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★南京科遠智慧科技集團股份有限公司門冉，方正，蔡寧寧

★中國電機工程學會何永君

★江蘇省熱工過程智能控制重點實驗室章禔

★廣東粵電花都天然氣熱電有限公司李賀延，余智健

電力行業的數字化、智能化發展已上升到國家戰略層面。自2016年以來，國家陸續發布了多個促進能源和信息深度融合、鼓勵能源企業運用大數據、智能化技術推廣以及提高能源利用效率和安全穩定運行水平的指導文件^[1~2]。國家能源局還發布了推進能源數字化發展的指導意見，明確要求加快火電、水電等傳統電源數字化設計建造和智能化升級，推進智能分散系統發展和應用。這些都對控制系統智能化發展起到了極大的推動作用。

1　控制系統概況

分散控制系統（Distributed Control System，DCS）是智能控制系統（Intelligent Control System，ICS）的基礎。ICS在DCS基礎上應用智能化技術，是DCS的高級應用拓展。ICS的研究、設計、研發和應用需深入了解DCS的特點及發展過程。

1.1　國內DCS現狀

國產DCS經多年發展，在技術水平上與國外系統相當，能滿足國內企業應用需求，且在自主可控方面有較大發展。我國DCS廠商包括國電智深、國電南自、華能瑞沃、南京科遠、和利時、浙大中控和上海新華等^[3~4]。其中，南京科遠NT6000、國電智深EDPF-NT及GD99、和利時HOLLiAS-MACS、浙江中控ECS、上海新華TISNET等控制系統在國內已有較多成果應用，涵蓋了大容量火電機組、大型石化、大產量建材和冶金等流程工業^[3]。

1.2　國內ICS發展情況

近年來，國內控制系統已逐步向ICS發展，主流廠家相繼推出了各自的ICS，如科遠智慧ICS、國電智深iDCS、華能睿渥HNICS、中控InPlant MDS等^[5~8]。隨著ICS的重要性越來越高，ICS行業標準也在起草編制中，預計明年公布出臺。國內已有發電智能化、數字化和ICS的建設應用實踐，如大唐北京高井熱電、大唐南京熱電、國電東勝、大唐姜堰熱電、大唐南電、京能十堰電廠、國華京燃熱電、江陰利港和華電萊州電廠等^[3~7]。

目前，ICS發展時間較短，在智能技術應用方面仍未有顛覆性突破，其整體上仍采用在DCS上搭建高級應用服務功能的架構^[3~7]。本文針對ICS在生產一區的實現闡述其研究和應用。

1.3　ICS技術特點

基于行業發展新情況、智能化發展需求以及在實踐中的應用總結，ICS應具備以下特點：

（1）網絡分層設計，在傳統DCS網絡（即實時控制網）基礎上并行設計高級應用服務網；

（2）生產過程數據采集、存儲及高級應用功能在高級應用服務網實現，實時控制網提供數據接口并接收高級應用運算結果；

（3）配置高級應用功能硬件，包括高級數據服務器、高級應用服務器和高性能控制器等；

（4）采用標準數據接口，與實時控制系統無縫融合，不對實時控制系統產生過大干擾，確保實時控制網安全可靠；

（5）支持主流先進控制功能，包括模糊控制、自適應控制、DMC、MPC和GPC等；

（6）人機交互性能更高，畫面刷新速度更高，支持視頻信號接入、三維模型展示、web數據交互、關系型數據交互等；

（7）實時控制網和高級應用服務網均應滿足最新網絡安全技術要求。

本文所述的ICS架構由兩部分構成，包括實時控制系統和高級應用服務網系統。

2　ICS系統研究

ICS網絡架構的研發及應用需要在考慮數據高效應用的同時兼顧實時控制系統安全穩定運行，以保證數據安全和網絡安全^[3~7]。

2.1　硬件配置

ICS高級應用功能依賴于高性能應用服務器、高性能數據服務器、高性能控制器和相關網絡設備等^[9~13]。ICS主要硬件配置的性能要求如表1所述。

表1 ICS硬件配置技術要求

以上配置為ICS高級應用服務網設備的參考配置，在實際應用中應當根據功能實現的需要進行調整，包括硬件性能和數量的調整。

2.2　網絡設計

（1）高速冗余

高級應用服務網可實現ICS的數據采集、數據高效應用，以及與實時控制系統的數據交互，其配置關系到ICS的高級應用功能是否能正常實現。

高級應用服務網作為生產數據高速公路，需至少配置為千兆冗余網絡，還應設計網絡診斷功能，實時檢測網絡運行狀況，在發生異常時及時發出告警。系統中無網絡短板，所有網絡設備必須均配置為千兆及以上設備，包括所有服務器、工程師站、歷史站、操作員站和智能監盤站的網卡、交換機網口、光電轉換設備、防火墻以及隔離網閘等^[3~7]。

（2）分層設計

高級應用服務網按機組級和廠級分層設計搭建，以實現不同層次功能。機組級數據通過高級應用服務網單向傳輸到廠級高級應用服務網，機組級高級應用服務網與廠級高級應用服務網之間配置單向網絡隔離設備，如防火墻或隔離網閘等。機組級高級應用服務網數據在機組控制系統中展示和交互，廠級高級應用服務網數據在單獨設置的智能監盤站或客戶端中展示和交互。

（3）數據分流

ICS高級應用服務網應能適應極短時間內大批量數據的讀取和處理。為保證整個網絡負荷不至于過載，在原有控制網絡上并行搭建高級應用服務網（C/D網）。高級應用功能的數據在CD網中傳輸和交互，可設置網絡占用限制，當運算過程占用的網絡帶寬過大時能及時限制網絡帶寬增加，CD網網絡異常不影響實時控制網絡的穩定運行。

（4）數據交互

由于整套機組的生產運行數據是ICS高級應用功能的基礎，因此設計研發合理的數據采集功能尤為重要。在ICS中，數據采集需兼顧采集效率以及對實時控制系統的影響。為提高數據利用效率，應根據應用場景的不同，設定不同數據采集周期。

高級應用服務網的計算結果，應當高效安全地傳輸至實時控制網（包括監視畫面和控制器）。在數據傳輸設計中，應限制數據傳輸過程對實時控制網的資源占用，并應優化數據傳輸規則。

2.3　應用冗余

應用冗余包括數據采集及存儲的冗余以及高級應用功能計算的冗余。在數據采集過程中，兩臺數據服務器分別從冗余實時控制系統站點進行數據采集并存儲。兩臺數據服務器一運一備，軟件配置保持一致。在高級應用功能計算方面，應用服務器冗余運行，一運一備。當正常運行服務器出現異常后，可自動切換為備用服務器運行。在異常服務器恢復正常后，能夠自動同步地應用服務器的數據、軟件配置、算法和模型。

2.4　智能控制

ICS設計配置連接實時控制網和高級應用服務網的高性能控制器。高性能控制器作為先進控制功能運行載體，支持C、C++和Python等常用編程語言，支持高級應用功能專用數據接口，支持模糊控制、自適應控制、MPC和GPC等先進控制算法運行，可以實現APS、氣溫控制、燃燒優化、脫硫脫硝控制等功能。

2.5　人機交互

ICS在優化提升傳統操作員站功能的同時展示內容更加豐富。ICS應能支持關系數據庫的數據查詢、web頁面調用、展示和交互、高級應用功能配置和查詢、三維畫面展示以及視頻信號接入等。為適應以上人機交互需求，ICS需提升操作員站、工程師站和歷史站配置，如配置高性能顯卡、多塊顯卡，SSD盤及SAS盤等；ICS需要開發針對性數據接口，以實現在高效調用數據的同時，不產生過大的網絡沖擊；ICS還需優化設計數據請求、發送和緩存規則，避免畫面卡頓^[3~7]。

2.6　網絡安全

ICS的安全防護應從邊界防護、檢測審計防護、終端防護、管理平臺中心等方面進行，并應嚴格按照最新信息安全技術網絡安全等級保護技術要求進行安全策略配置^[8]。

在ICS的實時控制網絡和智能應用服務系統網絡邊界部署工業安全網閘，可以保護ICS網絡邊界安全，實現邊界防護。工業安全網閘不僅能夠通過專用硬件在電路上切斷網絡之間的鏈路層連接，還能夠切斷由外部發起的連接，保護內部網絡。

ICS的審計防護應包含工業入侵檢測系統部署、工業網絡審計部署、工業日志審計部署三部分。不僅能夠對工業網絡傳輸數據進行即時監視，在發現可疑流量時發出警報或者采取主動反應措施，還能對網絡數據流量進行入侵檢測和告警。

ICS通過白名單、主機加固等手段完成終端防護。能夠實現對工控系統信息安全相關要求，防止入侵、病毒等惡意行為對主機文件的非法篡改，設置對USB口、網絡端口管控+進程訪問的控制，防止軟硬件形式的非法接入并及時告警。

3　ICS整體架構設計

3.1　功能架構設計

ICS功能分層次設計，如圖1所示，在整體上實現數據共享、應用集成、數據交互，并通過功能部署實現軟硬件一體化集成，實現數據、算法、算力的深度融合。其可分為數據源層、數據處理層和數據應用層。數據源層涵蓋生產現場系統、傳感器及智能終端等生產數據，智能傳感器和智能終端等邊緣設備數據經處理后送到ICS應用層。數據處理層分為數據鏈接層、數據存儲層和數據應用層三個子層，其中數據鏈接層主要是進行數據采集，并通過私有通訊協議傳輸到數據存儲層中；數據存儲層將數據進行高效存儲和交互，形成ICS實時/歷史數據庫，對外提供統一接口；在數據應用層對數據進行讀取、分析和特征提取，并調用專有算法庫進行數據分析和數據建模。數據應用層實現人機交互層和功能實現，服務運行人員。

圖1 ICS功能層次設計

3.2　網絡架構設計

根據本文第二部分的研究結果和功能層次設計，本項目設計部署在生產一區的ICS網絡架構。典型ICS網絡架構原理圖如圖2所示。

圖2 典型ICS網絡架構圖

在該網絡架構中，A網和B網為冗余實時控制網，C網和D網為冗余高級應用服務網。單元機組部署高級應用服務網，若部署三層交換機，公輔系統高級應用功能可在機組高級應用服務網中實現。DCS各站點、服務器和高性能控制器均連接A、B、C和D網。機組高級應用服務網通過隔離裝置向廠級高級應用服務網絡單向傳輸數據。廠級高級應用服務網部署的客戶端、高級工程師站、廠級數據服務器和廠級應用服務器連接C網和D網。

4　典型ICS應用

4.1　ICS應用典型架構

科遠智慧作為國內較早提出并實踐智能控制理念的先驅，有不少ICS的成功應用案例。其某2×9F聯合循環機組ICS網絡架構圖如圖3所示。

圖3 某2×9F聯合循環機組ICS網絡架構圖

該應用案例，按照本文所述研究進行ICS架構設計以及智能預警、智能控制、智能分析和智能監測功能的開發和應用。智能預警、智能分析和智能監測主要依托高級應用服務網實現，智能控制依托高性能控制器實現。圖4~圖11所示為某聯合循環發電機組進行智能控制系統功能實現的展示畫面。

圖4 智能預警

圖5 智能預警-燃機熱部件預警

圖6 智能分析-性能計算

圖7 智能分析-耗差分析

圖8 智能監測-換熱器效率

圖9 智能監測-調節品質評估

圖10 智能控制-APS啟動 

圖11 智能控制-APS停機

4.2　ICS應用案例

基于本文發電機組智能控制系統的研究和應用，我們在國內實施了多個ICS項目，涵蓋了燃機發電機組、燃煤發電機組和燃氣發電機組等大中型發電機組類型，涉及電廠包括粵電花都、粵電永安、粵電濱海灣、深能源光明、大唐延安、大唐南電、國能舟山、內蒙古科右中和南京南鋼等。在這些項目的應用過程中，ICS網絡架構得到了實際驗證，并實現了智能預警、智能監視、智能診斷和運行優化等功能，在提高機組運行經濟性、安全性和智能化方面有顯著作用。

5　總結

近年來，能源行業新的發展方向對電力行業提出了智能化的要求，智能化技術的發展為電力行業智能化的實現提供了技術支撐。經過各發電集團和DCS廠商在發電行業智能化探索和實踐，發電機組智能控制系統架構日趨完善，能夠實現的功能也日漸豐富，后續將在發電行業發揮越來越大的作用。

作者簡介：

門　冉（1989-），男，河南南陽人，中級工程師，碩士，現就職于南京科遠智慧科技集團股份有限公司，研究方向為發電機組優化控制、發電智能化技術研究和應用。

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摘自《自動化博覽》2024年3月刊