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資訊頻道1. 方案背景與目標
中煤新集利辛發電有限公司位于安徽省亳州市利辛縣胡集鎮，于2008年12月成立，裝機規模為3320MW，分二期建設，一期工程2×1000MW超超臨界燃煤發電機組于2016年10月建成投產，基建期先后獲得省部級以上獎項121項，2018年榮獲國家優質工程金獎，被列為國家第一批煤電聯營重點推進項目，實現了全國工期最短、質量最優、安全最好、造價最低，是我國首座“科技領先、指標先進、綠色環保”的百萬千瓦級“煤電一體化”標桿項目；二期工程2×660MW超超臨界燃煤機組于2021年1月獲得核準，正在建設，將于2024年迎峰度夏前正式發電，是安徽省“十四五”規劃建設重點項目，致力打造國際領先的新型智慧電廠。
1.1. 虛擬化控制系統研制和應用的意義
中煤新集利辛板集智慧電廠作為能源領域首臺虛擬化控制系統的研制和應用具有重要意義。
首先，虛擬化控制系統可以實現智慧能源的管理和調度。通過將能源控制系統核心控制器的虛擬化，可以實現對能源系統的遠程控制，實時監測分析和優化。虛擬化控制系統支持強大算力，可以通過智能算法和機器學習技術，根據能源需求、供需情況和環境條件等因素，自動調整能源系統的運行狀態，提高能源利用效率，降低能源消耗和排放。
其次，虛擬化控制系統通過5G的互聯，能夠實現能源互聯和合作。隨著能源互聯網的發展，能源系統不再是單一的能源供給和消耗系統，而是通過互聯技術實現能源生產、儲存、輸送和使用的全面互聯。虛擬化控制系統可以通過智能化和自動化的方式，實現不同能源系統的互聯和協同運行，提高系統的穩定性和可靠性。
第三，虛擬化控制系統可以實現自主可控的能源管理。傳統的能源系統通常由集中式的調度中心控制和管理，缺乏對系統的實時監測和響應能力。而虛擬化控制系統可以實現能源系統的分布式管理和控制，每個設備和組件都具備自主決策和調度功能。通過實時監測和分析能源系統的狀態和性能，虛擬化控制系統可以快速響應能源需求和變化，實現更加靈活和可靠的能源管理。
最后，虛擬化控制系統的研制和應用將受益于5G技術的引入。5G技術具有高速傳輸、低時延和大規模連接等特點，能夠為虛擬化控制系統提供強大的網絡支持和數據傳輸能力。通過5G技術，虛擬化控制系統可以實現能源系統的實時監測和控制，提高系統的響應速度和精確度。
總之，能源領域首臺虛擬化控制系統的研制和應用具有重要的意義。它將推動能源系統向智能化、互聯化和自主可控的方向發展，提高能源利用效率和可靠性，實現可持續能源發展的目標。同時，虛擬化控制系統的應用還將受益于5G技術的引入，為能源系統提供強大的網絡支持和數據傳輸能力。
2. 方案詳細介紹
虛擬DCS控制系統是探索DCS產品未來新形態的關鍵技術，主要研究內容為：
（1）虛擬控制系統基礎研究，基于電力生產指定運行環境部署的可行性研究。
（2）研究虛擬機下控制器底層操作系統選型，包括操作系統運行周期穩定性和準確性。
（3）研究虛擬控制器軟件架構、模塊化設計及可擴展性。
（4）研究控制網通信網絡結構、可靠性、安全性和控制器、邊緣網關與IO的高速通信技術。
（5）研究虛擬化后多個控制器的冗余技術，包括控制網鏈路冗余，多控制器冗余網對帶寬的要求、網絡負荷的影響。
（6）研究5G技術應用于工業控制場景的可行性及接口裝置及測試驗證。
（7）基于板集電廠廢水處理、輸煤、除灰工藝系統特點，完成基于虛擬化DCS控制系統的工程設計、軟硬件配置、智能控制等應用研究。
2.1. 生產云平臺整體架構設計
本項目在機組DCS、公用DCS網段之上構建生產云與廠級云兩級云平臺。利用生產云計算基礎設施強大的算力構建智能計算服務平臺，部署智能尋優控制、智能監盤、及鍋爐數字孿生等智能應用，同時，通過一體化通訊機制與DCS控制系統進行高效安全數據雙向通訊，實現閉環實時控制，這樣，就共同組成了一套基于生產云計算的電廠一體化的智能DCS控制系統（以下簡稱：ICS），成為電廠實現智能化生產提供強有力的保障。
圖 生產云平臺技術架構
和利時在大型燃煤發電廠的ICS發電控制系統建設方面有著豐富的工程經驗和眾多的實施案例，可為電廠提供以和利時DCS系統網絡為網絡基礎拓展出智能控制所需智能優化控制站、基于私有云部署的大數據分析環境、智能計算環境、智能控制環境、智能算法組態環境和開放的應用開發環境，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生產云平臺資源環境下運行。將常規DCS系統無縫升級成ICS系統，并確保不影響原有DCS系統的安全性和實時性。
圖 生產云平臺界面示意圖
和利時智能生產云平臺采用以智能發電控制系統（ICS）為核心，在傳統DCS配置基礎上擴展智能優化算法庫、智能控制器、高級值班員工作站、高性能服務器等資源，為實現發電過程的智能監盤、智能控制、智能尋優提供可靠的軟硬件環境。在智能發電控制系統上，在系統的智能控制器及高性能服務器中預留了運行第三方高級應用的開放環境，具備吸收各種優秀智能應用資源能力，實現機組APS智能啟停、在線尋優控制、智能監盤等智能化的應用，實現機組智能發電控制及輔助運行。
和利時智能生產云平臺設計包含DCS實時控制網、生產云智能計算網等多層網絡并接入生產視頻網絡實現綜合泛在感知。本項目網絡結構圖如下：
圖 板集電廠二期生產云平臺網絡架構圖
2.2. 系統架構
圖 虛擬控制器系統核心架構圖
本虛擬控制系統核心架構包括上位監控、虛擬控制器、網關和I/O設備，其中：
（1）上位監控
上位監控系統采用和利時MACS6.5.4版本，具備工程師站、操作員站、歷史站等功能，包含HAMS,支持新的虛擬控制器組態和監控等功能，保持與傳統DCS軟件整體功能基本一致。
（2）虛擬控制器
虛擬控制器部署在服務器中，由硬件資源、虛擬化平臺軟件、操作系統及應用軟件組成，具備傳統控制器功能。通過虛擬化技術，一臺服務器可以部署多個控制器。虛擬控制器支持控制器冗余，和上位機軟件通過雙以太網進行通信。
硬件資源：支持X86架構的商用PC機部署；
虛擬化平臺軟件：支持自定義虛擬化軟件部署，可以在商業虛擬機上運行；
操作系統：虛擬控制器的操作系統采用實時操作系統RSlinux+實時補丁方式，保證控制器能夠完成實時控制；
應用軟件：虛擬控制器軟件（RTS）架構。
（3）網絡
整個系統中包含三種網絡，即系統網網絡、控制網網絡、冗余網網絡。
系統網：DCS工程師站、操作員站、歷史站、AMS軟件等與控制器通信的網絡。
控制網：控制器與IO模塊進行數據通信的網絡。
（4）網關
完成虛擬控制器與IO模塊間的以太網和DP之間的協議轉換，實現云化控制器和I/O模塊的通信。單網關支持4條鏈路獨立DP。與控制器之間通過以太網（UDP）通信，支持兩條鏈路冗余；5G網絡部署在虛擬控制器和網關之間，通過5G網關實現有線轉無線透傳。
（5）IO模塊
保持和傳統IO模塊一致。
圖 板集電廠云化控制系統應用網絡
板集電廠二期項目首次在電力行業應用基于DCS虛擬化的輔助車間云平臺控制系統，取消輔網DCS控制裝置，通過部署在生產云系統的虛擬DCS控制器實現控制、遠程操作、統一管理等功能。
虛擬DCS控制系統通過在VMware ESXi虛擬化平臺上運行的硬實時操作系統（RT Linux），代替傳統分散控制系統控制器I/O控制、邏輯運算的功能。
虛擬DCS控制創新將5G技術與云平臺、虛擬化控制器系統深度融合，開放硬件平臺、實現軟件與硬件解耦，參用分布式設計，實現資源池的虛擬化、分時共享、動態調配、彈性伸縮。
虛擬DCS控制系統的實施將促使傳統工業控制系統由軟硬件綁定架構逐步轉向云計算架構，解決工業控制系統平臺封閉、軟硬件捆綁、建設周期長、資源利用率低、數據孤島、大數據應用開發門檻高等技術難題，實現控制系統硬件軟件化，打破自動化領域的國外大型供應商主導的壟斷局面，推進軟件國產化的數字轉型。
虛擬DCS控制系統采用通用虛擬化硬件平臺，研發輕量化云平臺、虛擬化控制技術等，可部署在電廠私有云計算平臺的虛擬機上，利用云服務器的算力資源，通過云服務器提供的冗余虛擬機環境加載實時操作系統，實現DCS DPU在虛擬化環境中的運行，實現DCS控制邏輯、監視畫面的虛擬化部署，最終達到數據的交互綜合利用，資源的合理配置。
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、網絡通訊及其依賴的環境。云控制器的邏輯組態以及數據存儲均在虛擬服務器中實現，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時延性要求（小于等于200ms）。該成果已在板集電廠一期化水系統進行試運行，系統性能良好、運行穩定；正在二期及其他項目推廣應用，將進一步提高生產效率、降低煤耗，推動工業控制系統數字化轉型升級。
3. 代表性及推廣價值
3.1. 方案的自主創新情況、關鍵技術和創新點。
在以自主創新為核心的驅動力下，成功開發了國內首臺電力虛擬化DCS控制系統。該系統基于先進的技術和創新點，具備獨特的功能和優勢，為工業領域的控制系統提供了新的解決方案。
首先，我們在虛擬控制系統的開發過程中，積極推動自主創新。通過引進國內外先進的技術和理念，以及自主研發的關鍵技術，成功地打破了國內虛擬控制系統領域的技術壁壘。我們注重技術的創新和升級，不斷提高系統的性能和穩定性，為用戶提供更好的使用體驗。
其次，我們在關鍵技術方面取得了重要突破。虛擬控制系統是一個復雜的系統，需要涵蓋多個方面的技術，如服務器虛擬化技術、控制系統網絡通信技術、5G技術應用、人機交互技術等。我們對這些技術進行了深入研究和創新，成功地將它們融合在一起，形成了獨特的虛擬控制系統。同時，我們還運用了智能算法和大數據分析技術，對系統進行優化和改進，提高了系統的智能化程度和自動化水平。
在創新方面，本系統主要創新點如下：
（1）研發了DCS控制器虛擬化技術，并可規模化應用于發電站控制系統（應用規模IO點達7200點），突破了現有DCS控制器受嵌入式工業芯片的算力限制而無法運行高復雜度人工智能等算法問題，為發電站的DCS控制系統智能化提供了技術保障。
（2）虛擬控制系統充分利用虛擬化技術可分配彈性算力、高可用、可動態配置等特點，結合電站自動化控制應用特點，實現了集ms級實時IO邏輯控制、s/min級高復雜度智能控制運算于一體的超級DCS控制系統。
（3）本系統原生支持5G 接入控制系統網的能力。可實現5G覆蓋下的超遠距離廣域控制，為實現多電站甚至多電網的聯合控制提供技術手段。
總之，通過研制單位及應用單位之間的團隊合作和攻堅，我們在虛擬控制系統的自主創新方面取得了重要的成果，通過關鍵技術的突破和創新點的應用，我們成功開發了國內首臺虛擬控制系統。這一創新為能源行業乃至其它工業控制系統的發展提供了新的方向，我們將繼續致力于自主創新，為工業系統的發展做出更大的貢獻。
3.2. 關鍵問題和難點
在國內能源領域，研制首臺虛擬化控制系統并規模應用于電力控制系統，面臨著一些關鍵問題和難點。其中一項關鍵問題是系統的實時性。工業控制系統要求實時性很高，虛擬化控制系統將原有實體控制器取消，并將實體控制器功能通過虛擬化軟件進行實現，使得虛擬控制器離現場執行機構物理距離增加，信號系統由串口傳輸改為以太網傳輸，會對系統的實時性能帶來挑戰。
其次是系統安全性。虛擬化控制系統的核心是將傳統的硬件和軟件資源虛擬化，并在通用服務器的虛擬化主機上運行。這種虛擬化的方式使得系統面臨著更多的安全威脅，如虛擬機逃逸、虛擬機間通信的安全性等。
此外，還有一項難點是系統的可靠性和容錯性。虛擬化控制系統在運行過程中可能面臨諸如物理服務器故障、網絡故障等各種隨機錯誤。因此，如何設計和實現具備容錯能力的控制系統，能夠自動檢測和處理這些錯誤，保證系統的可靠性和穩定性，也是一個需要解決的難點。
最后，還有一個挑戰是系統的擴展性和適應性。虛擬化控制系統需要能夠適應不斷增長和變化的能源需求，因此需要具備良好的擴展性和適應性。如何設計和實現一個靈活的虛擬化控制系統，能夠方便地進行算力和網絡配置，并能夠自適應調整系統資源，以滿足不同的系統需求，是一個具有挑戰性的問題。
綜上所述，國內能源領域首臺虛擬化控制系統研制面臨著系統安全性、系統的可靠性和容錯性以及系統的擴展性和適應性等一系列關鍵問題和難點。解決這些問題和難點，將推動虛擬化控制系統在能源領域的應用和發展。
3.3. 方案所用產品的自主化率及關鍵零部件配套情況
本系統涉及的所有技術均為100%自主研發。在系統中，核心技術包括虛擬化技術、控制器冗余技術、網絡通信技術、控制算法、人機交互等。關鍵環節則包括硬件設計、系統集成、測試驗證等均為研制單位自主研發。
系統關鍵零部件配套情況，主要涉及的硬件有：通用型服務器，及5G網絡，及IO模塊，關鍵模塊包括芯片均支持100%國有化部署，并能夠確保可靠性和性能。
總結來說，國內首個虛擬控制系統的自主化率高和關鍵零部件為自主開發，并可適配國產化硬件，具有較強的核心技術保護能力，可以應對外部市場及國際環境的不確定性，保障本虛擬控制系統的可靠性和性能，提升市場競爭力。在國家的支持和鼓勵下，相信我國虛擬控制系統的自主化率和關鍵零部件配套情況將不斷提高，為我國虛擬控制系統的發展打下堅實基礎。
3.4 客戶價值和經濟效益
首先，在中煤新集利辛板集智慧電廠中采用虛擬化技術構建的智能生產云平臺通過虛擬化技術用虛擬控制器代替傳統的實體控制器，不僅解決了傳統火電廠在數字化、智慧化轉型中面對的多系統多應用模塊龐雜，且長期以來一直存在的信息孤島和底層數據信息無法得到充分有效利用等問題。使得各生產運行和管理模塊能夠實現集中高效精準智能化控制。目前由于火電廠生產運行系統的復雜性較高，各生產環節涉及的生產設備和機器較多，且這些生產設備及機器通常采用DCS控制器來控制，且各個環節均處于各自相對獨立的情況下運行，其結果是運行崗位人員設置過多，人員工效率低，系統設備間配合不協調、設備空轉導致的電能損耗、設備磨損等損耗較大。現有的實體控制器在發電運行控制系統中的應用基本上限于設備級，各設備或系統處于各自的PLC或DCS控制之下，相互間基本獨立，進一步導致了信息孤島和系統資源的浪費。
其次，基于目前火電廠煤廠面積大、工作條件惡劣、人工作業通訊難以暢通等特點，目前大部分電廠采用的都是利用現代成熟的PLC和現代總線網絡通訊實現其控制，用上位機軟件來實現現場監控與操作，以達到自動化控制的目的。但火電廠的生產運行控制系統在控制過程中啟動的各個環節的設備數量較多，通常在幾十甚至上百臺以上，且在各個設備的啟動機停機過程中有非常嚴格的連鎖及操作間隔時間要求。對自動化程度及系統穩定性的要求都非常高。為了保證系統的穩定可靠，通常使用一組PLC 來精確執行I/O控制，但每個PLC都需要通信端口和控制器單元，這樣系統規模就比較大而且價格高昂。一旦部署完成，升級成本也很高。而虛擬控制器的出現使得控制器的邏輯功能（軟件）與物理設備分離開來，取代了大量單獨的控制器機箱及電子設備。減少目前大部分智能電廠普遍存在的智能發電控制系統對實體控制器的依賴問題，節省了控制柜的場地，節約投資成本，更好的形成邏輯控制與智能運維系統的融合。由虛擬控制器構建的生產云平臺不僅顯著降低了資本和運營支出，提高了系統的靈活性和可擴展性，同時還提高了IT的可靠性和性能。
3.5 社會效益
杭州和利時自動化有限公司為中煤新集利辛板集智慧電廠設計的超超臨界660MW燃煤發電機組智能生產云平臺整體方案的成功部署和實施應用，意味著業界可以真正規模化用于工業現場的虛擬控制系統問世，填補了國內空白。和利時虛擬DCS控制系統，可在保障控制系統安全、可靠和性能的前提下，將實體控制器虛擬化，提供了一套可運行于通用計算機資源的軟件化智能控制器及高效冗余工業以太網通信系統并具有5G便捷接入能力，它不僅具備實體DCS控制系統的所有功能，更重要的是具有虛擬控制器算力的彈性擴展能力，可為基于機器學習、大數據尋優、智能控制等技術的智能應用算法落地提供一體化閉環控制運行環境。
和利時通過虛擬DCS控制系統技術構建的智能生產云平臺的發布及規模化工程應用實施后，將為用戶在控制區集成部署智能應用、縮短智能發電運行系統實施周期、節省專用硬件控制器投資和降低備件資產庫存等方面帶來顯著價值，將引領智能控制向工業控制縱深深入的重要里程碑突破!
未來，作為國內領先的自動化與信息技術解決方案供應商，隨著通信技術、計算機技術和控制系統技術的不斷演進，為滿足日益旺盛的工業用戶智能化的需求，和利時在確保系統能夠安全穩定運行基礎上，充分利用以往工控系統設計經驗，致力于電力行業虛擬化技術應用的不斷迭代更新，將不斷探索下一代DCS發展和行業應用解決方案。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號