源做檢查的能力。應用控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量對外輸出，其流量、頻度、范圍都受到ICS平臺監視和控制。OPS 可監控所有第三方應用狀態(tài)，并提供報警、日志、事件、倒換等功能。

圖2.1.1-2 智能生產(chǎn)云平臺WEB監控系統

（4）豐富的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用服務(wù)

?  實(shí)時(shí)數據存取服務(wù)：提供實(shí)時(shí)數據的高速存取處理

?  歷史數據存取服務(wù)：提供歷史數據的高速存取，趨勢查詢(xún)，聚合查詢(xún)功能

?  數據網(wǎng)關(guān)服務(wù)：提供多種格式的數據轉發(fā)服務(wù)

?  消息總線(xiàn)服務(wù)：提供分布式環(huán)境下的消息通訊、高速數據交換的總線(xiàn)服務(wù)

?  用戶(hù)及權限管理服務(wù)：提供基于 RBAC 用戶(hù)、角色、資源、組織機構處理服務(wù)

?  單點(diǎn)登錄服務(wù)：提供全平臺單點(diǎn)登錄服務(wù)

?  系統管理服務(wù)：提供系統設置處理

?  數據采集服務(wù)：支持多種渠道，多種協(xié)議的數據 ETL 服務(wù)

?  任務(wù)調度服務(wù)：定時(shí)任務(wù)

?  MQTT代理服務(wù)：接受MQTT的訂閱/發(fā)布處理

圖2.1.1-3 智能生產(chǎn)云平臺微服務(wù)框架系統設計

（5）圍繞以 OPCUA 標準構建的信息模型，基于模型驅動(dòng)技術(shù)，功能和流程高度可配置、可重構、可擴展，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)無(wú)縫結合。

OPCUA 實(shí)現了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的 “標準與規范”，其中信息模型又是 OPCUA 的核心。該信息模型采用了多級分層網(wǎng)絡(luò )，可通過(guò)元數據描述命名空間里的對象。對象的結構之間也可相互引用實(shí)例，采用圖（GRAPH）數據的組織方式，可導航到任何節點(diǎn)對象。平臺完全支持 OPCUA 信息模型和通信標準，可輸出符合國際標準的 XML 模型文件，也可直接發(fā)布容器形式的以 OPCUA 微服務(wù)模型。

圖2.1.1-4 智能生產(chǎn)云平臺模型標準和規范

 平臺完成了基于 WEB 的多用戶(hù)、可協(xié)作的 OPCUA 建模工具，充分支持流程行業(yè)的建模工作需求。能為實(shí)現各類(lèi)特定任務(wù)，對數據進(jìn)行標準封裝，形成各種行業(yè)包模型。IT 平臺在行業(yè) PAAS 層上集成的諸多工具，包括工作流編排、可視化組態(tài)、邏輯組態(tài)、高級報表、自定義表單、規則引擎、元數據設計、大數據分析、機器學(xué)習等都以模型為基礎，將多元異構數據進(jìn)行了融合。

圖2.1.1-5 OPC UA建模工具

（6）利用先進(jìn)的NoSQL技術(shù): 高性能、高并發(fā)，支持分布式

高速內存服務(wù)器，通過(guò)集群、哨兵等靈活的部署模式以支持分布式計算，擁有多種數據類(lèi)型以及消息機制、過(guò)期機制、持久化機制。非常適合用作實(shí)時(shí)數據存取的場(chǎng)景。InfluxDB是一款專(zhuān)門(mén)處理高寫(xiě)入和查詢(xún)負載的時(shí)序數據庫，用于存儲大規模的時(shí)序數據并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，支持毫秒級儲存，完全滿(mǎn)足快速控制要求，支持十萬(wàn)點(diǎn)以上數據的存儲和調用。

2.2.    虛擬控制器系統介紹

圖2.2-1 虛擬控制系統架構圖

如上圖，虛擬系統由IO及網(wǎng)關(guān)、虛擬控制器、上位監控及網(wǎng)絡(luò )組成。其中：

（1）           上位監控

上位監控系統采用和利時(shí)MACS6.5.4版本，包含工程師站，操作員站，歷史站等功能，保持與傳統DCS軟件整體功能基本一致。

（2）           虛擬控制器

部署在用于服務(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，完成和傳統控制器的相同功能。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，和上位機軟件還是通過(guò)雙以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

（3）           網(wǎng)絡(luò )

整個(gè)系統中包含三種網(wǎng)絡(luò )，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，歷史站等與控制器通信的網(wǎng)絡(luò )?？刂凭W(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。與控制器通信通過(guò)以太網(wǎng)通信，支持兩條鏈路冗余；支持在虛擬控制器和網(wǎng)關(guān)之間使用5G網(wǎng)絡(luò )。

（5）           IO模塊

保持和現有和利時(shí)IO模塊一致。

2.2.1.            控制平臺云的軟件虛擬化部署架構

圖2.2.1-1 虛擬化部署架構

云化DCS控制層軟件由硬件資源，虛擬化平臺軟件，操作系統及各種應用軟件組成。

(1)      虛擬化：

l  和利時(shí)虛擬控制器支持采用Xen虛擬化及VMWARE技術(shù)。

l  支持將硬件實(shí)體資源（CPU、內存、磁盤(pán)空間、網(wǎng)絡(luò )適配器等）分配給各種應用的操作系統。

(2)      操作系統層：

1)         云化控制器的操作系統：

l  采用采用RTLinux操作系統，保證控制器能夠完成實(shí)時(shí)控制；

l  和利時(shí)完成對Linux系統的調度時(shí)基的調整，提供系統調度準確性；

2)         工程師站和操作員站的操作系統：

l  采用linux也可以支持windows；

l  在虛擬化前后系統使用的操作系統、應用軟件都是未經(jīng)更改的，因此軟件的穩定性與虛擬化前完全相同。

(3)      組態(tài)服務(wù)軟件：

l  支持多工程師協(xié)同組態(tài)，多個(gè)工程客戶(hù)端同時(shí)組態(tài)同一個(gè)工程。

l  支持遠程進(jìn)行離線(xiàn)組態(tài)和在線(xiàn)下裝和調試組態(tài)邏輯。

l  支持根據各種使用場(chǎng)景對不同角色設置合理的用戶(hù)權限。

2.2.2.            云化控制器軟件結構

云化控制器軟件（RTS）架構

圖2.2.2-1 虛擬化控制器結構

l  支持運算和通信管理分核處理，保證IEC運算獨自CPU核運算，提供強大運算能力。

l  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。

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

l  支持IEC61131-3組態(tài)多任務(wù)運行。

l  支持傳統控制器的IEC61131-3組態(tài)邏輯運算。

l  支持虛擬控制器資源監測及診斷。

l  支持傳統控制器冗余功能，實(shí)現控制器無(wú)擾切換。

l  云化控制器后大大提高了運算能力，運算能力比傳統控制器提高5倍數以上?？山档蛡鹘y控制器的運算負荷。

l  單個(gè)云化控制器支持64M組態(tài)程序，支持128M組態(tài)數據區。支持接入8000個(gè)I/O點(diǎn)。

2.2.3.            云化控制器功能介紹

圖2.2.3-1 云化控制器系統特點(diǎn)

系統主要特點(diǎn)如下：

(1)       軟件定義

虛擬控制系統的組件均實(shí)現了虛擬化，可以對控制器的CPU資源、計算容量進(jìn)行彈性伸縮。實(shí)現硬件資源利用的最大化，及性能接入量的最優(yōu)配置。

(2)       扁平化

使用扁平化架構，實(shí)現根據所接入的系統規模進(jìn)行虛擬設備的可裁剪，分布式地部署，提高系統地可靠性及靈活性。

(3)       智能協(xié)同

系統利用虛擬高速總線(xiàn)通訊，實(shí)現了邏輯控制器、智能算法服務(wù)器地無(wú)縫集成，實(shí)現了ms級、s/min級的多時(shí)間尺度的融合，以及簡(jiǎn)單邏輯控制、復雜智能控制及尋優(yōu)算法的一體化。

(4)       多用戶(hù)組態(tài)

系統支持權限多用戶(hù)的遠程登陸及同時(shí)組態(tài)，提高了工程協(xié)同能力，大大縮短工期。

(5)       多客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)

支持移動(dòng)等多客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)。

(6)       支持海量接入

系統采集網(wǎng)絡(luò )支持原有DCS所有IO類(lèi)型模塊，能夠接入海量傳感數據。

2.2.3.1.       控制器功能擴展

結合和利時(shí)CPS系統，實(shí)現輔網(wǎng)的智能化控制運行，利用虛擬控制器技術(shù)實(shí)現輔助車(chē)間納入虛擬化控制系統控制，同時(shí)，在平臺上部署高級應用包括：智能報警、智能監測、過(guò)程控制與工業(yè)電視聯(lián)動(dòng)、儀表示值自動(dòng)識別、智能設備輪換、故障設備自動(dòng)切除等應用。具體功能包括：

(1)       智能報警：利用智能發(fā)電控制系統高性能服務(wù)器的信息處理能力，采用人工智能技術(shù)，通過(guò)推理機制和故障知識庫，建立報警因果關(guān)系模型，實(shí)現報警過(guò)濾、溯源、診斷、預測等功能，幫助運行人員快速處理各類(lèi)異常，實(shí)現人機協(xié)同智能監盤(pán)：

1）報警管理與統計分析：設置和組態(tài)符合EEMUA-191《報警系統設計及管理導則》和ISA18.2《過(guò)程工業(yè)報警系統管理》的國際規范標準，可廣泛應用于報警系統生命周期的各個(gè)階段。

2）參數預警：當設備或系統產(chǎn)生運行異常趨勢，但參數還沒(méi)有到達報警閾值時(shí)，提前給出設備或系統預警信息，提醒運行人員密切注意并采取必要的干預措施，以提高運行安全經(jīng)濟性。

3）轉機診斷：基于工藝運行信號的診斷，工藝信號報警診斷模塊與原DCS系統采用實(shí)時(shí)通訊機制，而關(guān)于智能預警模塊的計算均在DCS中通過(guò)組態(tài)的形式實(shí)現?；谡駝?dòng)信號的診斷，基于振動(dòng)信號診斷模塊允許用戶(hù)對設備振動(dòng)數據進(jìn)行波形和頻譜分析，對各種數據進(jìn)行趨勢分析和相關(guān)趨勢分析。

4）滋擾報警抑制：進(jìn)行異常報警的特征分析，采取濾波、延遲、死區、系統和設備運行狀態(tài)相關(guān)的報警限值設定、優(yōu)先級調整、多變量關(guān)聯(lián)分析等措施抑制或消除滋擾報警。

5）報警診斷：利用現有的生產(chǎn)過(guò)程知識和專(zhuān)家經(jīng)驗建立故障知識庫，實(shí)時(shí)對生產(chǎn)過(guò)程中的故障識別，發(fā)送診斷信息，并提供處理指導意見(jiàn)

(2)       定期工作自動(dòng)執行 ：通過(guò)開(kāi)展電廠(chǎng)定期工作智能化的研究，結合先進(jìn)的控制思想、程序控制理念，能夠實(shí)現定期工作按照正規操作步驟及工藝標準執行，工作任務(wù)自動(dòng)創(chuàng )建、運行條件自動(dòng)確認、功能自動(dòng)執行、試驗數據自動(dòng)記錄、結果結論自動(dòng)分析生成。在正常條件下能夠自動(dòng)地根據定期工作、定期試驗的工作要求，通過(guò)采用先進(jìn)的控制策略實(shí)現定期工作對人工的依賴(lài)，減少工作過(guò)程中的不確定性和人為因素的影響，確保機組定期工作、定期試驗自動(dòng)執行、智能分析，對設備做到可知、可控，保持系統的可靠性。

(3)       典型故障自動(dòng)處理：針對常規典型故障（設備故障），具備及時(shí)完成故障點(diǎn)的切除或及時(shí)合理地觸發(fā)RB功能，滿(mǎn)足機組在常規典型故障條件下的故障自動(dòng)處理，及時(shí)調整各項參數，確保機組的不間斷運行；針對非常規典型故障（功能性故障），機組具備故障評估功能，具有故障自愈能力，通過(guò)對故障的自約束能力來(lái)降低故障的危害。

(4)       操作過(guò)程與視頻聯(lián)動(dòng)：在主輔機主要轉動(dòng)設備周邊布置位于安全I區的視頻系統，與ICS系統進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。包括視頻系統的診斷結果信息送入ICS作為報警項；設備操作時(shí)，視頻系統可對應彈出相關(guān)設備畫(huà)面。

(5)       設備狀態(tài)監測及評價(jià)：

1）閥門(mén)性能監測：根據執行機構以往故障的現象和運行人員的經(jīng)驗，建立執行機構性能判斷專(zhuān)家知識庫。采用專(zhuān)家知識庫，對閥門(mén)的工作狀態(tài)、線(xiàn)性度實(shí)時(shí)計算并監控，并給出分類(lèi)提示，供運行和檢修人員直觀(guān)監控，進(jìn)行輔助決策。對一般閥門(mén)計算其電機統計時(shí)間以進(jìn)行健康預報警；

2）控制回路品質(zhì)監測;在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測機組主要控制回路的控制品質(zhì)評價(jià)，采用控制指標評價(jià)相關(guān)算法，通過(guò)對控制回路實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數據的分析，將當前控制回路品質(zhì)量化成具體得分，供運行和檢修人員直觀(guān)查看;

3）設備健康度監測：基于機組運行歷史數據，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法建立設備相關(guān)輸入和輸出變量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型，根據輸出變量實(shí)時(shí)值與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型預測值，采用關(guān)聯(lián)度分析，對系統的健康程度進(jìn)行評估打分，實(shí)現對系統的異常預警和健康度分析。

2.2.4.            虛擬控制系統技術(shù)指標

（1）           虛擬控制系統控制器相關(guān)技術(shù)指標應達到或高于電廠(chǎng)常規DCS相關(guān)技術(shù)指標要求。

（2）           虛擬控制系統的單回路控制周期應小于等于200ms，即信號從就地遠程IO柜的輸入模塊、網(wǎng)絡(luò )采集傳輸、虛擬控制器運算后發(fā)出指令、再到就地遠程IO柜的輸出模塊的時(shí)間響應。

（3）           操作信號響應時(shí)間（即鍵盤(pán)發(fā)出操作指令到LCD屏幕上顯示該信號反饋的時(shí)間），開(kāi)關(guān)量信號操作時(shí)間不大于1.0s，模擬量信號操作時(shí)間不大于2.5s。

（4）           單個(gè)虛擬控制器支持對調度時(shí)基的調整，提供系統調度準確性，POU任務(wù)周期可在40ms，100ms，200ms，500ms，1s設置。

（5）           虛擬控制器在最大負荷運行時(shí)，負荷率不超過(guò)40％。

（6）           單臺虛擬控制器可支持接入不少于4800點(diǎn)的IO硬接點(diǎn)的容量，并保證時(shí)延滿(mǎn)足要求。

（7）           模擬量處理器模件完成所有指定任務(wù)的最大執行周期不應超過(guò)250ms，開(kāi)關(guān)量處理器模件所有指定任務(wù)的最大執行周期不應超過(guò)100ms。

（8）           對需快速處理的模擬和順序控制回路，其處理能力應分別為每125ms和50ms執行一次。

（9）           報警過(guò)濾、報警溯源規則可組態(tài)；

（10）       報警過(guò)濾50%以上無(wú)效報警；

（11）       參數預警和輔機健康度診斷模塊中，在正常運行工況下各參數預測值與實(shí)際值相對偏差小于5%；

（12）       報警溯源算法準確率達到96%；

（13）       任何智能報警畫(huà)面均應能在2秒(或更少)的時(shí)間以?xún)韧耆@示出來(lái)，所有顯示的數據應每秒更新一次。

3.  創(chuàng )新性和推廣價(jià)值

3.1.    創(chuàng )新性

虛擬控制器相較于傳統實(shí)體控制器有以下四點(diǎn)優(yōu)勢：

(1)       虛擬控制器運行平臺具有運行高度復雜智能算法和簡(jiǎn)單邏輯算法相協(xié)調的計算的能力，打通底層數據共享，實(shí)現IT與OT的便捷融合，實(shí)現不同控制站的控制協(xié)同；

(2)       具備無(wú)線(xiàn)接入能力，滿(mǎn)足工業(yè)控制的低延時(shí)、高度的可靠性、可用性，能夠連接分散、遠程、乃至廣域的IO；

(3)       硬件平臺具備更高的可靠性，通過(guò)IT技術(shù)保證數據安全、信息安全與控制器長(cháng)期可靠工作；

(4)       具有靈活的軟件定義能力，云化后單臺服務(wù)器可以支持的虛擬控制器數量，相比于真實(shí)控制器需要有成本優(yōu)勢。

在實(shí)現控制器虛擬化方面，鑒于虛擬化和云計算在ICT領(lǐng)域取得巨大成功，其創(chuàng )新程度甚至顛覆了整個(gè)ICT舊有的架構體系，其效果也是相當顯著(zhù)，可將現在的ICT環(huán)境的運營(yíng)成本較明顯的降低。虛擬化和云計算開(kāi)始逐步向工業(yè)控制系統領(lǐng)域延申。但是，在工業(yè)環(huán)境中，對控制系統要求通常很高，系統故障、實(shí)時(shí)性等對工業(yè)生產(chǎn)和應用來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。要使得在工業(yè)應用，需要通過(guò)工業(yè)4.0綜合技術(shù)實(shí)踐將虛擬化和云計算等先進(jìn)IT創(chuàng )新技術(shù)有效運用于工業(yè)領(lǐng)域并提高工業(yè)生產(chǎn)效率是關(guān)鍵，當前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0技術(shù)正在試點(diǎn)推廣中，成熟度和可靠性，以及在需要滿(mǎn)足穩定性和實(shí)時(shí)計算等較高要求的工業(yè)控制環(huán)境中大規模應用正在進(jìn)一步驗證。

3.2.    推廣價(jià)值

隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng )新，以虛擬化技術(shù)為基礎的云計算平臺逐漸成為各行各業(yè)企業(yè)管理和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的重要數據支撐平臺，云計算平臺的應用范疇在虛擬化技術(shù)的支持下變得越來(lái)越廣泛。深入研究虛擬化技術(shù)在云計算中的具體應用，并不斷摸索基于虛擬化技術(shù)的云計算平臺架構設計，不斷提升虛擬化技術(shù)在云計算中的應用價(jià)值，可提升云計算平臺運行的效率和穩定性，最終實(shí)現云計算平臺在實(shí)踐應用過(guò)程中的資源最大化和效益最大化發(fā)展。

和利時(shí)在控制器虛擬化或軟件定義控制器方面已經(jīng)研究多年，當前，和利時(shí)已經(jīng)在控制器虛擬化方面進(jìn)行了產(chǎn)品發(fā)布，和利時(shí)邊緣智能控制器、邊緣智能一體機已順利落地北京地鐵19號線(xiàn)一期工程,實(shí)現和利時(shí)邊緣計算平臺在智慧城軌領(lǐng)域的首次成功應用。通過(guò)虛擬化技術(shù)與傳統工業(yè)控制、AI人工智能算法相結合,邊緣智能控制器實(shí)現傳統BAS功能、機電智能診斷功能等場(chǎng)景應用,實(shí)現自動(dòng)扶梯、風(fēng)機、站臺門(mén)、蓄電池、節能控制等五類(lèi)設備/系統的故障診斷與預測分析。