热电联产企业分散控制系统（DCS）不同架构的应用及优缺点分析

仇辉

（宁波经济技术开发区热电有限责任公司生产技术部，浙江宁波 315803）

1.垂直架构DCS系统介绍及存在的缺点

MACS II平台采用的技术架构为垂直型，分别是服务器、工程师站、主控柜、操作员站、交换机，配置的计算机硬件为基于2003操作系统的电脑，每台主控柜含2台互为冗余的主控单位。

该架构下共使用4台交换机进行工业以太网搭建，网段分别是128.129.130.131。128.129为控制网段，为服务器、工程师站、主控单位提供数据交换、数据计算处理。130.131网段为操作网段，为操作员站操作、控制平台，并与服务器进行数据交换、处理，并将操作、控制情况反馈给服务器，其中服务器、工程师站同时使用4个网段，起到承上启下的作用。

从中我们可以发现2台服务器在整个架构当中的重要性，几乎所有的现场信息都归于服务器，命令控制又通过服务器下达到各个现场，这就对服务器的性能提出的很高的要求，整个分散控制系统能否安全稳定运行都基于这2台冗余服务器的稳定运行[1]。

该套系统每年利用主设备大小修有针对性的安排对硬件进行清灰、加油、更换冷却风扇等维护保养工作，但是经过近15年长时间的运行，电子元器件逐渐开始老化、损坏，导致系统硬件使用过程中存在不稳定、不可靠的问题。主要暴露的问题为：

1.1 架构上的缺点

整套DCS系统太依靠服务器的性能，虽然服务器采用了当时先进的惠普服务器，每台服务器配置双电源、双硬盘、四网卡，但是在实际应用过程中仍会发生主或备服务器死机、宕机现象，导致在锅炉、汽机主设备运行过程中失去备用服务器或主、备切换，甚至发生失去服务器连接的现象导致锅炉、汽机主设备因无法监视、操作而被迫停炉、停机的故障，严重影响企业设备安全稳定运行。

1.2 平台使用硬件替代性的缺点

MACS II平台是和利时公司利用引进国外技术开发的产品，在整体设计、硬件使用上并没有完全国产化，和利时公司在后续平台开发中，结合国内外技术和现场使用经验，直接跳过MACS II平台系统。我方在后续使用过程中缺少该平台系统补丁或更新程序，一旦涉及需要更换硬件或升级相关硬件就需要将整个平台进行升级，不利于系统后续的优化及相关硬件更新。

1.3 系统设计规范上的缺点

国产分散控制系统是在引进国外技术的基础上进行开发，在2000年后开始大范围使用，当时在系统设计上规范要求相对低。

当时的DCS系统在供电双电源方面，采用了2套不同厂用电供电的方式，开关电源模块功能定义比较笼统，在抗系统冲击，无扰切换方面存在着问题，导致系统硬件电源经常发生切换重启，不利于整套控制系统在日常运行过程中安全稳定的运行。

锅炉机组保护设计方面，因当时条件受限，保护信号只进入主控单位进行逻辑判断，只有软逻辑并无硬回路的冗余设计，导致一旦主控单元出现问题，软逻辑无法提供保护判断时，没有后备硬回路保护。相关逻辑保护程序设计功能单一、思路烦琐，并与现场信号采集、处理在同一主控单元内进行，运算速度、效率低导致可靠性、安全性下降。

1.4 DCS系统软件操作、组态上的缺点

工程师站在完成组态编译后，并不是直接将所在修改的程序文件下装到对应的主控单元，而是需要另外生成下装文件先下装到备用服务器，再将备用服务器切换成主服务器，重新下装一次文件到原主服务器，最后主控单位从服务器读取下装程序，导致每次进行小修改都需对服务器进行下装重启，MACS II系统服务器在切换过程中并不是无扰切换，在新程序文件更新到服务器过程中，操作员站因切换更新无法读取数据和操作，整个主设备处于无法监视中，前期文件相对小，切换影响的时候只有不到1min，后期逐渐到5min无法监视，这对机组安全稳定运行带来了很大的风险。

2.平行架构DCS系统设计及优势

针对该套系统运行下来后反映出的各种问题，与和利时公司工程师进行充分长期的沟通，并对改造的各种可能性进行分析后，决定在恰当的时机对该套系统进行升级改造。在充分考察和利时后续开发出来的平台软件，考虑到我公司是热电联产型企业，锅炉、汽机并不是单元机组形式，而是采用主母管制形式，从安全、使用便利性方面出发决定直接跳过MACS III、MACS V5系统平台，而采用和利时的MACS V6平台。

MACS III、MACS V5平台基于MACS II平台的基础重新研究开发出来，架构上依旧采用垂直结构，垂直结构的中心环节仍是服务器，虽然在软件、硬件上重新研究设计制造，解决了之前的软件、硬件的很多问题和缺陷，但是从分散控制的理念上并没有将风险完全分散出去，做到各个系统相对独立安全[2]。

MACS V6平台是完全摒弃原有垂直架构，采用了全新的平行架构。

整个平行架构的工业以太网只采用2个网段，分别是128.129网段，工程师站、操作员站、历史站、主控单元统统挂在这2个网段。整个架构摒弃了原服务器功能，现场的数据采集、输送、处理、反馈都通过这2个网段在操作员站、主控单元之间进行链接，只设置了2台历史站进行简单的历史数据存储功能。

该系统平台相对原平台存在以下优点：

（1）所有硬件都是相对独立存在于工业以太网上，真正完全实现了分散控制，每台操作员直接读取各个主控单元的数据，每个操作员站的操作、控制直接到对应的主控站，使控制、反馈更加分散、安全。

（2）工程师站编译下装直接在对应的主控单元内进行操作、编译、下装，对其他主控单元、操作员站没有任何影响，在主控单元进行编译下装都是无扰进行，对正在运行的设备没有任何影响。

（3）一个I/O主控柜内的现场信号采集、处理、监视、反馈、控制，可以简单由一台操作员站在同一网段内全部完成，不再像原来要通过服务器、控制网、操作网进行沟通，减少了大量的中间节点，使整个控制更加简化、风险更少。

（4）充分预留了软件和硬件的可拓展性。该版本的软件已经较为成熟，后期主要是版本软件的补丁升级，不存在更新的软件和硬件不匹配的问题，不会发生软件进行升级需更换硬件或硬件更新需更换软件等问题。省小火电高温高压升级改造的政策窗口，结合主设备高温高压的升级改造对原控制系统MACS II系统进行相应升级改造，用基于MACS V6.5平台火电版K系列对升级改造完的锅炉、汽机进行控制，K系列基于工业以太网和PROFIBUS-DP现场总线构架，集成基于HART标准协议的AMS对现场智能设备进行统一管理，并且可以轻松集成SIS、PLC、MES、ERP等系统，使现场智能仪表设备、控制系统、企业资源管理系统之间的信息无缝传送，实现工厂智能化、管控一体化。

整套MACS V6.5系统主要为控制升级改造后的2台高温高压锅炉（75t/h+100t/h）、一台高温高压背压机组（6MW）、一台高温高压抽凝机组（15MW）及公用配套设备，采用了7个控制站来分别控制以上的系统或设备，另外，又单独设立2个控制站来控制机组的保护和调节系统，共9个控制站；配备12台操作站对现场设备进行操作监视；配套2套相互独立的工程师和历史站（对应独立的一炉一机单元机组模式）。

3.平行架构DCS的实际应用特点

结合平行架构和垂直架构的优缺点，我公司利用浙江

3.1 硬件方面

新的I/O控制站主控单元采用2台K-CU01，具有比之前主控更强大的计算处理和数据采集扫描能力，同时摒弃原主控1主1备模式，采用双机热备进行I/O扫描，为保证在所有的时间复制的数据库的一致性，也为了避免复制轮询对现场设备增加不必要的负载，新主控支持运算周期为500ms扫描一次（特殊模块可支持250ms），最多可支持处理I/O物理点为1600点，所有模块硬件均支持在线热插拔。

整个I/O控制机柜方面，在设计和布局上相比原系统更专业化、冗余化、简易化，将机柜内所有模块、功能块及连接线进行模块化、制式化，杜绝之前系统存在的同类模块放置混乱、接线杂乱等问题。按照电源使用功能的区别分别设计了系统电源、查询电源、现场电源以供不同电源需求使用，即提高了电源可靠性，又保证不同设备之间的物理隔离，提高安全性；网络设计上系统工业以太网通过主控双网卡，实现数据的冗余上传和相互热机备份，保证对外数据的统一性和及时性。内部控制网链路通过双份冗余I/O BUS模块取代原来通过模块DP之间进行互联，杜绝之前发生的莫一模块故障，导致该模块后的其他模块失去DP通信，保证系统柜内部DP网冗余安全可靠。经过一系列的改造，使新机柜比原机柜更加安全、整洁、可靠，同时带来检修的便利性，故障更易及时发现处理。

网络交换机方面使用二台和利时通过公安部认证的安全工业交换机以替换原4台3com交换机，只允许和利时数据进行通讯，增加网络的安全，消除病毒干扰及网络风暴风险。

I/O功能模块上随着中国电子工业水平的发展，K系列模块相比原FM系列模块更加小型化、统一化、模块化，在同样的空间结构中可以进行更合理更多的布局，同时进一步减轻我方使用过程中模块、底座的备用数量。

3.2 软件方面

工程师硬件组态上可以在线直接进行硬件的添加或删除，无须像之前那样必须等主设备停运后再进行添加或删除后进行初始化下装，为系统硬件拓展带来极大便利性和安全性。

软件编译过程操作步骤进一步简化，并实现相同功能的一键化，预防工程师因为操作步骤多、次序多导致出现的各种编程误操作、误下装，提高软件编程的便利性。

软件调试应用层面可视化、自动化程度提高，便于调试人员实时在线观察参数修改后带来的变化。

相对于原系统软件，新系统提供了大量模块化程序、火电行业特性功能程序块，便于工程师进行直接调用，避免工程师为复杂功能进行烦琐的程序写入，同时也为新功能提供了自由化的组块功能，便于在日常维护过程积累更多习惯性的程序。另外，还提供大量的文件库，便于进行这方面程序的更新。

系统软件将原数据库系统、硬件组态、主控编译进行了融合统一，避免了之前进行一项组态需进行3个软件的操作，在统一平台软件内部完成数据库编辑、硬件组态、主控程序写入等需上位机实现的功能，更有利于工程师上手、缩短组态程序写入时间。

程序编译完成后无需生产文件下装、切换服务器，直接可将程序写入主控单元，主控单元进行自动相互备份，同时在操作员站就可以体现出来。

操作员站声光报警方面可按I/O主控站号、操作员站号进行报警显示条分类分色分站号显示，既保证系统报警信息的全面性，又有独立的针对性，同时对上位机所有的信息、操作记录进行收集和保存，以便历史查询；改进了原先的历史数据查询的局限性，保证重要历史数据保存3年以上，为环保、碳排放数据采集提供了大数据平台。

在所有操作控制计算机上安装和利时特定系统软件，并加装白名单系统对硬件软件环境进行保护，杜绝流氓软件、后门病毒进入控制系统中，大大提高了外来网络攻击防护等级。

机组逻辑保护方面在程序块开发上进行了完善，将类似信号处理，功能一致的分段程序进行了模块化、统一化、制式化，使整个软保护停机程序更加简洁、清楚，便于调试过程中及时纠错。系统同时为软保护停机单独配置双冗余主控单元，将现场信号采集、处理、控制与保护逻辑运算独立分开，以保证保护逻辑运算的速度、可靠性及独立性。除程序软逻辑外，在保护柜内架设一套完全独立于程序外的保护硬回路，以保证DCS程序失效时依旧有可靠的保护装置[3]。

4.结语

升级改造后的主控系统对应各自主设备，I/O机柜、模块、电源都相对原来更加独立、分散，在使用过程中更有以下的好处：（1）完善的电源、网络、硬件冗余机制改进，保证控制的可靠性；（2）单层控制网结构简洁，操作方便，安全可靠；（3）操作员与控制器点对点通讯，保证可靠的数据采集和操作；（4）丰富的历史数据，提供数据采集的备份功能；（5）操作站直接与控制站直接通讯，系统更加稳定，风险更加分散，减轻了网络数据负荷，提高了系统的稳定度；（6）下装完全无扰，在机组运行中进行实时修改编译。

MACSV 6 K系列在实际应用过程中既体现了标准化、集成化、开放化、控制速度快、结构简单的特点，又综合了控制功能强大、冗余、热插拔、强调高可靠不停机使用的要求，综合体现了离散过程和连续过程自动化的要求。结合DCS系统垂直架构和平行架构在实际应用过程中反映出的优缺点，在未来，平行架构会逐渐变成DCS系统的主流架构，特别是应用在更高要求的大火电、大化工等要求连续性生产企业中。