杭州和利时自动化有限公司吴辰璇，朱珂，费盼峰

中煤新集利辛发电有限公司李启锋

1　项目目标和概述

传统的DCS控制系统在工业领域的应用已有多年历史，能较好地完成传统控制任务。但随着流程工业对生产控制精细化、高效化的要求不断提高，以及人工智能、大数据等新一代信息技术的蓬勃发展，现在的控制系统不仅要处理传统的温度、压力、流量和液位等四大传感信号，而且还要能够处理视觉、语音等以前没有的信号，要支持5G等无线通信，这些传统的控制系统是无法做到的；另外，传统的控制系统厂家各自都有自己的通信协议，不开放、不可扩展、不可兼容，这对于未来按需生产的智能制造是不相适应的。因此，传统DCS难以实现与人工智能、大数据等技术的深度融合，难以满足对控制系统、数据的更高要求。

近年来，随着业界针对工业互联网、工业4.0等的技术体系探索，以及5G的通讯技术、物联网、虚拟化技术的发展，为OT与IT层深度融合、协同控制提供了途径，工厂需要更扁平的架构、更简单的流程和更智能的分析。

中煤新集利辛发电有限公司（用户单位）位于安徽省亳州市利辛县胡集镇，于2008年12月成立。其装机规模为3320MW，分二期建设：一期工程2×1000MW超超临界燃煤发电机组于2016年10月建成投产，基建期先后获得省部级以上奖项121项，2018年荣获国家优质工程金奖，被列为国家第一批煤电联营重点推进项目，实现了全国工期最短、质量最优、安全最好、造价最低，是我国首座“科技领先、指标先进、绿色环保”的百万千瓦级“煤电一体化”标杆项目；二期工程2×660MW超超临界燃煤机组于2021年1月获得核准，正在建设，将于2024年迎峰度夏前正式发电，是安徽省“十四五”规划建设重点项目，致力打造国际领先的新型智慧电厂。

本项目是以中煤新集利辛板集电厂扩建工程为基础，研发控制器虚拟化软件及配套通信网关，并应用到板集电厂二期辅助车间。板集电厂扩建工程是在一期规划的扩建场地上进行扩建，其将建设2台超超临界二次再热660MW燃煤发电机组，同步建设脱硫、脱硝、除尘、废水处理等装置。

本项目中的虚拟DCS控制系统是以发电过程的自动化、信息化、数字化、标准化为基础，运用5G、云计算、大数据、人工智能、数字孪生等新一代信息技术，探索构建适应电厂业务特点和发展需求的“数据中台”“业务中台”等新型IT架构模式，建设敏捷高效的新一代数字技术基础设施。本项目以管控一体化、大数据、云计算、物联网为平台，集成智能传感与执行、智能控制与优化、智能管理与决策等技术，形成智慧发电运行控制管理模式，实现更加安全、高效、清洁、低耗、灵活的生产目标，构建更高阶段的信息化与自动化电厂，全面接近并最终实现感知智能化、控制智能化、运维智能化、经营智能化、安全智能化、值守少人化的理想目标，建设具有自感知、自分析、自诊断、自决策、自学习、自寻优、自适应等功能的国际领先新型智慧电厂。

本项目在二期辅助车间拟建设云平台控制系统，其采用和利时虚拟化DCS控制系统来控制IO点规模6600多点，覆盖水系统（原水石灰处理系统、循环水排污水膜处理系统、脱硫废水零排放、工业水系统、含煤废水处理等）、灰库系统（厂内灰库、钢板大灰库等）及输煤系统，实现智能化控制。

图1 板集电厂全景图

2　案例介绍

2.1　系统架构

板集电厂二期项目首次在电力行业应用基于DCS虚拟化的辅助车间云平台控制系统，取消辅网DCS控制装置，通过部署在生产云系统的虚拟DCS控制器实现控制、远程操作、统一管理等功能。

虚拟DCS控制系统通过在VMware ESXi虚拟化平台上运行的硬实时操作系统（RTLinux）代替传统分散控制系统控制器I/O控制、逻辑运算的功能。

虚拟DCS控制创新将5G技术与云平台、虚拟化控制器系统深度融合，开放硬件平台，实现软件与硬件解耦，参用分布式设计，实现资源池的虚拟化、分时共享、动态调配、弹性伸缩。

虚拟DCS控制系统的实施将促使传统工业控制系统由软硬件绑定架构逐步转向云计算架构，解决工业控制系统平台封闭、软硬件捆绑、建设周期长、资源利用率低、数据孤岛、大数据应用开发门槛高等技术难题，实现控制系统硬件软件化，打破自动化领域的国外大型供应商主导的垄断局面，推进软件国产化的数字转型。

虚拟DCS控制系统采用通用虚拟化硬件平台，研发轻量化云平台、虚拟化控制技术等，具有灵活性高、性价比高、可靠性高、可按需部署等技术特点。该成果已在板集电厂一期化水系统进行试运行，系统性能良好、运行稳定；正在二期及其他项目推广应用，将进一步提高生产效率、降低煤耗，推动工业控制系统数字化转型升级。

虚拟DCS控制系统是探索DCS产品未来新形态的关键技术，主要研究内容为：

（1）虚拟控制系统基础研究，基于电力生产指定运行环境部署的可行性研究。

（2）研究虚拟机下控制器底层操作系统选型，包括操作系统运行周期稳定性和准确性。

（3）研究虚拟控制器软件架构、模块化设计及可扩展性。

（4）研究控制网通信网络结构、可靠性、安全性和控制器、边缘网关与IO的高速通信技术。

（5）研究虚拟化后多个控制器的冗余技术，包括控制网链路冗余、多控制器冗余网对带宽的要求、网络负荷的影响。

（6）研究5G技术应用于工业控制场景的可行性及接口装置及测试验证。

（7）基于板集电厂废水处理、输煤、除灰工艺系统特点，完成基于虚拟化DCS控制系统的工程设计、软硬件配置、智能控制等应用研究。

本系统构成如图2、图3所示。

图2 虚拟控制器系统核心架构图

图3 板集电厂虚拟云平台网络架构图

本虚拟控制系统核心架构包括上位监控、虚拟控制器、网关和IO设备，其中：

（1）上位监控

上位监控系统采用和利时MACS6.5.4版本，具备工程师站、操作员站、历史站等功能，包含HAMS，支持新的虚拟控制器组态和监控等功能，保持与传统DCS软件整体功能基本一致。

（2）虚拟控制器

虚拟控制器部署在服务器中，由硬件资源、虚拟化平台软件、操作系统及应用软件组成，具备传统控制器功能。通过虚拟化技术，一台服务器可以部署多个控制器。虚拟控制器支持控制器冗余，和上位机软件通过双以太网进行通信。

硬件资源：支持X86架构的商用PC机部署；

虚拟化平台软件：支持自定义虚拟化软件部署，可以在商业虚拟机上运行；

操作系统：虚拟控制器的操作系统采用实时操作系统RSlinux+实时补丁方式，保证控制器能够完成实时控制；

应用软件：虚拟控制器软件（RTS）架构。

（3）网络

整个系统中包含三种网络，即系统网网络、控制网网络、冗余网网络。

系统网：DCS工程师站、操作员站、历史站、AMS软件等与控制器通信的网络。

控制网：控制器与IO模块进行数据通信的网络。

（4）网关

完成虚拟控制器与IO模块间的以太网和DP之间的协议转换，实现云化控制器和I/O模块的通信。单网关支持4条链路独立DP，与控制器之间通过以太网（UDP）通信，支持两条链路冗余。5G网络部署在虚拟控制器和网关之间，通过5G网关实现有线转无线透传。

（5）IO模块

保持和传统IO模块一致。

2.2　系统特点

（1）硬件架构：云化部署，优化资源配置。ICS硬件架构，包括虚拟控制器、智能应用云服务器、实时数据库云服务器、关系数据库云服务器、智能算法平台云服务器、数据支撑环境云服务器、计算云服务器、智能控制器、高级值班员站等。

（2）软件架构：低代码更便捷、更可靠。全厂一体化控制，同时提供高度开放的第三方应用开发环境和接口规范，支持对第三方专用控制运行软件包的集成。系统应具有数据挖掘、智能计算与分析、信息可视化组态、低代码建模、高级报警管理、画面增强、视频集成、知识库等的运行支撑环境。系统选择成熟、稳定、先进的操作系统、数据库、网络协议、中间件等，采用高可用技术，保证系统具备长期稳定工作的能力，当出现误操作或异常情况时，有良好的系统纠错和恢复能力。

（3）网络架构：互联更安全，充分保障DCS层安全。生产控制网以ICS网络为架构，建立一体化系统平台，实现生产运行智能监控，通过智能应用功能，实现发电智能控制与寻优。生产控制网贯通ICS厂级和机组级，包括I/O通讯网、实时控制网和高级应用服务网，通过服务安全、网络隔离、信道加密、分权限访问、审计等技术措施保障网络安全。

图4 和利时智能云平台特点

2.3　技术指标

（1）支持虚拟控制器资源监测及诊断。

（2）支持传统控制器冗余功能，实现控制器无扰切换。

（3）控制器虚拟化后借助高频CPU运算能力比传统控制器提高5倍数以上，可降低传统控制器的运算负荷。

（4）支持运算和通信管理分核处理，独自CPU核运算，提供强大运算能力。

（5）支持工艺模型仿真运行，模型数据使用现场数据的镜像，可实现现场事故预测。

（6）支持工业控制网络与现场总线的统一。

（7）支持IEC61131-3组态多任务运行。

（8）支持传统控制器的IEC61131-3组态逻辑运算。

（9）支持C语言编制算法，扩展第三方智能优化算法。

2.4　安全措施

本系统及配套工程在设计之初就对运行安全风险进行了充分的评估，并将风险应对措施融入到了系统中。对于潜在的安全风险，我们也提出了切实可行的管控措施。本系统主要可能出现的风险及管控措施如下：

（1）针对系统单控制器及单网络故障风险

通过控制器冗余、网络冗余设计实现故障自动切换机制，对风险进行了有效避免。

（2）针对电源故障可靠性风险

如果出现单服务器电源全部失效，则所在该服务器的所有虚拟控制器冗余系统会诊断出对方机故障，会出现备机虚拟控制器升主的情况。这种情况也相当于传统控制器的主控制器的电源全部是失效，系统也会出现备机升主的情况。

（3）针对通信故障风险

系统具有断网后IO信号保持、联锁保护逻辑维持等功能。

由上节技术说明，整个控制系统通信层级设计相互独立，互不影响，故障不扩散，降低因为耦合导致的问题。整个控制系统通信层级各个环节都是冗余设计，冗余设计提高了系统可用性和可靠性。如果控制系统中的网络多重故障，控制系统策略：可以输出保持和安全值输出。

（4）云平台虚拟机管理软件的可靠性及故障应对措施

虚拟化是由Hypervisor来实现的。Hypervisor具有监管功能，可以让多个运行环境相互独立，由此提供了一种隔绝机制，让每个应用都运行在独立的环境中，从而提高系统的可靠性、防护性和安全性。由于采用的是虚拟机方式，能达到完全隔离，实时性有保障，各个虚拟机间相互不影响。资源确定性：运算，存储等资源预先分配好的，资源能够得到保障，运行更安全。一旦虚拟机管理软件出现异常情况，相当于传统控制器的控制器异常，虚拟控制器会重启，备机会升主机。单故障实现无扰切换。

（5）虚拟控制器实时操作系统的可靠性及故障应对措施

虚拟控制器采用的是实时操作系统。这个实时操作系统经过多行业（包括工控行业）、多种场景使用，是非常成熟的系统。操作系统后台有监控程序（相当于看门狗），一旦出现操作系统异常能够识别。如果操作系统出现异常情况，故障控制器会重启，降为备机控制器，之前的备机控制器会升主机。单故障实现无扰切换。

（6）虚拟控制系统网络可靠性保障

组网方案：物理层专用通道或者划分VLAN，确保辅助车间就地设备与云平台虚拟控制器的稳定通信，避免网络拥塞、风暴等问题。

（7）工业控制系统网络安全

依据国能安全36号文中对于发电厂控制系统网络安全等级保护的要求，中煤新集利辛板集电厂二期项目为2台66万的机组，本次辅助车间控制系统的网络安全等级保护建设应按照安全等级保护3级系统能力进行建设，要求解决方案设计遵循GB/T25070-2019网络安全等级保护安全设计技术要求，以设计要求中提出的工业控制系统保护安全技术设计框架为基础，满足工业控制系统等级保护安全技术设计构建在安全管理中心支持下的计算环境、区域边界、通信网络三重防御体系，“一个中心三重防护”，就是针对安全管理中心和安全计算环境、安全区域边界、安全通信网络的安全合规进行方案设计，建立以计算环境安全为基础，以区域边界安全、通信网络安全为保障，以安全管理中心为核心的网络安全整体保障体系。

（8）工程可靠性设计加强保障

本项目针对远距离通信，及系统IO大规模化容量，及不同工艺系统对控制实时性及保护等级要求，以基于图论优化设计方法对系统网络拓扑进行了优化设计，充分保障系统交换节点的延迟，并通过工艺专家经验对系统进行合理的分站设计及硬件配置。同时设计还考虑到整个系统遇到光缆被挖断等不可抗力风险出现时，系统的安全停运、虚拟控制系统与实体控制系统的快速切换等方案。

总之，本项目在技术研发和工程设计阶段均对未来风险进了充分的评估，并做好了充分的措施，确保系统可靠。

3　代表性及推广价值

能源领域首台虚拟化控制系统的研制和应用具有重要意义。在国内可规模化工业应用的虚拟化控制系统尚未推出，在能源行业尤其无规模应用先例，该技术国内主要还在小规模试验阶段。板集电厂作为国内第一家虚拟化技术落地和应用的火电示范性项目，项目建成后，将在火电行业的技术发展史中占据极为重要的地位，代表着国内电力能源领域在智能化、智慧化进程中又一个标志性的里程碑。

首先，虚拟化控制系统可以实现智慧能源的管理和调度。通过将能源控制系统核心控制器的虚拟化，可以实现对能源系统的远程控制，实时监测分析和优化。虚拟化控制系统支持强大算力，可以通过智能算法和机器学习技术，根据能源需求、供需情况和环境条件等因素，自动调整能源系统的运行状态，提高能源利用效率，降低能源消耗和排放。

其次，虚拟化控制系统通过5G的互联，能够实现能源互联和合作。随着能源互联网的发展，能源系统不再是单一的能源供给和消耗系统，而是通过互联技术实现能源生产、储存、输送和使用的全面互联。虚拟化控制系统可以通过智能化和自动化的方式，实现不同能源系统的互联和协同运行，提高系统的稳定性和可靠性。

第三，虚拟化控制系统可以实现自主可控的能源管理。传统的能源系统通常由集中式的调度中心控制和管理，缺乏对系统的实时监测和响应能力。而虚拟化控制系统可以实现能源系统的分布式管理和控制，每个设备和组件都具备自主决策和调度功能。通过实时监测和分析能源系统的状态和性能，虚拟化控制系统可以快速响应能源需求和变化，实现更加灵活和可靠的能源管理。

最后，虚拟化控制系统的研制和应用将受益于5G技术的引入。5G技术具有高速传输、低时延和大规模连接等特点，能够为虚拟化控制系统提供强大的网络支持和数据传输能力。通过5G技术，虚拟化控制系统可以实现能源系统的实时监测和控制，提高系统的响应速度和精确度。

总之，能源领域首台虚拟化控制系统的研制和应用具有重要的意义。它将推动能源系统向智能化、互联化和自主可控的方向发展，提高能源利用效率和可靠性，实现可持续能源发展的目标。同时，虚拟化控制系统的应用还将受益于5G技术的引入，后者为能源系统提供强大的网络支持和数据传输能力。

摘自《自动化博览》2025年2月刊