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国产自主可控智能DCS系统在大型燃煤电站的应用

2022-08-19杭州和利时自动化有限公司

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本项目案例通过采用和利时全国产自主可控系统HOLLiAS MACS IC完全自主可控DCS系统对大唐洛河电厂5号630MW机组的DCS和DEH控制系统进行升级改造和一体化控制改造。
1 背景

       以煤为主的能源结构决定了火电在我国电力生产中的主要地位。大型燃煤电站的生产安全、信息安全和智能化水平对于保证我国的能源安全,提升我国能源的利用效率有非常重要的意义。
 
    新形势下,工业信息的安全挑战面临复杂性和多样性,以往国内工控系统核心技术对国外的依赖,对我国构成更加严重的安全隐患和挑战,自主知识产权成为我国企业的生命线。服务于工业用户数字化升级新需求,工业用户将进入到数字化转型的进程中,大数据分析、工业物联网、移动设备、云技术、网络安全会得到广泛的应用,控制系统将更加开放,在开放的应用环境中,智能制造各层面都面临安全挑战,不仅仅包含控制系统的安全,还包含设备安全、网络安全、应用安全、数据安全等。早期DCS系统在系统设计方面对系统的本质安全考虑较少,系统抵御网络风险的能力较低,具有较大的网络安全的问题,因此和利时自主可控、安全可信控制系统的研究建设应运而生。
 
2 案例实施与应用情况
 
    从2000年以来,我国开始发展大容量高参数燃煤机组,当前很多DCS系统存在超期运行,系统功能已经不能满足当前需要,运行的旧型号的设备老化严重,缺少库存备件,进口品牌控制系统,系统的维护费用大幅增加,可靠性下降,系统的升级换代非常必要。
 
    本项目案例通过采用和利时全国产自主可控系统HOLLiAS MACS IC完全自主可控DCS系统对大唐洛河电厂5号630MW机组的DCS和DEH控制系统进行升级改造和一体化控制改造。
 
    本次改造机组DCS、DEH一体化控制I/O测点共计11,000余点,完成机组的DAS、MCS、SCS、FSSS、ECS、ETS、DEH等功能。整个控制系统的架构采用P2P结构,由上到下分为系统网络、控制网络两个层次。系统上层系统网络配五台操作员站(其中一台DEH操作员站)、三台工程师站(其中一台为DEH工程师站)、两台互相冗余的历史站、一台通讯接口站。下层控制网络共设计31个I/O控制站,配置31对K-CU12-C5控制器,46面机柜,883个I/O模块,所有卡件均为自主可控。其中DEH配置4个I/O控制站,配置8对K-CU12-C5控制器,实现汽机的BTC、ATC、ETS、AUX控制。MEH配置2对K-CU12-C5控制器,实现小机MEH、METS控制,伺服卡为完全自主可控冗余伺服卡,转速卡为完全自主可控转速卡。控制系统网络结构图如图1所示。

图1
图1 控制系统网络结构图

       项目从2021年6月确定采用全国产自主可控系统进行对机组原控制系统升级的技术路线,经过2个月的系统软件组态和硬件成套后,于2021年8月30日完成项目的出厂验收。2021年11月26日通过了中国自动学会发电专委会专家组现场性能和功能测试。两次系统的测试根据《火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则》DL/T 261-2012》和《火力发电厂分散控制系统验收测试规程DL/T 659-2016》两项行业标准,进行了38项系统功能和性能的测试,主要包括:冗余性能试验、系统容错性能试验、系统实时性测试、系统响应时间的测试、控制网络实时性测试、站间同步精度测试、抗干扰能力试验、模件安全性测试、开关量模件性能试验、AI/AO信号稳定性试验、输入参数修正功能的试验、超限诊断报警功能的试验、AO信号通道可靠性测试、模件可维护性试验、I/O通道冗余功能检查、测量信号冗余功能试验、SOE记录分辨力测试和事故追忆系统检查等。系统的各项技术指标和性能完全符合行业标准的要求,系统在实时性和稳定性等方面优于目前的控制系统。整套系统通过调试后,于2022年1月12日完成满负荷试运投入商业运行。
 
3 应用创新性分析
 
    项目采用全国产自主可控系统应用于大型火电机组的控制,实现机组的稳定生产,需要解决国产芯片的可靠性和稳定性、系统信息安全等诸多问题,同时国家“双碳”目标的实现也对能源电力行业的发展提出了新的要求,电力生产企业的生产的清洁和低碳化势在必行,对于控制系统来说,控制系统不仅仅只是满足常规控制的需要,平台具备叠加物联网、大数据、人工智能等新兴技术的能力,构建更精准、实时、高效的数据采集体系,建设包括存储、集成、访问、分析、管理功能的使能平台,实现工业技术、经验、知识模型化、软件化、复用化,满足工业App等形式的各类创新应用的运行环境。从而实现电力生产从自动化生产(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),实现企业运营品质的持续改善,真正实现企业生产的清洁和低碳化。

       为此,项目的实施采用“产、学、研、用”的技术路线,大唐安徽分公司召集大唐洛河电厂、华东电力设计院、大唐华东电力科学院和杭州和利时自动化有限公司设计了国产自主可控的DCS、DEH一体化的控制系统,并通过优化控制系统的架构,通过部署智能控制器、高级应用服务器、大型实时历史数据库等部件,建立基本控制、智能控制等层级之间的闭环联系,纵向打通直接控制与智能运行控制的界限,提供开放的高级应用环境,将常规DCS系统升级成智能控制系统。利用升级的智能控制系统强大的性能,运行采用大数据、人工智能、机器学习等数据分析技术和系统辨识、机理仿真、软测量、智能控制等先进控制技术的智能算法,实现机组的智能运行和控制的综合优化,保证机组高效、灵活、环保、智能的运行。系统架构如图2所示。

图2
图2 系统架构图
 
    在此基础上,开发出国产芯片和操作系统的控制系统,系统的核心组件全部采用国产化器件。所有嵌入式固件、上位机软件及组件,包括数据库、组态软件、画面软件都是基于Liux平台自主开发。 系统软件按照管控一体化思路设计,系统软件包含IT层管理软件和OT层控制软件的模块。用一套系统软件,就可以实现管理网和控制网平台的部署。系统按照超大型分布式系统设计,可满足智能化电厂大规模数据量处理和实时性的应用需求。例如单域120万点,单站36,000点项等。同时推进了双体系可信计算3.0体系架构在工业控制嵌入式领域的应用,为可信计算落地工业控制领域提供了可参考的技术实现架构,全面支持基于硬件国密计算的启动态和运行态可信度量能力,具备全生命周期的可信计算安全免疫能力,技术能力达到国际领先水平。
 
4 效益分析

       随着全国产自主可控DCS控制系统在大唐洛河630MW火电机组的成功投运,标志着作为大型火电机组控制的“大脑”成功应用了“中国芯”。项目的成功实施也实现了企业经济效益、安全效益和社会效益的三丰收。
 
    (1)经济效益
    此项目改造成本大幅较低,DCS一次性投入成本大幅降低。进入生产期,国产DCS售后服务、备件采购相比进口DCS,更加及时和低廉。在备件采购方面,按进口DCS每年30万元计算,国产DCS备件约17万元左右,每年成本降低13万,约占成本的48%。
 
    (2)安全效益

       此项目自投产至今,未发生一例因DCS问题导致的不安全事件,系统安全可靠,参数准确,策略合理。机组启动、运行及停机时,保护连锁动作正确,未发生过保护拒动、误动事件。现场设备出现故障、异常时,能及时报警提示运行人员,采取相应措施。系统本身容错能力较强,冗余的控制器、网络、交换机及服务器出现故障时,不影响现场工艺系统运行,处理过程不需停系统,系统安全性大大提高。

    (3)社会效益

       本项目所应用的国产自主可控DCS、DEH一体化DCS系统应用情况来看,目前国内DCS企业已完全掌握自主可控分散控制系统核心技术、打破对国外核心技术的依赖;同时,此项目的成功应用大幅降低电力企业建设和运维成本,打破了长期以来进口DCS价格昂贵、售后服务质量不高的局面。大型火力发电厂国产自主可控DCS的推广,对我国电力企业及其他工业行业建设有着非常实际的经济和社会意义。

    5 项目意义

       本项目案例采用国产自主可控系统HOLLiASMACS IC DCS在600MW以上超超临界火电机组的成功应用是自主工业领域芯片、数据库、操作系统、工业软件、自动化技术与大型火电行业技术的完美耦合,摆脱了国内工控系统核心技术对国外的依赖,解决了传统的工控安全应用领域供应链安全、信息安全、功能安全、本质安全等问题,实现了大型工业控制系统的全国产化升级改造,提升了我国发电领域DCS控制系统的技术水平,对保障国家能源安全具有重要意义。

       本文来源于《自动化博览》2022年第7期
责任编辑:杨培
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