工業(yè)私有云在電廠輔控一體化整合的應(yīng)用

曹俊義

（北京偉聯(lián)科技有限公司，北京 100080）

0 引言

依據(jù)《國華電力公司燃煤發(fā)電機組輔控網(wǎng)優(yōu)化改造指導(dǎo)意見》，啟動“輔控進集控”優(yōu)化改造工作，進一步提升輔助車間控制的自動化水平，提高生產(chǎn)管理效率，促進人員技術(shù)技能水平提升，達到減人增效的目的。同時，在集控室增設(shè)輔控操作員站，實現(xiàn)主輔系統(tǒng)的集中監(jiān)控、信息暢通、資源共享以及統(tǒng)一管理。

從運行管理、檢修維護管理和系統(tǒng)安全角度考慮，實現(xiàn)機組“大集控”有利于統(tǒng)一調(diào)度和協(xié)調(diào)，也有利于設(shè)備的統(tǒng)一維護和備件管理，提高機組安全運行水平。

表1 改造涉及控制系統(tǒng)明細表Table 1 List of control systems involved in the transformation

準格爾電廠二期、三期輔控系統(tǒng)到目前為止，二期兩臺爐已經(jīng)運行將近20年，三期兩臺爐也已經(jīng)運行將近10年，而控制器屬于IT 類產(chǎn)品，平均使用壽命為5～8年，即使硬件沒出現(xiàn)什么故障，但由于硬件的升級換代造成軟件驅(qū)動、備品備件等也已經(jīng)跟不上了，現(xiàn)在陸續(xù)會出現(xiàn)一些問題：控制系統(tǒng)運行緩慢，備品備件無法采購，軟件升級新的計算機不支持。上位監(jiān)控系統(tǒng)由于計算機更新?lián)Q代，新的操作系統(tǒng)不支持原有的上位監(jiān)控軟件，原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于分散，設(shè)備維護工作量大；也由于原有網(wǎng)絡(luò)特點，所有上位監(jiān)控計算機全部訪問控制系統(tǒng)的控制器，造成控制器負荷太大，運行緩慢。

計算機系統(tǒng)中用到的計算機都是Windows Xp 操作系統(tǒng)，現(xiàn)在市場上已經(jīng)采購不到支持Windows Xp 操作系統(tǒng)的計算機，采購到Windows 7 操作系統(tǒng)的計算機又不支持原有的上位監(jiān)控軟件和程序開發(fā)軟件，所以一旦計算機硬件故障，現(xiàn)在已經(jīng)無計算機可換。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

本廠的脫硫、水網(wǎng)、電除塵、灰渣、精處理、制氫等系統(tǒng)目前都屬于獨立監(jiān)控，其中脫硫采用集散控制系統(tǒng)（DCS），水網(wǎng)、電除塵、灰渣、精處理、油庫、制氫等采用PLC 控制系統(tǒng)，各自系統(tǒng)對應(yīng)各自獨立的上位機進行設(shè)備監(jiān)控，系統(tǒng)彼此間沒有通訊聯(lián)系以及數(shù)據(jù)交換，且均有自己的控制室。

從控制系統(tǒng)角度分析，目前脫硫采用GE 新華OC6000集散控制系統(tǒng)，水網(wǎng)、電除塵、灰渣、精處理的控制PLC分為兩大品牌：施耐德的莫迪康Quantum 系列和AB 的1756-ControlLoigx PLC、CompactLoigx PLC 系 列。電 除 塵控制系統(tǒng)為EP MAX 控制系統(tǒng)，煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)為AB 進口PLC，具有獨立知識產(chǎn)權(quán)，共計有20 套不同種類PLC 控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)種類繁多，版本復(fù)雜，不具備統(tǒng)一監(jiān)控顯示條件。

從地域角度進行分析來看，目前電廠現(xiàn)有集控室7 間，主機程控室采用“雙機一控”的布置方式；外圍系統(tǒng)采用按專業(yè)分類的“分散控制”布置方式。其中，一、二號機組主機控制室位于一、二號機組綜合樓12m；三、四號機組主機控制室位于三、四號機組綜合樓12m；脫硫、脫硝、電除塵、除灰于三、四號機組脫硫綜合樓10m，共有監(jiān)視、操作用電腦29 臺（前排操作員站25 臺，值長及班長臺4臺）?；瘜W(xué)水控制室位于化學(xué)水綜合樓一樓，操作員站3 臺，制氫控制室位于制氫站，操作員站1 臺，工業(yè)廢水控制室位于工業(yè)廢水綜合樓。工程師站兼操作員站1 臺，輸煤控制室位于燃料綜合樓，工程師站1 臺，操作員站3 臺，共計38 臺。

2 國內(nèi)外調(diào)研報告

近些年新建機組采用大集控方式的，均為控制系統(tǒng)采用相同DCS 廠家，并在基建設(shè)計時進行統(tǒng)一設(shè)計、施工。

在原分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行大集控改造的多數(shù)為主、輔系統(tǒng)采用同一種DCS 控制系統(tǒng)，通訊連接方案成熟，施工可行性高且運行穩(wěn)定性較高。

利用新增通訊設(shè)備進行不同系統(tǒng)統(tǒng)一顯示也是一種方法，現(xiàn)在主流的監(jiān)控軟件為Intellution 公司的iFIX、GE 公司的Cimplicity、Wonderware 公 司 的InTouch 以及Siemens公司的WinCC。WinCC 與Cimplicity 分別是西門子與通用電氣公司推出的適用于配套產(chǎn)品的監(jiān)控套裝軟件，所以對于其他品牌的PLC 通訊支持是有限的。

想要將多種PLC 進行統(tǒng)一整合，又不改變原有PLC的基本配置，目前一般采用工業(yè)私有云的方式來取代原有的工控機方式，具體做法是在私有云機上承載桌面映像的方法，采用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)資源的集中管理和工業(yè)數(shù)據(jù)的碎片存儲。整個工業(yè)私有云基于服務(wù)器集群和Hyper-V[1]，Hyper-V 是微軟設(shè)計的虛擬化平臺，該平臺的設(shè)計目的是為廣泛的用戶提供更為熟悉以及成本效益更高的虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施軟件，從而達到降低運作成本，提高硬件利用率，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施并提高服務(wù)器可用性的目的。

3 解決方案

3.1 工業(yè)私有云服務(wù)器部分

1）不改變現(xiàn)有下層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的情況下，在上層網(wǎng)中添加兩套工業(yè)私有云服務(wù)器集群，分別布置在三期脫硫電子間和三期水處理電子間內(nèi)。將脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)、電除塵系統(tǒng)、煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)、水網(wǎng)系統(tǒng)、氫站系統(tǒng)、除灰渣系統(tǒng)進行虛擬化之后，統(tǒng)一遷移至工業(yè)私有云數(shù)據(jù)服務(wù)器集群中。

2）將原輔網(wǎng)控制室的操作員站整合成瘦客戶端運行模式并通過光纖通訊到二、三期主機集控室，數(shù)量由38 臺減至8 臺，其中2 臺操作員站（脫硫脫硝），2 臺操作員站（水網(wǎng)），2 臺操作員站（灰網(wǎng)），2 臺操作員站（煤網(wǎng)），瘦客戶端以遠程桌面的方式連接各個系統(tǒng)供運行人員進行監(jiān)控。

3）鍋爐補給水控制室中增加一套歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器集群，用于采集并保存各個控制系統(tǒng)的報警信息、操作記錄及歷史曲線。在二、三期主機集控室各設(shè)置一臺瘦客戶端歷史站與其連接，供操作員進行實時調(diào)閱。當(dāng)現(xiàn)場的設(shè)備參數(shù)任何一處有異常時，瘦客戶端均發(fā)出報警信息，操作員可以根據(jù)報警信息迅速鎖定異常設(shè)備進行參數(shù)調(diào)整。

4）新配置兩臺虛擬機，用于將所有采集到的數(shù)據(jù)進行歸檔，并將報警數(shù)據(jù)單獨設(shè)計一套集中報警系統(tǒng)，將脫硫脫硝、輸煤、化學(xué)水、灰網(wǎng)、電除塵等報警數(shù)據(jù)進行集中語音報警和聲光報警。

3.2 工業(yè)私有云方案說明

采用工業(yè)私有云的方式來取代傳統(tǒng)的工控機操作員站，應(yīng)用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)資源的集中管理。

整個工業(yè)私有云基于服務(wù)器集群和偉聯(lián)科技WiCloud。WiCloud 是偉聯(lián)科技基于KVM 設(shè)計的虛擬化平臺[2]，該平臺的設(shè)計目的是為用戶提供更高的虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施軟件，這樣可以降低運作成本，提高硬件利用率，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施并提高服務(wù)器的可用性。采用云計算后，所有操作系統(tǒng)以文件的形式存在，所有磁盤之間屬于共享關(guān)系，資源可以動態(tài)調(diào)整，而且即使硬盤故障也不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

整個WiCloud 配置3 套物理服務(wù)器集群，在服務(wù)器集群上部署WiCloud 虛擬化平臺。WiCloud 可以虛擬出不同的操作系統(tǒng)，這些操作系統(tǒng)可以由WiCLoud 統(tǒng)一管理并進行系統(tǒng)資源的動態(tài)分配。不同操作系統(tǒng)分別以文件的形式存在，所以硬件故障和安全完全隔離在軟件之外。新增操作系統(tǒng)和新建文件一樣快捷，而且操作系統(tǒng)不再依賴于硬件，同一臺虛擬機不需要更改任何設(shè)置就可以運行在不同的硬件上。

在私有云A 機柜內(nèi)部署3 臺計算服務(wù)器，1 臺雙控陣列存儲服務(wù)器，2 臺核心交換機[3]，同時安裝WiCloud-WiStorage 私有云系統(tǒng)，虛擬化工業(yè)應(yīng)用軟件。其中，AD域控[4]管理3 臺計算服務(wù)器，考慮到高可靠性，設(shè)置3 臺服務(wù)器作為故障轉(zhuǎn)移群。

在私有云B 機柜內(nèi)同時也部署3 臺計算服務(wù)器和1 臺磁盤存儲服務(wù)器，部署2 臺核心交換機，私有云A 和私有云B 采用核心交換機光纖直連。計算服務(wù)器和存儲服務(wù)器之間通過網(wǎng)絡(luò)存儲iSCSI[5]實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，存儲服務(wù)器作為iSCSI 目標服務(wù)器，在計算服務(wù)器內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)磁盤，同時私有云B 安裝WiCloud-Hyper-v 私有云系統(tǒng)。在此私有云創(chuàng)建AD 備份，并把私有云B 機柜內(nèi)的3 臺計算服務(wù)器加入私有云A 的故障轉(zhuǎn)移群，形成兩個AD 域控部署在不同機柜內(nèi)，防止單個機柜故障后，故障轉(zhuǎn)移群失效。同時，日常采用備份機制把私有云A 的虛擬機備份到私有云B 的磁盤存儲內(nèi)，一旦私有云A 出現(xiàn)故障，私有云B 的AD 域控接管故障轉(zhuǎn)移群服務(wù)，快速啟動私有云B 磁盤存儲內(nèi)的虛擬機，接管控制響應(yīng)。這種架構(gòu)可以完成私有云之間的故障轉(zhuǎn)移，同時完成兩個系統(tǒng)的容災(zāi)和備份。

基于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，添加2 臺工業(yè)私有云WiCloud，1 臺采用網(wǎng)絡(luò)存儲的方式放置在脫硫集控室，1 臺放置在二期水處理控制室，目前廠級網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全部打通。

1）在脫硫控制室增加1 套WiCloud 和WL-840B 系列工業(yè)私有云，在水網(wǎng)控制室增加1 套WL-820B 系列工業(yè)私有云。

圖1 工業(yè)私有云系統(tǒng)Fig.1 Industrial private cloud system

2）將原來輔網(wǎng)控制室的操作員站全部轉(zhuǎn)換為瘦客戶端模式[6]，只安裝簡單操作系統(tǒng)，原來輔網(wǎng)服務(wù)器全部遷移到WL-840B 云機內(nèi)。

3）將原來的水網(wǎng)工程師站、操作員站全部轉(zhuǎn)換為瘦客戶端，保留原工控機作為備品備件，它可以訪問本地的WL-820B 云機，也可以訪問輔網(wǎng)WL-840B 云機。當(dāng)出現(xiàn)極端情況WL-820B 和WL-840B 全部故障的時候，可以啟動原機器內(nèi)的控制畫面，采用傳統(tǒng)方式進行操作。

4）輸煤控制室增加WL-820B 1 套，用于做輸煤的歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、SIS 數(shù)據(jù)服務(wù)器以及SCADA 畫面服務(wù)器，將所有煤網(wǎng)的畫面集中在WL-820B，煤網(wǎng)現(xiàn)有工控機轉(zhuǎn)換為瘦客戶端，暫時輸煤的畫面不做到輔網(wǎng)集中顯示，但是輸煤系統(tǒng)具備訪問輔網(wǎng)WL-840B 服務(wù)器的條件。

5）二期、三期除灰控制系統(tǒng)的3 臺工控機轉(zhuǎn)換為瘦客戶端模式，原有2 臺服務(wù)器取消，除灰系統(tǒng)畫面做到輔網(wǎng)WL-840B 云機，取消除灰控制室原有工控機。

6）電除塵系統(tǒng)，原有S7-200PLC 增加CP241 以太網(wǎng)卡件，將原有4 臺操作員站轉(zhuǎn)換為瘦客戶端模式。畫面移植到WL-840B 云機，取消原有工控機。

7）二期煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)兩臺操作員站轉(zhuǎn)換為瘦客戶端模式，畫面移植到WL-840B 云機，取消原有工控機。

8）三期脫硫DCS 控制系統(tǒng)所有操作員站均轉(zhuǎn)換為瘦客戶端模式，服務(wù)器和DCS 畫面移植到WL-840B 云機，取消脫硫原有工控機。

9）燃油泵房1 臺上位機移植到WL-840B 云機，取消原有工控機。

10）脫硫控制室設(shè)置8 臺瘦客戶端，用于對灰網(wǎng)、水網(wǎng)、煙氣調(diào)值、電除塵、脫硫以及油庫系統(tǒng)集中控制。

11）在WL-840B 云機中增加1 套報警服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，用于采集并保存整套控制系統(tǒng)的報警信息和操作信息。脫硫控制室另外設(shè)置1 臺瘦客戶端，與其連接可以查看報警信息和操作記錄。當(dāng)整套系統(tǒng)任何一處有報警時，瘦客戶端均發(fā)出報警信息，管理人員可以根據(jù)報警信息和操作記錄迅速查找到故障原因[7]。

4 結(jié)論

通過工業(yè)私有云技術(shù)對傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)上位機進行整合，解決了傳統(tǒng)工控系統(tǒng)中上位機軟件和工控機不可分離，而且工控機隨著硬件更新?lián)Q代，操作系統(tǒng)逐漸不能適應(yīng)新的工控機，導(dǎo)致操作系統(tǒng)升級，操作系統(tǒng)升級導(dǎo)致組態(tài)軟件升級的情況，以致于軟件升級成本大幅提高，另外很多工業(yè)企業(yè)1 個工廠具有多種廠家的控制系統(tǒng)，導(dǎo)致組態(tài)軟件也是五花八門。這些系統(tǒng)隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的系統(tǒng)要整合在一起，這就為企業(yè)提出了1 個難題，而通過工業(yè)私有云的WiP2V 技術(shù)[8]可以很輕松地實現(xiàn)原有工控系統(tǒng)的整合，提高整合效率，降低整合成本。傳統(tǒng)工控系統(tǒng)工控機和服務(wù)器繁多，管理復(fù)雜，能耗較高，而采用工業(yè)私有云整合原有工控機和服務(wù)器將原有34 臺機器整合為5 臺服務(wù)器，降低了能耗和維護成本，而且省掉了工控機維護的環(huán)節(jié)。服務(wù)器無論是物理服務(wù)器故障，還是磁盤、虛擬機故障，設(shè)備均可自動恢復(fù)。