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活動(dòng)鏈接：2014年控制網(wǎng)行業(yè)專(zhuān)題---打造有中國(guó)特色的智能電網(wǎng)

   當(dāng)前電力企業(yè)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，如電力市場(chǎng)化、節(jié)能減排、產(chǎn)能效率，另一方面，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)并迅速應(yīng)用于電力行業(yè)，如現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)等，這使得數(shù)字化電廠(chǎng)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字化電廠(chǎng)可以解決火力發(fā)電廠(chǎng)管理粗放水平低下、發(fā)電能耗高、污染物排放嚴(yán)重、輔助系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、設(shè)備故障率高等眾多問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電站現(xiàn)代化的運(yùn)營(yíng)和管理，從而降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本、發(fā)電能耗、污染物排放，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本刊專(zhuān)題策劃特別邀請(qǐng)西南電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)總工程師張晉賓教授全面解讀“數(shù)字化電廠(chǎng)”的理念和發(fā)展現(xiàn)狀，以及給自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

   能否解釋下“數(shù)字化電廠(chǎng)”的概念？數(shù)字化電廠(chǎng)有何特點(diǎn)？ “數(shù)字化”包括哪些層面？

   張晉賓：

  盡管“數(shù)字化工廠(chǎng)”耳熟能詳，但全世界并沒(méi)有形成其公認(rèn)的統(tǒng)一定義。

  “數(shù)字化電廠(chǎng)”的概念

   提到“數(shù)字化工廠(chǎng)或電廠(chǎng)”，需先闡述下“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”的概念。所謂數(shù)字經(jīng)濟(jì)，是指在經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，包括每一組織（如政府、各類(lèi)企事業(yè)單位、非贏利機(jī)構(gòu)或團(tuán)體等）的內(nèi)部運(yùn)作、組織間或組織與個(gè)人間或個(gè)人與個(gè)人之間的事務(wù)，廣泛采用IT信息技術(shù)（硬件、軟件、應(yīng)用和通信等）。而主要是在上世紀(jì)末本世紀(jì)初開(kāi)始出現(xiàn)的“數(shù)字化工廠(chǎng)”現(xiàn)象，正是數(shù)字經(jīng)濟(jì)環(huán)境下的產(chǎn)物，是當(dāng)今全球最吸引人眼球的熱點(diǎn)技術(shù)和流行技術(shù)。

   盡管“數(shù)字化工廠(chǎng)”耳熟能詳，但全世界并沒(méi)有形成其公認(rèn)的統(tǒng)一定義。國(guó)際上，有的學(xué)者將其定義為用于表示工廠(chǎng)的模型和用于生成該模型的工具；有的學(xué)者將其與虛擬工廠(chǎng)相區(qū)別，定義為已有真實(shí)工廠(chǎng)靜態(tài)內(nèi)容（包括靜止的所有物、資源、媒介供應(yīng)）的映像；也有的學(xué)者干脆認(rèn)為就是虛擬生產(chǎn)制造，即是生產(chǎn)制造位置的逼真的、集成的計(jì)算機(jī)模型，該模型包括每一流程和具有支持規(guī)劃、仿真、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)控制和維修等全部必要功能的整個(gè)工廠(chǎng)。有關(guān)數(shù)字化工廠(chǎng)的構(gòu)成，有的專(zhuān)家認(rèn)為是由建模和可視化、仿真和評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)管理和通信三部分構(gòu)成；也有的專(zhuān)家認(rèn)為是由3D設(shè)備系統(tǒng)可視化、事件仿真、制造過(guò)程仿真和人機(jī)工程仿真四部分組成。在國(guó)內(nèi)，有的專(zhuān)家認(rèn)為數(shù)字化電廠(chǎng)包括電廠(chǎng)管理數(shù)字化、生產(chǎn)過(guò)程控制數(shù)字化、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)控制與管理數(shù)字化、電廠(chǎng)信息高質(zhì)量數(shù)字化和電廠(chǎng)設(shè)計(jì)數(shù)字化；有的專(zhuān)家認(rèn)為數(shù)字化電廠(chǎng)是通過(guò)采用先進(jìn)的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和管理數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)人、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)目標(biāo)和管理方法的集成；也有的專(zhuān)家認(rèn)為電廠(chǎng)的數(shù)字化實(shí)際上是指在電廠(chǎng)從建設(shè)到運(yùn)行的整個(gè)生命周期過(guò)程中，實(shí)施完整的數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化采購(gòu)、數(shù)字化工程建設(shè)以及數(shù)字化移交，同時(shí)在電廠(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)層次采用智能化、數(shù)字化的設(shè)備，在信息系統(tǒng)中采用相應(yīng)的智能控制軟件和管理軟件，從而使得對(duì)整個(gè)電廠(chǎng)的監(jiān)控和管理都是智能化、數(shù)字化和透明化的。在我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠(chǎng)熱工自動(dòng)化術(shù)語(yǔ)》DL/T701-2012中，將“電廠(chǎng)數(shù)字化”定義為：利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及微處理器技術(shù)把反映火電廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程和管理過(guò)程對(duì)象的現(xiàn)象、特征、本質(zhì)及規(guī)律的聲音、文字、數(shù)字、符號(hào)、圖形和圖像等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息的過(guò)程。將“數(shù)字化電廠(chǎng)”定義為：數(shù)字化電廠(chǎng)是電廠(chǎng)數(shù)字化達(dá)到一定程度后的概念。電廠(chǎng)各級(jí)控制和管理系統(tǒng)（包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等基礎(chǔ)單元）均進(jìn)入數(shù)字化后稱(chēng)為數(shù)字化電廠(chǎng)。國(guó)際電工委員會(huì)IEC/TC65則將“數(shù)字化工廠(chǎng)”定義為：表現(xiàn)工廠(chǎng)基本組成單元、自動(dòng)化資產(chǎn)、它們的行為和關(guān)系的類(lèi)模型。德國(guó)工程師學(xué)會(huì)在其VDI 4499導(dǎo)則中將其定義為：“數(shù)字化工廠(chǎng)”是一個(gè)由數(shù)字模型、方法和工具（包括仿真和3D可視）全部交織在一起的、由連續(xù)的數(shù)據(jù)管理將其集成在一起的綜合網(wǎng)絡(luò)所形成的超常概念。

   綜合分析歸納以上有代表性的概念或定義可知，數(shù)字化電廠(chǎng)的定義大致可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是狹義的、淺層次的、初級(jí)的，即認(rèn)為數(shù)字化電廠(chǎng)就是指電廠(chǎng)生產(chǎn)，乃至管理的數(shù)字化，只要電廠(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)（包括現(xiàn)場(chǎng)儀表）和管理系統(tǒng)的各個(gè)層面都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，就認(rèn)為建成了數(shù)字化電廠(chǎng)；而另一類(lèi)是廣義的、深層次的、高級(jí)的，即認(rèn)為數(shù)字化電廠(chǎng)各類(lèi)系統(tǒng)的數(shù)字化只是一個(gè)基礎(chǔ)，或表象而已，而最重要的是應(yīng)建立有電廠(chǎng)的數(shù)字模型，并在此模型基礎(chǔ)上，充分利用系統(tǒng)集成、專(zhuān)家系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代信息處理和通信技術(shù)、智能控制和管理決策技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電廠(chǎng)管控真正意義上的信息化、智能化，最大限度達(dá)到電廠(chǎng)的安全、高效、環(huán)保運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)質(zhì)上，后一種定義，更為全面、系統(tǒng)，也與國(guó)際上主流的數(shù)字化工廠(chǎng)觀(guān)點(diǎn)相吻合。

   數(shù)字化電廠(chǎng)的特點(diǎn)

   從前述數(shù)字化電廠(chǎng)的概念，可高度概括出全面、系統(tǒng)、完整的數(shù)字化電廠(chǎng)應(yīng)具有以下六個(gè)特點(diǎn)：

   一是數(shù)字化，即利用計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)把電廠(chǎng)各個(gè)生存周期階段所存在或發(fā)生或關(guān)聯(lián)的模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。

   二是模型化，即建立有電廠(chǎng)完整的數(shù)字模型，其中不僅包括實(shí)體的物理模型，也應(yīng)包括數(shù)學(xué)邏輯模型在內(nèi)。如以汽輪機(jī)本體為例，一是應(yīng)全面建立包括汽缸、隔板、隔板套、主汽閥、調(diào)節(jié)閥、進(jìn)汽管、蒸汽室、噴嘴組、主軸、軸承、軸承座、聯(lián)軸器、葉輪、動(dòng)葉柵、軸封、軸封環(huán)、平衡盤(pán)等汽輪機(jī)全部組成部件的單個(gè)實(shí)體模型和由此組成的完整汽輪機(jī)實(shí)體模型；二是建立汽輪機(jī)的各種數(shù)學(xué)模型，如汽輪機(jī)熱力特性模型、應(yīng)力模型、調(diào)節(jié)特性模型等。

   三是可視化，即在所建立的電廠(chǎng)數(shù)字模型基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將電廠(chǎng)各類(lèi)實(shí)體及其特性以直觀(guān)的、圖形圖像信息表示的、隨時(shí)間和空間變化的物理現(xiàn)象或物理量（如三維立體形式）呈現(xiàn)于用戶(hù)面前，實(shí)現(xiàn)與用戶(hù)的交互，使之能夠?yàn)g覽、觀(guān)察、模擬和計(jì)算，從而提高規(guī)劃設(shè)計(jì)效率，也為規(guī)劃設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供便捷，而且更便于實(shí)現(xiàn)電廠(chǎng)的運(yùn)行、維護(hù)、檢修的仿真，極大提高電廠(chǎng)的工作效率。

  四是互操作性，即數(shù)字化電廠(chǎng)中的各個(gè)構(gòu)成部件（如不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、儀表等）具有協(xié)同工作，并共享信息的能力。如數(shù)字化工廠(chǎng)中的一些實(shí)體可和數(shù)字化工廠(chǎng)中的其它實(shí)體之間無(wú)縫交換信息。

   五是信息化，在我國(guó)《2006━2020年國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》中指出，信息化是指充分利用信息技術(shù)，開(kāi)發(fā)利用信息資源，促進(jìn)信息交流和知識(shí)共享，提高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)質(zhì)量，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展轉(zhuǎn)型的歷史進(jìn)程。數(shù)字化電廠(chǎng)在電廠(chǎng)的設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)、管理等各個(gè)環(huán)節(jié)廣泛采用了信息技術(shù)，顯然，信息化也是數(shù)字化電廠(chǎng)的主要特征之一，數(shù)字化電廠(chǎng)的建立也是我國(guó)信息化建設(shè)中的重要組成部分。

  六是智能化，數(shù)字化電廠(chǎng)廣泛采用現(xiàn)代信息處理和通信技術(shù)、智能測(cè)量和控制技術(shù)，以及基于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、聯(lián)機(jī)分析處理、數(shù)據(jù)挖掘、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)等相結(jié)合起來(lái)的綜合智能決策支持技術(shù)，最大限度地實(shí)現(xiàn)電廠(chǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保、自治、智能運(yùn)行。

  “數(shù)字化”包括的層面

  國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在其ISO 15926標(biāo)準(zhǔn)中，將流程工廠(chǎng)（包括電廠(chǎng)在內(nèi)）生存周期活動(dòng)模型分為：概念流程設(shè)計(jì)，概念工程設(shè)計(jì)（前端），詳細(xì)流程設(shè)計(jì)，詳細(xì)工程設(shè)計(jì)，設(shè)備、材料及服務(wù)的采購(gòu)和控制，施工，調(diào)試，試運(yùn)，運(yùn)行，工廠(chǎng)及設(shè)備的維護(hù)，退役，工廠(chǎng)拆除和場(chǎng)地恢復(fù)等過(guò)程。但該標(biāo)準(zhǔn)不涉及行政管理、商業(yè)、貿(mào)易等方面。

  因此，從電廠(chǎng)生存周期全過(guò)程綜合來(lái)看，電廠(chǎng)的數(shù)字化不僅體現(xiàn)在建立有相應(yīng)的數(shù)字化電廠(chǎng)（包括設(shè)備、管道、設(shè)施等全部對(duì)象）模型，而且也應(yīng)包括在其各個(gè)生存過(guò)程的數(shù)字化，即電廠(chǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)（包括概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)）的數(shù)字化、電廠(chǎng)建設(shè)（包括采購(gòu)、施工、調(diào)試及建設(shè)管理等）的數(shù)字化、電廠(chǎng)運(yùn)行（包括運(yùn)行、維護(hù)和檢修等）的數(shù)字化、電廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)管理（包括生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理、行政管理、設(shè)備管理、燃料管理、物資管理、財(cái)務(wù)管理等）的數(shù)字化等各個(gè)層面，如此才可稱(chēng)得上是全面的數(shù)字化電廠(chǎng)。

  數(shù)字化電廠(chǎng)成為未來(lái)電力行業(yè)的一大發(fā)展趨勢(shì)，目前在我國(guó)的發(fā)展情況如何？取得了哪些突破？您認(rèn)為其深入發(fā)展還需要哪些方面的發(fā)展和突破？

   張晉賓：

   數(shù)字化電廠(chǎng)的構(gòu)建是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要長(zhǎng)期科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致、扎實(shí)的工作。國(guó)內(nèi)相當(dāng)多的單位誤將數(shù)字化當(dāng)成目的，而不是當(dāng)作構(gòu)建現(xiàn)代信息化企業(yè)的重要手段，單純?yōu)榱藬?shù)字化而數(shù)字化。與國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化方面差距尤其巨大。下面基于電廠(chǎng)生存周期，主要分析下設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和管理等主要過(guò)程的國(guó)內(nèi)電廠(chǎng)數(shù)字化現(xiàn)狀以及與國(guó)外同行的差距等。

  從數(shù)字化建設(shè)流程來(lái)看，設(shè)計(jì)（包括流程設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)）是其龍頭，是電廠(chǎng)全面數(shù)字化的基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)的電力設(shè)計(jì)院基本上甩掉了圖板，采用CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（如AutoCAD）來(lái)進(jìn)行電廠(chǎng)設(shè)計(jì)，達(dá)到了設(shè)計(jì)手段的初級(jí)數(shù)字化。此外，部分設(shè)計(jì)院采用國(guó)際通用的三維設(shè)計(jì)技術(shù)或協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)（如AVEVA的PDMS、Bentley的Open Plant、Intergraph的Smart Plant、Siemens的Comos等），實(shí)現(xiàn)了電廠(chǎng)設(shè)計(jì)的較高質(zhì)量的數(shù)字化。但與國(guó)際先進(jìn)工程公司相比較，國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)數(shù)字化還處于較為基礎(chǔ)的階段，所建立的三維模型只是一個(gè)物理模型，還不能全面仿真真實(shí)的工藝流程，與所要求的虛擬電廠(chǎng)還有差距。另外，所使用的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)也不是真正意義上的全部協(xié)同，并未實(shí)現(xiàn)全面的工藝、土建、電氣、儀控等多專(zhuān)業(yè)的信息共享和協(xié)同數(shù)字化設(shè)計(jì)。

   在電廠(chǎng)建設(shè)方面，國(guó)內(nèi)建設(shè)單位大都配置有建設(shè)期管理信息系統(tǒng)（包括建設(shè)階段的計(jì)劃管理、進(jìn)度管理、物資管理、財(cái)務(wù)管理、質(zhì)量管理、安全管理、工程圖紙文檔管理等功能模塊），如Primavera的P3或P6項(xiàng)目管理軟件等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電廠(chǎng)建設(shè)階段的合同、工程概算、工程投資、設(shè)備采購(gòu)、工程施工、工程質(zhì)量等信息的基本數(shù)字管理。但從深層次上看，施工方大都沒(méi)有配置可與設(shè)計(jì)相兼容的工程管理信息平臺(tái)，不具備從上游無(wú)縫接收數(shù)字設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力，加之絕大部分建設(shè)項(xiàng)目并沒(méi)有從設(shè)計(jì)方獲得全面完整的數(shù)字化設(shè)計(jì)產(chǎn)品，因而更談不上基于數(shù)字化設(shè)計(jì)成果的數(shù)字化采購(gòu)、基于數(shù)字模型的施工優(yōu)化和虛擬化的機(jī)組調(diào)整、試驗(yàn)等，因此并未充分挖掘和利用數(shù)字產(chǎn)品的潛力，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)深層次的數(shù)字化建設(shè)規(guī)劃和管理。

   在電廠(chǎng)運(yùn)行方面，國(guó)內(nèi)電廠(chǎng)基本上都配置有DCS/PLC等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，甚至有的還在上層配置有類(lèi)似于國(guó)外MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的、國(guó)內(nèi)稱(chēng)之為SIS的廠(chǎng)級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了過(guò)程控制及設(shè)備運(yùn)行的初級(jí)數(shù)字化，具備了一定的控制優(yōu)化和狀態(tài)檢修能力。在此值得多說(shuō)的是，有的觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為一定要在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)全面應(yīng)用了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)后，才能稱(chēng)之為“真正”意義上的電廠(chǎng)全面數(shù)字化。這種觀(guān)點(diǎn)其實(shí)是對(duì)數(shù)字化建設(shè)的片面理解，實(shí)質(zhì)上不論是采用常規(guī)型、智能型或現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)型儀表與控制設(shè)備，只要能采集到被控對(duì)象足夠的數(shù)字狀態(tài)信息，并對(duì)之實(shí)施有效的數(shù)字監(jiān)控，同時(shí)可對(duì)測(cè)控裝置的可靠性狀態(tài)實(shí)施數(shù)字化的管理，即可認(rèn)為達(dá)到了數(shù)字化。何況片面強(qiáng)調(diào)儀表與控制設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)化，既不現(xiàn)實(shí)（如IEC 、ISO等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)可的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)型就有幾十種之多，且不是所有的儀表與控制設(shè)備都有商用的質(zhì)量可靠的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品。另如國(guó)外某已投產(chǎn)的號(hào)稱(chēng)全面采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的電廠(chǎng)，也還采用有閥島、Hart等并非真正意義上的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品）也不具有實(shí)質(zhì)意義（電廠(chǎng)的數(shù)字化是手段，不是目的。只要能達(dá)到電廠(chǎng)的信息化、智能化，實(shí)現(xiàn)電廠(chǎng)的現(xiàn)代化運(yùn)行和管理，達(dá)到電廠(chǎng)營(yíng)運(yùn)成本最低，發(fā)電能耗最小，污染物達(dá)標(biāo)排放，設(shè)備可用系數(shù)高，使電廠(chǎng)效益最大化即可）。當(dāng)然，我們并不否認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品在全數(shù)字化通信、互操作性、互用性等方面的優(yōu)勢(shì)，只是不要將其認(rèn)為是電廠(chǎng)數(shù)字化的必要條件而已。實(shí)際上，IEC國(guó)際電工委員會(huì)在其TR62794技術(shù)報(bào)告中所提到的數(shù)字化工廠(chǎng)參考模型中，也并不完全排斥常規(guī)I/O采集方式。在電廠(chǎng)運(yùn)行數(shù)字化方面，國(guó)內(nèi)還應(yīng)建立全面的基于被控對(duì)象的電廠(chǎng)數(shù)字化邏輯模型，并充分應(yīng)用這些數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠(chǎng)的基于模型的狀態(tài)預(yù)測(cè)控制、優(yōu)化控制、智能控制、故障診斷、狀態(tài)檢修等。

   在電廠(chǎng)管理方面，相當(dāng)多的國(guó)內(nèi)業(yè)主建立有較為完善的，包括經(jīng)營(yíng)管理、資產(chǎn)管理、生產(chǎn)管理、行政管理等主要功能的MIS管理信息系統(tǒng)，甚至有的大型發(fā)電企業(yè)還建立有ERP企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（如基于SAP、用友軟件等）。但從數(shù)據(jù)鏈看，仍沒(méi)有徹底打通從設(shè)計(jì)、施工，直至運(yùn)行的全部數(shù)據(jù)鏈，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全部過(guò)程的數(shù)據(jù)共享。十分遺憾的是，國(guó)外在20世紀(jì)未就制訂有較為完善的過(guò)程工業(yè)全過(guò)程數(shù)據(jù)移交標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（如歐洲EPISTLE組織于1997年就制訂了“Process Industries DataHandover Guide”），但國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有一部涉及電力工程數(shù)據(jù)稱(chēng)交的標(biāo)準(zhǔn)。從電廠(chǎng)生產(chǎn)管理角度看，沒(méi)有充分利用虛擬的數(shù)字化電廠(chǎng)模型，進(jìn)行電廠(chǎng)的運(yùn)行管理、安全管理、技術(shù)監(jiān)督管理、大小修項(xiàng)目管理等；此外，也未充分利用已有的數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)，建立有以管理科學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、控制論和行為科學(xué)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)和信息技術(shù)為手段，具有智能決策作用的決策支持系統(tǒng)，從而不能為電力企業(yè)的各級(jí)管理者提供及時(shí)、有效的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策信息，不能達(dá)到對(duì)工程投資費(fèi)用、進(jìn)度、質(zhì)量、生產(chǎn)的最大有效控制。

   對(duì)于數(shù)字化電廠(chǎng)的建設(shè)，自動(dòng)化技術(shù)在其中發(fā)揮了怎樣的作用？在自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用方面有何創(chuàng)新或突破？

  張晉賓：

   自動(dòng)化技術(shù)是一門(mén)采用控制系統(tǒng)、IT信息技術(shù)等來(lái)提高生產(chǎn)力，優(yōu)化生產(chǎn)和服務(wù)的質(zhì)和量的綜合性技術(shù)，它在數(shù)字化電廠(chǎng)建設(shè)中，特別是電廠(chǎng)運(yùn)行數(shù)字化方面，發(fā)揮了極其重要的、不可替代的支撐作用。

   圖1為IEC/TC65所給出的數(shù)字化工廠(chǎng)示例及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所涉及的IEC、ISO和ISA委員會(huì)總圖。

   從該圖中可以看出，自動(dòng)化資產(chǎn)及其之間的關(guān)聯(lián)和自動(dòng)化資產(chǎn)與其它資產(chǎn)的關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了數(shù)字化工廠(chǎng)（自動(dòng)化資產(chǎn)）的參考模型。從該模型結(jié)構(gòu)看，最下層由DCS/PLC（包括現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表、傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置、馬達(dá)等）組成，中間層由MES、數(shù)據(jù)服務(wù)器、HMI等組成，最上層由廠(chǎng)級(jí)信息站、廠(chǎng)級(jí)維修站、公司級(jí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)器和SAP及其它各類(lèi)診斷、安全站所構(gòu)成。上述模型結(jié)構(gòu)和國(guó)內(nèi)的下層DCS/PLC、中層SIS（廠(chǎng)級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)）+MIS、上層公司級(jí)的ERP的信息化結(jié)構(gòu)基本類(lèi)同。
 
                    

                                           圖1 數(shù)字工廠(chǎng)示意圖

   20世紀(jì)末，隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助和集成技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、管理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)及其它信息技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字化工廠(chǎng)的雛形。在這十多年的數(shù)字化電廠(chǎng)建設(shè)中，國(guó)內(nèi)電廠(chǎng)自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)也從中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，現(xiàn)今的大型電廠(chǎng)普遍采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電廠(chǎng)的監(jiān)視、報(bào)警、控制、保護(hù)、優(yōu)化和管理。突出表面在以下四點(diǎn)：一是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)集成技術(shù)、視覺(jué)系統(tǒng)等技術(shù)，將全廠(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)一體化，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組（包括鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組等）的少人全能值班和輔助車(chē)間的無(wú)人值守，有的甚至實(shí)現(xiàn)了燃煤機(jī)組的全自動(dòng)啟動(dòng)和停止功能；二是利用先進(jìn)的智能控制技術(shù)（如模型預(yù)測(cè)、空間辨識(shí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、仿人智能等）和優(yōu)化算法（如遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等），大大提升了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能、適應(yīng)性和穩(wěn)定性；三是逐漸擴(kuò)大現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表與控制設(shè)備、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線(xiàn)儀表、安全儀表系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)（如旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障分析系統(tǒng)、爐管或閥門(mén)泄漏診斷分析系統(tǒng)等）的應(yīng)用，利用新型的儀表與自動(dòng)化技術(shù)，進(jìn)一步提升電廠(chǎng)的信息、安全、可靠水平；四是利用新的建模技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制技術(shù)，建立了電力仿真系統(tǒng)（如整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站仿真、超臨界機(jī)組電站仿真等），基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)建設(shè)過(guò)程和發(fā)電過(guò)程的仿真、運(yùn)行的虛擬操作培訓(xùn)等功能。

   能否談?wù)?ldquo;三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)”在數(shù)字化電廠(chǎng)建設(shè)中的作用？目前的研究和應(yīng)用情況？

  張晉賓：

  三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)是建立在數(shù)字化、虛擬化、智能化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計(jì)對(duì)象更立體化，更形象化的一種新型設(shè)計(jì)方式，是電廠(chǎng)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)之一。由此建立的三維虛擬空間，給大家以直觀(guān)、逼真、身臨其境之感，很多不易察覺(jué)的設(shè)計(jì)缺陷（如管道、設(shè)備的碰撞等空間布置問(wèn)題）能夠輕易地被發(fā)現(xiàn)，便于項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案優(yōu)化等，大大提高了規(guī)劃和設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，而且還體現(xiàn)在數(shù)字化電廠(chǎng)的施工、運(yùn)維等后續(xù)電廠(chǎng)生存周期的各個(gè)階段。如在施工安裝階段，利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)模型可以對(duì)不熟悉的復(fù)雜設(shè)備或部件進(jìn)行虛擬安裝，或進(jìn)行工程項(xiàng)目的空間施工管理（如施工空間分配、施工進(jìn)度模擬等）；另如在電廠(chǎng)運(yùn)行階段，利用電廠(chǎng)的三維數(shù)字化模型，鏈接生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，可建立指導(dǎo)生產(chǎn)或檢修的、具有高度沉浸感的三維虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可視化的、虛擬化的仿真運(yùn)行、檢修、安全培訓(xùn)或考核等。 將三維數(shù)字化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)與電廠(chǎng)運(yùn)行和管理數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)，建立集成的企業(yè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)平臺(tái)，并與電廠(chǎng)ERP、MIS系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接，可形成運(yùn)維一體化三維數(shù)字化管控系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)是數(shù)字化電廠(chǎng)建設(shè)的前端，它使得電廠(chǎng)對(duì)象直觀(guān)形象，信息立體化，為后續(xù)的數(shù)字化電廠(chǎng)的打造和電廠(chǎng)全方位的信息化創(chuàng)造了便利的條件，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

   在國(guó)內(nèi)，電力三維設(shè)計(jì)起源于上世紀(jì)90年代，經(jīng)過(guò)近20年的建設(shè)，目前大的電力設(shè)計(jì)院已基本建成國(guó)際水平的電廠(chǎng)三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，其主要應(yīng)用情況如下：

   （1）工藝設(shè)計(jì)：建立有完備的設(shè)備材料數(shù)據(jù)庫(kù)（如ASME、GB、DL管規(guī)等），熱機(jī)、除灰、脫硫、化水、供水、暖通等多專(zhuān)業(yè)的布置工具庫(kù)。可以在三維設(shè)計(jì)平臺(tái)上完成設(shè)備和管道的布置設(shè)計(jì)（含應(yīng)力分析）、施工詳細(xì)設(shè)計(jì)（含支吊架設(shè)計(jì)）。在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以隨時(shí)從三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)上抽取智能P&ID圖、平面圖、軸側(cè)圖、配管圖，以及設(shè)備表、管線(xiàn)表、閥門(mén)表等各類(lèi)材料統(tǒng)計(jì)表，以滿(mǎn)足各階段的采購(gòu)和施工要求。

  （2）土建設(shè)計(jì)：建立有電廠(chǎng)內(nèi)全部建、構(gòu)筑物的模型，且建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均可在三維設(shè)計(jì)平臺(tái)上完成。在同一設(shè)計(jì)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了多專(zhuān)業(yè)間的結(jié)構(gòu)荷載、孔洞、預(yù)埋件配合，在全廠(chǎng)碰撞檢查過(guò)程中能發(fā)現(xiàn)并解決所有的碰撞問(wèn)題。在結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字化模型中，可抽取鋼結(jié)構(gòu)的施工圖（包括鋼結(jié)構(gòu)的加工圖、節(jié)點(diǎn)圖和精確的材料統(tǒng)計(jì)匯總清冊(cè)等）。

  （3）電控設(shè)計(jì)：建立有包含設(shè)備參數(shù)的電氣和儀控設(shè)備三維模型，可進(jìn)行電氣和儀控設(shè)備安裝設(shè)計(jì)、電氣主接線(xiàn)設(shè)計(jì)、三維防雷設(shè)計(jì)、電纜自動(dòng)敷設(shè)等。也可在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)上進(jìn)行帶電距離校驗(yàn)，抽取各類(lèi)施工圖以及材料統(tǒng)計(jì)表等。 

   摘自《自動(dòng)化博覽》2013年10期