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★南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司門冉，方正，蔡寧寧

★中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)何永君

★江蘇省熱工過(guò)程智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室章禔

★廣東粵電花都天然氣熱電有限公司李賀延，余智健

電力行業(yè)的數(shù)字化、智能化發(fā)展已上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。自2016年以來(lái)，國(guó)家陸續(xù)發(fā)布了多個(gè)促進(jìn)能源和信息深度融合、鼓勵(lì)能源企業(yè)運(yùn)用大數(shù)據(jù)、智能化技術(shù)推廣以及提高能源利用效率和安全穩(wěn)定運(yùn)行水平的指導(dǎo)文件^[1~2]。國(guó)家能源局還發(fā)布了推進(jìn)能源數(shù)字化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)，明確要求加快火電、水電等傳統(tǒng)電源數(shù)字化設(shè)計(jì)建造和智能化升級(jí)，推進(jìn)智能分散系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用。這些都對(duì)控制系統(tǒng)智能化發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。

1　控制系統(tǒng)概況

分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）是智能控制系統(tǒng)（Intelligent Control System，ICS）的基礎(chǔ)。ICS在DCS基礎(chǔ)上應(yīng)用智能化技術(shù)，是DCS的高級(jí)應(yīng)用拓展。ICS的研究、設(shè)計(jì)、研發(fā)和應(yīng)用需深入了解DCS的特點(diǎn)及發(fā)展過(guò)程。

1.1　國(guó)內(nèi)DCS現(xiàn)狀

國(guó)產(chǎn)DCS經(jīng)多年發(fā)展，在技術(shù)水平上與國(guó)外系統(tǒng)相當(dāng)，能滿足國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)用需求，且在自主可控方面有較大發(fā)展。我國(guó)DCS廠商包括國(guó)電智深、國(guó)電南自、華能瑞沃、南京科遠(yuǎn)、和利時(shí)、浙大中控和上海新華等^[3~4]。其中，南京科遠(yuǎn)NT6000、國(guó)電智深EDPF-NT及GD99、和利時(shí)HOLLiAS-MACS、浙江中控ECS、上海新華TISNET等控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)已有較多成果應(yīng)用，涵蓋了大容量火電機(jī)組、大型石化、大產(chǎn)量建材和冶金等流程工業(yè)^[3]。

1.2　國(guó)內(nèi)ICS發(fā)展情況

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)控制系統(tǒng)已逐步向ICS發(fā)展，主流廠家相繼推出了各自的ICS，如科遠(yuǎn)智慧ICS、國(guó)電智深iDCS、華能睿渥HNICS、中控InPlant MDS等^[5~8]。隨著ICS的重要性越來(lái)越高，ICS行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也在起草編制中，預(yù)計(jì)明年公布出臺(tái)。國(guó)內(nèi)已有發(fā)電智能化、數(shù)字化和ICS的建設(shè)應(yīng)用實(shí)踐，如大唐北京高井熱電、大唐南京熱電、國(guó)電東勝、大唐姜堰熱電、大唐南電、京能十堰電廠、國(guó)華京燃熱電、江陰利港和華電萊州電廠等^[3~7]。

目前，ICS發(fā)展時(shí)間較短，在智能技術(shù)應(yīng)用方面仍未有顛覆性突破，其整體上仍采用在DCS上搭建高級(jí)應(yīng)用服務(wù)功能的架構(gòu)^[3~7]。本文針對(duì)ICS在生產(chǎn)一區(qū)的實(shí)現(xiàn)闡述其研究和應(yīng)用。

1.3　ICS技術(shù)特點(diǎn)

基于行業(yè)發(fā)展新情況、智能化發(fā)展需求以及在實(shí)踐中的應(yīng)用總結(jié)，ICS應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)（即實(shí)時(shí)控制網(wǎng)）基礎(chǔ)上并行設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)；

（2）生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及高級(jí)應(yīng)用功能在高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)控制網(wǎng)提供數(shù)據(jù)接口并接收高級(jí)應(yīng)用運(yùn)算結(jié)果；

（3）配置高級(jí)應(yīng)用功能硬件，包括高級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)器、高級(jí)應(yīng)用服務(wù)器和高性能控制器等；

（4）采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，與實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)無(wú)縫融合，不對(duì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)大干擾，確保實(shí)時(shí)控制網(wǎng)安全可靠；

（5）支持主流先進(jìn)控制功能，包括模糊控制、自適應(yīng)控制、DMC、MPC和GPC等；

（6）人機(jī)交互性能更高，畫(huà)面刷新速度更高，支持視頻信號(hào)接入、三維模型展示、web數(shù)據(jù)交互、關(guān)系型數(shù)據(jù)交互等；

（7）實(shí)時(shí)控制網(wǎng)和高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)均應(yīng)滿足最新網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)要求。

本文所述的ICS架構(gòu)由兩部分構(gòu)成，包括實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)系統(tǒng)。

2　ICS系統(tǒng)研究

ICS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研發(fā)及應(yīng)用需要在考慮數(shù)據(jù)高效應(yīng)用的同時(shí)兼顧實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，以保證數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全^[3~7]。

2.1　硬件配置

ICS高級(jí)應(yīng)用功能依賴于高性能應(yīng)用服務(wù)器、高性能數(shù)據(jù)服務(wù)器、高性能控制器和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等^[9~13]。ICS主要硬件配置的性能要求如表1所述。

表1 ICS硬件配置技術(shù)要求

以上配置為ICS高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)設(shè)備的參考配置，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)的需要進(jìn)行調(diào)整，包括硬件性能和數(shù)量的調(diào)整。

2.2　網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

（1）高速冗余

高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)ICS的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)高效應(yīng)用，以及與實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，其配置關(guān)系到ICS的高級(jí)應(yīng)用功能是否能正常實(shí)現(xiàn)。

高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)高速公路，需至少配置為千兆冗余網(wǎng)絡(luò)，還應(yīng)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)診斷功能，實(shí)時(shí)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，在發(fā)生異常時(shí)及時(shí)發(fā)出告警。系統(tǒng)中無(wú)網(wǎng)絡(luò)短板，所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須均配置為千兆及以上設(shè)備，包括所有服務(wù)器、工程師站、歷史站、操作員站和智能監(jiān)盤站的網(wǎng)卡、交換機(jī)網(wǎng)口、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、防火墻以及隔離網(wǎng)閘等^[3~7]。

（2）分層設(shè)計(jì)

高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)按機(jī)組級(jí)和廠級(jí)分層設(shè)計(jì)搭建，以實(shí)現(xiàn)不同層次功能。機(jī)組級(jí)數(shù)據(jù)通過(guò)高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)單向傳輸?shù)綇S級(jí)高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)，機(jī)組級(jí)高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)與廠級(jí)高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)之間配置單向網(wǎng)絡(luò)隔離設(shè)備，如防火墻或隔離網(wǎng)閘等。機(jī)組級(jí)高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)數(shù)據(jù)在機(jī)組控制系統(tǒng)中展示和交互，廠級(jí)高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)數(shù)據(jù)在單獨(dú)設(shè)置的智能監(jiān)盤站或客戶端中展示和交互。

（3）數(shù)據(jù)分流

ICS高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)應(yīng)能適應(yīng)極短時(shí)間內(nèi)大批量數(shù)據(jù)的讀取和處理。為保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷不至于過(guò)載，在原有控制網(wǎng)絡(luò)上并行搭建高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)（C/D網(wǎng)）。高級(jí)應(yīng)用功能的數(shù)據(jù)在CD網(wǎng)中傳輸和交互，可設(shè)置網(wǎng)絡(luò)占用限制，當(dāng)運(yùn)算過(guò)程占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬過(guò)大時(shí)能及時(shí)限制網(wǎng)絡(luò)帶寬增加，CD網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)異常不影響實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）數(shù)據(jù)交互

由于整套機(jī)組的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)是ICS高級(jí)應(yīng)用功能的基礎(chǔ)，因此設(shè)計(jì)研發(fā)合理的數(shù)據(jù)采集功能尤為重要。在ICS中，數(shù)據(jù)采集需兼顧采集效率以及對(duì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的影響。為提高數(shù)據(jù)利用效率，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，設(shè)定不同數(shù)據(jù)采集周期。

高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)的計(jì)算結(jié)果，應(yīng)當(dāng)高效安全地傳輸至實(shí)時(shí)控制網(wǎng)（包括監(jiān)視畫(huà)面和控制器）。在數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)中，應(yīng)限制數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程對(duì)實(shí)時(shí)控制網(wǎng)的資源占用，并應(yīng)優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則。

2.3　應(yīng)用冗余

應(yīng)用冗余包括數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)的冗余以及高級(jí)應(yīng)用功能計(jì)算的冗余。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器分別從冗余實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)。兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器一運(yùn)一備，軟件配置保持一致。在高級(jí)應(yīng)用功能計(jì)算方面，應(yīng)用服務(wù)器冗余運(yùn)行，一運(yùn)一備。當(dāng)正常運(yùn)行服務(wù)器出現(xiàn)異常后，可自動(dòng)切換為備用服務(wù)器運(yùn)行。在異常服務(wù)器恢復(fù)正常后，能夠自動(dòng)同步地應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)、軟件配置、算法和模型。

2.4　智能控制

ICS設(shè)計(jì)配置連接實(shí)時(shí)控制網(wǎng)和高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)的高性能控制器。高性能控制器作為先進(jìn)控制功能運(yùn)行載體，支持C、C++和Python等常用編程語(yǔ)言，支持高級(jí)應(yīng)用功能專用數(shù)據(jù)接口，支持模糊控制、自適應(yīng)控制、MPC和GPC等先進(jìn)控制算法運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)APS、氣溫控制、燃燒優(yōu)化、脫硫脫硝控制等功能。

2.5　人機(jī)交互

ICS在優(yōu)化提升傳統(tǒng)操作員站功能的同時(shí)展示內(nèi)容更加豐富。ICS應(yīng)能支持關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)查詢、web頁(yè)面調(diào)用、展示和交互、高級(jí)應(yīng)用功能配置和查詢、三維畫(huà)面展示以及視頻信號(hào)接入等。為適應(yīng)以上人機(jī)交互需求，ICS需提升操作員站、工程師站和歷史站配置，如配置高性能顯卡、多塊顯卡，SSD盤及SAS盤等；ICS需要開(kāi)發(fā)針對(duì)性數(shù)據(jù)接口，以實(shí)現(xiàn)在高效調(diào)用數(shù)據(jù)的同時(shí)，不產(chǎn)生過(guò)大的網(wǎng)絡(luò)沖擊；ICS還需優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)請(qǐng)求、發(fā)送和緩存規(guī)則，避免畫(huà)面卡頓^[3~7]。

2.6　網(wǎng)絡(luò)安全

ICS的安全防護(hù)應(yīng)從邊界防護(hù)、檢測(cè)審計(jì)防護(hù)、終端防護(hù)、管理平臺(tái)中心等方面進(jìn)行，并應(yīng)嚴(yán)格按照最新信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)技術(shù)要求進(jìn)行安全策略配置^[8]。

在ICS的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)和智能應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)邊界部署工業(yè)安全網(wǎng)閘，可以保護(hù)ICS網(wǎng)絡(luò)邊界安全，實(shí)現(xiàn)邊界防護(hù)。工業(yè)安全網(wǎng)閘不僅能夠通過(guò)專用硬件在電路上切斷網(wǎng)絡(luò)之間的鏈路層連接，還能夠切斷由外部發(fā)起的連接，保護(hù)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

ICS的審計(jì)防護(hù)應(yīng)包含工業(yè)入侵檢測(cè)系統(tǒng)部署、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)審計(jì)部署、工業(yè)日志審計(jì)部署三部分。不僅能夠?qū)I(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)監(jiān)視，在發(fā)現(xiàn)可疑流量時(shí)發(fā)出警報(bào)或者采取主動(dòng)反應(yīng)措施，還能對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量進(jìn)行入侵檢測(cè)和告警。

ICS通過(guò)白名單、主機(jī)加固等手段完成終端防護(hù)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工控系統(tǒng)信息安全相關(guān)要求，防止入侵、病毒等惡意行為對(duì)主機(jī)文件的非法篡改，設(shè)置對(duì)USB口、網(wǎng)絡(luò)端口管控+進(jìn)程訪問(wèn)的控制，防止軟硬件形式的非法接入并及時(shí)告警。

3　ICS整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1　功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

ICS功能分層次設(shè)計(jì)，如圖1所示，在整體上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、應(yīng)用集成、數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)功能部署實(shí)現(xiàn)軟硬件一體化集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、算法、算力的深度融合。其可分為數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層。數(shù)據(jù)源層涵蓋生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)、傳感器及智能終端等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，智能傳感器和智能終端等邊緣設(shè)備數(shù)據(jù)經(jīng)處理后送到ICS應(yīng)用層。數(shù)據(jù)處理層分為數(shù)據(jù)鏈接層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層三個(gè)子層，其中數(shù)據(jù)鏈接層主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)私有通訊協(xié)議傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)層中；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層將數(shù)據(jù)進(jìn)行高效存儲(chǔ)和交互，形成ICS實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)外提供統(tǒng)一接口；在數(shù)據(jù)應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、分析和特征提取，并調(diào)用專有算法庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)建模。數(shù)據(jù)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互層和功能實(shí)現(xiàn)，服務(wù)運(yùn)行人員。

圖1 ICS功能層次設(shè)計(jì)

3.2　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)本文第二部分的研究結(jié)果和功能層次設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)部署在生產(chǎn)一區(qū)的ICS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。典型ICS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 典型ICS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，A網(wǎng)和B網(wǎng)為冗余實(shí)時(shí)控制網(wǎng)，C網(wǎng)和D網(wǎng)為冗余高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)。單元機(jī)組部署高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)，若部署三層交換機(jī)，公輔系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用功能可在機(jī)組高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)。DCS各站點(diǎn)、服務(wù)器和高性能控制器均連接A、B、C和D網(wǎng)。機(jī)組高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)通過(guò)隔離裝置向廠級(jí)高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)絡(luò)單向傳輸數(shù)據(jù)。廠級(jí)高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)部署的客戶端、高級(jí)工程師站、廠級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)器和廠級(jí)應(yīng)用服務(wù)器連接C網(wǎng)和D網(wǎng)。

4　典型ICS應(yīng)用

4.1　ICS應(yīng)用典型架構(gòu)

科遠(yuǎn)智慧作為國(guó)內(nèi)較早提出并實(shí)踐智能控制理念的先驅(qū)，有不少ICS的成功應(yīng)用案例。其某2×9F聯(lián)合循環(huán)機(jī)組ICS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 某2×9F聯(lián)合循環(huán)機(jī)組ICS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

該應(yīng)用案例，按照本文所述研究進(jìn)行ICS架構(gòu)設(shè)計(jì)以及智能預(yù)警、智能控制、智能分析和智能監(jiān)測(cè)功能的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。智能預(yù)警、智能分析和智能監(jiān)測(cè)主要依托高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，智能控制依托高性能控制器實(shí)現(xiàn)。圖4~圖11所示為某聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行智能控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的展示畫(huà)面。

圖4 智能預(yù)警

圖5 智能預(yù)警-燃機(jī)熱部件預(yù)警

圖6 智能分析-性能計(jì)算

圖7 智能分析-耗差分析

圖8 智能監(jiān)測(cè)-換熱器效率

圖9 智能監(jiān)測(cè)-調(diào)節(jié)品質(zhì)評(píng)估

圖10 智能控制-APS啟動(dòng) 

圖11 智能控制-APS停機(jī)

4.2　ICS應(yīng)用案例

基于本文發(fā)電機(jī)組智能控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，我們?cè)趪?guó)內(nèi)實(shí)施了多個(gè)ICS項(xiàng)目，涵蓋了燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、燃煤發(fā)電機(jī)組和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組等大中型發(fā)電機(jī)組類型，涉及電廠包括粵電花都、粵電永安、粵電濱海灣、深能源光明、大唐延安、大唐南電、國(guó)能舟山、內(nèi)蒙古科右中和南京南鋼等。在這些項(xiàng)目的應(yīng)用過(guò)程中，ICS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)得到了實(shí)際驗(yàn)證，并實(shí)現(xiàn)了智能預(yù)警、智能監(jiān)視、智能診斷和運(yùn)行優(yōu)化等功能，在提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、安全性和智能化方面有顯著作用。

5　總結(jié)

近年來(lái)，能源行業(yè)新的發(fā)展方向?qū)﹄娏π袠I(yè)提出了智能化的要求，智能化技術(shù)的發(fā)展為電力行業(yè)智能化的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支撐。經(jīng)過(guò)各發(fā)電集團(tuán)和DCS廠商在發(fā)電行業(yè)智能化探索和實(shí)踐，發(fā)電機(jī)組智能控制系統(tǒng)架構(gòu)日趨完善，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也日漸豐富，后續(xù)將在發(fā)電行業(yè)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

作者簡(jiǎn)介：

門　冉（1989-），男，河南南陽(yáng)人，中級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司，研究方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)組優(yōu)化控制、發(fā)電智能化技術(shù)研究和應(yīng)用。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年3月刊