全國產分散控制系統(tǒng)開發(fā)與應用

胡 波，陳 俊，楊 柳，王哲蓓

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211002）

分散控制系統(tǒng)（DCS）是保障電力設備安全穩(wěn)定運行的“神經中樞”[1]，以前國內DCS核心軟硬件均采用進口產品。近年來，國際上電力網絡攻擊事件頻發(fā)，造成設施損毀、大規(guī)模停電，甚至社會動蕩，電力網絡安全引起高度重視。在當前復雜國際環(huán)境下，開展基于國產軟硬件的全國產DCS開發(fā)與應用，實現(xiàn)DCS完全自主可控，對提升電力基礎設施安全水平、保障能源安全有重要意義[2-7]。

1 DCS應用現(xiàn)狀及國產化分析

1.1 DCS應用現(xiàn)狀

目前國內發(fā)電行業(yè)所使用的DCS分為進口和國產品牌。進口品牌DCS主要有：EMERSON公司OVATION及WDPF系統(tǒng)、ABB公司SYMPHONY及AC800系統(tǒng)、西門子公司T2000及T3000系統(tǒng)、施耐德I/A'S系統(tǒng)和GE公司新華Optimum C系統(tǒng)等。國產品牌DCS有科遠股份NT6000系統(tǒng)、國核自儀NuCON N200系統(tǒng)、國電智深EDPF-NT系統(tǒng)、上海新華TiSNetPAC系統(tǒng)、和利時HOLLiAS MACS系統(tǒng)、浙江中控ECS-700系統(tǒng)和四方繼保CSPA-2000系統(tǒng)等[5-8]。

據(jù)不完全統(tǒng)計，進口品牌DCS在國內火電市場300、600、1 000 MW等級機組的占有率分別約為45%～50%、80%、75%，其中600 MW等級機組大規(guī)模建設時國產品牌DCS尚不成熟，因此600 MW機組進口DCS占有率高于1 000 MW。國產品牌DCS主要應用于300 MW及以下機組，占比約50%左右，600 MW及以上機組占比在20%～25%。

1.2 DCS國產化現(xiàn)狀分析

無論國產或合資品牌DCS，硬件方面，其使用的中央處理器（CPU）、模數(shù)轉換器/數(shù)模轉換器（ADC/DAC）、微控制單元（MCU）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和千兆物理接口收發(fā)器（PHY）等核心元器件均采用進口產品，嚴重依賴國外廠商。軟件方面，DCS上位機、下位機應用軟件均具有自主知識產權，但其多基于進口操作系統(tǒng)自主開發(fā)，DCS上位機應用軟件、現(xiàn)場總線軟件基于Windows系統(tǒng)開發(fā)，控制器嵌入式操作系統(tǒng)、上位機桌面操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等關鍵軟件須獲國外廠商授權[4,9]。

綜上，國內品牌DCS的軟、硬件大量使用國外軟件和進口元器件，存在安全隱患和“卡脖子”問題。

1.3 主要問題與研究內容

長期以來，我國整機產品強、核心軟件弱，應用軟件強、基礎軟件弱。面對我國核心元器件和基礎軟件產業(yè)仍處于起步階段的現(xiàn)狀，實現(xiàn)全國產DCS目標，并非簡單的硬件替代與軟件移植。必須解決缺少專用芯片的替代技術方案問題；必須解決芯片功能缺陷導致的模件性能差的問題；必須解決操作系統(tǒng)和工控軟件與硬件的適配性、可靠性及綜合算力等問題。

為攻克以上難題，中國華能集團牽頭，聯(lián)合南瑞繼保，組建聯(lián)合研發(fā)團隊，開發(fā)出國產化率100%的全國產華能睿渥DCS，功能與性能不低于國內外同類成熟產品，且具備DEH和現(xiàn)場總線等功能。

2 全國產DCS的設計與實現(xiàn)

2.1 全國產DCS系統(tǒng)架構

華能睿渥全國產DCS系統(tǒng)架構如圖1所示，華能睿渥全國產DCS主要由I/O模塊、控制器、工程師站和操作站等組成，以高速通信網絡實現(xiàn)各部分間的信息交互，系統(tǒng)采用全冗余設計方案，包括控制器、操作站、歷史站、電源及通信總線等。

圖1 華能睿渥全國產DCS系統(tǒng)架構 Fig.1 System architecture diagram of Huaneng Revival DCS

2.2 全國產冗余控制器

控制器是控制系統(tǒng)中負責數(shù)據(jù)集中處理、邏輯運算以及指令響應的控制單元，承擔著承上啟下的重要作用。目前國內工業(yè)級CPU等核心芯片、操作系統(tǒng)和基礎應用軟件產業(yè)相對于科技發(fā)達國家較為薄弱，技術成熟度低，國產化技術不完善，性能良莠不齊，穩(wěn)定性和兼容性均有待應用驗證。因此，全國產化冗余控制器是全國產DCS研發(fā)的重要技術關鍵。

2.2.1 控制器硬件架構

國產芯片的發(fā)展明顯滯后于國外，現(xiàn)有國產芯片的功能及性能與進口芯片存在較大差距，尤其是國產CPU的運算能力和外設接口資源不足，缺少滿足DCS快速運算需求的國產嵌入式芯片。

針對國產CPU的運算能力和外設接口資源不足，難以滿足DCS快速運算需求的問題，設計了基于國產CPU+FPGA的控制器主協(xié)計算架構（圖2），即主處理器CPU處理算法邏輯、協(xié)處理器FPGA實現(xiàn)通信和實時操作系統(tǒng)完成任務調度的冗余控制器架構，解決了DCS信息處理及數(shù)據(jù)吞吐資源不足的問題。全國產冗余控制器CPU采用中國電子飛騰FT2000/4芯片，CPU、FPGA、電源管理等所有芯片和分立元件均為100%國產。

圖2 控制器硬件架構 Fig.2 Architecture diagram of the controller hardware

控制器提供各種接口以實現(xiàn)與就地I/O模塊、遠程I/O站點、監(jiān)控后臺及其他控制器通信。根據(jù)控制器應用場景的不同，控制器可分為冗余應用場景及非冗余應用場景。不論哪種應用場景，控制器模塊型號不變，通過不同控制器底座實現(xiàn)接口的變化。冗余控制器及配套底座接口如圖3所示，底座支持2塊控制器模塊，互為冗余。

圖3 冗余控制器及配套底座接口示意 Fig.3 Schematic diagram of redundant controller and the supporting base interface

2.2.2 控制器軟件架構

控制器采用國產嵌入式實時操作系統(tǒng)，在其基礎上設計并開發(fā)了控制器應用軟件。總體上，應用軟件可分4個功能單元，即：

1）I/O采集及預處理單元接收串行通信總線、以太網總線或者現(xiàn)場總線處采集的I/O數(shù)據(jù)并將I/O數(shù)據(jù)存儲在控制器中的I/O數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，或者將I/O數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送給現(xiàn)場總線、以太網總線或者串行通信總線。

2）組態(tài)策略運算及控制單元根據(jù)上位機配置的組態(tài)邏輯及數(shù)據(jù)，進行組態(tài)策略運算并將運算結果存儲在嵌入式實時數(shù)據(jù)庫，將運算得出的冗余數(shù)據(jù)發(fā)送給冗余數(shù)據(jù)區(qū)，將得出的I/O數(shù)據(jù)發(fā)送給I/O數(shù)據(jù)預處理單元。

3）通信及數(shù)據(jù)發(fā)布單元控制器作為服務器端，負責處理上位機與控制器（后臺與組態(tài)工具）之間的通信、數(shù)據(jù)交互及事務請求過程。根據(jù)上位機不同的請求類型可將處理結果存儲于組態(tài)策略運算及控制單元，也可從組態(tài)策略運算及控制單元中請求數(shù)據(jù)或者完成相應的邏輯操作。

4）冗余同步單元負責主控制器和被控制器之間的冗余邏輯及冗余數(shù)據(jù)同步過程，冗余數(shù)據(jù)來源于I/O數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和組態(tài)算法任務池中的冗余數(shù)據(jù)，主控制器通過冗余通信接口將冗余數(shù)據(jù)發(fā)送至備控制器。

整個控制器的數(shù)據(jù)集合是嵌入式實時數(shù)據(jù)庫，即控制器作為分散控制單元囊括數(shù)據(jù)點實時狀態(tài)信息。除此之外，還包括控制器自診斷任務等。

2.3 全國產模擬量輸入輸出板卡

DCS中輸入輸出模件實現(xiàn)現(xiàn)場儀表或設備的信號接入及指令輸出，包括開關量輸入、輸出以及模擬量輸入、輸出，也包括功能類型的總線接口模塊，其中，模擬量輸入、輸出精度是火電廠精準控制和穩(wěn)定運行的關鍵。然而國產ADC芯片未集成工頻抑制功能，抗干擾能力弱，精度低；DAC芯片未集成電流輸出和自診斷功能，無法實現(xiàn)電流輸出和自適應閉環(huán)調整。火電廠現(xiàn)場信號干擾源復雜，元器件制造與集成差異大，模擬量輸入、輸出模件精度問題難以解決，嚴重影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

針對國產ADC芯片精度差、離散度高、抗干擾能力差和無硬件工頻抑制功能的缺點，通過引入模擬量輸入調制回路優(yōu)化和信號校準補償方案，提高模件的共模干擾抑制和工頻干擾抑制能力，實現(xiàn)模擬量卡件的高精度輸入輸出，精度均遠優(yōu)于行業(yè)標準指標。在施加IEC61000和GB/T 17626標準的EMC干擾實驗過程中，I/O板卡性能不降低。

針對國產DAC芯片不能直接輸出電流信號、芯片及回路無自診斷監(jiān)視等功能，設計分立元器件組合處理方案，實現(xiàn)了0～20 mA、4～20 mA模擬量電流輸出的控制和反饋診斷功能，實測精度遠高于行業(yè)標準，可準確地自診斷輸出異常和斷線報警。

2.4 基于全國產化芯片的Profibus-DP主站板卡

Profibus現(xiàn)場總線為西門子制定的總線標準，目前僅對外開放了從站協(xié)議，主站協(xié)議依然需要通過進口專用芯片實現(xiàn)。

針對進口專用芯片的壟斷，提出全國產FPGA+MCU的架構，實現(xiàn)Profibus主站協(xié)議核心技術，最高可達12 M通信速率；FPGA實現(xiàn)DP協(xié)議物理層與數(shù)據(jù)鏈路層功能，為上層提供收發(fā)接口；MCU主要完成從站狀態(tài)機的維護、非周期任務狀態(tài)機的處理、令牌環(huán)管理等功能。

通過軟件方式實現(xiàn)Profibus-DP主站與從站實時數(shù)據(jù)通信，支持實時數(shù)據(jù)訪問功能。同時，該板卡支持FDT/DTM接口，可實現(xiàn)Class1或者Class2主站管理功能。針對DCS現(xiàn)場DP主站卡件靈活多變的配置需求，提出DP從站與PA從站混合組網的方案，DP總線上通過DP/PA耦合器上送的PA數(shù)據(jù)不影響DP從站的高速數(shù)據(jù)交換。

Profibus DP主站可以配置為任意分支任意2個槽位間的SR冗余方式，且每個Profibus DP主站卡件包含2個獨立的物理通道，支持靈活多樣的Profibus DP從站接入方式。

2.5 跨平臺的邏輯組態(tài)軟件

邏輯組態(tài)軟件采用組件化、模塊化分層設計架構，如圖4所示。最上層是界面顯示層，支持可定制界面，包括軟件的主框架、編程語言視圖、硬件配置視圖和變量視圖等。第2層是邏輯結構層，抽象了用戶界面無關的邏輯數(shù)據(jù)結構，包括編程語言、硬件配置、數(shù)據(jù)組態(tài)和資源鏈接等核心組件。第3層是服務驅動層，該層基于網絡、串口驅動庫，為邏輯結構提供服務接口[10]。

圖4 邏輯組態(tài)軟件層次化架構 Fig.4 Hierarchical architecture diagram of the logic configuration software

邏輯組態(tài)工具基于分層、模塊化架構，支持標準定義的圖形化組態(tài)語言，基于鼠標拖拽和鍵盤操作，提供程序組態(tài)、變量監(jiān)視和調試功能，對于特殊應用，支持以程序組織單元（POU）為單位不停機在線下載功能，其界面如圖5所示，并支持多語言。

圖5 邏輯組態(tài)工具界面 Fig.5 The logical configuration tool interface

2.6 跨平臺的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控軟件

基于跨平臺C++圖形用戶界面應用程序，開發(fā)框架QT開發(fā)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控軟件，分為數(shù)據(jù)采集軟件、組態(tài)與配置軟件、在線監(jiān)視軟件，其中數(shù)據(jù)采集軟件包括點表上招軟件、數(shù)據(jù)采集軟件和告警采集軟件等，組態(tài)與配置軟件包含畫面組態(tài)軟件及后臺配置軟件等，在線監(jiān)視軟件包含畫面監(jiān)視軟件、趨勢監(jiān)視軟件、告警監(jiān)視軟件、系統(tǒng)診斷工具、點表一覽工具及報表工具等，并支持OPC-UA數(shù)據(jù)通訊和域間通信功能[11-13]。

根據(jù)用戶選擇用戶名及口令確認其操作權限，登錄系統(tǒng)管理軟件后，可在圖6所示的系統(tǒng)管理主程序界面選擇需要執(zhí)行的操作或功能。

圖6 系統(tǒng)管理主程序界面 Fig.6 The main program interface of system management

3 華能睿渥全國產DCS特點

3.1 系統(tǒng)功能性

本系統(tǒng)克服了國產專用芯片缺失、芯片功能不全等問題，整體功能和性能達到國家和行業(yè)標準要求[14]，控制器任務周期、I/O模件精度、環(huán)境適應性等多項技術指標超過國內外同類產品?？刂破鬟\算周期和I/O掃描周期均達到5 ms，為同類產品最快，可縮短保護響應時間，對設備安全有重要意義；模擬量精度較國家和行業(yè)標準大幅提升，為提高控制品質提供了良好的技術條件；模件運行環(huán)境溫度寬，達到-30～70 ℃，提高了復雜生產環(huán)境下系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。本產品軟件吸收國內外主流DCS的優(yōu)點并進一步優(yōu)化，與國外某品牌DCS相比，具有以下優(yōu)勢功能：總線拓撲圖支持自動生成，組態(tài)工具支持算法塊強制，畫面編輯支持第三方通用腳本（Python），且圖元庫更加豐富等。

3.2 系統(tǒng)可靠性

可靠性指標方面，本系統(tǒng)可用率≥99.9%，達到行業(yè)標準要求（DL/T 659—2016[15]）。截至2021年12月，本產品完成投運的華能玉環(huán)電廠1號超超 臨界1 055 MW機組和華能福州電廠2號亞臨界350 MW機組已安全穩(wěn)定運行超過1年，從未出現(xiàn)因DCS本身故障引起的停機事件。機組運行穩(wěn)定，保護投入動作無誤，自動調節(jié)品質優(yōu)良。

3.3 系統(tǒng)兼容性

華能睿渥全國產DCS的整體框架與傳統(tǒng)DCS一致（圖1），有助于用戶對系統(tǒng)的了解與掌握。利用本系統(tǒng)對在役機組進行國產化改造時，不需對機組原控制系統(tǒng)架構方面做大的調整，即可實現(xiàn)良好的兼容；對于新建機組，不存在與舊產品的兼容性問題，可直接推廣應用本系統(tǒng)。

3.4 完全自主可控

全國產化DCS是包括控制器、I/O模件（含DEH、現(xiàn)場總線）在內的所有軟硬件均采用國產自主可控系統(tǒng)和元器件，即：操作系統(tǒng)（包括桌面和嵌入式）、元器件（包括芯片、分立元器件等）、數(shù)據(jù)庫和應用軟件等全部采用國產自主可控技術和產品。

本系統(tǒng)的桌面及嵌入式應用軟件均基于國產操作系統(tǒng)自主設計研發(fā)，硬件完全采用國產元器件自主設計研發(fā)，國產化率達到100%，擁有自主知識產權。

作為汽輪機核心控制系統(tǒng)，DEH的國產化是DCS實現(xiàn)全國產化的重要標志。本系統(tǒng)采用國產元器件，自主設計研發(fā)DEH系統(tǒng)專用軟、硬件系統(tǒng)，是國內首個國產化率100% DEH系統(tǒng)。DEH控制器的計算周期可設置到50 ms以下，本系統(tǒng)示范工程項目為20 ms。同時開發(fā)的DEH專用轉速卡、伺服驅動卡、伺服從卡及伺服適配放大卡，具有適應不同汽輪機廠家EH電液驅動電流的能力，且DEH和DCS的控制器采用統(tǒng)一的硬件平臺和軟件組態(tài)平臺，具備DCS/DEH一體化的能力。

采用MCU與FPGA芯片開發(fā)軟硬件協(xié)同的現(xiàn)場總線通信技術，實現(xiàn)了基于國產軟硬件的現(xiàn)場總線通信功能，現(xiàn)場總線主站技術達到100%全國產。

經工業(yè)和信息化部電子第五研究所數(shù)據(jù)中心審查，本系統(tǒng)電子元器件國產化率達100%。

3.5 安全功能

華能睿渥全國產DCS通過歐盟EN61010-1: 2010/A1:2019和EN IEC61010-2-201:2018標準的低電壓指令（LVD）以及歐盟EN61000-6-2:2005和EN61000-6-4:2007/A1:2011標準的電磁兼容指令（EMC）數(shù)十項嚴苛測試，各項試驗結果和認證指標均表現(xiàn)良好，獲得CE-LVD證書和CE-EMC證書，表明該系統(tǒng)在產品設計、研發(fā)以及標準應用和極端環(huán)境下測試結果均滿足歐洲安全規(guī)范和電磁兼容高標準的要求[16]。

3.6 智能功能

依托華能睿渥全國產DCS示范應用機組，在傳統(tǒng)控制器基礎上加入多種智能控制算法，開發(fā)了智能控制器，并且實現(xiàn)了智能算法塊圖形化拖拽式應用。已完成了狀態(tài)觀測器、相位補償網絡、水燃比模糊預測控制器等16個智能算法塊的研發(fā)、測試、集成，實現(xiàn)了協(xié)調系統(tǒng)優(yōu)化控制、汽溫系統(tǒng)優(yōu)化控制、冷端系統(tǒng)運行優(yōu)化、關鍵設備健康度分析等功能。

4 應用情況

2020年11月，華能睿渥DCS（型號：HNICS- T316火電版）成功在中國華能集團公司福州電廠350 MW機組投用，為國內首臺套完全自主可控DCS機組，實現(xiàn)鍋爐、汽輪機（含DEH）、發(fā)電機的全覆蓋控制。同月，華能睿渥DCS完成中國華能集團公司玉環(huán)電廠1 055 MW機組控制系統(tǒng)改造、并網投運，為國內首臺套百萬千瓦級完全自主可控DCS機組，標志著我國高參數(shù)、大容量發(fā)電領域核心控制設備實現(xiàn)完全自主可控[17-19]。

2021年，華能睿渥DCS從主控系統(tǒng)成功擴展為主控+輔控一體化控制，完成瑞金電廠2臺百萬千瓦高效超超臨界二次再熱機組成功投運，首次在全廠范圍內實現(xiàn)了完整的全國產DCS/DEH主輔一體化控制系統(tǒng)[20-21]。

5 存在的問題

1）產品須不斷完善國外品牌DCS發(fā)展至今，已經歷20余年的優(yōu)化與升級，華能睿渥全國產DCS雖已成功應用，但新產品仍需要通過不斷優(yōu)化才能趨于成熟。從目前取得的成果來看，產品進一步開發(fā)勢在必行，后續(xù)將結合國產軟硬件生態(tài)，引入可信計算與人工智能技術，對產品進一步迭代升級。

2）開發(fā)成本較高國產軟硬件生態(tài)尚不完整，各類器件和設備的品牌、選型受限，功能單一，軟硬件產品性價比低，同時產品的優(yōu)化需求高、迭代速度較快，從多方面增加了DCS的開發(fā)成本，導致產品的價格問題較為明顯[22]。

3）供貨周期較長近2年來，由于供應鏈問題，部分芯片供應周期普遍加長，造成DCS供貨周期延長，因此，亟需建立起全國產DCS整套系統(tǒng)的多源化硬件選型體系。

4）亟需政策支持相比成熟產品，新研制的全國產DCS在穩(wěn)定性、適應性上有待進一步驗證，導致市場接受度較低，用戶應用的積極性不高。因此，建議加大對自主可控工控產品推廣應用的支持力度，同時希望得到國家、發(fā)電央企相關財政、采購政策支持，加大產品的推廣應用力度，攤薄產品研發(fā)初期的投入費用，提高產品的性價比，從而提高其市場競爭力，形成良性循環(huán)，以應用促進產業(yè)鏈成熟發(fā)展。

6 結 語

中國華能集團聯(lián)合國內優(yōu)勢技術力量，研制出國內首套全國產DCS，并在百萬千瓦機組成功應用，解決了工控系統(tǒng)的“卡脖子”問題，實現(xiàn)了火電機組控制系統(tǒng)完全自主可控，整體達到國際先進水平，核心軟件與硬件技術達到國際領先水平；本國產控制系統(tǒng)已大規(guī)模推廣應用，極大地推動了國產軟硬件與產業(yè)鏈的發(fā)展，提振了國人自主創(chuàng)新的信心與決心，對提高電力基礎設施網絡安全水平、保障國家能源安全和實現(xiàn)高水平科技自立自強具有重大意義。