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★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(jié)構(gòu)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(zhàn)面臨復(fù)雜性和多樣性，以往國內(nèi)工控系統(tǒng)核心技術(shù)對國外的依賴，對我國構(gòu)成更加嚴(yán)重的安全隱患和挑戰(zhàn)，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)成為我國企業(yè)的生命線。服務(wù)于工業(yè)用戶數(shù)字化升級新需求，工業(yè)用戶將進(jìn)入到數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程中，大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備、云技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，控制系統(tǒng)將更加開放，在開放的應(yīng)用環(huán)境中，智能制造各層面都面臨安全挑戰(zhàn)，不僅僅包含控制系統(tǒng)的安全，還包含設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全等。早期DCS系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面對系統(tǒng)的本質(zhì)安全考慮較少，系統(tǒng)抵御網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)的能力較低，具有較大的網(wǎng)絡(luò)安全的問題，因此和利時(shí)自主可控、安全可信控制系統(tǒng)的研究建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生。

2 案例實(shí)施與應(yīng)用情況

從2000年以來，我國開始發(fā)展大容量高參數(shù)燃煤機(jī)組，當(dāng)前很多DCS系統(tǒng)存在超期運(yùn)行，系統(tǒng)功能已經(jīng)不能滿足當(dāng)前需要，運(yùn)行的舊型號的設(shè)備老化嚴(yán)重，缺少庫存?zhèn)浼M(jìn)口品牌控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用大幅增加，可靠性下降，系統(tǒng)的升級換代非常必要。

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

本次改造機(jī)組DCS、DEH一體化控制I/O測點(diǎn)共計(jì)11,000余點(diǎn)，完成機(jī)組的DAS、MCS、SCS、FSSS、ECS、ETS、DEH等功能。整個(gè)控制系統(tǒng)的架構(gòu)采用P2P結(jié)構(gòu)，由上到下分為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)層次。系統(tǒng)上層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配五臺(tái)操作員站（其中一臺(tái)DEH操作員站）、三臺(tái)工程師站（其中一臺(tái)為DEH工程師站）、兩臺(tái)互相冗余的歷史站、一臺(tái)通訊接口站。下層控制網(wǎng)絡(luò)共設(shè)計(jì)31個(gè)I/O控制站，配置31對K-CU12-C5控制器，46面機(jī)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(xiàn)汽機(jī)的BTC、ATC、ETS、AUX控制。MEH配置2對K-CU12-C5控制器，實(shí)現(xiàn)小機(jī)MEH、METS控制，伺服卡為完全自主可控冗余伺服卡，轉(zhuǎn)速卡為完全自主可控轉(zhuǎn)速卡。

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

項(xiàng)目從2021年6月確定采用全國產(chǎn)自主可控系統(tǒng)進(jìn)行對機(jī)組原控制系統(tǒng)升級的技術(shù)路線，經(jīng)過2個(gè)月的系統(tǒng)軟件組態(tài)和硬件成套后，于2021年8月30日完成項(xiàng)目的出廠驗(yàn)收。2021年11月26日通過了中國自動(dòng)學(xué)會(huì)發(fā)電專委會(huì)專家組現(xiàn)場性能和功能測試。兩次系統(tǒng)的測試根據(jù)《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性評估技術(shù)導(dǎo)則》DL/T261-2012》和《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程DL/T659-2016》兩項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了38項(xiàng)系統(tǒng)功能和性能的測試，主要包括：冗余性能試驗(yàn)、系統(tǒng)容錯(cuò)性能試驗(yàn)、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測試、系統(tǒng)響應(yīng)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(yàn)、模件安全性測試、開關(guān)量模件性能試驗(yàn)、AI/AO信號穩(wěn)定性試驗(yàn)、輸入?yún)?shù)修正功能的試驗(yàn)、超限診斷報(bào)警功能的試驗(yàn)、AO信號通道可靠性測試、模件可維護(hù)性試驗(yàn)、I/O通道冗余功能檢查、測量信號冗余功能試驗(yàn)、SOE記錄分辨力測試和事故追憶系統(tǒng)檢查等。系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和性能完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性等方面優(yōu)于目前的控制系統(tǒng)。整套系統(tǒng)通過調(diào)試后，于2022年1月12日完成滿負(fù)荷試運(yùn)投入商業(yè)運(yùn)行。

3 應(yīng)用創(chuàng)新性分析

項(xiàng)目采用全國產(chǎn)自主可控系統(tǒng)應(yīng)用于大型火電機(jī)組的控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的穩(wěn)定生產(chǎn)，需要解決國產(chǎn)芯片的可靠性和穩(wěn)定性、系統(tǒng)信息安全等諸多問題，同時(shí)國家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)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(tǒng)來說，控制系統(tǒng)不僅僅只是滿足常規(guī)控制的需要，平臺(tái)具備疊加物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的能力，構(gòu)建更精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)采集體系，建設(shè)包括存儲(chǔ)、集成、訪問、分析、管理功能的使能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)模型化、軟件化、復(fù)用化，滿足工業(yè)App等形式的各類創(chuàng)新應(yīng)用的運(yùn)行環(huán)境。從而實(shí)現(xiàn)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。通過智能應(yīng)用實(shí)現(xiàn)控制、操作和管理的閉環(huán)（感知、分析、決策、執(zhí)行），實(shí)現(xiàn)企業(yè)運(yùn)營品質(zhì)的持續(xù)改善，真正實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的清潔和低碳化。

為此，項(xiàng)目的實(shí)施采用“產(chǎn)、學(xué)、研、用”的技術(shù)路線，大唐安徽分公司召集大唐洛河電廠、華東電力設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了國產(chǎn)自主可控的DCS、DEH一體化的控制系統(tǒng)，并通過優(yōu)化控制系統(tǒng)的架構(gòu)，通過部署智能控制器、高級應(yīng)用服務(wù)器、大型實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)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(yùn)行控制的界限，提供開放的高級應(yīng)用環(huán)境，將常規(guī)DCS系統(tǒng)升級成智能控制系統(tǒng)。利用升級的智能控制系統(tǒng)強(qiáng)大的性能，運(yùn)行采用大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)分析技術(shù)和系統(tǒng)辨識(shí)、機(jī)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(xiàn)機(jī)組的智能運(yùn)行和控制的綜合優(yōu)化，保證機(jī)組高效、靈活、環(huán)保、智能的運(yùn)行。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出國產(chǎn)芯片和操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)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(jī)軟件及組件，包括數(shù)據(jù)庫、組態(tài)軟件、畫面軟件都是基于Liux平臺(tái)自主開發(fā)。系統(tǒng)軟件按照管控一體化思路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)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(tǒng)軟件，就可以實(shí)現(xiàn)管理網(wǎng)和控制網(wǎng)平臺(tái)的部署。系統(tǒng)按照超大型分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可滿足智能化電廠大規(guī)模數(shù)據(jù)量處理和實(shí)時(shí)性的應(yīng)用需求。例如單域120萬點(diǎn)，單站36,000點(diǎn)項(xiàng)等。

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

4 效益分析

隨著全國產(chǎn)自主可控DCS控制系統(tǒng)在大唐洛河630MW火電機(jī)組的成功投運(yùn)，標(biāo)志著作為大型火電機(jī)組控制的“大腦”成功應(yīng)用了“中國芯”。項(xiàng)目的成功實(shí)施也實(shí)現(xiàn)了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、安全效益和社會(huì)效益的三豐收。

（1）經(jīng)濟(jì)效益

此項(xiàng)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30萬元計(jì)算，國產(chǎn)DCS備件約17萬元左右，每年成本降低13萬，約占成本的48%。

（2）安全效益

此項(xiàng)目自投產(chǎn)至今，未發(fā)生一例因DCS問題導(dǎo)致的不安全事件，系統(tǒng)安全可靠，參數(shù)準(zhǔn)確，策略合理。機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行及停機(jī)時(shí)，保護(hù)連鎖動(dòng)作正確，未發(fā)生過保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)事件。現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障、異常時(shí)，能及時(shí)報(bào)警提示運(yùn)行人員，采取相應(yīng)措施。系統(tǒng)本身容錯(cuò)能力較強(qiáng)，冗余的控制器、網(wǎng)絡(luò)、交換機(jī)及服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，不影響現(xiàn)場工藝系統(tǒng)運(yùn)行，處理過程不需停系統(tǒng)，系統(tǒng)安全性大大提高。

（3）社會(huì)效益

本項(xiàng)目所應(yīng)用的國產(chǎn)自主可控DCS、DEH一體化DCS系統(tǒng)應(yīng)用情況來看，目前國內(nèi)DCS企業(yè)已完全掌握自主可控分散控制系統(tǒng)核心技術(shù)、打破對國外核心技術(shù)的依賴；同時(shí)，此項(xiàng)目的成功應(yīng)用大幅降低電力企業(yè)建設(shè)和運(yùn)維成本，打破了長期以來進(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(shè)有著非常實(shí)際的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

5 項(xiàng)目意義

本項(xiàng)目案例采用國產(chǎn)自主可控系統(tǒng)HOLLiAS MACS IC DCS在600MW以上超超臨界火電機(jī)組的成功應(yīng)用是自主工業(yè)領(lǐng)域芯片、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、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(nèi)工控系統(tǒng)核心技術(shù)對國外的依賴，解決了傳統(tǒng)的工控安全應(yīng)用領(lǐng)域供應(yīng)鏈安全、信息安全、功能安全、本質(zhì)安全等問題，實(shí)現(xiàn)了大型工業(yè)控制系統(tǒng)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(tǒng)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