熱電聯產企業分散控制系統（DCS）不同架構的應用及優缺點分析

仇輝

（寧波經濟技術開發區熱電有限責任公司生產技術部，浙江寧波 315803）

1.垂直架構DCS系統介紹及存在的缺點

MACS II平臺采用的技術架構為垂直型，分別是服務器、工程師站、主控柜、操作員站、交換機，配置的計算機硬件為基于2003操作系統的電腦，每臺主控柜含2臺互為冗余的主控單位。

該架構下共使用4臺交換機進行工業以太網搭建，網段分別是128.129.130.131。128.129為控制網段，為服務器、工程師站、主控單位提供數據交換、數據計算處理。130.131網段為操作網段，為操作員站操作、控制平臺，并與服務器進行數據交換、處理，并將操作、控制情況反饋給服務器，其中服務器、工程師站同時使用4個網段，起到承上啟下的作用。

從中我們可以發現2臺服務器在整個架構當中的重要性，幾乎所有的現場信息都歸于服務器，命令控制又通過服務器下達到各個現場，這就對服務器的性能提出的很高的要求，整個分散控制系統能否安全穩定運行都基于這2臺冗余服務器的穩定運行[1]。

該套系統每年利用主設備大小修有針對性的安排對硬件進行清灰、加油、更換冷卻風扇等維護保養工作，但是經過近15年長時間的運行，電子元器件逐漸開始老化、損壞，導致系統硬件使用過程中存在不穩定、不可靠的問題。主要暴露的問題為：

1.1 架構上的缺點

整套DCS系統太依靠服務器的性能，雖然服務器采用了當時先進的惠普服務器，每臺服務器配置雙電源、雙硬盤、四網卡，但是在實際應用過程中仍會發生主或備服務器死機、宕機現象，導致在鍋爐、汽機主設備運行過程中失去備用服務器或主、備切換，甚至發生失去服務器連接的現象導致鍋爐、汽機主設備因無法監視、操作而被迫停爐、停機的故障，嚴重影響企業設備安全穩定運行。

1.2 平臺使用硬件替代性的缺點

MACS II平臺是和利時公司利用引進國外技術開發的產品，在整體設計、硬件使用上并沒有完全國產化，和利時公司在后續平臺開發中，結合國內外技術和現場使用經驗，直接跳過MACS II平臺系統。我方在后續使用過程中缺少該平臺系統補丁或更新程序，一旦涉及需要更換硬件或升級相關硬件就需要將整個平臺進行升級，不利于系統后續的優化及相關硬件更新。

1.3 系統設計規范上的缺點

國產分散控制系統是在引進國外技術的基礎上進行開發，在2000年后開始大范圍使用，當時在系統設計上規范要求相對低。

當時的DCS系統在供電雙電源方面，采用了2套不同廠用電供電的方式，開關電源模塊功能定義比較籠統，在抗系統沖擊，無擾切換方面存在著問題，導致系統硬件電源經常發生切換重啟，不利于整套控制系統在日常運行過程中安全穩定的運行。

鍋爐機組保護設計方面，因當時條件受限，保護信號只進入主控單位進行邏輯判斷，只有軟邏輯并無硬回路的冗余設計，導致一旦主控單元出現問題，軟邏輯無法提供保護判斷時，沒有后備硬回路保護。相關邏輯保護程序設計功能單一、思路煩瑣，并與現場信號采集、處理在同一主控單元內進行，運算速度、效率低導致可靠性、安全性下降。

1.4 DCS系統軟件操作、組態上的缺點

工程師站在完成組態編譯后，并不是直接將所在修改的程序文件下裝到對應的主控單元，而是需要另外生成下裝文件先下裝到備用服務器，再將備用服務器切換成主服務器，重新下裝一次文件到原主服務器，最后主控單位從服務器讀取下裝程序，導致每次進行小修改都需對服務器進行下裝重啟，MACS II系統服務器在切換過程中并不是無擾切換，在新程序文件更新到服務器過程中，操作員站因切換更新無法讀取數據和操作，整個主設備處于無法監視中，前期文件相對小，切換影響的時候只有不到1min，后期逐漸到5min無法監視，這對機組安全穩定運行帶來了很大的風險。

2.平行架構DCS系統設計及優勢

針對該套系統運行下來后反映出的各種問題，與和利時公司工程師進行充分長期的溝通，并對改造的各種可能性進行分析后，決定在恰當的時機對該套系統進行升級改造。在充分考察和利時后續開發出來的平臺軟件，考慮到我公司是熱電聯產型企業，鍋爐、汽機并不是單元機組形式，而是采用主母管制形式，從安全、使用便利性方面出發決定直接跳過MACS III、MACS V5系統平臺，而采用和利時的MACS V6平臺。

MACS III、MACS V5平臺基于MACS II平臺的基礎重新研究開發出來，架構上依舊采用垂直結構，垂直結構的中心環節仍是服務器，雖然在軟件、硬件上重新研究設計制造，解決了之前的軟件、硬件的很多問題和缺陷，但是從分散控制的理念上并沒有將風險完全分散出去，做到各個系統相對獨立安全[2]。

MACS V6平臺是完全摒棄原有垂直架構，采用了全新的平行架構。

整個平行架構的工業以太網只采用2個網段，分別是128.129網段，工程師站、操作員站、歷史站、主控單元統統掛在這2個網段。整個架構摒棄了原服務器功能，現場的數據采集、輸送、處理、反饋都通過這2個網段在操作員站、主控單元之間進行鏈接，只設置了2臺歷史站進行簡單的歷史數據存儲功能。

該系統平臺相對原平臺存在以下優點：

（1）所有硬件都是相對獨立存在于工業以太網上，真正完全實現了分散控制，每臺操作員直接讀取各個主控單元的數據，每個操作員站的操作、控制直接到對應的主控站，使控制、反饋更加分散、安全。

（2）工程師站編譯下裝直接在對應的主控單元內進行操作、編譯、下裝，對其他主控單元、操作員站沒有任何影響，在主控單元進行編譯下裝都是無擾進行，對正在運行的設備沒有任何影響。

（3）一個I/O主控柜內的現場信號采集、處理、監視、反饋、控制，可以簡單由一臺操作員站在同一網段內全部完成，不再像原來要通過服務器、控制網、操作網進行溝通，減少了大量的中間節點，使整個控制更加簡化、風險更少。

（4）充分預留了軟件和硬件的可拓展性。該版本的軟件已經較為成熟，后期主要是版本軟件的補丁升級，不存在更新的軟件和硬件不匹配的問題，不會發生軟件進行升級需更換硬件或硬件更新需更換軟件等問題。省小火電高溫高壓升級改造的政策窗口，結合主設備高溫高壓的升級改造對原控制系統MACS II系統進行相應升級改造，用基于MACS V6.5平臺火電版K系列對升級改造完的鍋爐、汽機進行控制，K系列基于工業以太網和PROFIBUS-DP現場總線構架，集成基于HART標準協議的AMS對現場智能設備進行統一管理，并且可以輕松集成SIS、PLC、MES、ERP等系統，使現場智能儀表設備、控制系統、企業資源管理系統之間的信息無縫傳送，實現工廠智能化、管控一體化。

整套MACS V6.5系統主要為控制升級改造后的2臺高溫高壓鍋爐（75t/h+100t/h）、一臺高溫高壓背壓機組（6MW）、一臺高溫高壓抽凝機組（15MW）及公用配套設備，采用了7個控制站來分別控制以上的系統或設備，另外，又單獨設立2個控制站來控制機組的保護和調節系統，共9個控制站；配備12臺操作站對現場設備進行操作監視；配套2套相互獨立的工程師和歷史站（對應獨立的一爐一機單元機組模式）。

3.平行架構DCS的實際應用特點

結合平行架構和垂直架構的優缺點，我公司利用浙江

3.1 硬件方面

新的I/O控制站主控單元采用2臺K-CU01，具有比之前主控更強大的計算處理和數據采集掃描能力，同時摒棄原主控1主1備模式，采用雙機熱備進行I/O掃描，為保證在所有的時間復制的數據庫的一致性，也為了避免復制輪詢對現場設備增加不必要的負載，新主控支持運算周期為500ms掃描一次（特殊模塊可支持250ms），最多可支持處理I/O物理點為1600點，所有模塊硬件均支持在線熱插拔。

整個I/O控制機柜方面，在設計和布局上相比原系統更專業化、冗余化、簡易化，將機柜內所有模塊、功能塊及連接線進行模塊化、制式化，杜絕之前系統存在的同類模塊放置混亂、接線雜亂等問題。按照電源使用功能的區別分別設計了系統電源、查詢電源、現場電源以供不同電源需求使用，即提高了電源可靠性，又保證不同設備之間的物理隔離，提高安全性；網絡設計上系統工業以太網通過主控雙網卡，實現數據的冗余上傳和相互熱機備份，保證對外數據的統一性和及時性。內部控制網鏈路通過雙份冗余I/O BUS模塊取代原來通過模塊DP之間進行互聯，杜絕之前發生的莫一模塊故障，導致該模塊后的其他模塊失去DP通信，保證系統柜內部DP網冗余安全可靠。經過一系列的改造，使新機柜比原機柜更加安全、整潔、可靠，同時帶來檢修的便利性，故障更易及時發現處理。

網絡交換機方面使用二臺和利時通過公安部認證的安全工業交換機以替換原4臺3com交換機，只允許和利時數據進行通訊，增加網絡的安全，消除病毒干擾及網絡風暴風險。

I/O功能模塊上隨著中國電子工業水平的發展，K系列模塊相比原FM系列模塊更加小型化、統一化、模塊化，在同樣的空間結構中可以進行更合理更多的布局，同時進一步減輕我方使用過程中模塊、底座的備用數量。

3.2 軟件方面

工程師硬件組態上可以在線直接進行硬件的添加或刪除，無須像之前那樣必須等主設備停運后再進行添加或刪除后進行初始化下裝，為系統硬件拓展帶來極大便利性和安全性。

軟件編譯過程操作步驟進一步簡化，并實現相同功能的一鍵化，預防工程師因為操作步驟多、次序多導致出現的各種編程誤操作、誤下裝，提高軟件編程的便利性。

軟件調試應用層面可視化、自動化程度提高，便于調試人員實時在線觀察參數修改后帶來的變化。

相對于原系統軟件，新系統提供了大量模塊化程序、火電行業特性功能程序塊，便于工程師進行直接調用，避免工程師為復雜功能進行煩瑣的程序寫入，同時也為新功能提供了自由化的組塊功能，便于在日常維護過程積累更多習慣性的程序。另外，還提供大量的文件庫，便于進行這方面程序的更新。

系統軟件將原數據庫系統、硬件組態、主控編譯進行了融合統一，避免了之前進行一項組態需進行3個軟件的操作，在統一平臺軟件內部完成數據庫編輯、硬件組態、主控程序寫入等需上位機實現的功能，更有利于工程師上手、縮短組態程序寫入時間。

程序編譯完成后無需生產文件下裝、切換服務器，直接可將程序寫入主控單元，主控單元進行自動相互備份，同時在操作員站就可以體現出來。

操作員站聲光報警方面可按I/O主控站號、操作員站號進行報警顯示條分類分色分站號顯示，既保證系統報警信息的全面性，又有獨立的針對性，同時對上位機所有的信息、操作記錄進行收集和保存，以便歷史查詢；改進了原先的歷史數據查詢的局限性，保證重要歷史數據保存3年以上，為環保、碳排放數據采集提供了大數據平臺。

在所有操作控制計算機上安裝和利時特定系統軟件，并加裝白名單系統對硬件軟件環境進行保護，杜絕流氓軟件、后門病毒進入控制系統中，大大提高了外來網絡攻擊防護等級。

機組邏輯保護方面在程序塊開發上進行了完善，將類似信號處理，功能一致的分段程序進行了模塊化、統一化、制式化，使整個軟保護停機程序更加簡潔、清楚，便于調試過程中及時糾錯。系統同時為軟保護停機單獨配置雙冗余主控單元，將現場信號采集、處理、控制與保護邏輯運算獨立分開，以保證保護邏輯運算的速度、可靠性及獨立性。除程序軟邏輯外，在保護柜內架設一套完全獨立于程序外的保護硬回路，以保證DCS程序失效時依舊有可靠的保護裝置[3]。

4.結語

升級改造后的主控系統對應各自主設備，I/O機柜、模塊、電源都相對原來更加獨立、分散，在使用過程中更有以下的好處：（1）完善的電源、網絡、硬件冗余機制改進，保證控制的可靠性；（2）單層控制網結構簡潔，操作方便，安全可靠；（3）操作員與控制器點對點通訊，保證可靠的數據采集和操作；（4）豐富的歷史數據，提供數據采集的備份功能；（5）操作站直接與控制站直接通訊，系統更加穩定，風險更加分散，減輕了網絡數據負荷，提高了系統的穩定度；（6）下裝完全無擾，在機組運行中進行實時修改編譯。

MACSV 6 K系列在實際應用過程中既體現了標準化、集成化、開放化、控制速度快、結構簡單的特點，又綜合了控制功能強大、冗余、熱插拔、強調高可靠不停機使用的要求，綜合體現了離散過程和連續過程自動化的要求。結合DCS系統垂直架構和平行架構在實際應用過程中反映出的優缺點，在未來，平行架構會逐漸變成DCS系統的主流架構，特別是應用在更高要求的大火電、大化工等要求連續性生產企業中。