工業私有云在電廠輔控一體化整合的應用

曹俊義

（北京偉聯科技有限公司，北京 100080）

0 引言

依據《國華電力公司燃煤發電機組輔控網優化改造指導意見》，啟動“輔控進集控”優化改造工作，進一步提升輔助車間控制的自動化水平，提高生產管理效率，促進人員技術技能水平提升，達到減人增效的目的。同時，在集控室增設輔控操作員站，實現主輔系統的集中監控、信息暢通、資源共享以及統一管理。

從運行管理、檢修維護管理和系統安全角度考慮，實現機組“大集控”有利于統一調度和協調，也有利于設備的統一維護和備件管理，提高機組安全運行水平。

表1 改造涉及控制系統明細表Table 1 List of control systems involved in the transformation

準格爾電廠二期、三期輔控系統到目前為止，二期兩臺爐已經運行將近20年，三期兩臺爐也已經運行將近10年，而控制器屬于IT 類產品，平均使用壽命為5～8年，即使硬件沒出現什么故障，但由于硬件的升級換代造成軟件驅動、備品備件等也已經跟不上了，現在陸續會出現一些問題：控制系統運行緩慢，備品備件無法采購，軟件升級新的計算機不支持。上位監控系統由于計算機更新換代，新的操作系統不支持原有的上位監控軟件，原有網絡結構過于分散，設備維護工作量大；也由于原有網絡特點，所有上位監控計算機全部訪問控制系統的控制器，造成控制器負荷太大，運行緩慢。

計算機系統中用到的計算機都是Windows Xp 操作系統，現在市場上已經采購不到支持Windows Xp 操作系統的計算機，采購到Windows 7 操作系統的計算機又不支持原有的上位監控軟件和程序開發軟件，所以一旦計算機硬件故障，現在已經無計算機可換。

1 現狀調查

本廠的脫硫、水網、電除塵、灰渣、精處理、制氫等系統目前都屬于獨立監控，其中脫硫采用集散控制系統（DCS），水網、電除塵、灰渣、精處理、油庫、制氫等采用PLC 控制系統，各自系統對應各自獨立的上位機進行設備監控，系統彼此間沒有通訊聯系以及數據交換，且均有自己的控制室。

從控制系統角度分析，目前脫硫采用GE 新華OC6000集散控制系統，水網、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 塵控制系統為EP MAX 控制系統，煙氣調質系統為AB 進口PLC，具有獨立知識產權，共計有20 套不同種類PLC 控制系統。控制系統種類繁多，版本復雜，不具備統一監控顯示條件。

從地域角度進行分析來看，目前電廠現有集控室7 間，主機程控室采用“雙機一控”的布置方式；外圍系統采用按專業分類的“分散控制”布置方式。其中，一、二號機組主機控制室位于一、二號機組綜合樓12m；三、四號機組主機控制室位于三、四號機組綜合樓12m；脫硫、脫硝、電除塵、除灰于三、四號機組脫硫綜合樓10m，共有監視、操作用電腦29 臺（前排操作員站25 臺，值長及班長臺4臺）。化學水控制室位于化學水綜合樓一樓，操作員站3 臺，制氫控制室位于制氫站，操作員站1 臺，工業廢水控制室位于工業廢水綜合樓。工程師站兼操作員站1 臺，輸煤控制室位于燃料綜合樓，工程師站1 臺，操作員站3 臺，共計38 臺。

2 國內外調研報告

近些年新建機組采用大集控方式的，均為控制系統采用相同DCS 廠家，并在基建設計時進行統一設計、施工。

在原分散控制系統基礎上進行大集控改造的多數為主、輔系統采用同一種DCS 控制系統，通訊連接方案成熟，施工可行性高且運行穩定性較高。

利用新增通訊設備進行不同系統統一顯示也是一種方法，現在主流的監控軟件為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品的監控套裝軟件，所以對于其他品牌的PLC 通訊支持是有限的。

想要將多種PLC 進行統一整合，又不改變原有PLC的基本配置，目前一般采用工業私有云的方式來取代原有的工控機方式，具體做法是在私有云機上承載桌面映像的方法，采用虛擬化技術實現資源的集中管理和工業數據的碎片存儲。整個工業私有云基于服務器集群和Hyper-V[1]，Hyper-V 是微軟設計的虛擬化平臺，該平臺的設計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設施軟件，從而達到降低運作成本，提高硬件利用率，優化基礎設施并提高服務器可用性的目的。

3 解決方案

3.1 工業私有云服務器部分

1）不改變現有下層網絡架構的情況下，在上層網中添加兩套工業私有云服務器集群，分別布置在三期脫硫電子間和三期水處理電子間內。將脫硫系統、脫硝系統、電除塵系統、煙氣調質系統、水網系統、氫站系統、除灰渣系統進行虛擬化之后，統一遷移至工業私有云數據服務器集群中。

2）將原輔網控制室的操作員站整合成瘦客戶端運行模式并通過光纖通訊到二、三期主機集控室，數量由38 臺減至8 臺，其中2 臺操作員站（脫硫脫硝），2 臺操作員站（水網），2 臺操作員站（灰網），2 臺操作員站（煤網），瘦客戶端以遠程桌面的方式連接各個系統供運行人員進行監控。

3）鍋爐補給水控制室中增加一套歷史數據服務器集群，用于采集并保存各個控制系統的報警信息、操作記錄及歷史曲線。在二、三期主機集控室各設置一臺瘦客戶端歷史站與其連接，供操作員進行實時調閱。當現場的設備參數任何一處有異常時，瘦客戶端均發出報警信息，操作員可以根據報警信息迅速鎖定異常設備進行參數調整。

4）新配置兩臺虛擬機，用于將所有采集到的數據進行歸檔，并將報警數據單獨設計一套集中報警系統，將脫硫脫硝、輸煤、化學水、灰網、電除塵等報警數據進行集中語音報警和聲光報警。

3.2 工業私有云方案說明

采用工業私有云的方式來取代傳統的工控機操作員站，應用虛擬化技術實現資源的集中管理。

整個工業私有云基于服務器集群和偉聯科技WiCloud。WiCloud 是偉聯科技基于KVM 設計的虛擬化平臺[2]，該平臺的設計目的是為用戶提供更高的虛擬化基礎設施軟件，這樣可以降低運作成本，提高硬件利用率，優化基礎設施并提高服務器的可用性。采用云計算后，所有操作系統以文件的形式存在，所有磁盤之間屬于共享關系，資源可以動態調整，而且即使硬盤故障也不會導致數據丟失。

整個WiCloud 配置3 套物理服務器集群，在服務器集群上部署WiCloud 虛擬化平臺。WiCloud 可以虛擬出不同的操作系統，這些操作系統可以由WiCLoud 統一管理并進行系統資源的動態分配。不同操作系統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。新增操作系統和新建文件一樣快捷，而且操作系統不再依賴于硬件，同一臺虛擬機不需要更改任何設置就可以運行在不同的硬件上。

在私有云A 機柜內部署3 臺計算服務器，1 臺雙控陣列存儲服務器，2 臺核心交換機[3]，同時安裝WiCloud-WiStorage 私有云系統，虛擬化工業應用軟件。其中，AD域控[4]管理3 臺計算服務器，考慮到高可靠性，設置3 臺服務器作為故障轉移群。

在私有云B 機柜內同時也部署3 臺計算服務器和1 臺磁盤存儲服務器，部署2 臺核心交換機，私有云A 和私有云B 采用核心交換機光纖直連。計算服務器和存儲服務器之間通過網絡存儲iSCSI[5]實現數據交互，存儲服務器作為iSCSI 目標服務器，在計算服務器內形成網絡磁盤，同時私有云B 安裝WiCloud-Hyper-v 私有云系統。在此私有云創建AD 備份，并把私有云B 機柜內的3 臺計算服務器加入私有云A 的故障轉移群，形成兩個AD 域控部署在不同機柜內，防止單個機柜故障后，故障轉移群失效。同時，日常采用備份機制把私有云A 的虛擬機備份到私有云B 的磁盤存儲內，一旦私有云A 出現故障，私有云B 的AD 域控接管故障轉移群服務，快速啟動私有云B 磁盤存儲內的虛擬機，接管控制響應。這種架構可以完成私有云之間的故障轉移，同時完成兩個系統的容災和備份。

基于現有的網絡架構，添加2 臺工業私有云WiCloud，1 臺采用網絡存儲的方式放置在脫硫集控室，1 臺放置在二期水處理控制室，目前廠級網絡已經全部打通。

1）在脫硫控制室增加1 套WiCloud 和WL-840B 系列工業私有云，在水網控制室增加1 套WL-820B 系列工業私有云。

圖1 工業私有云系統Fig.1 Industrial private cloud system

2）將原來輔網控制室的操作員站全部轉換為瘦客戶端模式[6]，只安裝簡單操作系統，原來輔網服務器全部遷移到WL-840B 云機內。

3）將原來的水網工程師站、操作員站全部轉換為瘦客戶端，保留原工控機作為備品備件，它可以訪問本地的WL-820B 云機，也可以訪問輔網WL-840B 云機。當出現極端情況WL-820B 和WL-840B 全部故障的時候，可以啟動原機器內的控制畫面，采用傳統方式進行操作。

4）輸煤控制室增加WL-820B 1 套，用于做輸煤的歷史數據服務器、SIS 數據服務器以及SCADA 畫面服務器，將所有煤網的畫面集中在WL-820B，煤網現有工控機轉換為瘦客戶端，暫時輸煤的畫面不做到輔網集中顯示，但是輸煤系統具備訪問輔網WL-840B 服務器的條件。

5）二期、三期除灰控制系統的3 臺工控機轉換為瘦客戶端模式，原有2 臺服務器取消，除灰系統畫面做到輔網WL-840B 云機，取消除灰控制室原有工控機。

6）電除塵系統，原有S7-200PLC 增加CP241 以太網卡件，將原有4 臺操作員站轉換為瘦客戶端模式。畫面移植到WL-840B 云機，取消原有工控機。

7）二期煙氣調質系統兩臺操作員站轉換為瘦客戶端模式，畫面移植到WL-840B 云機，取消原有工控機。

8）三期脫硫DCS 控制系統所有操作員站均轉換為瘦客戶端模式，服務器和DCS 畫面移植到WL-840B 云機，取消脫硫原有工控機。

9）燃油泵房1 臺上位機移植到WL-840B 云機，取消原有工控機。

10）脫硫控制室設置8 臺瘦客戶端，用于對灰網、水網、煙氣調值、電除塵、脫硫以及油庫系統集中控制。

11）在WL-840B 云機中增加1 套報警服務器和歷史數據服務器，用于采集并保存整套控制系統的報警信息和操作信息。脫硫控制室另外設置1 臺瘦客戶端，與其連接可以查看報警信息和操作記錄。當整套系統任何一處有報警時，瘦客戶端均發出報警信息，管理人員可以根據報警信息和操作記錄迅速查找到故障原因[7]。

4 結論

通過工業私有云技術對傳統工業控制系統上位機進行整合，解決了傳統工控系統中上位機軟件和工控機不可分離，而且工控機隨著硬件更新換代，操作系統逐漸不能適應新的工控機，導致操作系統升級，操作系統升級導致組態軟件升級的情況，以致于軟件升級成本大幅提高，另外很多工業企業1 個工廠具有多種廠家的控制系統，導致組態軟件也是五花八門。這些系統隨著工業互聯網的發展，越來越多的系統要整合在一起，這就為企業提出了1 個難題，而通過工業私有云的WiP2V 技術[8]可以很輕松地實現原有工控系統的整合，提高整合效率，降低整合成本。傳統工控系統工控機和服務器繁多，管理復雜，能耗較高，而采用工業私有云整合原有工控機和服務器將原有34 臺機器整合為5 臺服務器，降低了能耗和維護成本，而且省掉了工控機維護的環節。服務器無論是物理服務器故障，還是磁盤、虛擬機故障，設備均可自動恢復。