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資訊頻道1. 建設(shè)背景與目標
1.1. 虛擬化技術(shù)的介紹
虛擬化的含義很廣泛，將任何一種形式的資源抽象成另一種形式的技術(shù)都是虛擬化技術(shù)。它是一種能夠更有效地利用物理計算機硬件的過程，也是云計算的基礎(chǔ)。虛擬化或虛擬技術(shù)（Virtualization）作為一種資源管理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)將計算機中諸如CPU、內(nèi)存、磁盤空間、網(wǎng)絡(luò)適配器等各種實體資源加以抽象、轉(zhuǎn)換后形成一種全新形態(tài)的電腦配置環(huán)境。并且其組合形態(tài)的可塑性極強，可拆分和組合為一個或多個環(huán)境形態(tài)。因其形態(tài)的特殊性，使得該虛擬的電腦配置環(huán)境打破了實體結(jié)構(gòu)間的不可拆分和切割的桎梏，使用戶可以采用更便捷高效更合理化的方式來應用這些電腦硬件資源。
隨著目前業(yè)界針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等的技術(shù)體系探索，具體來說實現(xiàn)控制器靈活性和可擴展性的技術(shù)路線主要有以下兩種：
（1）實現(xiàn)控制器虛擬化。利用控制器虛擬化取代傳統(tǒng)硬件控制器；
（2）控制器硬件重構(gòu)，實現(xiàn)下一代新型和智能的控制器設(shè)備，取代傳統(tǒng)硬件控制器。
這兩種技術(shù)是目前工業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)化的技術(shù)熱點和研究方向，至少從理論實現(xiàn)的角度上來說，實現(xiàn)控制器虛擬化將最大程度的保障現(xiàn)有的大部分廠家及其用戶的現(xiàn)有利益，并且基于在IT系統(tǒng)的成功應用，使得該項技術(shù)應用于工業(yè)領(lǐng)域充滿希望。另外的控制器硬件重構(gòu)，主要以軟件定義思想為核心，將控制器硬件的邏輯運算平面和邏輯控制平面進行分離，控制器硬件將實現(xiàn)通用的邏輯運算，統(tǒng)一由控制器進行控制平面的邏輯控制和邏輯管理。
1.2. 虛擬化技術(shù)在電廠中的應用
虛擬化技術(shù)在電廠中的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
① 提高資源利用率：通過虛擬化技術(shù)，可以在物理服務(wù)器上創(chuàng)建多個虛擬機，實現(xiàn)更高的資源利用率和靈活性。
② 提高系統(tǒng)可靠性：每個虛擬機都是獨立的，并且具有自己的操作系統(tǒng)和應用程序。如果某個虛擬機出現(xiàn)故障，其他的虛擬機可以繼續(xù)正常運行，不會受到任何影響。
③ 提高可管理性：通過虛擬化技術(shù)，可以對所有的虛擬機進行統(tǒng)一管理和維護，大大降低了管理成本和維護成本。
④ 提高安全性：虛擬化技術(shù)可以實現(xiàn)資源的動態(tài)分配和調(diào)整，使得輸煤系統(tǒng)控制云平臺可以更好地適應不同的業(yè)務(wù)需求和場景。
⑤ 在電力行業(yè)中，虛擬化技術(shù)的應用已經(jīng)成為了行業(yè)變革的重要驅(qū)動力。它不僅提升了運營效率，增強了數(shù)據(jù)安全，還優(yōu)化了資源配置，為電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入了新的活力。
首先，服務(wù)器虛擬化技術(shù)讓電廠的運營變得更為高效。它通過虛擬化技術(shù)將物理服務(wù)器轉(zhuǎn)化為虛擬服務(wù)器，使得服務(wù)器資源得到了更為合理的分配和共享。這不僅減少了服務(wù)器的閑置和浪費，提高了服務(wù)器的利用率，還降低了能源的消耗和排放，為電廠的環(huán)保事業(yè)做出了積極的貢獻。此外，服務(wù)器虛擬化技術(shù)還具備出色的能效比，使得電力行業(yè)在滿足高效率的同時，也能夠?qū)崿F(xiàn)綠色、可持續(xù)的發(fā)展。
其次，存儲虛擬化技術(shù)的應用為電力行業(yè)的數(shù)據(jù)管理提供了更為可靠的支持。它能夠?qū)⒏鞣N存儲設(shè)備統(tǒng)一管理起來，形成一個邏輯上的存儲池，使得數(shù)據(jù)的讀寫、備份和管理變得更加高效和有序。這種技術(shù)不僅保證了數(shù)據(jù)的安全性，還提高了存儲設(shè)備的運行效率，為電力行業(yè)的數(shù)據(jù)管理帶來了革命性的變革。同時，存儲虛擬化技術(shù)的應用還為電力行業(yè)提供了更為靈活和可靠的數(shù)據(jù)存儲解決方案，使得電力行業(yè)在應對數(shù)據(jù)存儲需求時更加從容和自信。
此外，網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的應用也為電力行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)安全防護提供了更為全面和可靠的支持。它通過將多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整合為一個邏輯網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的靈活配置和高效管理。這不僅提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，降低了網(wǎng)絡(luò)的故障風險，還大大增強了網(wǎng)絡(luò)的安全防護能力，使得電力行業(yè)能夠從容應對各種網(wǎng)絡(luò)安全威脅，確保關(guān)鍵信息的安全和完整。網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的應用還為電力行業(yè)提供了更為靈活和可靠的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案，使得電力行業(yè)在應對網(wǎng)絡(luò)安全威脅時更加從容和自信。
1.3. 方案建設(shè)目標
傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的應用已有多年歷史，能較好的完成傳統(tǒng)控制任務(wù)，但隨著流程工業(yè)對生產(chǎn)控制精細化、高效化的要求不斷提高，以及人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)在的控制系統(tǒng)不僅要處理傳統(tǒng)的溫度、壓力、流量和液位等四大傳感信號，而且還要能夠處理視覺、語音等以前沒有的信號，要支持5G等無線通信，這些對于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是無法做到的；另外，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)廠家各自都有自己的通信協(xié)議，不開放、不可擴展、不可兼容，這對于未來按需生產(chǎn)的智能制造是不相適應的。因此，傳統(tǒng)DCS難以實現(xiàn)與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的深度融合，難以滿足對控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的更高要求。
傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)通常被稱為五層金字塔模型，從現(xiàn)場傳感層到PLC/DCS控制層，再到上面的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控SCADA層，生產(chǎn)執(zhí)行MES層和企業(yè)管理ERP層。目前的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺以兼容傳統(tǒng)架構(gòu)的方式運行，通過實時或者歷史數(shù)據(jù)庫或者專門的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，然后上傳到平臺上進行數(shù)據(jù)處理、展示，以及利用工業(yè)App做數(shù)據(jù)應用，進行預測和優(yōu)化生產(chǎn)過程。但要實現(xiàn)真正意義上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)建的藍圖，這樣的架構(gòu)并不能滿足要求。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，最終的控制過程還需要PLC/DCS來進行控制，MES、ERP或者工業(yè)APP不僅需要從PLC/DCS直接采集數(shù)據(jù)，而且還需要PLC/DCS能夠直接執(zhí)行來自MES、ERP或者工業(yè)APP的指令，根據(jù)指令優(yōu)化和調(diào)整PLC控制程序，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的效率提升，同時也避免繁瑣的人工調(diào)試過程。近年來，隨著5G的通訊技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬化技術(shù)的發(fā)展，為OT與IT層深度融合、協(xié)同控制提供了途徑，工廠需要更扁平的架構(gòu)、更簡單的流程和更智能的分析。
圖1.3-1 虛擬云化演進圖
控制器云化（虛擬化）是技術(shù)發(fā)展的一個方向，在云端運行傳統(tǒng)控制器軟件，通過將物聯(lián)接口標準化和應用云化，實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制。將傳統(tǒng)的DCS控制器部署于云端，利用云平臺的強大算力，可以顯著提升控制器指令速度，縮短控制周期，降低控制器負荷；云平臺的大型存儲能力、分析能力，可以支撐更多復雜控制和優(yōu)化算法，通過機器學習形成對被控設(shè)備的自動控制策略，提高過程控制分析能力、自動化水平，通過云端底層數(shù)據(jù)打通，OT與IT的融合具備廣闊的想象和產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展空間，產(chǎn)生一系列的優(yōu)化控制、節(jié)能降耗等行業(yè)控制方法應用，以上軟件服務(wù)均布置在統(tǒng)一云平臺，為用戶形成完整的解決方案，形成產(chǎn)品組合并創(chuàng)造增值空間，能夠更好的支撐云平臺推廣。當前，智能優(yōu)化控制技術(shù)在行業(yè)內(nèi)已紛紛開展試點和應用，這是配合智能電網(wǎng)發(fā)展智能化電廠必須完成的下一個目標。隨著先進控制策略、智能算法、優(yōu)化算法的發(fā)展已逐步成熟，在傳統(tǒng)DCS工業(yè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，發(fā)展新一代智能運行控制系統(tǒng)已經(jīng)成為必然。
圖1.3-2 虛擬化DCS演進圖
本方案中的虛擬化控制系統(tǒng)采用基于DCS控制器虛擬化技術(shù)，可部署在電廠私有云計算平臺的虛擬機上，利用云服務(wù)器的算力資源，通過云服務(wù)器提供的冗余虛擬機環(huán)境加載實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)DCS DPU在虛擬化環(huán)境中的運行，實現(xiàn)DCS控制邏輯、監(jiān)視畫面的虛擬化部署，最終達到數(shù)據(jù)的交互綜合利用，資源的合理配置。
系統(tǒng)由虛擬控制器、控制網(wǎng)絡(luò)、遠程網(wǎng)關(guān)及IO模塊組成，并配有操作員站、工程師及歷史站及相關(guān)配套軟件，系統(tǒng)使用操作符合常規(guī)DCS操作習慣。虛擬控制器為完全虛擬化控制器，虛擬控制器支持在單個虛擬機部署，可安裝于云平臺，由云平臺分配虛擬機、用于安裝云控制器、網(wǎng)絡(luò)通訊及其依賴的環(huán)境。云控制器的邏輯組態(tài)以及數(shù)據(jù)存儲均在虛擬服務(wù)器中實現(xiàn)，邏輯運算依托虛擬控制器，整個云平臺虛擬控制器的掃描周期、信號回路的傳輸周期、可靠性應滿足電廠輔助車間生產(chǎn)時延性要求（小于等于200ms）。
2. 方案詳細介紹
2.1. 生產(chǎn)云平臺整體架構(gòu)設(shè)計
本項目在機組DCS、公用DCS網(wǎng)段之上構(gòu)建生產(chǎn)云與廠級云兩級云平臺。利用生產(chǎn)云計算基礎(chǔ)設(shè)施強大的算力構(gòu)建智能計算服務(wù)平臺，部署智能尋優(yōu)控制、智能監(jiān)盤、及鍋爐數(shù)字孿生等智能應用，同時，通過一體化通訊機制與DCS控制系統(tǒng)進行高效安全數(shù)據(jù)雙向通訊，實現(xiàn)閉環(huán)實時控制，這樣，就共同組成了一套基于生產(chǎn)云計算的電廠一體化的智能DCS控制系統(tǒng)（以下簡稱“ICS”），成為電廠實現(xiàn)智能化生產(chǎn)提供強有力的保障。
圖2.1-1 生產(chǎn)云平臺技術(shù)架構(gòu)
和利時在大型燃煤發(fā)電廠的ICS發(fā)電控制系統(tǒng)建設(shè)方面有著豐富的工程經(jīng)驗和眾多的實施案例，可為電廠提供以和利時DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)拓展出智能控制所需智能優(yōu)化控制站、基于私有云部署的大數(shù)據(jù)分析環(huán)境、智能計算環(huán)境、智能控制環(huán)境、智能算法組態(tài)環(huán)境和開放的應用開發(fā)環(huán)境，其中開放的應用環(huán)境可以為第三方的智能模塊提供組態(tài)工具，支持第三方開發(fā)的算法模型、高級應用置于統(tǒng)一的生產(chǎn)云平臺資源環(huán)境下運行。將常規(guī)DCS系統(tǒng)無縫升級成ICS系統(tǒng)，并確保不影響原有DCS系統(tǒng)的安全性和實時性。
圖2.1-2 生產(chǎn)云平臺界面示意圖
和利時智能生產(chǎn)云平臺采用以智能發(fā)電控制系統(tǒng)（ICS）為核心，在傳統(tǒng)DCS配置基礎(chǔ)上擴展智能優(yōu)化算法庫、智能控制器、高級值班員工作站、高性能服務(wù)器等資源，為實現(xiàn)發(fā)電過程的智能監(jiān)盤、智能控制、智能尋優(yōu)提供可靠的軟硬件環(huán)境。在智能發(fā)電控制系統(tǒng)上，在系統(tǒng)的智能控制器及高性能服務(wù)器中預留了運行第三方高級應用的開放環(huán)境，具備吸收各種優(yōu)秀智能應用資源能力，實現(xiàn)機組APS智能啟停、在線尋優(yōu)控制、智能監(jiān)盤等智能化的應用，實現(xiàn)機組智能發(fā)電控制及輔助運行。
和利時智能生產(chǎn)云平臺設(shè)計包含DCS實時控制網(wǎng)、生產(chǎn)云智能計算網(wǎng)等多層網(wǎng)絡(luò)并接入生產(chǎn)視頻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)綜合泛在感知。本項目網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下：
圖2.1-3 板集電廠二期生產(chǎn)云平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖
2.1.1. 平臺性能優(yōu)勢
（1）橫向擴充，更強大的計算、存儲能力
集群模式下，傳統(tǒng)雙網(wǎng)雙冗余的結(jié)構(gòu)，只能同時有一臺服務(wù)器能提供處理能力，和利時智能生產(chǎn)云平臺采用雙網(wǎng)三冗余的結(jié)構(gòu)，三臺服務(wù)器通過負載均衡的方式同時工作，相當于左側(cè)三倍的處理能力，同時還具有橫向擴充能力。當一臺服務(wù)器故障時仍然能正常工作。同時實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行分布式部署和備份，確保服務(wù)高可用及數(shù)據(jù)的安全。所有服務(wù)器構(gòu)建為一個統(tǒng)一集群，服務(wù)器內(nèi)部通訊對外隔離，按照運行的權(quán)限和接口進行調(diào)用；基于 RBAC 的權(quán)限管理服務(wù)，細化每一個資源的訪問權(quán)限，并對所有操作進行記錄和審計。
圖2.1.1-1 智能生產(chǎn)云平臺服務(wù)器監(jiān)控詳情
（2）對第三方算法應用進行有效網(wǎng)絡(luò)抑制
第三方應用查詢請求建立在數(shù)據(jù)服務(wù)器自有歷史庫和實時庫，不會對DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負荷率造成影響。數(shù)據(jù)服務(wù)器對第三方應用寫請求進行緩存匯聚，定時穩(wěn)定下發(fā)，對DCS系統(tǒng)網(wǎng)造成影響有限。數(shù)據(jù)服務(wù)器具備對第三方應用寫請求的閾值、梯度、權(quán)限等合法校驗功能。應用控制器中第三方算法，只能被動等候調(diào)用，沒有操作網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存、存儲、調(diào)度的能力。應用控制器中的第三方算法雖然是黑盒提供，但是平臺具備應用前對其使用的函數(shù)和資源做檢查的能力。應用控制器通過網(wǎng)絡(luò)變量對外輸出，其流量、頻度、范圍都受到ICS平臺監(jiān)視和控制。OPS 可監(jiān)控所有第三方應用狀態(tài)，并提供報警、日志、事件、倒換等功能。
圖2.1.1-2 智能生產(chǎn)云平臺WEB監(jiān)控系統(tǒng)
（4）豐富的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用服務(wù)
? 實時數(shù)據(jù)存取服務(wù)：提供實時數(shù)據(jù)的高速存取處理
? 歷史數(shù)據(jù)存取服務(wù)：提供歷史數(shù)據(jù)的高速存取，趨勢查詢，聚合查詢功能
? 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)服務(wù)：提供多種格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)
? 消息總線服務(wù)：提供分布式環(huán)境下的消息通訊、高速數(shù)據(jù)交換的總線服務(wù)
? 用戶及權(quán)限管理服務(wù)：提供基于 RBAC 用戶、角色、資源、組織機構(gòu)處理服務(wù)
? 單點登錄服務(wù)：提供全平臺單點登錄服務(wù)
? 系統(tǒng)管理服務(wù)：提供系統(tǒng)設(shè)置處理
? 數(shù)據(jù)采集服務(wù)：支持多種渠道，多種協(xié)議的數(shù)據(jù) ETL 服務(wù)
? 任務(wù)調(diào)度服務(wù)：定時任務(wù)
? MQTT代理服務(wù)：接受MQTT的訂閱/發(fā)布處理
圖2.1.1-3 智能生產(chǎn)云平臺微服務(wù)框架系統(tǒng)設(shè)計
（5）圍繞以 OPCUA 標準構(gòu)建的信息模型，基于模型驅(qū)動技術(shù)，功能和流程高度可配置、可重構(gòu)、可擴展，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)無縫結(jié)合。
OPCUA 實現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的 “標準與規(guī)范”，其中信息模型又是 OPCUA 的核心。該信息模型采用了多級分層網(wǎng)絡(luò)，可通過元數(shù)據(jù)描述命名空間里的對象。對象的結(jié)構(gòu)之間也可相互引用實例，采用圖（GRAPH）數(shù)據(jù)的組織方式，可導航到任何節(jié)點對象。平臺完全支持 OPCUA 信息模型和通信標準，可輸出符合國際標準的 XML 模型文件，也可直接發(fā)布容器形式的以 OPCUA 微服務(wù)模型。
圖2.1.1-4 智能生產(chǎn)云平臺模型標準和規(guī)范
平臺完成了基于 WEB 的多用戶、可協(xié)作的 OPCUA 建模工具，充分支持流程行業(yè)的建模工作需求。能為實現(xiàn)各類特定任務(wù)，對數(shù)據(jù)進行標準封裝，形成各種行業(yè)包模型。IT 平臺在行業(yè) PAAS 層上集成的諸多工具，包括工作流編排、可視化組態(tài)、邏輯組態(tài)、高級報表、自定義表單、規(guī)則引擎、元數(shù)據(jù)設(shè)計、大數(shù)據(jù)分析、機器學習等都以模型為基礎(chǔ)，將多元異構(gòu)數(shù)據(jù)進行了融合。
圖2.1.1-5 OPC UA建模工具
（6）利用先進的NoSQL技術(shù): 高性能、高并發(fā)，支持分布式
高速內(nèi)存服務(wù)器，通過集群、哨兵等靈活的部署模式以支持分布式計算，擁有多種數(shù)據(jù)類型以及消息機制、過期機制、持久化機制。非常適合用作實時數(shù)據(jù)存取的場景。InfluxDB是一款專門處理高寫入和查詢負載的時序數(shù)據(jù)庫，用于存儲大規(guī)模的時序數(shù)據(jù)并進行實時分析，支持毫秒級儲存，完全滿足快速控制要求，支持十萬點以上數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用。
2.2. 虛擬控制器系統(tǒng)介紹
圖2.2-1 虛擬控制系統(tǒng)架構(gòu)圖
如上圖，虛擬系統(tǒng)由IO及網(wǎng)關(guān)、虛擬控制器、上位監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)組成。其中：
（1） 上位監(jiān)控
上位監(jiān)控系統(tǒng)采用和利時MACS6.5.4版本，包含工程師站，操作員站，歷史站等功能，保持與傳統(tǒng)DCS軟件整體功能基本一致。
（2） 虛擬控制器
部署在用于服務(wù)器中，由硬件資源，虛擬化平臺軟件，操作系統(tǒng)及應用軟件組成，完成和傳統(tǒng)控制器的相同功能。通過虛擬化技術(shù)，一臺服務(wù)器可以部署多個控制器。虛擬控制器支持控制器冗余，和上位機軟件還是通過雙以太網(wǎng)進行通信。
（3） 網(wǎng)絡(luò)
整個系統(tǒng)中包含三種網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，冗余網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)網(wǎng)：DCS工程師站，操作員站，歷史站等與控制器通信的網(wǎng)絡(luò)。控制網(wǎng)：控制器與IO模塊進行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)。
（4） 網(wǎng)關(guān)
完成虛擬控制器與IO模塊間的以太網(wǎng)和DP之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)云化控制器和I/O模塊的通信。單網(wǎng)關(guān)支持4條鏈路獨立DP。與控制器通信通過以太網(wǎng)通信，支持兩條鏈路冗余；支持在虛擬控制器和網(wǎng)關(guān)之間使用5G網(wǎng)絡(luò)。
（5） IO模塊
保持和現(xiàn)有和利時IO模塊一致。
2.2.1. 控制平臺云的軟件虛擬化部署架構(gòu)
圖2.2.1-1 虛擬化部署架構(gòu)
云化DCS控制層軟件由硬件資源，虛擬化平臺軟件，操作系統(tǒng)及各種應用軟件組成。
(1) 虛擬化：
l 和利時虛擬控制器支持采用Xen虛擬化及VMWARE技術(shù)。
l 支持將硬件實體資源（CPU、內(nèi)存、磁盤空間、網(wǎng)絡(luò)適配器等）分配給各種應用的操作系統(tǒng)。
(2) 操作系統(tǒng)層：
1) 云化控制器的操作系統(tǒng)：
l 采用采用RTLinux操作系統(tǒng)，保證控制器能夠完成實時控制；
l 和利時完成對Linux系統(tǒng)的調(diào)度時基的調(diào)整，提供系統(tǒng)調(diào)度準確性；
2) 工程師站和操作員站的操作系統(tǒng)：
l 采用linux也可以支持windows；
l 在虛擬化前后系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)、應用軟件都是未經(jīng)更改的，因此軟件的穩(wěn)定性與虛擬化前完全相同。
(3) 組態(tài)服務(wù)軟件：
l 支持多工程師協(xié)同組態(tài)，多個工程客戶端同時組態(tài)同一個工程。
l 支持遠程進行離線組態(tài)和在線下裝和調(diào)試組態(tài)邏輯。
l 支持根據(jù)各種使用場景對不同角色設(shè)置合理的用戶權(quán)限。
2.2.2. 云化控制器軟件結(jié)構(gòu)
云化控制器軟件（RTS）架構(gòu)
圖2.2.2-1 虛擬化控制器結(jié)構(gòu)
l 支持運算和通信管理分核處理，保證IEC運算獨自CPU核運算，提供強大運算能力。
l 支持工藝模型仿真運行，模型數(shù)據(jù)使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)的鏡像，可實現(xiàn)現(xiàn)場事故預測。
l 支持工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線的統(tǒng)一。
l 支持IEC61131-3組態(tài)多任務(wù)運行。
l 支持傳統(tǒng)控制器的IEC61131-3組態(tài)邏輯運算。
l 支持虛擬控制器資源監(jiān)測及診斷。
l 支持傳統(tǒng)控制器冗余功能，實現(xiàn)控制器無擾切換。
l 云化控制器后大大提高了運算能力，運算能力比傳統(tǒng)控制器提高5倍數(shù)以上。可降低傳統(tǒng)控制器的運算負荷。
l 單個云化控制器支持64M組態(tài)程序，支持128M組態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。支持接入8000個I/O點。
2.2.3. 云化控制器功能介紹
圖2.2.3-1 云化控制器系統(tǒng)特點
系統(tǒng)主要特點如下：
(1) 軟件定義
虛擬控制系統(tǒng)的組件均實現(xiàn)了虛擬化，可以對控制器的CPU資源、計算容量進行彈性伸縮。實現(xiàn)硬件資源利用的最大化，及性能接入量的最優(yōu)配置。
(2) 扁平化
使用扁平化架構(gòu)，實現(xiàn)根據(jù)所接入的系統(tǒng)規(guī)模進行虛擬設(shè)備的可裁剪，分布式地部署，提高系統(tǒng)地可靠性及靈活性。
(3) 智能協(xié)同
系統(tǒng)利用虛擬高速總線通訊，實現(xiàn)了邏輯控制器、智能算法服務(wù)器地無縫集成，實現(xiàn)了ms級、s/min級的多時間尺度的融合，以及簡單邏輯控制、復雜智能控制及尋優(yōu)算法的一體化。
(4) 多用戶組態(tài)
系統(tǒng)支持權(quán)限多用戶的遠程登陸及同時組態(tài)，提高了工程協(xié)同能力，大大縮短工期。
(5) 多客戶端訪問
支持移動等多客戶端訪問。
(6) 支持海量接入
系統(tǒng)采集網(wǎng)絡(luò)支持原有DCS所有IO類型模塊，能夠接入海量傳感數(shù)據(jù)。
2.2.3.1. 控制器功能擴展
結(jié)合和利時CPS系統(tǒng)，實現(xiàn)輔網(wǎng)的智能化控制運行，利用虛擬控制器技術(shù)實現(xiàn)輔助車間納入虛擬化控制系統(tǒng)控制，同時，在平臺上部署高級應用包括：智能報警、智能監(jiān)測、過程控制與工業(yè)電視聯(lián)動、儀表示值自動識別、智能設(shè)備輪換、故障設(shè)備自動切除等應用。具體功能包括：
(1) 智能報警：利用智能發(fā)電控制系統(tǒng)高性能服務(wù)器的信息處理能力，采用人工智能技術(shù)，通過推理機制和故障知識庫，建立報警因果關(guān)系模型，實現(xiàn)報警過濾、溯源、診斷、預測等功能，幫助運行人員快速處理各類異常，實現(xiàn)人機協(xié)同智能監(jiān)盤：
1）報警管理與統(tǒng)計分析：設(shè)置和組態(tài)符合EEMUA-191《報警系統(tǒng)設(shè)計及管理導則》和ISA18.2《過程工業(yè)報警系統(tǒng)管理》的國際規(guī)范標準，可廣泛應用于報警系統(tǒng)生命周期的各個階段。
2）參數(shù)預警：當設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生運行異常趨勢，但參數(shù)還沒有到達報警閾值時，提前給出設(shè)備或系統(tǒng)預警信息，提醒運行人員密切注意并采取必要的干預措施，以提高運行安全經(jīng)濟性。
3）轉(zhuǎn)機診斷：基于工藝運行信號的診斷，工藝信號報警診斷模塊與原DCS系統(tǒng)采用實時通訊機制，而關(guān)于智能預警模塊的計算均在DCS中通過組態(tài)的形式實現(xiàn)。基于振動信號的診斷，基于振動信號診斷模塊允許用戶對設(shè)備振動數(shù)據(jù)進行波形和頻譜分析，對各種數(shù)據(jù)進行趨勢分析和相關(guān)趨勢分析。
4）滋擾報警抑制：進行異常報警的特征分析，采取濾波、延遲、死區(qū)、系統(tǒng)和設(shè)備運行狀態(tài)相關(guān)的報警限值設(shè)定、優(yōu)先級調(diào)整、多變量關(guān)聯(lián)分析等措施抑制或消除滋擾報警。
5）報警診斷：利用現(xiàn)有的生產(chǎn)過程知識和專家經(jīng)驗建立故障知識庫，實時對生產(chǎn)過程中的故障識別，發(fā)送診斷信息，并提供處理指導意見
(2) 定期工作自動執(zhí)行 ：通過開展電廠定期工作智能化的研究，結(jié)合先進的控制思想、程序控制理念，能夠?qū)崿F(xiàn)定期工作按照正規(guī)操作步驟及工藝標準執(zhí)行，工作任務(wù)自動創(chuàng)建、運行條件自動確認、功能自動執(zhí)行、試驗數(shù)據(jù)自動記錄、結(jié)果結(jié)論自動分析生成。在正常條件下能夠自動地根據(jù)定期工作、定期試驗的工作要求，通過采用先進的控制策略實現(xiàn)定期工作對人工的依賴，減少工作過程中的不確定性和人為因素的影響，確保機組定期工作、定期試驗自動執(zhí)行、智能分析，對設(shè)備做到可知、可控，保持系統(tǒng)的可靠性。
(3) 典型故障自動處理：針對常規(guī)典型故障（設(shè)備故障），具備及時完成故障點的切除或及時合理地觸發(fā)RB功能，滿足機組在常規(guī)典型故障條件下的故障自動處理，及時調(diào)整各項參數(shù)，確保機組的不間斷運行；針對非常規(guī)典型故障（功能性故障），機組具備故障評估功能，具有故障自愈能力，通過對故障的自約束能力來降低故障的危害。
(4) 操作過程與視頻聯(lián)動：在主輔機主要轉(zhuǎn)動設(shè)備周邊布置位于安全I區(qū)的視頻系統(tǒng)，與ICS系統(tǒng)進行聯(lián)動。包括視頻系統(tǒng)的診斷結(jié)果信息送入ICS作為報警項；設(shè)備操作時，視頻系統(tǒng)可對應彈出相關(guān)設(shè)備畫面。
(5) 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及評價：
1）閥門性能監(jiān)測：根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)以往故障的現(xiàn)象和運行人員的經(jīng)驗，建立執(zhí)行機構(gòu)性能判斷專家知識庫。采用專家知識庫，對閥門的工作狀態(tài)、線性度實時計算并監(jiān)控，并給出分類提示，供運行和檢修人員直觀監(jiān)控，進行輔助決策。對一般閥門計算其電機統(tǒng)計時間以進行健康預報警；
2）控制回路品質(zhì)監(jiān)測;在線實時監(jiān)測機組主要控制回路的控制品質(zhì)評價，采用控制指標評價相關(guān)算法，通過對控制回路實時動態(tài)數(shù)據(jù)的分析，將當前控制回路品質(zhì)量化成具體得分，供運行和檢修人員直觀查看;
3）設(shè)備健康度監(jiān)測：基于機組運行歷史數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立設(shè)備相關(guān)輸入和輸出變量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)輸出變量實時值與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預測值，采用關(guān)聯(lián)度分析，對系統(tǒng)的健康程度進行評估打分，實現(xiàn)對系統(tǒng)的異常預警和健康度分析。
2.2.4. 虛擬控制系統(tǒng)技術(shù)指標
（1） 虛擬控制系統(tǒng)控制器相關(guān)技術(shù)指標應達到或高于電廠常規(guī)DCS相關(guān)技術(shù)指標要求。
（2） 虛擬控制系統(tǒng)的單回路控制周期應小于等于200ms，即信號從就地遠程IO柜的輸入模塊、網(wǎng)絡(luò)采集傳輸、虛擬控制器運算后發(fā)出指令、再到就地遠程IO柜的輸出模塊的時間響應。
（3） 操作信號響應時間（即鍵盤發(fā)出操作指令到LCD屏幕上顯示該信號反饋的時間），開關(guān)量信號操作時間不大于1.0s，模擬量信號操作時間不大于2.5s。
（4） 單個虛擬控制器支持對調(diào)度時基的調(diào)整，提供系統(tǒng)調(diào)度準確性，POU任務(wù)周期可在40ms，100ms，200ms，500ms，1s設(shè)置。
（5） 虛擬控制器在最大負荷運行時，負荷率不超過40％。
（6） 單臺虛擬控制器可支持接入不少于4800點的IO硬接點的容量，并保證時延滿足要求。
（7） 模擬量處理器模件完成所有指定任務(wù)的最大執(zhí)行周期不應超過250ms，開關(guān)量處理器模件所有指定任務(wù)的最大執(zhí)行周期不應超過100ms。
（8） 對需快速處理的模擬和順序控制回路，其處理能力應分別為每125ms和50ms執(zhí)行一次。
（9） 報警過濾、報警溯源規(guī)則可組態(tài)；
（10） 報警過濾50%以上無效報警；
（11） 參數(shù)預警和輔機健康度診斷模塊中，在正常運行工況下各參數(shù)預測值與實際值相對偏差小于5%；
（12） 報警溯源算法準確率達到96%；
（13） 任何智能報警畫面均應能在2秒(或更少)的時間以內(nèi)完全顯示出來，所有顯示的數(shù)據(jù)應每秒更新一次。
3. 創(chuàng)新性和推廣價值
3.1. 創(chuàng)新性
虛擬控制器相較于傳統(tǒng)實體控制器有以下四點優(yōu)勢：
(1) 虛擬控制器運行平臺具有運行高度復雜智能算法和簡單邏輯算法相協(xié)調(diào)的計算的能力，打通底層數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)IT與OT的便捷融合，實現(xiàn)不同控制站的控制協(xié)同；
(2) 具備無線接入能力，滿足工業(yè)控制的低延時、高度的可靠性、可用性，能夠連接分散、遠程、乃至廣域的IO；
(3) 硬件平臺具備更高的可靠性，通過IT技術(shù)保證數(shù)據(jù)安全、信息安全與控制器長期可靠工作；
(4) 具有靈活的軟件定義能力，云化后單臺服務(wù)器可以支持的虛擬控制器數(shù)量，相比于真實控制器需要有成本優(yōu)勢。
在實現(xiàn)控制器虛擬化方面，鑒于虛擬化和云計算在ICT領(lǐng)域取得巨大成功，其創(chuàng)新程度甚至顛覆了整個ICT舊有的架構(gòu)體系，其效果也是相當顯著，可將現(xiàn)在的ICT環(huán)境的運營成本較明顯的降低。虛擬化和云計算開始逐步向工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域延申。但是，在工業(yè)環(huán)境中，對控制系統(tǒng)要求通常很高，系統(tǒng)故障、實時性等對工業(yè)生產(chǎn)和應用來說是至關(guān)重要的。要使得在工業(yè)應用，需要通過工業(yè)4.0綜合技術(shù)實踐將虛擬化和云計算等先進IT創(chuàng)新技術(shù)有效運用于工業(yè)領(lǐng)域并提高工業(yè)生產(chǎn)效率是關(guān)鍵，當前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0技術(shù)正在試點推廣中，成熟度和可靠性，以及在需要滿足穩(wěn)定性和實時計算等較高要求的工業(yè)控制環(huán)境中大規(guī)模應用正在進一步驗證。
3.2. 推廣價值
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)的云計算平臺逐漸成為各行各業(yè)企業(yè)管理和生產(chǎn)經(jīng)營的重要數(shù)據(jù)支撐平臺，云計算平臺的應用范疇在虛擬化技術(shù)的支持下變得越來越廣泛。深入研究虛擬化技術(shù)在云計算中的具體應用，并不斷摸索基于虛擬化技術(shù)的云計算平臺架構(gòu)設(shè)計，不斷提升虛擬化技術(shù)在云計算中的應用價值，可提升云計算平臺運行的效率和穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)云計算平臺在實踐應用過程中的資源最大化和效益最大化發(fā)展。
和利時在控制器虛擬化或軟件定義控制器方面已經(jīng)研究多年，當前，和利時已經(jīng)在控制器虛擬化方面進行了產(chǎn)品發(fā)布，和利時邊緣智能控制器、邊緣智能一體機已順利落地北京地鐵19號線一期工程,實現(xiàn)和利時邊緣計算平臺在智慧城軌領(lǐng)域的首次成功應用。通過虛擬化技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)控制、AI人工智能算法相結(jié)合,邊緣智能控制器實現(xiàn)傳統(tǒng)BAS功能、機電智能診斷功能等場景應用,實現(xiàn)自動扶梯、風機、站臺門、蓄電池、節(jié)能控制等五類設(shè)備/系統(tǒng)的故障診斷與預測分析。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號