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杭州和利時自動化有限公司吳辰璇，朱珂，費盼峰

中煤新集利辛發電有限公司李啟鋒

1　項目目標和概述

傳統的DCS控制系統在工業領域的應用已有多年歷史，能較好地完成傳統控制任務。但隨著流程工業對生產控制精細化、高效化的要求不斷提高，以及人工智能、大數據等新一代信息技術的蓬勃發展，現在的控制系統不僅要處理傳統的溫度、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，這些傳統的控制系統是無法做到的；另外，傳統的控制系統廠家各自都有自己的通信協議，不開放、不可擴展、不可兼容，這對于未來按需生產的智能制造是不相適應的。因此，傳統DCS難以實現與人工智能、大數據等技術的深度融合，難以滿足對控制系統、數據的更高要求。

近年來，隨著業界針對工業互聯網、工業4.0等的技術體系探索，以及5G的通訊技術、物聯網、虛擬化技術的發展，為OT與IT層深度融合、協同控制提供了途徑，工廠需要更扁平的架構、更簡單的流程和更智能的分析。

中煤新集利辛發電有限公司（用戶單位）位于安徽省亳州市利辛縣胡集鎮，于2008年12月成立。其裝機規模為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。

本項目是以中煤新集利辛板集電廠擴建工程為基礎，研發控制器虛擬化軟件及配套通信網關，并應用到板集電廠二期輔助車間。板集電廠擴建工程是在一期規劃的擴建場地上進行擴建，其將建設2臺超超臨界二次再熱660MW燃煤發電機組，同步建設脫硫、脫硝、除塵、廢水處理等裝置。

本項目中的虛擬DCS控制系統是以發電過程的自動化、信息化、數字化、標準化為基礎，運用5G、云計算、大數據、人工智能、數字孿生等新一代信息技術，探索構建適應電廠業務特點和發展需求的“數據中臺”“業務中臺”等新型IT架構模式，建設敏捷高效的新一代數字技術基礎設施。本項目以管控一體化、大數據、云計算、物聯網為平臺，集成智能傳感與執行、智能控制與優化、智能管理與決策等技術，形成智慧發電運行控制管理模式，實現更加安全、高效、清潔、低耗、靈活的生產目標，構建更高階段的信息化與自動化電廠，全面接近并最終實現感知智能化、控制智能化、運維智能化、經營智能化、安全智能化、值守少人化的理想目標，建設具有自感知、自分析、自診斷、自決策、自學習、自尋優、自適應等功能的國際領先新型智慧電廠。

本項目在二期輔助車間擬建設云平臺控制系統，其采用和利時虛擬化DCS控制系統來控制IO點規模6600多點，覆蓋水系統（原水石灰處理系統、循環水排污水膜處理系統、脫硫廢水零排放、工業水系統、含煤廢水處理等）、灰庫系統（廠內灰庫、鋼板大灰庫等）及輸煤系統，實現智能化控制。

圖1 板集電廠全景圖

2　案例介紹

2.1　系統架構

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（RTLinux）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，具有靈活性高、性價比高、可靠性高、可按需部署等技術特點。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。

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。

本系統構成如圖2、圖3所示。

圖2 虛擬控制器系統核心架構圖

圖3 板集電廠虛擬云平臺網絡架構圖

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IO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。

2.2　系統特點

（1）硬件架構：云化部署，優化資源配置。ICS硬件架構，包括虛擬控制器、智能應用云服務器、實時數據庫云服務器、關系數據庫云服務器、智能算法平臺云服務器、數據支撐環境云服務器、計算云服務器、智能控制器、高級值班員站等。

（2）軟件架構：低代碼更便捷、更可靠。全廠一體化控制，同時提供高度開放的第三方應用開發環境和接口規范，支持對第三方專用控制運行軟件包的集成。系統應具有數據挖掘、智能計算與分析、信息可視化組態、低代碼建模、高級報警管理、畫面增強、視頻集成、知識庫等的運行支撐環境。系統選擇成熟、穩定、先進的操作系統、數據庫、網絡協議、中間件等，采用高可用技術，保證系統具備長期穩定工作的能力，當出現誤操作或異常情況時，有良好的系統糾錯和恢復能力。

（3）網絡架構：互聯更安全，充分保障DCS層安全。生產控制網以ICS網絡為架構，建立一體化系統平臺，實現生產運行智能監控，通過智能應用功能，實現發電智能控制與尋優。生產控制網貫通ICS廠級和機組級，包括I/O通訊網、實時控制網和高級應用服務網，通過服務安全、網絡隔離、信道加密、分權限訪問、審計等技術措施保障網絡安全。

圖4 和利時智能云平臺特點

2.3　技術指標

（1）支持虛擬控制器資源監測及診斷。

（2）支持傳統控制器冗余功能，實現控制器無擾切換。

（3）控制器虛擬化后借助高頻CPU運算能力比傳統控制器提高5倍數以上，可降低傳統控制器的運算負荷。

（4）支持運算和通信管理分核處理，獨自CPU核運算，提供強大運算能力。

（5）支持工藝模型仿真運行，模型數據使用現場數據的鏡像，可實現現場事故預測。

（6）支持工業控制網絡與現場總線的統一。

（7）支持IEC61131-3組態多任務運行。

（8）支持傳統控制器的IEC61131-3組態邏輯運算。

（9）支持C語言編制算法，擴展第三方智能優化算法。

2.4　安全措施

本系統及配套工程在設計之初就對運行安全風險進行了充分的評估，并將風險應對措施融入到了系統中。對于潛在的安全風險，我們也提出了切實可行的管控措施。本系統主要可能出現的風險及管控措施如下：

（1）針對系統單控制器及單網絡故障風險

通過控制器冗余、網絡冗余設計實現故障自動切換機制，對風險進行了有效避免。

（2）針對電源故障可靠性風險

如果出現單服務器電源全部失效，則所在該服務器的所有虛擬控制器冗余系統會診斷出對方機故障，會出現備機虛擬控制器升主的情況。這種情況也相當于傳統控制器的主控制器的電源全部是失效，系統也會出現備機升主的情況。

（3）針對通信故障風險

系統具有斷網后IO信號保持、聯鎖保護邏輯維持等功能。

由上節技術說明，整個控制系統通信層級設計相互獨立，互不影響，故障不擴散，降低因為耦合導致的問題。整個控制系統通信層級各個環節都是冗余設計，冗余設計提高了系統可用性和可靠性。如果控制系統中的網絡多重故障，控制系統策略：可以輸出保持和安全值輸出。

（4）云平臺虛擬機管理軟件的可靠性及故障應對措施

虛擬化是由Hypervisor來實現的。Hypervisor具有監管功能，可以讓多個運行環境相互獨立，由此提供了一種隔絕機制，讓每個應用都運行在獨立的環境中，從而提高系統的可靠性、防護性和安全性。由于采用的是虛擬機方式，能達到完全隔離，實時性有保障，各個虛擬機間相互不影響。資源確定性：運算，存儲等資源預先分配好的，資源能夠得到保障，運行更安全。一旦虛擬機管理軟件出現異常情況，相當于傳統控制器的控制器異常，虛擬控制器會重啟，備機會升主機。單故障實現無擾切換。

（5）虛擬控制器實時操作系統的可靠性及故障應對措施

虛擬控制器采用的是實時操作系統。這個實時操作系統經過多行業（包括工控行業）、多種場景使用，是非常成熟的系統。操作系統后臺有監控程序（相當于看門狗），一旦出現操作系統異常能夠識別。如果操作系統出現異常情況，故障控制器會重啟，降為備機控制器，之前的備機控制器會升主機。單故障實現無擾切換。

（6）虛擬控制系統網絡可靠性保障

組網方案：物理層專用通道或者劃分VLAN，確保輔助車間就地設備與云平臺虛擬控制器的穩定通信，避免網絡擁塞、風暴等問題。

（7）工業控制系統網絡安全

依據國能安全36號文中對于發電廠控制系統網絡安全等級保護的要求，中煤新集利辛板集電廠二期項目為2臺66萬的機組，本次輔助車間控制系統的網絡安全等級保護建設應按照安全等級保護3級系統能力進行建設，要求解決方案設計遵循GB/T25070-2019網絡安全等級保護安全設計技術要求，以設計要求中提出的工業控制系統保護安全技術設計框架為基礎，滿足工業控制系統等級保護安全技術設計構建在安全管理中心支持下的計算環境、區域邊界、通信網絡三重防御體系，“一個中心三重防護”，就是針對安全管理中心和安全計算環境、安全區域邊界、安全通信網絡的安全合規進行方案設計，建立以計算環境安全為基礎，以區域邊界安全、通信網絡安全為保障，以安全管理中心為核心的網絡安全整體保障體系。

（8）工程可靠性設計加強保障

本項目針對遠距離通信，及系統IO大規模化容量，及不同工藝系統對控制實時性及保護等級要求，以基于圖論優化設計方法對系統網絡拓撲進行了優化設計，充分保障系統交換節點的延遲，并通過工藝專家經驗對系統進行合理的分站設計及硬件配置。同時設計還考慮到整個系統遇到光纜被挖斷等不可抗力風險出現時，系統的安全停運、虛擬控制系統與實體控制系統的快速切換等方案。

總之，本項目在技術研發和工程設計階段均對未來風險進了充分的評估，并做好了充分的措施，確保系統可靠。

3　代表性及推廣價值

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。在國內可規模化工業應用的虛擬化控制系統尚未推出，在能源行業尤其無規模應用先例，該技術國內主要還在小規模試驗階段。板集電廠作為國內第一家虛擬化技術落地和應用的火電示范性項目，項目建成后，將在火電行業的技術發展史中占據極為重要的地位，代表著國內電力能源領域在智能化、智慧化進程中又一個標志性的里程碑。

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，后者為能源系統提供強大的網絡支持和數據傳輸能力。

摘自《自動化博覽》2025年2月刊