★杭州和利时自动化有限公司李戎，贾晓科

1　方案目标和概述

为了适应国家“双碳”目标提出后电力行业长远发展需要，电力行业企业积极融入和服务新型电力市场建设，加快推进火力发电机组的改造进程。在推进煤电机组改造升级过程中，统筹考虑煤电节能改造、供热改造及灵活性改造，更多地承担系统调峰、调频、调压和备用功能，发挥“托底保供”的作用。随着“碳达峰、碳中和”战略的进一步推行，清洁高效的火力发电将是我国双碳目标实现的重要抓手。面对如今日益严格的绿色发展要求，火力发电行业将加大科技创新力度，提升绿色管理水平，增强行业绿色竞争力。

在工业互联发展阶段的新形势下，在企业现有传统DCS控制系统的基础上建设智能化控制平台，可以提供更聪明、准确、本地化的数据处理，与DCS控制系统形成良好地统一，可以为工业企业提供一套坚强的智能控制系统方案，以满足智能制造、产业升级的发展趋势。

从工业企业的大量生产控制数据中发觉价值，并有效服务于自身的业务是基于智能系统的智能监盘系统给出的解决方案，把数据从生产控制系统提取出来进行深度分析、计算、加工后反馈给控制系统和操作人员，让传统监盘走向智能化、自动化控制迈向智能化控制。

通过智能平台将自动化、信息化与智能化技术在发电生产领域进行深度融合，实现大数据、物联网、可视化、专家系统、先进测量与智能控制等技术在发电生产过程中的系统化的应用，达成发电生产更安全、更高效、更清洁、更低碳、更灵活的目标。

和利时智能控制系统平台（ICS）以和利时DCS系统网络为网络基础架构，在智能控制网段配备与DCS一体化的高级应用控制器和高级应用服务器、数据服务器等，提供数据分析环境、智能计算环境、智能控制环境和开放的智能应用开发环境，其中开放的应用环境可以为第三方的智能模块提供组态工具，支持第三方开发的算法模型、高级应用置于统一的平台资源环境下运行。将常规DCS系统升级成智能DCS系统，并确保不影响原有DCS系统安全。

ICS系统平台帮助用户实现从自动化生产（Automated Production）向自主化生产（Autonomous Production）演变，通过智能应用实现控制、操作和管理的闭环（感知、分析、决策、执行），从而实现企业运营的持续改善。

2　方案详细介绍

和利时ICS智能控制平台，用于构建智能、开放、综合的新一代大型火电智能化发电运行管控系统，使电厂生产运行更高效、更灵活、更可靠。平台采用OT+IT的融合架构，集成专家经验、机理模型、先进预测控制、深度神经网络、先进传感技术，对边缘采集数据进行采集、挖掘和深度分析，提供机组在线深度优化、智能运行监控、设备故障预警与诊断等智能化应用，实现基于能效的闭环控制、提升设备的可靠性与利用率、提升人员经验与知识的可复用程度，从而最终实现电厂经济效益和运行安全的全面提升。ICS智能控制平台整体架构如图1所示。

图1 ICS智能控制平台整体架构

ICS智能控制平台采用弹性计算的服务器架构，弹性计算是一种可缩放的计算资源，支持动态调整计算、存储和网络资源以适应使用需求的增加和减少，可以将计算和存储资源的供应与需求密切相关，横跨整个计算、存储和网络范围的动态调整。

ICS采用平台+应用的软件架构（如图2所示），平台层为应用提供公用的软件资源，包括实时库、历史库、报警库等数据库资源，也为应用提供通用的组态工具，如算法工具、报表工具、画面组态工具等，同时还提供算法的运行时环境。应用层提供参数模型管理、参数模型训练、机器视觉的训练与管理、智能寻优等应用工具，支持智能控制应用的设计和运行管理。

图2 ICS智能控制平台软件架构

ICS提供丰富的数据通讯方式，支持基于TCP、MQTT协议的数据采集，提供基于RESTful、gRPC、OPCUA等方式的数据服务接口。ICS服务器所有端口采用加固策略限制，通讯仅限于指定的设备之间，ICS与控制系统之间采用白名单的机制，只有在白名单内的测点才允许被回写，敏感数据采用加密的方式访问和存储。

综上所述，ICS的主要特点如下：

（1）该平台基于传统集散控制系统功能之上，提供虚拟化、分布式、弹性可伸缩的智能控制能力，以“软件定义控制”的方式满足智能工厂各类柔性、动态、分布式的高级控制及部署要求，形成流程行业生产运营的智能一体化方案。

（2）平台提供了基于Web技术的符合用户习惯的类IEC61131-3低代码组态调试工具，提供工业常用通用算法及流程行业专业算法，如智能检测、智能控制、智能寻优、智能监盘、智慧决策等；支持包括Matlab/Simulink、C/C++、Python、Java等语言开发的模型导入，方便用户积累沉淀现有成熟工业机理、机器学习模型及专家经验；工程师及用户可针对现场实际情况灵活配置、编排、调试已有行业机理及机器学习模型算法，加速应用落地及迭代升级。

（3）平台支持主流工业协议接入、具备工业异构数据融合能力，提供基于OPCUA开放的信息模型组织数据，配合低代码人机界面工具，工程师及用户快实现智能应用的数据集成及人机页面搭建。

（4）平台提供基于5G网络的闭环控制功能，通过5G+智能控制器+通用I/O+智能现场仪表，实现高可靠、安全的无线控制闭环，预期可以极大节省工厂工程实施、维护与运维成本。

（5）提供安全可信技术架构，基于工业生产与控制的特点，防护措施覆盖生产层到现场控制层，实现了控制与安全的真正深度融合，确保在工业互联网架构下，企业生产的主动信息安全防御能力。

3　代表性及推广价值

基于ICS的智能控制应用可围绕经济性、安全性、环保性目标充分挖掘创新技术应用的价值，为工业企业、社会产生积极的价值和贡献。

本方案采用ICS平台+智能应用的生态模式，平台软件系统采用低成本或免费销售模式，合作厂商通过平台开发规范形成特定行业客户的智能控制解决方案，实现对用户的价值。ICS平台具备通用性，可广泛应用于火电、热电、石化、新能源行业。

目前针对大型火电厂、石化企业的智能工厂项目总合同一般在800万~4000万之间，按1000万计算，该产品合同额占比约40%左右，纯利润率可达20%左右，总体利润可具备可观投资前景。投资回报率高，行业发展趋势明显，业绩增长块，预计3到5年可实现盈亏平衡。

典型应用场景：电厂智能监盘。

3.1　解决的问题

性能计算与耗差分析通过DCS系统实时准确获取现场数据，通过对电厂设备及系统参数进行实时监测、计算与分析，实时计算主要经济指标，全面、直观反映机组运行状况，对机组运行中的关键参数偏离基准值时产生的能耗与机组运行关键参数在基准时产生的能耗之差进行分析，明确给出其节能降耗潜力，使运行人员在这些结果的支持与指导下进行合理调整，达到深入分析机组运行特性、深挖机组节能潜力，最大限度地提高机组运行经济性的目的。通过对影响机组安全性、经济性的关键性指标进行偏差在线计算，对其发展变化趋势进行提前预测，产生预测性报警，以便于运行人员提前采取措施，最大限度地避免参数越限情况的发生。

3.2　应用情况

智能控制平台与现有DCS系统集成，在生产实时数据基础上，应用《GB10184-2015电站锅炉性能试验规程》《GB10184-2015电站锅炉性能试验规程》《ASME_PTC6-2004美国汽轮机性能试验规程》的要求作为参数计算的标准；应用机组汽水分布方程、系统功率方程、系统吸热方程等系统工程的分析方法，建立工艺系统及设备机理模型，通过分析计算和多目标自寻优，全面、精确、直观反映机组的运行状况、性能指标和能损分布及大小，明确给出机组不同工况下的节能降耗潜力和最佳控制目标，运行人员在计算结果的支持与指导下可以进行优化操作，调整机组运行方式，提升机组运行效率。

3.3　成效总结

性能计算通过对单个设备或子系统采用能量守恒、质量守恒，进行效率和其它计算，并综合单个设备和子系统效率计算整体机组效率、煤耗等参数。计算的结果实时在操作员站画面显示并在历史数据库中保存，提供DCS在线报表和趋势实时查询。

耗差分析采用能量平衡和汽轮机变工况计算方法，对机组运行中的关键参数偏离基准值时产生的煤耗与机组运行关键参数在基准时产生的煤耗之差，作为某一参数引起的煤耗偏差，分析结果实时在线推送给运行人员，运行人员在计算结果的支持与指导下可以进行优化操作，调整机组运行方式，提升机组运行效率。

性能计算与耗差分析系统提供操作员站实时监测画面，供运行人员实时在线监测和趋势查询、事故追忆，异常时自动报警。计算数据能送DCS协调优化、燃烧优化、制粉系统等控制回路，提高控制品质。

3.4　项目价值

结合现有系统情况，按照建设资源节约型、环境友好型的社会要求，降低能源消耗和满足环保要求，充分借鉴国内外的先进设计思想，打造与当地外部环境相融合及绿色环保一流发电和供热企业，积极采用成型的优化设计成果和国内外最新技术，充分优化系统配置及各项技术经济指标，控制工程投资，技术经济指标达到并超过同类热电的最好水平。

通过对锅炉、供热、脱硫脱硝等全系统进行优化控制升级，实现四个方面功能：

一是对锅炉燃烧系统进行优化自动控制；

二是对热电系统进行协调控制，母管协调控制；让锅炉快速响应供热的需求和自动控制；

三是实现环保参数的自动控制和越低排放的要求；四是控制画面集成，机炉电热集中监控，减少运行机位（这需要DCS统一才行，多套独立系统，要减少信息孤岛，逐渐统一，只能分步实现），减轻运行劳动强度，让运行解放出来，做更多其他事情，也为减人增效奠定基础。

通过实施智能边缘控制平台，一方面可以实现锅炉的全自动运行（40%~100%负荷），保证运行参数压红线运行，实现降低劳动强度、减员增效，最主要的是可以提高锅炉的经济效益2%左右，实现节能减排，项目的主要指标包括：

（1）实现锅炉及辅助系统的全自动优化运行，自动投入率不低于95%，降低工人劳动强度，提高安全生产水平。

（2）在工艺和设备正常情况下，实现重点工艺指标合格率均在99%以上，实现各控制指标波动比手动调节降低30%以上，各工艺指标控制平稳，减少波动。系统自动调整，减少误操作，从而减少操作事故停机。

（3）实现锅炉经济运行：在实现锅炉燃烧全自动控制的基础上实现锅炉给煤、一次风、二次风的二维优化以实现锅炉的最经济运行，提高锅炉效率1%以上。

（4）实现给水的减温水调节的全自动运行。

（5）实现供热温度和压力自动控制。

（6）实现供热与锅炉母管压力协调控制。

（7）实现脱硫脱硝的自动控制，达到超低排放要求，通过压红线运行，减少氨水和石灰使用量3%以上。

摘自《自动化博览》2024年5月刊