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案例頻道南京科遠自動化集團股份有限公司
1 背景介紹
自2013年起，大唐姜堰燃機熱電有限責任公司多次對精品工程策劃進行修改完善，力求創建集團示范燃機精品工程。從順應“互聯網+”在發電行業的應用趨勢，促進工業化與信息化深度融合的角度出發，大唐姜堰電廠勇于創新，提前布局，在創建精品工程的同時，努力建設成國內首家智慧電廠。
根據南京科遠股份提供的智慧電廠初步設想與技術架構，2016年3月正式成立“創建智慧電廠”領導小組與工作小組，全面策劃、實施智慧電廠的相關工作，確立創建智慧電廠的方針，即“花小錢，出亮點，搶先機，見實效”。在基本不超預算的前提下，對智慧電廠各項功能如何能真正提高電廠智能安全、經濟等方面，多次深入分析與研究，形成智慧電廠的五大功能模塊即：基于互聯網+的安全生產管理系統、基于大數據分析的運行優化系統、三維可視化智能培訓系統、基于專家系統的三維可視化故障診斷系統、三維數字化檔案等系統。以最終達到更安全、更高效、更綠色可持續發展等終極目標。
2 項目實施與應用
姜堰電廠智慧電廠分為智能控制系統和智慧管控系統兩大系統。
2.1 智慧管控系統
大唐姜堰智慧電廠智慧管控系統包括常規SIS、MIS外，具有以下智能模塊：
（1）三維虛擬電廠
基于設計院提供的三維模型（包括汽機房、鍋爐房及結構、設備、管道、橋架等，以及化學，供水等工藝設備管道）構建全廠三維模型。三維立體展示整個工廠物理分布情況及設施的運行狀態。如實地描述和反映設備的實體關系，精確的實體、位置和層級描述，提供準確的全景展示。一是在三維可視化支撐系統支持下，實現三維模型虛擬電廠與常規平面系統聯動，運行人員在操作員站點擊畫面，三維虛擬電廠同步聯動，非常直觀地巡視設備系統。二是三維與文檔資料等信息的關聯，形成龐大的工廠三維數字化檔案系統。實現管線數據的共享和動態更新機制，消除信息孤島，確保管線數據的現勢性和數據價值利用的最大化。三是管控一體化平臺，建立規劃審批，施工許可，現場監管，竣工測量以及數據入庫的全過程的流程管控，實現地下管線從規劃、建設、運維、退役全生命周期的管理。四是輔助決策平臺，利用物聯網技術，解決地下管線實時監測的問題；利用實時監測數據，建立針對地下管線危險源的綜合空間環境下的動態風險分析和專業管理機制；在此基礎上，建立地下管線事故的應急處置流程，為科學決策提供輔助。地下管線的智能管控平臺還為地下管線的社會化運營與服務提供信息化支撐手段。
（2）三維可視化智能培訓系統
通過三維虛擬電廠對運行人員和檢修人員可進行三維可視化培訓。三維畫面中的任何一臺設備，都是與其設備規程、檢修作業指導、實時監控畫面、工藝系統實景培訓、設備拆解/組裝培訓、設備與系統檢修培訓、設備檔案查詢、人員考核相關聯，缺陷、異動的歷史記錄可直接追溯、查看、登記。一是設備拆解，為檢修人員提供三維可視化仿真培訓的平臺，可支持主要的主、輔機設備的動態分解、組合、細度可到KKS編碼覆蓋的部件級。二是培訓考核，充分挖掘電廠已配置的三維可視化系統的功能，結合數字化移交，擴展培訓系統功能及范圍，從而實現對檢修人員的考核。系統自動打分，自動評判、自動找出錯誤步驟，給出正確的示范，可以有效提高檢修水平。三是流程仿真，基于真實數據的流程工藝仿真，全面實景展現電廠架構、設備位置、運行狀態、主要參數，實現虛擬巡檢。
（3）基于互聯網+的安全生產管理系統
通過對“互聯網＋”的應用，將人員位置、重點設備及敏感區域的監控、兩票管理系統、門禁系統、電子圍欄等相結合，實現安全生產管理；解決了發電企業安全生產管理過程中，現場人員位置及工作狀態無法把控、外包工難于管理、危險區域防護不嚴等問題。一是人員定位，在智慧電廠管理信息系統中，利用標簽與工作人員捆綁，通過基站對標簽的識別，可以實時將工作人員定位，軌跡在三維模型中顯示出來，實現監控功能，在廠級監控系統中，可以找到關鍵區域的工作人員，直接鎖定到個人。二是軌跡管理，有效避免人員走錯間隔，誤動設備。同時規范巡檢、點檢軌跡，人員活動軌跡可追溯。三是與兩票系統結合，實現準入管理。在系統中設定相關人員的準入區域，可以看到工作人員的標簽變化，紅色為越權，違規進入，系統將自動發出警告，并記錄人員行走的軌跡。同樣的，還可以給車輛添加標簽，這樣車輛所在的位置，行駛路線都可以在監控中查詢。同時，兩票系統自動排除一人多項工作、對不同工作票區域間的交叉作業及時告知相關人員，有效的避免安全隱患等功能。四是建立電子圍欄，根據檢修工作和許可區域，在虛擬電廠環境中建立檢修場所電子圍欄，系統同時對越權人員進行震動、聲音提示，提醒該人員離開。
（4）三維數字化移交檔案系統
電廠資料收集集合整理尤其重要，大部分設備資料及施工安裝圖紙已經數字化移交，隨著姜堰電廠運行維護數據不斷新增，借助三維數字化檔案管理系統，從而實現所有的設備資料與虛擬工廠相結合。除了具有常規檔案系統的查詢功能外，還通過三維模型實現數字化檔案聯動，可直接下載查閱，也可通過手機二維碼掃描的方式，直接調取指定設備的基本信息及歷史檔案資料、臺賬記錄等。實現了資料齊全完整、查閱便捷的功能。
（5）基于數字化的決策系統
生產經營智能管控系統通過數據整合平臺，結合目標預測、綜合計劃、預算管理、費用管理、成本管理等，實現預算、指標體系過程管理，進而構建預算/指標預測、下達、控制、執行、修正的管理平臺，為企業管理者提供量本利預測分析、趨勢、對比、挖掘、追溯的輔助決策平臺。一是指標管理。以業務指標的產生過程為主線，在確保指標數據正確性和一致性的前提下，通過指標體系的建立和對各類各級指標進行定義、分類、授權、審批、分析等來完成指標管理工作，進而實現規劃、實施、過程控制、持續改進的管理目標。二是輔助決策管理。包括量本利分析、成本分析、煤耗分析、廠用電率分析、電量分析等。三是目標預測管理。按事先配置的預測模型，預測下一年度或當前年度的剩余期間的生產經營情況：主要包括年度、月度利潤、費用、指標、電量等各項數據的預測與輔助決策功能，同時能夠支持正、反向預測，預測的結果可以指導預算、綜合計劃的編制，預測完成后，以預測結果為目標指導年度計劃編制工作。目標預測管理包括預測模型配置、預測執行、預測分析等。四是計劃統計管理。系統與各業務流程緊密結合，全面作用于電廠指標類計劃、任務類計劃的通知、申報、編制、審核、匯總、審批、下發、執行、跟蹤、統計、考核和分析各個環節。五是預算管理。將電廠的各項經營指標計劃通過預算項目的劃分予以細化和量化，涵蓋全廠生產經營的成本預算、費用預算體系的編制，包括預算方案的制定、預算執行與控制、調整和分析等，以使整個電廠的生產經營活動處于受控狀態，保證預期目標計劃的實現。六是成本管理。包括全廠的生產成本、機組成本、實時成本等，保證企業效益最大化。七是績效考核管理。通過績效考核模塊可以建立指標體系、發布指標，展示指標信息，進行指標分析。包括績效考評方式發布、繼續考評標準發布、績效考評試卷發布，年度、季度、月度績效考評結果發布。做到考評管理透明化、標準化。
（6）移動智能終端
移動智能終端應用支持當前主流移動平臺Android和iOS系統，實現智慧管控在移動智能終端上的延伸使用。移動智能終端設備既滿足了企業移動辦公的需求，又能包含點檢儀功能，可以測量溫度、振動等，能夠快速全面地將移動辦公、輔助分析及消息提醒等功能延伸到管理人員和業務人員的手機中，為企業提供移動的實時的信息化服務。
2.2 智能控制系統
（1）DCS實現二三維聯動
通過二維、三維聯動，在二維畫面選擇某個設備時，三維監控畫面會自動定位到相應溫度、壓力等測點的實際位置，甚至還包括一些檢修過的焊點等等，有利于運行人員對故障的判斷。這個功能在火電廠中加強故障診斷有很重要的拓展應用。
（2）基于專家系統的旋轉機械故障遠程診斷系統
故障診斷系統為重要旋轉設備建立一套嚴密的監控保護系統，以大量的數據采集為基礎，包含了各設備的廠家設計數據、安裝數據、現場長期運行的參數及檢修、點檢數據、運行數據建模，大數據分析技術、進行智能診斷，自動判斷異常原因，并得出唯一結論。一是常規異常，根據設備異常情況，系統將進行自動診斷，并將結果發送給運行人員，提醒檢修人員進行故障處理。二是專家系統，系統會對異常現象及相關的歷史數據，頻譜分析自動發送給遠程專家、專家結合數據分析及多年經驗給出更專業的處理建議。對于設備本身存在的缺陷，系統將發送給設備制造廠商進一步判斷處理。三是自學習功能，對于已經處理的故障，系統還會自動學習，進一步豐富專家庫的內容，更好地保障機組的安全穩定運行。
（3）基于大數據分析的運行優化系統
優化運行系統以效益為優先原則，克服了傳統熱力學分析方法中的局限，把熱力學和經濟學有機地結合在一起，以追求機組綜合經濟效益最大化為目標。一是在線性能試驗。可以完成數據的自動采集和記錄，取代了人工抄表；根據機組運行數據開展在線試驗，通過熱力計算并自動生成試驗報告，從而節省大量的人力物力；可以隨時提取歷史上任意時段的數據進行離線試驗，并能立刻得到試驗報告；從而可以實時了解機組的經濟性變化情況，節省進行常規性能試驗的大部分費用，降低電廠經營成本。二是性能計算及耗差分析系統。利用從DCS等過程控制系統中采集到的數據，通過基于國家和電力行業標準的計算模型，計算出各個設備、機組和整個電廠的經濟性指標，以實時畫面、報表、歷史曲線等多種方式展示給用戶，使用戶了解電廠各個設備、機組或整個電廠的實時性能及變化趨勢，并在全工況數據庫基礎上通過多種指標的耗差來指導用戶采用最經濟的方式進行電能生產，實現節能降耗。
（4）智能在線仿真系統
大唐姜堰智慧電廠系統建設中已規劃利用現場真實數據、真實故障開展運行人員仿真培訓，就必須要求DCS廠家與仿真機廠家一致，否則在仿真培訓上將會存在功能缺陷。
3 效益分析
（1）安全方面
實現了從數字化到智慧化的跨越，安全生產從“人防”到“技防”的變革，提高了生產管理的本質安全，最終實現從人工決策到智慧決策的過程。通過三維電子地圖，管理者能夠隨時掌握布控區域人員位置、人員分布密度、人員在線、離線狀態信息及每個受控目標的活動軌跡。通過智能兩票及智能巡檢模塊的上線，也杜絕了操作過程中的錯誤動作。
（2）經濟方面
在機組啟動期間，基于專家系統的旋轉機械故障診斷系統發揮了很大作用，及時準確地定位到機組振動的原因，并給出判斷及改進建議，使得機組能夠快速投運及減少維護費用，效果非常明顯。通過基于數字化的決策系統、移動智能終端及APP使用，電廠工作效率得到明顯提升。
（3）環保方面
基于大數據分析的運行優化系統的使用，使得目前機組一直運行在最優狀態，通過數據統計表明，各項環保指標良好。
（4）其他方面
隨著電廠的投入運行，三維數字化的檔案移交也完成交付，使得整個電廠的檔案系統更加豐富，查詢更加便捷。三維可視化智能培訓系統、智能在線仿真系統也在電廠運行人員和檢修人員的水平提高方面發揮了巨大作用，運行人員在整個機組投運過程中操作零失誤，保障了機組順利投產。相信通過機組運行時間越來越長，智慧電廠功能發揮的作用也越來越大。
2017年8月10日，姜堰燃機順利實現“雙投”。作為科遠股份智慧電廠完整解決方案示范項目以及國內智慧電廠重點代表項目，我們利用物聯網、三維可視化、虛擬現實、人工智能、大數據分析、云計算等技術，打破了傳統電廠的生產、管理模式，為電力行業帶來一抹綠色與新意。其建設思路符合國家能源產業政策，不僅是大唐集團建設一流智慧能源集團的重要戰略組成部分，也是能夠體現新一輪科技革命和產業變革成果和有行業引領作用的智慧電廠示范項目。科遠股份和大唐江蘇的成功合作為中國智慧電廠建設提供了一條具有借鑒意義的道路，將極大地提高電力行業建設智慧電廠的信心、推動智慧電廠的建設進程，并進一步加快科遠股份智慧電廠技術在整個電力行業的推廣和應用。
精彩問答
自動化博覽：您認為自動化技術在中國的電力能源行業中應用現狀如何？還存在哪些問題？
南京科遠自動化集團股份有限公司智慧電廠研究中心總經理助理潘海祿：電力能源行業大都已經達到并越過了工業3.0階段，正在探索工業4.0的實現道路。目前，電力行業的自動化技術正快速向智能化、網絡化、數字化以及保護、控制、測量、預測、診斷、自我修復等一體化方向發展。實現智能化，要先實現數字化，而實現數字化，要先補數據信息的短板。隨著DCS的發展，功能進一步提高，應用范圍迅速擴展，但很多“黑盒子”和“末端”的數據還沒有充分利用，很多決策和操作還是“經驗型”而不是由客觀數據支撐的“數據型”。
在實現數字化的基礎上，才能談智能化的問題。智能化是對海量數據的有效應用以及知識、經驗的邏輯化。以SIS為例，其所起的作用只是數據的采集、存儲、顯示和可打印各類生產報表，能夠發揮的功能很少。其數據分析、運行優化、控制優化、故障診斷等功能基本未能付緒實施。這也導致了數據浪費。智能化對于如何對數據進行處理，發現信息與信息之間的邏輯關系，整合出真正能夠用于決策的有用信息提出了更高要求。所以說，方向明確，問題明確，要看如何利用現有技術及針對研發適用技術，來幫助中國的電力能源行業解決痛點，實現下個階段的突破。
自動化博覽：近幾年，在智能制造的推動下，智能工廠在電力能源行業發展迅猛，您如何看待這一趨勢？南京科遠有何表現？
潘海祿：隨著中國經濟發展步入新常態和“兩化深度融合”，電力企業經營壓力越來越大，必須要做出轉變。從粗放管理向精細化高效管理轉型，要不斷進行科技創新、制度創新和管理創新。順應“互聯網+”在發電行業的應用，深度融合工業化與信息化的大趨勢，圍繞“安全、經濟、環保”三個主題，利用機器人、物聯網、云計算、人工智能、大數據分析和虛擬現實等最新技術構建智慧電廠是必然選擇。我認為，智慧電廠一定是電力能源行業未來的發展方向。科遠也從2015年就開始了探索，在國內率先推出了智慧電廠解決方案，并先后中標大唐姜堰燃機熱電聯產工程、大唐南京發電廠2×600MW機組智慧電廠項目、山西趙莊鑫光發電有限公司2×660MW低熱值煤發電工程等。
目前我們的智慧電廠整體解決方案從電廠的智慧管控、智能控制和智能設備三個層面切入，涵蓋了三維虛擬電廠、人員定位安全生產管理系統、鍋爐CT與燃燒優化、故障診斷系統、鍋爐防磨防爆診斷系統、優化運行系統、凝器清洗機器人與冷端優化等多個特色模塊。以智能燃燒為例，目前主要技術難題是爐膛參數、一次風煤粉濃度是測量盲區，一次風粉濃度不可調，運行方式粗放。我們以此為突破點，集中力量去創新。開發出了新型測溫、一次風粉濃度在線測量等相關技術和產品，這將突破燃燒優化的瓶頸問題。
摘自《自動化博覽》2017年9月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號