自主可控分散控制系统在330MW机组控制中的应用

2021-05-28颜彦彬袁爱东

仪器仪表用户 2021年5期

颜彦彬，袁爱东，纪政，吴科

（1.江苏华电扬州发电有限公司，江苏扬州 225007；2.南京国电南自维美德自动化有限公司江苏省基于自主可控技术的智能电厂工程技术研究中心，南京 210032）

0 引言

长期以来，中国发展主要依靠引进和利用国外技术，但现阶段已不可能拿到关键核心技术。近十多年来，经过国家科技重大专项的长期支持，国产关键软硬件技术已经取得重大突破[1,2]。在电力行业，核心控制系统和装备的自主化越来越受到重视，作为发电机组控制核心和大脑的分散控制系统（Distribute Control System，DCS），其国产化和自主化工作也取得了较大的进展。

中国华电集团有限公司依托南京国电南自维美德自动化有限公司，在业内较早地开展了分散控制系统核心软硬件国产化工作，与中国电子下属的天津飞腾公司深度合作，开展核心技术自主化攻关工作。经过两年多的联合开发，明确了技术路线和主要软硬件选型，解决了CPU指令集迁移、I/O总线通讯设计实现等一系列问题，攻克了安全过程控制站、多主站并发通信系统、工控系统信息安全构架方案等一系列硬件设计和软件开发难题，研制出自主化的maxICS分散控制系统。该系统在某电厂330MW机组控制改造中进行了实际应用。

本文介绍了基于maxICS分散控制系统的基本架构，以及在330MW机组控制系统改造中的第三方测试和实际应用效果。

1 系统基本架构及自主化特点

1.1 系统基本架构

maxICS大型分散控制系统在设计上传承了国电南自原有系统的主要技术特点，整体构架采用高度分散和分布式的原则，遵循无服务器、无核心节点的去中心化设计。系统整体自下而上分为4个层次，分别是：现场层、实时控制层、监控层和厂级管理层，分别完成现场信号采集与输出、实时控制运算与通讯、监视与控制以及上层管理功能。

监控层与实时控制层在物理上直接通过交换机连接，没有中心服务器及其他中间环节，所有节点均为对等关系，采用独有的软件背板（Software Backplane，SBP）协议，结合变化量传输、订阅-发布机制、安全令牌传递等技术，实现节点之间的低带宽、高效、安全和可靠数据交互。

系统功能齐全，可支持10万点以上规模的大型应用场合，实现从最上层的工厂管理信息系统到现场实时控制的全过程，满足大型电站一体化控制功能和性能要求。

1.2 国产化硬件系统

本系统过程控制站（Distributed Processing Unit，DPU）采用天津飞腾公司FT1500/4型CPU[3]，该CPU采用28nm制程，包含4个FTC660核心，兼容ARM V8指令集，时钟频率1.5GHz，三级缓存分别为32KB、2MB和8MB，集成2个DDR3存储控制器以及PCIE等其他接口，整体性能相当于Intel i3-650 CPU。CPU微内核架构如图1所示。

系统围绕自主化核心处理器（FT-1500 CPU）开展过程控制站研制，扩展了必要的外围电路，包括电源转换模块、超级电容模块、热备网络模块、冗余通讯网络模块、拨码开关、存储器模块、测温模块、LED指示灯模块、显示模块和USB接口模块等。整个过程控制站的结构如图2所示。

开发了高可靠性和高实时性的多主站I/O串行通讯系统，与运算处理器互相独立，结合执行时序同步技术，保证运算、通信的实时性和可靠性。

I/O模件采用双路高速串行总线，实现高速冗余的I/O层级通信。在I/O模件的测量回路中，设计了完善的自校验功能，可以保证长时间运行信号测量和输出的准确性而无需人工校验。采用基于IRIG-B码对时的时间顺序记录（SOE）机制，可实现跨电子间的不超过1ms时间顺序记录精度。

图1 FT1500 CPU微内核架构Fig.1 FT 1500 CPU microkernel architecture

图2 基于飞腾CPU的过程控制站架构图Fig.2 Architecture of process control station based on Feiteng CPU

系统还与国产计算机和国产交换机进行了适配，实现对更多国产硬件的支持。

1.3 国产化软件系统

围绕基于自主CPU开发的过程控制站，开发了深度裁剪的高实时性安全加固嵌入式Linux操作系统，实现了控制任务分周期执行和最快10ms的回路处理周期。

该操作系统基于开源Linux 4.x内核，根据应用场景的需要进行了深度的裁剪和定制，应用了实时性增强补丁包，去除了Telnet、HTTP和FTP等系统不需要的组件和服务，提供一个最小化的轻量级图形化人机界面，用于系统调试和出厂设置。对任务调度机制进行了优化，将系统级任务、不同优先级的控制任务和通讯任务分配到4个内核上运行，充分利用CPU的多核优势。

过程控制站之间以及过程控制站与监控系统计算机之间的通信，也采用统一的软件背板协议。在Linux操作系统上，通过C和C++两种语言实现了该通讯协议，以提高代码执行效率和支持面向对象的数据建模要求，具备大容量和高速的特点，支持带有质量码的多种常规数据类型和复合型数据类型的连接、断开连接、订阅读取、取消订阅、读、连续读、快速读、写、连续写、快速写等全功能软件背板操作。

通过操作系统深度定制和裁剪、实时性增强、全功能软件背板协议的实现、任务多核分配等，开发了过程控制站的国产化软件系统，实现控制任务和通讯任务的高效稳定运行，且保持了与原有系统良好的兼容性和互操作性。

1.4 系统安全性设计

系统网络安全是工控系统必须着重考虑的一个因素。系统在安全性方面进行了一系列改进，系统自身具备安全访问控制功能，采用自定义的软件背板通讯协议和安全令牌传递，协议报文进行了部分加密和压缩，采用白名单认证机制，只有预定义的设备才可以互相通讯，系统具备网络风暴抑制功能。

系统还可以通过在监控系统主机配置白名单软件，杜绝未知程序的运行；在系统边缘安装入侵检测系统和网络审计系统，对系统所有通讯报文进行深度解析，对网络行为进行监视、诊断和审计，并对系统中出现的异常和威胁进行即时预警和记录。

2 某电厂330MW机组控制应用实现

2.1 项目概况

某电厂330MW机组锅炉采用东方锅炉厂生产的DGl036/18.2—114型锅炉。为亚临界参数、四角切圆燃烧方式、自然循环汽包炉。单炉膛п型露天布置，燃用烟煤，一次再热，平衡通风、固态排渣，全钢架、全悬吊结构。采用正压直吹式制粉系统，配置5台HP843型中速磨煤机，4台磨煤机可带MCR负荷，1台备用。燃烧器采用四角布置切圆燃烧方式，过热蒸汽主要采用三级喷水减温方式调温，燃烧调节为辅。正常工况下，以一级减温器作为主调，三级减温器作为微调，二级减温器作为备用或调左右侧汽温偏差。再热蒸汽主要采用燃烧器摆动进行调温，微量喷水减温为辅，并设有事故喷水减温。

汽轮机采用哈尔滨汽轮机厂N330-16.67/538/538亚临界一次中间再热、单轴、高中压合缸、双缸双排汽、抽汽凝汽式汽轮机，配置30%额定容量的Ⅱ级串联旁路系统，八级回热，配备3台50%容量给水泵，两台汽动给水泵由小汽轮机驱动方式，另有1台电动给水泵。每台机组配置2台循环水泵和1根循环水压力母管。循环冷却水采用单元制的二次循环供水系统[4]。

机组由江苏省电力设计院设计，江苏方天调试。将锅炉和汽轮发电机组作为1个单元整体进行控制，原DCS系统，包括DAS、CCS、FSSS、SCS、DEH、MEH、BPS、ECS和脱硫系统。TSI仪表使用的是Bently3500，ETS使用西门子的PLC，辅控（除灰和排渣）用的是施耐德的PLC。系统于2005年投产，运行至今已超过14年，控制系统元器件存在一定的老化问题。

本次改造采用基于自主可控国产过程控制站的方式控制系统替代原有控制系统，涉及到不同厂家DCS的替换，制定了详细的方案，采用1比1替换方式，外部接线尽量不动，在改造过程中，对部分硬件系统和软件控制逻辑进行了优化[5,6]。

2.2 主机控制系统DCS

系统划分为单元机组及公用系统，单元机组分为锅炉（含电气）、汽机，共2个电子设备间。单元机组锅炉系统I/O测点数3904点、汽机系统2931点、电气ECS系统945点。系统包含4个远程站（单元机组循环水泵房远程站、炉顶汽包小室远程站、废水零排远程站、发电机远程站）。锅炉系统含有27面机柜，其中1面电源柜、1面网络柜、1面link柜，共计14对DPU。汽机电子间含有27面机柜，其中1面电源柜，共计15对DPU。电气系统含4面控制柜、2对DPU。共使用2对华为交换机，1对在锅炉电子间、1对在汽机电子间，4个兆越的一光四电交换机分别布置在4个远程柜中；公用系统包括：公用电气、空压机、燃油泵，保持在原系统中，单元机组的操作控制方式不变。

DCS人机界面单元机组包括：6台操作员站、2台工程师站；1台LINK通信站；2台历史站、1台OPC通讯站。其中，设置2台跨域代理服务器，4台具备分屏功能（至大屏），2台配置事件服务。厂用电气监控系统、SIS系统，通过LINK站与DCS系统进行通讯。

根据工艺要求，在控制器内设置有不同的执行周期；对于顺序控制和保护回路，合理设置功能块执行顺序，保证保护回路可靠性；重要保护信号采用软硬件冗余与品质判断，提高了信号可靠性；采用自定义功能块编写了特殊功能块，满足工艺控制要求；根据用户需要设计了清晰直观的流程画面和操作画面。