熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)分散控制系統(tǒng)（DCS）不同架構(gòu)的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)分析

仇輝

（寧波經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)熱電有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，浙江寧波 315803）

1.垂直架構(gòu)DCS系統(tǒng)介紹及存在的缺點(diǎn)

MACS II平臺采用的技術(shù)架構(gòu)為垂直型，分別是服務(wù)器、工程師站、主控柜、操作員站、交換機(jī)，配置的計(jì)算機(jī)硬件為基于2003操作系統(tǒng)的電腦，每臺主控柜含2臺互為冗余的主控單位。

該架構(gòu)下共使用4臺交換機(jī)進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)搭建，網(wǎng)段分別是128.129.130.131。128.129為控制網(wǎng)段，為服務(wù)器、工程師站、主控單位提供數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)計(jì)算處理。130.131網(wǎng)段為操作網(wǎng)段，為操作員站操作、控制平臺，并與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、處理，并將操作、控制情況反饋給服務(wù)器，其中服務(wù)器、工程師站同時(shí)使用4個(gè)網(wǎng)段，起到承上啟下的作用。

從中我們可以發(fā)現(xiàn)2臺服務(wù)器在整個(gè)架構(gòu)當(dāng)中的重要性，幾乎所有的現(xiàn)場信息都?xì)w于服務(wù)器，命令控制又通過服務(wù)器下達(dá)到各個(gè)現(xiàn)場，這就對服務(wù)器的性能提出的很高的要求，整個(gè)分散控制系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行都基于這2臺冗余服務(wù)器的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

該套系統(tǒng)每年利用主設(shè)備大小修有針對性的安排對硬件進(jìn)行清灰、加油、更換冷卻風(fēng)扇等維護(hù)保養(yǎng)工作，但是經(jīng)過近15年長時(shí)間的運(yùn)行，電子元器件逐漸開始老化、損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)硬件使用過程中存在不穩(wěn)定、不可靠的問題。主要暴露的問題為：

1.1 架構(gòu)上的缺點(diǎn)

整套DCS系統(tǒng)太依靠服務(wù)器的性能，雖然服務(wù)器采用了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的惠普服務(wù)器，每臺服務(wù)器配置雙電源、雙硬盤、四網(wǎng)卡，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中仍會(huì)發(fā)生主或備服務(wù)器死機(jī)、宕機(jī)現(xiàn)象，導(dǎo)致在鍋爐、汽機(jī)主設(shè)備運(yùn)行過程中失去備用服務(wù)器或主、備切換，甚至發(fā)生失去服務(wù)器連接的現(xiàn)象導(dǎo)致鍋爐、汽機(jī)主設(shè)備因無法監(jiān)視、操作而被迫停爐、停機(jī)的故障，嚴(yán)重影響企業(yè)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 平臺使用硬件替代性的缺點(diǎn)

MACS II平臺是和利時(shí)公司利用引進(jìn)國外技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品，在整體設(shè)計(jì)、硬件使用上并沒有完全國產(chǎn)化，和利時(shí)公司在后續(xù)平臺開發(fā)中，結(jié)合國內(nèi)外技術(shù)和現(xiàn)場使用經(jīng)驗(yàn)，直接跳過MACS II平臺系統(tǒng)。我方在后續(xù)使用過程中缺少該平臺系統(tǒng)補(bǔ)丁或更新程序，一旦涉及需要更換硬件或升級相關(guān)硬件就需要將整個(gè)平臺進(jìn)行升級，不利于系統(tǒng)后續(xù)的優(yōu)化及相關(guān)硬件更新。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范上的缺點(diǎn)

國產(chǎn)分散控制系統(tǒng)是在引進(jìn)國外技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，在2000年后開始大范圍使用，當(dāng)時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上規(guī)范要求相對低。

當(dāng)時(shí)的DCS系統(tǒng)在供電雙電源方面，采用了2套不同廠用電供電的方式，開關(guān)電源模塊功能定義比較籠統(tǒng)，在抗系統(tǒng)沖擊，無擾切換方面存在著問題，導(dǎo)致系統(tǒng)硬件電源經(jīng)常發(fā)生切換重啟，不利于整套控制系統(tǒng)在日常運(yùn)行過程中安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

鍋爐機(jī)組保護(hù)設(shè)計(jì)方面，因當(dāng)時(shí)條件受限，保護(hù)信號只進(jìn)入主控單位進(jìn)行邏輯判斷，只有軟邏輯并無硬回路的冗余設(shè)計(jì)，導(dǎo)致一旦主控單元出現(xiàn)問題，軟邏輯無法提供保護(hù)判斷時(shí)，沒有后備硬回路保護(hù)。相關(guān)邏輯保護(hù)程序設(shè)計(jì)功能單一、思路煩瑣，并與現(xiàn)場信號采集、處理在同一主控單元內(nèi)進(jìn)行，運(yùn)算速度、效率低導(dǎo)致可靠性、安全性下降。

1.4 DCS系統(tǒng)軟件操作、組態(tài)上的缺點(diǎn)

工程師站在完成組態(tài)編譯后，并不是直接將所在修改的程序文件下裝到對應(yīng)的主控單元，而是需要另外生成下裝文件先下裝到備用服務(wù)器，再將備用服務(wù)器切換成主服務(wù)器，重新下裝一次文件到原主服務(wù)器，最后主控單位從服務(wù)器讀取下裝程序，導(dǎo)致每次進(jìn)行小修改都需對服務(wù)器進(jìn)行下裝重啟，MACS II系統(tǒng)服務(wù)器在切換過程中并不是無擾切換，在新程序文件更新到服務(wù)器過程中，操作員站因切換更新無法讀取數(shù)據(jù)和操作，整個(gè)主設(shè)備處于無法監(jiān)視中，前期文件相對小，切換影響的時(shí)候只有不到1min，后期逐漸到5min無法監(jiān)視，這對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了很大的風(fēng)險(xiǎn)。

2.平行架構(gòu)DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)勢

針對該套系統(tǒng)運(yùn)行下來后反映出的各種問題，與和利時(shí)公司工程師進(jìn)行充分長期的溝通，并對改造的各種可能性進(jìn)行分析后，決定在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)對該套系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。在充分考察和利時(shí)后續(xù)開發(fā)出來的平臺軟件，考慮到我公司是熱電聯(lián)產(chǎn)型企業(yè)，鍋爐、汽機(jī)并不是單元機(jī)組形式，而是采用主母管制形式，從安全、使用便利性方面出發(fā)決定直接跳過MACS III、MACS V5系統(tǒng)平臺，而采用和利時(shí)的MACS V6平臺。

MACS III、MACS V5平臺基于MACS II平臺的基礎(chǔ)重新研究開發(fā)出來，架構(gòu)上依舊采用垂直結(jié)構(gòu)，垂直結(jié)構(gòu)的中心環(huán)節(jié)仍是服務(wù)器，雖然在軟件、硬件上重新研究設(shè)計(jì)制造，解決了之前的軟件、硬件的很多問題和缺陷，但是從分散控制的理念上并沒有將風(fēng)險(xiǎn)完全分散出去，做到各個(gè)系統(tǒng)相對獨(dú)立安全[2]。

MACS V6平臺是完全摒棄原有垂直架構(gòu)，采用了全新的平行架構(gòu)。

整個(gè)平行架構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)只采用2個(gè)網(wǎng)段，分別是128.129網(wǎng)段，工程師站、操作員站、歷史站、主控單元統(tǒng)統(tǒng)掛在這2個(gè)網(wǎng)段。整個(gè)架構(gòu)摒棄了原服務(wù)器功能，現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、輸送、處理、反饋都通過這2個(gè)網(wǎng)段在操作員站、主控單元之間進(jìn)行鏈接，只設(shè)置了2臺歷史站進(jìn)行簡單的歷史數(shù)據(jù)存儲功能。

該系統(tǒng)平臺相對原平臺存在以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）所有硬件都是相對獨(dú)立存在于工業(yè)以太網(wǎng)上，真正完全實(shí)現(xiàn)了分散控制，每臺操作員直接讀取各個(gè)主控單元的數(shù)據(jù)，每個(gè)操作員站的操作、控制直接到對應(yīng)的主控站，使控制、反饋更加分散、安全。

（2）工程師站編譯下裝直接在對應(yīng)的主控單元內(nèi)進(jìn)行操作、編譯、下裝，對其他主控單元、操作員站沒有任何影響，在主控單元進(jìn)行編譯下裝都是無擾進(jìn)行，對正在運(yùn)行的設(shè)備沒有任何影響。

（3）一個(gè)I/O主控柜內(nèi)的現(xiàn)場信號采集、處理、監(jiān)視、反饋、控制，可以簡單由一臺操作員站在同一網(wǎng)段內(nèi)全部完成，不再像原來要通過服務(wù)器、控制網(wǎng)、操作網(wǎng)進(jìn)行溝通，減少了大量的中間節(jié)點(diǎn)，使整個(gè)控制更加簡化、風(fēng)險(xiǎn)更少。

（4）充分預(yù)留了軟件和硬件的可拓展性。該版本的軟件已經(jīng)較為成熟，后期主要是版本軟件的補(bǔ)丁升級，不存在更新的軟件和硬件不匹配的問題，不會(huì)發(fā)生軟件進(jìn)行升級需更換硬件或硬件更新需更換軟件等問題。省小火電高溫高壓升級改造的政策窗口，結(jié)合主設(shè)備高溫高壓的升級改造對原控制系統(tǒng)MACS II系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)升級改造，用基于MACS V6.5平臺火電版K系列對升級改造完的鍋爐、汽機(jī)進(jìn)行控制，K系列基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線構(gòu)架，集成基于HART標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的AMS對現(xiàn)場智能設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，并且可以輕松集成SIS、PLC、MES、ERP等系統(tǒng)，使現(xiàn)場智能儀表設(shè)備、控制系統(tǒng)、企業(yè)資源管理系統(tǒng)之間的信息無縫傳送，實(shí)現(xiàn)工廠智能化、管控一體化。

整套MACS V6.5系統(tǒng)主要為控制升級改造后的2臺高溫高壓鍋爐（75t/h+100t/h）、一臺高溫高壓背壓機(jī)組（6MW）、一臺高溫高壓抽凝機(jī)組（15MW）及公用配套設(shè)備，采用了7個(gè)控制站來分別控制以上的系統(tǒng)或設(shè)備，另外，又單獨(dú)設(shè)立2個(gè)控制站來控制機(jī)組的保護(hù)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)，共9個(gè)控制站；配備12臺操作站對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作監(jiān)視；配套2套相互獨(dú)立的工程師和歷史站（對應(yīng)獨(dú)立的一爐一機(jī)單元機(jī)組模式）。

3.平行架構(gòu)DCS的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)

結(jié)合平行架構(gòu)和垂直架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，我公司利用浙江

3.1 硬件方面

新的I/O控制站主控單元采用2臺K-CU01，具有比之前主控更強(qiáng)大的計(jì)算處理和數(shù)據(jù)采集掃描能力，同時(shí)摒棄原主控1主1備模式，采用雙機(jī)熱備進(jìn)行I/O掃描，為保證在所有的時(shí)間復(fù)制的數(shù)據(jù)庫的一致性，也為了避免復(fù)制輪詢對現(xiàn)場設(shè)備增加不必要的負(fù)載，新主控支持運(yùn)算周期為500ms掃描一次（特殊模塊可支持250ms），最多可支持處理I/O物理點(diǎn)為1600點(diǎn)，所有模塊硬件均支持在線熱插拔。

整個(gè)I/O控制機(jī)柜方面，在設(shè)計(jì)和布局上相比原系統(tǒng)更專業(yè)化、冗余化、簡易化，將機(jī)柜內(nèi)所有模塊、功能塊及連接線進(jìn)行模塊化、制式化，杜絕之前系統(tǒng)存在的同類模塊放置混亂、接線雜亂等問題。按照電源使用功能的區(qū)別分別設(shè)計(jì)了系統(tǒng)電源、查詢電源、現(xiàn)場電源以供不同電源需求使用，即提高了電源可靠性，又保證不同設(shè)備之間的物理隔離，提高安全性；網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)通過主控雙網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余上傳和相互熱機(jī)備份，保證對外數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和及時(shí)性。內(nèi)部控制網(wǎng)鏈路通過雙份冗余I/O BUS模塊取代原來通過模塊DP之間進(jìn)行互聯(lián)，杜絕之前發(fā)生的莫一模塊故障，導(dǎo)致該模塊后的其他模塊失去DP通信，保證系統(tǒng)柜內(nèi)部DP網(wǎng)冗余安全可靠。經(jīng)過一系列的改造，使新機(jī)柜比原機(jī)柜更加安全、整潔、可靠，同時(shí)帶來檢修的便利性，故障更易及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理。

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)方面使用二臺和利時(shí)通過公安部認(rèn)證的安全工業(yè)交換機(jī)以替換原4臺3com交換機(jī)，只允許和利時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊，增加網(wǎng)絡(luò)的安全，消除病毒干擾及網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴風(fēng)險(xiǎn)。

I/O功能模塊上隨著中國電子工業(yè)水平的發(fā)展，K系列模塊相比原FM系列模塊更加小型化、統(tǒng)一化、模塊化，在同樣的空間結(jié)構(gòu)中可以進(jìn)行更合理更多的布局，同時(shí)進(jìn)一步減輕我方使用過程中模塊、底座的備用數(shù)量。

3.2 軟件方面

工程師硬件組態(tài)上可以在線直接進(jìn)行硬件的添加或刪除，無須像之前那樣必須等主設(shè)備停運(yùn)后再進(jìn)行添加或刪除后進(jìn)行初始化下裝，為系統(tǒng)硬件拓展帶來極大便利性和安全性。

軟件編譯過程操作步驟進(jìn)一步簡化，并實(shí)現(xiàn)相同功能的一鍵化，預(yù)防工程師因?yàn)椴僮鞑襟E多、次序多導(dǎo)致出現(xiàn)的各種編程誤操作、誤下裝，提高軟件編程的便利性。

軟件調(diào)試應(yīng)用層面可視化、自動(dòng)化程度提高，便于調(diào)試人員實(shí)時(shí)在線觀察參數(shù)修改后帶來的變化。

相對于原系統(tǒng)軟件，新系統(tǒng)提供了大量模塊化程序、火電行業(yè)特性功能程序塊，便于工程師進(jìn)行直接調(diào)用，避免工程師為復(fù)雜功能進(jìn)行煩瑣的程序?qū)懭?，同時(shí)也為新功能提供了自由化的組塊功能，便于在日常維護(hù)過程積累更多習(xí)慣性的程序。另外，還提供大量的文件庫，便于進(jìn)行這方面程序的更新。

系統(tǒng)軟件將原數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、硬件組態(tài)、主控編譯進(jìn)行了融合統(tǒng)一，避免了之前進(jìn)行一項(xiàng)組態(tài)需進(jìn)行3個(gè)軟件的操作，在統(tǒng)一平臺軟件內(nèi)部完成數(shù)據(jù)庫編輯、硬件組態(tài)、主控程序?qū)懭氲刃枭衔粰C(jī)實(shí)現(xiàn)的功能，更有利于工程師上手、縮短組態(tài)程序?qū)懭霑r(shí)間。

程序編譯完成后無需生產(chǎn)文件下裝、切換服務(wù)器，直接可將程序?qū)懭胫骺貑卧?，主控單元進(jìn)行自動(dòng)相互備份，同時(shí)在操作員站就可以體現(xiàn)出來。

操作員站聲光報(bào)警方面可按I/O主控站號、操作員站號進(jìn)行報(bào)警顯示條分類分色分站號顯示，既保證系統(tǒng)報(bào)警信息的全面性，又有獨(dú)立的針對性，同時(shí)對上位機(jī)所有的信息、操作記錄進(jìn)行收集和保存，以便歷史查詢；改進(jìn)了原先的歷史數(shù)據(jù)查詢的局限性，保證重要?dú)v史數(shù)據(jù)保存3年以上，為環(huán)保、碳排放數(shù)據(jù)采集提供了大數(shù)據(jù)平臺。

在所有操作控制計(jì)算機(jī)上安裝和利時(shí)特定系統(tǒng)軟件，并加裝白名單系統(tǒng)對硬件軟件環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，杜絕流氓軟件、后門病毒進(jìn)入控制系統(tǒng)中，大大提高了外來網(wǎng)絡(luò)攻擊防護(hù)等級。

機(jī)組邏輯保護(hù)方面在程序塊開發(fā)上進(jìn)行了完善，將類似信號處理，功能一致的分段程序進(jìn)行了模塊化、統(tǒng)一化、制式化，使整個(gè)軟保護(hù)停機(jī)程序更加簡潔、清楚，便于調(diào)試過程中及時(shí)糾錯(cuò)。系統(tǒng)同時(shí)為軟保護(hù)停機(jī)單獨(dú)配置雙冗余主控單元，將現(xiàn)場信號采集、處理、控制與保護(hù)邏輯運(yùn)算獨(dú)立分開，以保證保護(hù)邏輯運(yùn)算的速度、可靠性及獨(dú)立性。除程序軟邏輯外，在保護(hù)柜內(nèi)架設(shè)一套完全獨(dú)立于程序外的保護(hù)硬回路，以保證DCS程序失效時(shí)依舊有可靠的保護(hù)裝置[3]。

4.結(jié)語

升級改造后的主控系統(tǒng)對應(yīng)各自主設(shè)備，I/O機(jī)柜、模塊、電源都相對原來更加獨(dú)立、分散，在使用過程中更有以下的好處：（1）完善的電源、網(wǎng)絡(luò)、硬件冗余機(jī)制改進(jìn)，保證控制的可靠性；（2）單層控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡潔，操作方便，安全可靠；（3）操作員與控制器點(diǎn)對點(diǎn)通訊，保證可靠的數(shù)據(jù)采集和操作；（4）豐富的歷史數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)采集的備份功能；（5）操作站直接與控制站直接通訊，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，風(fēng)險(xiǎn)更加分散，減輕了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定度；（6）下裝完全無擾，在機(jī)組運(yùn)行中進(jìn)行實(shí)時(shí)修改編譯。

MACSV 6 K系列在實(shí)際應(yīng)用過程中既體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、開放化、控制速度快、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，又綜合了控制功能強(qiáng)大、冗余、熱插拔、強(qiáng)調(diào)高可靠不停機(jī)使用的要求，綜合體現(xiàn)了離散過程和連續(xù)過程自動(dòng)化的要求。結(jié)合DCS系統(tǒng)垂直架構(gòu)和平行架構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用過程中反映出的優(yōu)缺點(diǎn)，在未來，平行架構(gòu)會(huì)逐漸變成DCS系統(tǒng)的主流架構(gòu)，特別是應(yīng)用在更高要求的大火電、大化工等要求連續(xù)性生產(chǎn)企業(yè)中。