曹俊義

（北京偉聯(lián)科技有限公司，北京 100080）

0 引言

依據(jù)《國(guó)華電力公司燃煤發(fā)電機(jī)組輔控網(wǎng)優(yōu)化改造指導(dǎo)意見》，啟動(dòng)“輔控進(jìn)集控”優(yōu)化改造工作，進(jìn)一步提升輔助車間控制的自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)管理效率，促進(jìn)人員技術(shù)技能水平提升，達(dá)到減人增效的目的。同時(shí)，在集控室增設(shè)輔控操作員站，實(shí)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(yùn)行管理、檢修維護(hù)管理和系統(tǒng)安全角度考慮，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(hù)和備件管理，提高機(jī)組安全運(yùn)行水平。

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

準(zhǔn)格爾電廠二期、三期輔控系統(tǒng)到目前為止，二期兩臺(tái)爐已經(jīng)運(yùn)行將近20年，三期兩臺(tái)爐也已經(jīng)運(yùn)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(jí)換代造成軟件驅(qū)動(dòng)、備品備件等也已經(jīng)跟不上了，現(xiàn)在陸續(xù)會(huì)出現(xiàn)一些問題：控制系統(tǒng)運(yùn)行緩慢，備品備件無法采購(gòu)，軟件升級(jí)新的計(jì)算機(jī)不支持。上位監(jiān)控系統(tǒng)由于計(jì)算機(jī)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(hù)工作量大；也由于原有網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，所有上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)全部訪問控制系統(tǒng)的控制器，造成控制器負(fù)荷太大，運(yùn)行緩慢。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用到的計(jì)算機(jī)都是Windows Xp 操作系統(tǒng)，現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)采購(gòu)不到支持Windows Xp 操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，采購(gòu)到Windows 7 操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)硬件故障，現(xiàn)在已經(jīng)無計(jì)算機(jī)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(dú)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(duì)應(yīng)各自獨(dú)立的上位機(jī)進(jìn)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(jìn)口PLC，具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)，共計(jì)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(jìn)行分析來看，目前電廠現(xiàn)有集控室7 間，主機(jī)程控室采用“雙機(jī)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(hào)機(jī)組主機(jī)控制室位于一、二號(hào)機(jī)組綜合樓12m；三、四號(hào)機(jī)組主機(jī)控制室位于三、四號(hào)機(jī)組綜合樓12m；脫硫、脫硝、電除塵、除灰于三、四號(hào)機(jī)組脫硫綜合樓10m，共有監(jiān)視、操作用電腦29 臺(tái)（前排操作員站25 臺(tái)，值長(zhǎng)及班長(zhǎng)臺(tái)4臺(tái)）。化學(xué)水控制室位于化學(xué)水綜合樓一樓，操作員站3 臺(tái)，制氫控制室位于制氫站，操作員站1 臺(tái)，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(tái)，輸煤控制室位于燃料綜合樓，工程師站1 臺(tái)，操作員站3 臺(tái)，共計(jì)38 臺(tái)。

2 國(guó)內(nèi)外調(diào)研報(bào)告

近些年新建機(jī)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(jì)時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)、施工。

在原分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)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(yùn)行穩(wěn)定性較高。

利用新增通訊設(shè)備進(jìn)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(duì)于其他品牌的PLC 通訊支持是有限的。

想要將多種PLC 進(jìn)行統(tǒng)一整合，又不改變?cè)蠵LC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(jī)方式，具體做法是在私有云機(jī)上承載桌面映像的方法，采用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源的集中管理和工業(yè)數(shù)據(jù)的碎片存儲(chǔ)。整個(gè)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(jì)的虛擬化平臺(tái)，該平臺(tái)的設(shè)計(jì)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(dá)到降低運(yùn)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(jìn)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(yùn)行模式并通過光纖通訊到二、三期主機(jī)集控室，數(shù)量由38 臺(tái)減至8 臺(tái)，其中2 臺(tái)操作員站（脫硫脫硝），2 臺(tái)操作員站（水網(wǎng)），2 臺(tái)操作員站（灰網(wǎng)），2 臺(tái)操作員站（煤網(wǎng)），瘦客戶端以遠(yuǎn)程桌面的方式連接各個(gè)系統(tǒng)供運(yùn)行人員進(jìn)行監(jiān)控。

3）鍋爐補(bǔ)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(gè)控制系統(tǒng)的報(bào)警信息、操作記錄及歷史曲線。在二、三期主機(jī)集控室各設(shè)置一臺(tái)瘦客戶端歷史站與其連接，供操作員進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)閱。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備參數(shù)任何一處有異常時(shí)，瘦客戶端均發(fā)出報(bào)警信息，操作員可以根據(jù)報(bào)警信息迅速鎖定異常設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

4）新配置兩臺(tái)虛擬機(jī)，用于將所有采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，并將報(bào)警數(shù)據(jù)單獨(dú)設(shè)計(jì)一套集中報(bào)警系統(tǒng)，將脫硫脫硝、輸煤、化學(xué)水、灰網(wǎng)、電除塵等報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行集中語音報(bào)警和聲光報(bào)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(jī)操作員站，應(yīng)用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源的集中管理。

整個(gè)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(jì)的虛擬化平臺(tái)[2]，該平臺(tái)的設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)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(dòng)態(tài)調(diào)整，而且即使硬盤故障也不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

整個(gè)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(tái)。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(jìn)行系統(tǒng)資源的動(dòng)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(tái)虛擬機(jī)不需要更改任何設(shè)置就可以運(yùn)行在不同的硬件上。

在私有云A 機(jī)柜內(nèi)部署3 臺(tái)計(jì)算服務(wù)器，1 臺(tái)雙控陣列存儲(chǔ)服務(wù)器，2 臺(tái)核心交換機(jī)[3]，同時(shí)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(tái)計(jì)算服務(wù)器，考慮到高可靠性，設(shè)置3 臺(tái)服務(wù)器作為故障轉(zhuǎn)移群。

在私有云B 機(jī)柜內(nèi)同時(shí)也部署3 臺(tái)計(jì)算服務(wù)器和1 臺(tái)磁盤存儲(chǔ)服務(wù)器，部署2 臺(tái)核心交換機(jī)，私有云A 和私有云B 采用核心交換機(jī)光纖直連。計(jì)算服務(wù)器和存儲(chǔ)服務(wù)器之間通過網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)iSCSI[5]實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，存儲(chǔ)服務(wù)器作為iSCSI 目標(biāo)服務(wù)器，在計(jì)算服務(wù)器內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)磁盤，同時(shí)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(jī)柜內(nèi)的3 臺(tái)計(jì)算服務(wù)器加入私有云A 的故障轉(zhuǎn)移群，形成兩個(gè)AD 域控部署在不同機(jī)柜內(nèi)，防止單個(gè)機(jī)柜故障后，故障轉(zhuǎn)移群失效。同時(shí)，日常采用備份機(jī)制把私有云A 的虛擬機(jī)備份到私有云B 的磁盤存儲(chǔ)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(dòng)私有云B 磁盤存儲(chǔ)內(nèi)的虛擬機(jī)，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(shí)完成兩個(gè)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(tái)工業(yè)私有云WiCloud，1 臺(tái)采用網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的方式放置在脫硫集控室，1 臺(tái)放置在二期水處理控制室，目前廠級(jí)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(jiǎn)單操作系統(tǒng)，原來輔網(wǎng)服務(wù)器全部遷移到WL-840B 云機(jī)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(jī)作為備品備件，它可以訪問本地的WL-820B 云機(jī)，也可以訪問輔網(wǎng)WL-840B 云機(jī)。當(dāng)出現(xiàn)極端情況WL-820B 和WL-840B 全部故障的時(shí)候，可以啟動(dòng)原機(jī)器內(nèi)的控制畫面，采用傳統(tǒng)方式進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)換為瘦客戶端，暫時(shí)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(tái)工控機(jī)轉(zhuǎn)換為瘦客戶端模式，原有2 臺(tái)服務(wù)器取消，除灰系統(tǒng)畫面做到輔網(wǎng)WL-840B 云機(jī)，取消除灰控制室原有工控機(jī)。

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(tái)操作員站轉(zhuǎn)換為瘦客戶端模式。畫面移植到WL-840B 云機(jī)，取消原有工控機(jī)。

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

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(jī)，取消脫硫原有工控機(jī)。

9）燃油泵房1 臺(tái)上位機(jī)移植到WL-840B 云機(jī)，取消原有工控機(jī)。

10）脫硫控制室設(shè)置8 臺(tái)瘦客戶端，用于對(duì)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(jī)中增加1 套報(bào)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(bào)警信息和操作信息。脫硫控制室另外設(shè)置1 臺(tái)瘦客戶端，與其連接可以查看報(bào)警信息和操作記錄。當(dāng)整套系統(tǒng)任何一處有報(bào)警時(shí)，瘦客戶端均發(fā)出報(bào)警信息，管理人員可以根據(jù)報(bào)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(duì)傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行整合，解決了傳統(tǒng)工控系統(tǒng)中上位機(jī)軟件和工控機(jī)不可分離，而且工控機(jī)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(jī)，導(dǎo)致操作系統(tǒng)升級(jí)，操作系統(tǒng)升級(jí)導(dǎo)致組態(tài)軟件升級(jí)的情況，以致于軟件升級(jí)成本大幅提高，另外很多工業(yè)企業(yè)1 個(gè)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(gè)難題，而通過工業(yè)私有云的WiP2V 技術(shù)[8]可以很輕松地實(shí)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(jī)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(jī)和服務(wù)器將原有34 臺(tái)機(jī)器整合為5 臺(tái)服務(wù)器，降低了能耗和維護(hù)成本，而且省掉了工控機(jī)維護(hù)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(jī)故障，設(shè)備均可自動(dòng)恢復(fù)。