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★杭州和利時自動化有限公司

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)成更加嚴重的安全隱患和挑戰(zhàn)，自主知識產(chǎn)權(quán)成為我國企業(yè)的生命線。服務于工業(yè)用戶數(shù)字化升級新需求，工業(yè)用戶將進入到數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進程中，大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、移動設備、云技術(shù)、網(wǎng)絡安全會得到廣泛的應用，控制系統(tǒng)將更加開放，在開放的應用環(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，還包含設備安全、網(wǎng)絡安全、應用安全、數(shù)據(jù)安全等。早期DCS系統(tǒng)在系統(tǒng)設計方面對系統(tǒng)的本質(zhì)安全考慮較少，系統(tǒng)抵御網(wǎng)絡風險的能力較低，具有較大的網(wǎng)絡安全的問題，因此和利時自主可控、安全可信控制系統(tǒng)的研究建設應運而生。

2 案例實施與應用情況

從2000年以來，我國開始發(fā)展大容量高參數(shù)燃煤機組，當前很多DCS系統(tǒng)存在超期運行，系統(tǒng)功能已經(jīng)不能滿足當前需要，運行的舊型號的設備老化嚴重，缺少庫存?zhèn)浼M口品牌控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的維護費用大幅增加，可靠性下降，系統(tǒng)的升級換代非常必要。

本項目案例通過采用和利時全國產(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機組的DCS和DEH控制系統(tǒng)進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測點共計11,000余點，完成機組的DAS、MCS、SCS、FSSS、ECS、ETS、DEH等功能。整個控制系統(tǒng)的架構(gòu)采用P2P結(jié)構(gòu)，由上到下分為系統(tǒng)網(wǎng)絡、控制網(wǎng)絡兩個層次。系統(tǒng)上層系統(tǒng)網(wǎng)絡配五臺操作員站（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)絡共設計31個I/O控制站，配置31對K-CU12-C5控制器，46面機柜，883個I/O模塊，所有卡件均為自主可控。其中DEH配置4個I/O控制站，配置8對K-CU12-C5控制器，實現(xiàn)汽機的BTC、ATC、ETS、AUX控制。MEH配置2對K-CU12-C5控制器，實現(xiàn)小機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)絡結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

項目從2021年6月確定采用全國產(chǎn)自主可控系統(tǒng)進行對機組原控制系統(tǒng)升級的技術(shù)路線，經(jīng)過2個月的系統(tǒng)軟件組態(tài)和硬件成套后，于2021年8月30日完成項目的出廠驗收。2021年11月26日通過了中國自動學會發(fā)電專委會專家組現(xiàn)場性能和功能測試。兩次系統(tǒng)的測試根據(jù)《火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)可靠性評估技術(shù)導則》DL/T261-2012》和《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程DL/T659-2016》兩項行業(yè)標準，進行了38項系統(tǒng)功能和性能的測試，主要包括：冗余性能試驗、系統(tǒng)容錯性能試驗、系統(tǒng)實時性測試、系統(tǒng)響應時間的測試、控制網(wǎng)絡實時性測試、站間同步精度測試、抗干擾能力試驗、模件安全性測試、開關量模件性能試驗、AI/AO信號穩(wěn)定性試驗、輸入?yún)?shù)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(tǒng)檢查等。系統(tǒng)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(tǒng)在實時性和穩(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(tǒng)應用于大型火電機組的控制，實現(xiàn)機組的穩(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，同時國家“雙碳”目標的實現(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、實時、高效的數(shù)據(jù)采集體系，建設包括存儲、集成、訪問、分析、管理功能的使能平臺，實現(xiàn)工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗、知識模型化、軟件化、復用化，滿足工業(yè)App等形式的各類創(chuàng)新應用的運行環(huán)境。從而實現(xiàn)電力生產(chǎn)從自動化生產(chǎn)（Automated Production）向自主化生產(chǎn)（Autonomous Production）演變。通過智能應用實現(xiàn)控制、操作和管理的閉環(huán)（感知、分析、決策、執(zhí)行），實現(xiàn)企業(yè)運營品質(zhì)的持續(xù)改善，真正實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的清潔和低碳化。

為此，項目的實施采用“產(chǎn)、學、研、用”的技術(shù)路線，大唐安徽分公司召集大唐洛河電廠、華東電力設計院、大唐華東電力科學院和杭州和利時自動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(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、高級應用服務器、大型實時歷史數(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行控制的界限，提供開放的高級應用環(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)強大的性能，運行采用大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學習等數(shù)據(jù)分析技術(shù)和系統(tǒng)辨識、機理仿真、軟測量、智能控制等先進控制技術(shù)的智能算法，實現(xiàn)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(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

在此基礎上，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平臺自主開發(fā)。系統(tǒng)軟件按照管控一體化思路設計，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，就可以實現(xiàn)管理網(wǎng)和控制網(wǎng)平臺的部署。系統(tǒng)按照超大型分布式系統(tǒng)設計，可滿足智能化電廠大規(guī)模數(shù)據(jù)量處理和實時性的應用需求。例如單域120萬點，單站36,000點項等。

同時推進了雙體系可信計算3.0體系架構(gòu)在工業(yè)控制嵌入式領域的應用，為可信計算落地工業(yè)控制領域提供了可參考的技術(shù)實現(xiàn)架構(gòu)，全面支持基于硬件國密計算的啟動態(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火電機組的成功投運，標志著作為大型火電機組控制的“大腦”成功應用了“中國芯”。項目的成功實施也實現(xiàn)了企業(yè)經(jīng)濟效益、安全效益和社會效益的三豐收。

（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。進入生產(chǎn)期，國產(chǎn)DCS售后服務、備件采購相比進口DCS，更加及時和低廉。在備件采購方面，按進口DCS每年30萬元計算，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

此項目自投產(chǎn)至今，未發(fā)生一例因DCS問題導致的不安全事件，系統(tǒng)安全可靠，參數(shù)準確，策略合理。機組啟動、運行及停機時，保護連鎖動作正確，未發(fā)生過保護拒動、誤動事件。現(xiàn)場設備出現(xiàn)故障、異常時，能及時報警提示運行人員，采取相應措施。系統(tǒng)本身容錯能力較強，冗余的控制器、網(wǎng)絡、交換機及服務器出現(xiàn)故障時，不影響現(xiàn)場工藝系統(tǒng)運行，處理過程不需停系統(tǒng)，系統(tǒng)安全性大大提高。

（3）社會效益

本項目所應用的國產(chǎn)自主可控DCS、DEH一體化DCS系統(tǒng)應用情況來看，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，此項目的成功應用大幅降低電力企業(yè)建設和運維成本，打破了長期以來進口DCS價格昂貴、售后服務質(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)建設有著非常實際的經(jīng)濟和社會意義。

5 項目意義

本項目案例采用國產(chǎn)自主可控系統(tǒng)HOLLiAS MACS IC DCS在600MW以上超超臨界火電機組的成功應用是自主工業(yè)領域芯片、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、工業(yè)軟件、自動化技術(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)的工控安全應用領域供應鏈安全、信息安全、功能安全、本質(zhì)安全等問題，實現(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《自動化博覽》2022年7月刊