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★杭州和利時自動化有限公司李戎，賈曉科

1　方案目標和概述

為了適應國家“雙碳”目標提出后電力行業長遠發展需要，電力行業企業積極融入和服務新型電力市場建設，加快推進火力發電機組的改造進程。在推進煤電機組改造升級過程中，統籌考慮煤電節能改造、供熱改造及靈活性改造，更多地承擔系統調峰、調頻、調壓和備用功能，發揮“托底保供”的作用。隨著“碳達峰、碳中和”戰略的進一步推行，清潔高效的火力發電將是我國雙碳目標實現的重要抓手。面對如今日益嚴格的綠色發展要求，火力發電行業將加大科技創新力度，提升綠色管理水平，增強行業綠色競爭力。

在工業互聯發展階段的新形勢下，在企業現有傳統DCS控制系統的基礎上建設智能化控制平臺，可以提供更聰明、準確、本地化的數據處理，與DCS控制系統形成良好地統一，可以為工業企業提供一套堅強的智能控制系統方案，以滿足智能制造、產業升級的發展趨勢。

從工業企業的大量生產控制數據中發覺價值，并有效服務于自身的業務是基于智能系統的智能監盤系統給出的解決方案，把數據從生產控制系統提取出來進行深度分析、計算、加工后反饋給控制系統和操作人員，讓傳統監盤走向智能化、自動化控制邁向智能化控制。

通過智能平臺將自動化、信息化與智能化技術在發電生產領域進行深度融合，實現大數據、物聯網、可視化、專家系統、先進測量與智能控制等技術在發電生產過程中的系統化的應用，達成發電生產更安全、更高效、更清潔、更低碳、更靈活的目標。

和利時智能控制系統平臺（ICS）以和利時DCS系統網絡為網絡基礎架構，在智能控制網段配備與DCS一體化的高級應用控制器和高級應用服務器、數據服務器等，提供數據分析環境、智能計算環境、智能控制環境和開放的智能應用開發環境，其中開放的應用環境可以為第三方的智能模塊提供組態工具，支持第三方開發的算法模型、高級應用置于統一的平臺資源環境下運行。將常規DCS系統升級成智能DCS系統，并確保不影響原有DCS系統安全。

ICS系統平臺幫助用戶實現從自動化生產（Automated Production）向自主化生產（Autonomous Production）演變，通過智能應用實現控制、操作和管理的閉環（感知、分析、決策、執行），從而實現企業運營的持續改善。

2　方案詳細介紹

和利時ICS智能控制平臺，用于構建智能、開放、綜合的新一代大型火電智能化發電運行管控系統，使電廠生產運行更高效、更靈活、更可靠。平臺采用OT+IT的融合架構，集成專家經驗、機理模型、先進預測控制、深度神經網絡、先進傳感技術，對邊緣采集數據進行采集、挖掘和深度分析，提供機組在線深度優化、智能運行監控、設備故障預警與診斷等智能化應用，實現基于能效的閉環控制、提升設備的可靠性與利用率、提升人員經驗與知識的可復用程度，從而最終實現電廠經濟效益和運行安全的全面提升。ICS智能控制平臺整體架構如圖1所示。

圖1 ICS智能控制平臺整體架構

ICS智能控制平臺采用彈性計算的服務器架構，彈性計算是一種可縮放的計算資源，支持動態調整計算、存儲和網絡資源以適應使用需求的增加和減少，可以將計算和存儲資源的供應與需求密切相關，橫跨整個計算、存儲和網絡范圍的動態調整。

ICS采用平臺+應用的軟件架構（如圖2所示），平臺層為應用提供公用的軟件資源，包括實時庫、歷史庫、報警庫等數據庫資源，也為應用提供通用的組態工具，如算法工具、報表工具、畫面組態工具等，同時還提供算法的運行時環境。應用層提供參數模型管理、參數模型訓練、機器視覺的訓練與管理、智能尋優等應用工具，支持智能控制應用的設計和運行管理。

圖2 ICS智能控制平臺軟件架構

ICS提供豐富的數據通訊方式，支持基于TCP、MQTT協議的數據采集，提供基于RESTful、gRPC、OPCUA等方式的數據服務接口。ICS服務器所有端口采用加固策略限制，通訊僅限于指定的設備之間，ICS與控制系統之間采用白名單的機制，只有在白名單內的測點才允許被回寫，敏感數據采用加密的方式訪問和存儲。

綜上所述，ICS的主要特點如下：

（1）該平臺基于傳統集散控制系統功能之上，提供虛擬化、分布式、彈性可伸縮的智能控制能力，以“軟件定義控制”的方式滿足智能工廠各類柔性、動態、分布式的高級控制及部署要求，形成流程行業生產運營的智能一體化方案。

（2）平臺提供了基于Web技術的符合用戶習慣的類IEC61131-3低代碼組態調試工具，提供工業常用通用算法及流程行業專業算法，如智能檢測、智能控制、智能尋優、智能監盤、智慧決策等；支持包括Matlab/Simulink、C/C++、Python、Java等語言開發的模型導入，方便用戶積累沉淀現有成熟工業機理、機器學習模型及專家經驗；工程師及用戶可針對現場實際情況靈活配置、編排、調試已有行業機理及機器學習模型算法，加速應用落地及迭代升級。

（3）平臺支持主流工業協議接入、具備工業異構數據融合能力，提供基于OPCUA開放的信息模型組織數據，配合低代碼人機界面工具，工程師及用戶快實現智能應用的數據集成及人機頁面搭建。

（4）平臺提供基于5G網絡的閉環控制功能，通過5G+智能控制器+通用I/O+智能現場儀表，實現高可靠、安全的無線控制閉環，預期可以極大節省工廠工程實施、維護與運維成本。

（5）提供安全可信技術架構，基于工業生產與控制的特點，防護措施覆蓋生產層到現場控制層，實現了控制與安全的真正深度融合，確保在工業互聯網架構下，企業生產的主動信息安全防御能力。

3　代表性及推廣價值

基于ICS的智能控制應用可圍繞經濟性、安全性、環保性目標充分挖掘創新技術應用的價值，為工業企業、社會產生積極的價值和貢獻。

本方案采用ICS平臺+智能應用的生態模式，平臺軟件系統采用低成本或免費銷售模式，合作廠商通過平臺開發規范形成特定行業客戶的智能控制解決方案，實現對用戶的價值。ICS平臺具備通用性，可廣泛應用于火電、熱電、石化、新能源行業。

目前針對大型火電廠、石化企業的智能工廠項目總合同一般在800萬~4000萬之間，按1000萬計算，該產品合同額占比約40%左右，純利潤率可達20%左右，總體利潤可具備可觀投資前景。投資回報率高，行業發展趨勢明顯，業績增長塊，預計3到5年可實現盈虧平衡。

典型應用場景：電廠智能監盤。

3.1　解決的問題

性能計算與耗差分析通過DCS系統實時準確獲取現場數據，通過對電廠設備及系統參數進行實時監測、計算與分析，實時計算主要經濟指標，全面、直觀反映機組運行狀況，對機組運行中的關鍵參數偏離基準值時產生的能耗與機組運行關鍵參數在基準時產生的能耗之差進行分析，明確給出其節能降耗潛力，使運行人員在這些結果的支持與指導下進行合理調整，達到深入分析機組運行特性、深挖機組節能潛力，最大限度地提高機組運行經濟性的目的。通過對影響機組安全性、經濟性的關鍵性指標進行偏差在線計算，對其發展變化趨勢進行提前預測，產生預測性報警，以便于運行人員提前采取措施，最大限度地避免參數越限情況的發生。

3.2　應用情況

智能控制平臺與現有DCS系統集成，在生產實時數據基礎上，應用《GB10184-2015電站鍋爐性能試驗規程》《GB10184-2015電站鍋爐性能試驗規程》《ASME_PTC6-2004美國汽輪機性能試驗規程》的要求作為參數計算的標準；應用機組汽水分布方程、系統功率方程、系統吸熱方程等系統工程的分析方法，建立工藝系統及設備機理模型，通過分析計算和多目標自尋優，全面、精確、直觀反映機組的運行狀況、性能指標和能損分布及大小，明確給出機組不同工況下的節能降耗潛力和最佳控制目標，運行人員在計算結果的支持與指導下可以進行優化操作，調整機組運行方式，提升機組運行效率。

3.3　成效總結

性能計算通過對單個設備或子系統采用能量守恒、質量守恒，進行效率和其它計算，并綜合單個設備和子系統效率計算整體機組效率、煤耗等參數。計算的結果實時在操作員站畫面顯示并在歷史數據庫中保存，提供DCS在線報表和趨勢實時查詢。

耗差分析采用能量平衡和汽輪機變工況計算方法，對機組運行中的關鍵參數偏離基準值時產生的煤耗與機組運行關鍵參數在基準時產生的煤耗之差，作為某一參數引起的煤耗偏差，分析結果實時在線推送給運行人員，運行人員在計算結果的支持與指導下可以進行優化操作，調整機組運行方式，提升機組運行效率。

性能計算與耗差分析系統提供操作員站實時監測畫面，供運行人員實時在線監測和趨勢查詢、事故追憶，異常時自動報警。計算數據能送DCS協調優化、燃燒優化、制粉系統等控制回路，提高控制品質。

3.4　項目價值

結合現有系統情況，按照建設資源節約型、環境友好型的社會要求，降低能源消耗和滿足環保要求，充分借鑒國內外的先進設計思想，打造與當地外部環境相融合及綠色環保一流發電和供熱企業，積極采用成型的優化設計成果和國內外最新技術，充分優化系統配置及各項技術經濟指標，控制工程投資，技術經濟指標達到并超過同類熱電的最好水平。

通過對鍋爐、供熱、脫硫脫硝等全系統進行優化控制升級，實現四個方面功能：

一是對鍋爐燃燒系統進行優化自動控制；

二是對熱電系統進行協調控制，母管協調控制；讓鍋爐快速響應供熱的需求和自動控制；

三是實現環保參數的自動控制和越低排放的要求；四是控制畫面集成，機爐電熱集中監控，減少運行機位（這需要DCS統一才行，多套獨立系統，要減少信息孤島，逐漸統一，只能分步實現），減輕運行勞動強度，讓運行解放出來，做更多其他事情，也為減人增效奠定基礎。

通過實施智能邊緣控制平臺，一方面可以實現鍋爐的全自動運行（40%~100%負荷），保證運行參數壓紅線運行，實現降低勞動強度、減員增效，最主要的是可以提高鍋爐的經濟效益2%左右，實現節能減排，項目的主要指標包括：

（1）實現鍋爐及輔助系統的全自動優化運行，自動投入率不低于95%，降低工人勞動強度，提高安全生產水平。

（2）在工藝和設備正常情況下，實現重點工藝指標合格率均在99%以上，實現各控制指標波動比手動調節降低30%以上，各工藝指標控制平穩，減少波動。系統自動調整，減少誤操作，從而減少操作事故停機。

（3）實現鍋爐經濟運行：在實現鍋爐燃燒全自動控制的基礎上實現鍋爐給煤、一次風、二次風的二維優化以實現鍋爐的最經濟運行，提高鍋爐效率1%以上。

（4）實現給水的減溫水調節的全自動運行。

（5）實現供熱溫度和壓力自動控制。

（6）實現供熱與鍋爐母管壓力協調控制。

（7）實現脫硫脫硝的自動控制，達到超低排放要求，通過壓紅線運行，減少氨水和石灰使用量3%以上。

摘自《自動化博覽》2024年5月刊