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活動鏈接：2014年控制網行業專題---打造有中國特色的智能電網

   當前電力企業正面臨著前所未有的挑戰，如電力市場化、節能減排、產能效率，另一方面，新技術不斷涌現并迅速應用于電力行業，如現場總線技術、物聯網、信息技術等，這使得數字化電廠應運而生。數字化電廠可以解決火力發電廠管理粗放水平低下、發電能耗高、污染物排放嚴重、輔助系統運行不穩定、設備故障率高等眾多問題，最終實現火力發電站現代化的運營和管理，從而降低企業運營成本、發電能耗、污染物排放，提高企業經濟效益和社會效益。本刊專題策劃特別邀請西南電力設計院設計總工程師張晉賓教授全面解讀“數字化電廠”的理念和發展現狀，以及給自動化技術帶來的機遇和挑戰。

   能否解釋下“數字化電廠”的概念？數字化電廠有何特點？ “數字化”包括哪些層面？

   張晉賓：

  盡管“數字化工廠”耳熟能詳，但全世界并沒有形成其公認的統一定義。

  “數字化電廠”的概念

   提到“數字化工廠或電廠”，需先闡述下“數字經濟”的概念。所謂數字經濟，是指在經濟的各個方面，包括每一組織（如政府、各類企事業單位、非贏利機構或團體等）的內部運作、組織間或組織與個人間或個人與個人之間的事務，廣泛采用IT信息技術（硬件、軟件、應用和通信等）。而主要是在上世紀末本世紀初開始出現的“數字化工廠”現象，正是數字經濟環境下的產物，是當今全球最吸引人眼球的熱點技術和流行技術。

   盡管“數字化工廠”耳熟能詳，但全世界并沒有形成其公認的統一定義。國際上，有的學者將其定義為用于表示工廠的模型和用于生成該模型的工具；有的學者將其與虛擬工廠相區別，定義為已有真實工廠靜態內容（包括靜止的所有物、資源、媒介供應）的映像；也有的學者干脆認為就是虛擬生產制造，即是生產制造位置的逼真的、集成的計算機模型，該模型包括每一流程和具有支持規劃、仿真、開發、生產控制和維修等全部必要功能的整個工廠。有關數字化工廠的構成，有的專家認為是由建模和可視化、仿真和評價、數據管理和通信三部分構成；也有的專家認為是由3D設備系統可視化、事件仿真、制造過程仿真和人機工程仿真四部分組成。在國內，有的專家認為數字化電廠包括電廠管理數字化、生產過程控制數字化、現場設備級控制與管理數字化、電廠信息高質量數字化和電廠設計數字化；有的專家認為數字化電廠是通過采用先進的信息技術，實現生產和管理數字化，實現人、技術、經營目標和管理方法的集成；也有的專家認為電廠的數字化實際上是指在電廠從建設到運行的整個生命周期過程中，實施完整的數字化設計、數字化采購、數字化工程建設以及數字化移交，同時在電廠監控系統的各個層次采用智能化、數字化的設備，在信息系統中采用相應的智能控制軟件和管理軟件，從而使得對整個電廠的監控和管理都是智能化、數字化和透明化的。在我國電力行業標準《火力發電廠熱工自動化術語》DL/T701-2012中，將“電廠數字化”定義為：利用計算機技術及微處理器技術把反映火電廠生產過程和管理過程對象的現象、特征、本質及規律的聲音、文字、數字、符號、圖形和圖像等模擬信號轉換為數字信息的過程。將“數字化電廠”定義為：數字化電廠是電廠數字化達到一定程度后的概念。電廠各級控制和管理系統（包括現場設備等基礎單元）均進入數字化后稱為數字化電廠。國際電工委員會IEC/TC65則將“數字化工廠”定義為：表現工廠基本組成單元、自動化資產、它們的行為和關系的類模型。德國工程師學會在其VDI 4499導則中將其定義為：“數字化工廠”是一個由數字模型、方法和工具（包括仿真和3D可視）全部交織在一起的、由連續的數據管理將其集成在一起的綜合網絡所形成的超常概念。

   綜合分析歸納以上有代表性的概念或定義可知，數字化電廠的定義大致可分為兩類，一類是狹義的、淺層次的、初級的，即認為數字化電廠就是指電廠生產，乃至管理的數字化，只要電廠監控系統（包括現場儀表）和管理系統的各個層面都實現了數字化，就認為建成了數字化電廠；而另一類是廣義的、深層次的、高級的，即認為數字化電廠各類系統的數字化只是一個基礎，或表象而已，而最重要的是應建立有電廠的數字模型，并在此模型基礎上，充分利用系統集成、專家系統、虛擬現實等現代信息處理和通信技術、智能控制和管理決策技術，實現電廠管控真正意義上的信息化、智能化，最大限度達到電廠的安全、高效、環保運行狀態。實質上，后一種定義，更為全面、系統，也與國際上主流的數字化工廠觀點相吻合。

   數字化電廠的特點

   從前述數字化電廠的概念，可高度概括出全面、系統、完整的數字化電廠應具有以下六個特點：

   一是數字化，即利用計算機信息處理技術把電廠各個生存周期階段所存在或發生或關聯的模擬信息轉換為數字信息。

   二是模型化，即建立有電廠完整的數字模型，其中不僅包括實體的物理模型，也應包括數學邏輯模型在內。如以汽輪機本體為例，一是應全面建立包括汽缸、隔板、隔板套、主汽閥、調節閥、進汽管、蒸汽室、噴嘴組、主軸、軸承、軸承座、聯軸器、葉輪、動葉柵、軸封、軸封環、平衡盤等汽輪機全部組成部件的單個實體模型和由此組成的完整汽輪機實體模型；二是建立汽輪機的各種數學模型，如汽輪機熱力特性模型、應力模型、調節特性模型等。

   三是可視化，即在所建立的電廠數字模型基礎上，利用虛擬現實技術，將電廠各類實體及其特性以直觀的、圖形圖像信息表示的、隨時間和空間變化的物理現象或物理量（如三維立體形式）呈現于用戶面前，實現與用戶的交互，使之能夠瀏覽、觀察、模擬和計算，從而提高規劃設計效率，也為規劃設計的優化提供便捷，而且更便于實現電廠的運行、維護、檢修的仿真，極大提高電廠的工作效率。

  四是互操作性，即數字化電廠中的各個構成部件（如不同的計算機系統、儀表等）具有協同工作，并共享信息的能力。如數字化工廠中的一些實體可和數字化工廠中的其它實體之間無縫交換信息。

   五是信息化，在我國《2006━2020年國家信息化發展戰略》中指出，信息化是指充分利用信息技術，開發利用信息資源，促進信息交流和知識共享，提高經濟增長質量，推動經濟社會發展轉型的歷史進程。數字化電廠在電廠的設計、施工、生產、管理等各個環節廣泛采用了信息技術，顯然，信息化也是數字化電廠的主要特征之一，數字化電廠的建立也是我國信息化建設中的重要組成部分。

  六是智能化，數字化電廠廣泛采用現代信息處理和通信技術、智能測量和控制技術，以及基于數據倉庫、聯機分析處理、數據挖掘、模型庫、知識庫等相結合起來的綜合智能決策支持技術，最大限度地實現電廠的安全、經濟、高效、環保、自治、智能運行。

  “數字化”包括的層面

  國際標準化組織在其ISO 15926標準中，將流程工廠（包括電廠在內）生存周期活動模型分為：概念流程設計，概念工程設計（前端），詳細流程設計，詳細工程設計，設備、材料及服務的采購和控制，施工，調試，試運，運行，工廠及設備的維護，退役，工廠拆除和場地恢復等過程。但該標準不涉及行政管理、商業、貿易等方面。

  因此，從電廠生存周期全過程綜合來看，電廠的數字化不僅體現在建立有相應的數字化電廠（包括設備、管道、設施等全部對象）模型，而且也應包括在其各個生存過程的數字化，即電廠規劃和設計（包括概念設計和詳細設計）的數字化、電廠建設（包括采購、施工、調試及建設管理等）的數字化、電廠運行（包括運行、維護和檢修等）的數字化、電廠運營管理（包括生產經營管理、行政管理、設備管理、燃料管理、物資管理、財務管理等）的數字化等各個層面，如此才可稱得上是全面的數字化電廠。

  數字化電廠成為未來電力行業的一大發展趨勢，目前在我國的發展情況如何？取得了哪些突破？您認為其深入發展還需要哪些方面的發展和突破？

   張晉賓：

   數字化電廠的構建是一項復雜的系統工程，需要長期科學、嚴謹、細致、扎實的工作。國內相當多的單位誤將數字化當成目的，而不是當作構建現代信息化企業的重要手段，單純為了數字化而數字化。與國際上發達國家相比，我國在數字化的標準化、規范化方面差距尤其巨大。下面基于電廠生存周期，主要分析下設計、建設、運行和管理等主要過程的國內電廠數字化現狀以及與國外同行的差距等。

  從數字化建設流程來看，設計（包括流程設計和工程設計）是其龍頭，是電廠全面數字化的基礎。目前國內的電力設計院基本上甩掉了圖板，采用CAD計算機輔助設計技術（如AutoCAD）來進行電廠設計，達到了設計手段的初級數字化。此外，部分設計院采用國際通用的三維設計技術或協同設計平臺（如AVEVA的PDMS、Bentley的Open Plant、Intergraph的Smart Plant、Siemens的Comos等），實現了電廠設計的較高質量的數字化。但與國際先進工程公司相比較，國內的設計數字化還處于較為基礎的階段，所建立的三維模型只是一個物理模型，還不能全面仿真真實的工藝流程，與所要求的虛擬電廠還有差距。另外，所使用的協同設計平臺也不是真正意義上的全部協同，并未實現全面的工藝、土建、電氣、儀控等多專業的信息共享和協同數字化設計。

   在電廠建設方面，國內建設單位大都配置有建設期管理信息系統（包括建設階段的計劃管理、進度管理、物資管理、財務管理、質量管理、安全管理、工程圖紙文檔管理等功能模塊），如Primavera的P3或P6項目管理軟件等，實現了對電廠建設階段的合同、工程概算、工程投資、設備采購、工程施工、工程質量等信息的基本數字管理。但從深層次上看，施工方大都沒有配置可與設計相兼容的工程管理信息平臺，不具備從上游無縫接收數字設計產品的能力，加之絕大部分建設項目并沒有從設計方獲得全面完整的數字化設計產品，因而更談不上基于數字化設計成果的數字化采購、基于數字模型的施工優化和虛擬化的機組調整、試驗等，因此并未充分挖掘和利用數字產品的潛力，沒有實現深層次的數字化建設規劃和管理。

   在電廠運行方面，國內電廠基本上都配置有DCS/PLC等計算機控制系統，甚至有的還在上層配置有類似于國外MES制造執行系統的、國內稱之為SIS的廠級監控信息系統，基本實現了過程控制及設備運行的初級數字化，具備了一定的控制優化和狀態檢修能力。在此值得多說的是，有的觀點認為一定要在現場設備級全面應用了現場總線技術后，才能稱之為“真正”意義上的電廠全面數字化。這種觀點其實是對數字化建設的片面理解，實質上不論是采用常規型、智能型或現場總線型儀表與控制設備，只要能采集到被控對象足夠的數字狀態信息，并對之實施有效的數字監控，同時可對測控裝置的可靠性狀態實施數字化的管理，即可認為達到了數字化。何況片面強調儀表與控制設備的現場總線化，既不現實（如IEC 、ISO等國際標準化組織認可的現場總線類型就有幾十種之多，且不是所有的儀表與控制設備都有商用的質量可靠的現場總線產品。另如國外某已投產的號稱全面采用現場總線的電廠，也還采用有閥島、Hart等并非真正意義上的現場總線產品）也不具有實質意義（電廠的數字化是手段，不是目的。只要能達到電廠的信息化、智能化，實現電廠的現代化運行和管理，達到電廠營運成本最低，發電能耗最小，污染物達標排放，設備可用系數高，使電廠效益最大化即可）。當然，我們并不否認現場總線產品在全數字化通信、互操作性、互用性等方面的優勢，只是不要將其認為是電廠數字化的必要條件而已。實際上，IEC國際電工委員會在其TR62794技術報告中所提到的數字化工廠參考模型中，也并不完全排斥常規I/O采集方式。在電廠運行數字化方面，國內還應建立全面的基于被控對象的電廠數字化邏輯模型，并充分應用這些數字模型，實現對電廠的基于模型的狀態預測控制、優化控制、智能控制、故障診斷、狀態檢修等。

   在電廠管理方面，相當多的國內業主建立有較為完善的，包括經營管理、資產管理、生產管理、行政管理等主要功能的MIS管理信息系統，甚至有的大型發電企業還建立有ERP企業資源計劃系統（如基于SAP、用友軟件等）。但從數據鏈看，仍沒有徹底打通從設計、施工，直至運行的全部數據鏈，沒有實現全部過程的數據共享。十分遺憾的是，國外在20世紀未就制訂有較為完善的過程工業全過程數據移交標準規范（如歐洲EPISTLE組織于1997年就制訂了“Process Industries DataHandover Guide”），但國內目前還沒有一部涉及電力工程數據稱交的標準。從電廠生產管理角度看，沒有充分利用虛擬的數字化電廠模型，進行電廠的運行管理、安全管理、技術監督管理、大小修項目管理等；此外，也未充分利用已有的數據庫、模型庫，建立有以管理科學、運籌學、控制論和行為科學為基礎，以計算機技術、仿真技術和信息技術為手段，具有智能決策作用的決策支持系統，從而不能為電力企業的各級管理者提供及時、有效的生產經營決策信息，不能達到對工程投資費用、進度、質量、生產的最大有效控制。

   對于數字化電廠的建設，自動化技術在其中發揮了怎樣的作用？在自動化技術應用方面有何創新或突破？

  張晉賓：

   自動化技術是一門采用控制系統、IT信息技術等來提高生產力，優化生產和服務的質和量的綜合性技術，它在數字化電廠建設中，特別是電廠運行數字化方面，發揮了極其重要的、不可替代的支撐作用。

   圖1為IEC/TC65所給出的數字化工廠示例及其相關標準所涉及的IEC、ISO和ISA委員會總圖。

   從該圖中可以看出，自動化資產及其之間的關聯和自動化資產與其它資產的關聯，構成了數字化工廠（自動化資產）的參考模型。從該模型結構看，最下層由DCS/PLC（包括現場總線儀表、傳感器、驅動裝置、馬達等）組成，中間層由MES、數據服務器、HMI等組成，最上層由廠級信息站、廠級維修站、公司級的生產數據服務器和SAP及其它各類診斷、安全站所構成。上述模型結構和國內的下層DCS/PLC、中層SIS（廠級監控信息系統）+MIS、上層公司級的ERP的信息化結構基本類同。
 
                    

                                           圖1 數字工廠示意圖

   20世紀末，隨著控制技術、計算機輔助和集成技術、網絡技術、管理技術、虛擬現實及其它信息技術的快速發展，出現了數字化工廠的雛形。在這十多年的數字化電廠建設中，國內電廠自動化應用技術也從中取得了長足的進步，現今的大型電廠普遍采用計算機系統實現了電廠的監視、報警、控制、保護、優化和管理。突出表面在以下四點：一是利用先進的計算機監控系統、網絡集成技術、數據庫集成技術、視覺系統等技術，將全廠監控系統一體化，實現了機組（包括鍋爐、汽輪發電機組等）的少人全能值班和輔助車間的無人值守，有的甚至實現了燃煤機組的全自動啟動和停止功能；二是利用先進的智能控制技術（如模型預測、空間辨識、神經網絡、仿人智能等）和優化算法（如遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等），大大提升了控制系統的調節性能、適應性和穩定性；三是逐漸擴大現場總線儀表與控制設備、無線網絡及無線儀表、安全儀表系統、故障診斷系統（如旋轉機械故障分析系統、爐管或閥門泄漏診斷分析系統等）的應用，利用新型的儀表與自動化技術，進一步提升電廠的信息、安全、可靠水平；四是利用新的建模技術、數據庫技術、虛擬現實技術、數據采集和監視控制技術，建立了電力仿真系統（如整體煤氣化聯合循環電站仿真、超臨界機組電站仿真等），基本實現了對建設過程和發電過程的仿真、運行的虛擬操作培訓等功能。

   能否談談“三維數字化設計技術”在數字化電廠建設中的作用？目前的研究和應用情況？

  張晉賓：

  三維數字化設計技術是建立在數字化、虛擬化、智能化計算機輔助設計平臺的基礎上，讓設計對象更立體化，更形象化的一種新型設計方式，是電廠設計的趨勢之一。由此建立的三維虛擬空間，給大家以直觀、逼真、身臨其境之感，很多不易察覺的設計缺陷（如管道、設備的碰撞等空間布置問題）能夠輕易地被發現，便于項目的規劃設計、方案優化等，大大提高了規劃和設計的質量和效率。三維數字化設計的優勢不僅體現在規劃和設計中，而且還體現在數字化電廠的施工、運維等后續電廠生存周期的各個階段。如在施工安裝階段，利用三維數字化設計模型可以對不熟悉的復雜設備或部件進行虛擬安裝，或進行工程項目的空間施工管理（如施工空間分配、施工進度模擬等）；另如在電廠運行階段，利用電廠的三維數字化模型，鏈接生產過程實時/歷史數據庫，可建立指導生產或檢修的、具有高度沉浸感的三維虛擬仿真平臺系統，實現可視化的、虛擬化的仿真運行、檢修、安全培訓或考核等。 將三維數字化設計數據庫與電廠運行和管理數據庫互聯，建立集成的企業數據倉庫平臺，并與電廠ERP、MIS系統無縫對接，可形成運維一體化三維數字化管控系統。由此可見，三維數字化設計是數字化電廠建設的前端，它使得電廠對象直觀形象，信息立體化，為后續的數字化電廠的打造和電廠全方位的信息化創造了便利的條件，奠定了堅實的基礎。

   在國內，電力三維設計起源于上世紀90年代，經過近20年的建設，目前大的電力設計院已基本建成國際水平的電廠三維設計平臺，其主要應用情況如下：

   （1）工藝設計：建立有完備的設備材料數據庫（如ASME、GB、DL管規等），熱機、除灰、脫硫、化水、供水、暖通等多專業的布置工具庫。可以在三維設計平臺上完成設備和管道的布置設計（含應力分析）、施工詳細設計（含支吊架設計）。在設計過程中可以隨時從三維數字化設計平臺上抽取智能P&ID圖、平面圖、軸側圖、配管圖，以及設備表、管線表、閥門表等各類材料統計表，以滿足各階段的采購和施工要求。

  （2）土建設計：建立有電廠內全部建、構筑物的模型，且建筑和結構設計均可在三維設計平臺上完成。在同一設計平臺上，實現了多專業間的結構荷載、孔洞、預埋件配合，在全廠碰撞檢查過程中能發現并解決所有的碰撞問題。在結構的三維數字化模型中，可抽取鋼結構的施工圖（包括鋼結構的加工圖、節點圖和精確的材料統計匯總清冊等）。

  （3）電控設計：建立有包含設備參數的電氣和儀控設備三維模型，可進行電氣和儀控設備安裝設計、電氣主接線設計、三維防雷設計、電纜自動敷設等。也可在三維數字化設計平臺上進行帶電距離校驗，抽取各類施工圖以及材料統計表等。 

   摘自《自動化博覽》2013年10期