摘 要：针对燃煤火力发电站，分析全新一代智能DCS的硬件系统设计、架构和功能应用，通过增加高级应用服务网、智能应用服务站、生产大数据融合处理平台、GPU并行计算等硬件支撑功能，提升智能DCS的计算力基础，从而提升机组运行和控制的智能化水平和效率。结果表明，智能DCS的核心硬件系统是在传统DCS控制系统的基础上，增加高级应用服务网、高性能历史站、智能计算服务站、生产大数据融合处理平台、域间隔离器等一系列智能设备，提升系统计算能力，实现各项功能协同。智能DCS的硬件系统包括智能应用服务站、智能应用服务站、冗余高性能历史站、基于GPU并行计算的服务器、丰富的对外接口和工控域防火墙。智能控制系统（ICS）的核心硬件系统升级的目的是为了大幅提升系统计算能力和功能协同能力，为智能控制算法、海量生产数据深度分析，以及各种人工智能、数据挖掘算法提供计算力基础和运行环境，从而有效提升运行和控制环节的智能化水平和效率。
关键词：燃煤火力发电；智能发电平台；智能DCS硬件系统；高级应用服务站；GPU并行计算
1引 言
智能发电的定义是以自动化、数字化、信息化为基础，综合应用互联网、大数据等资源，充分发挥计算机超强的信息处理能力，集成统一的一体化数据平台、一体化管控系统、智能传感与执行、智能控制和优化算法、数据挖掘以及精细化管理决策等技术，形成一种具备自趋优、自学习、自恢复、自适应、自组织等特征的智能发电运行控制与管理模式，以实现安全、高效、环保的运行目标，并具有优秀的外界环境适应能力[1-3]。因此，智能发电系统以智能控制系统（Intelligent Control System，ICS）结构平台和智能控制系统（ICS）算法软件系统为基础，采用大数据、机器学习等方法的实现机组低碳环保、灵活高效、安全经济运行的课题成为了近几年来研究的重点难点问题[3-5]。
本研究针对燃煤火力发电站，分析全新一代智能DCS的硬件系统设计、架构和功能应用，通过增加高级应用服务网、智能应用服务站、生产大数据融合处理平台、GPU并行计算等硬件支撑功能，提升智能DCS的计算力基础，从而提升机组运行和控制的智能化水平和效率。本文的分析有助于了解燃煤火力厂底层操作系统DCS的最新前沿硬件系统开发，通过硬件系统升级，支撑传统DCS系统的各项功能应用升级，整体功能目标从传统DCS的安全和基础控制，转变为智能DCS的更安全、更高效、更智能控制。
2智能DCS的设计
智能控制系统（ICS）的设计目标是构建一套新型的工业控制体系，能够将工业领域的专有知识注入到人工智能模型中，并将其与先进控制系统相集成，形成一系列融合智能算法的创新控制体系，应用于生产运行控制层面，大幅提升机组发电效率，降低机组故障率，同时降低污染物排放。
智能控制系统（ICS）面向发电生产运行控制过程，研究建立生产实时数据统一处理平台及生产大数据融合处理平台，并将其与先进控制系统深度集成，在保持全程高性能优化控制能力前提下提升系统的大范围泛在感知和全局寻优计算能力，实现控制系统整体的智能化升级。
智能运行控制系统（ICS）以智能分散控制系统（DCS）为核心，扩展智能变送器和智能执行机构、智能优化算法库、高级值班员工作站、开放应用服务器等资源，实现发电过程的智能检测、智能控制与智能运行监控，为发电厂控制与运行优化、状态监测及诊断预警提供可靠的软硬件平台。
智能控制系统（ICS）包括核心硬件系统和核心软件系统。智能DCS的核心硬件系统是在传统DCS控制系统的基础上，增加高级应用服务网、高性能历史站、智能计算服务站、生产大数据融合处理平台、域间隔离器等一系列智能设备，提升系统计算能力，实现各项功能协同。智能DCS的核心软件系统完成构建全厂统一监控平台和生产大数据融合处理平台这两大平台。智能DCS核心软件子系统包括生产信息全集成系统、智能计算系统、生产大数据融合处理系统、高度开放式平台设计和监控增强展现系统。
3智能DCS的硬件架构
智能控制系统（ICS）的核心硬件系统是在传统DCS（分散控制系统）的硬件基础上，增加高级应用服务网、智能计算服务站、冗余高性能历史站、生产大数据融合处理平台、域间隔离器及网络安全设备等一系列智能组件，以及全厂一体化控制组件。智能控制系统（ICS）的核心硬件系统升级的目的是为了大幅提升系统计算能力和功能协同能力，为智能控制算法、海量生产数据深度分析，以及各种人工智能、数据挖掘算法提供计算力基础和运行环境，从而有效提升运行和控制环节的智能化水平和效率。
智能DCS的硬件系统包括：
（1）高级应用服务网。为实现上位机与控制器间数据传输解耦和全方位的分布式计算功能，设计高级应用服务网。高级应用服务网是独立于实时控制网（A，B网）之外的冗余数据网络（C，D网），能有效保证现有实时控制网络的稳定性，不会因高级应用对大量生产历史数据和操作监控数据的访问导致实时控制网（A，B网）的通信负荷增加。设计冗余的高级服务网，可以提高网络的可靠性，有效提高海量数据的访问时速度。高级应用服务网设计原则包括高级服务网与实时控制网完全独立；高级应用功能与实时数据无关的通讯优先采用高级服务网；冗余服务器之间的数据同步，优先采用高级服务网。依托高级应用控制器硬件资源上，能够有效支持复杂的先进控制与智能控制任务的组态生成、执行与维护。
（2）智能应用服务站。为拓展ICS的服务功能，适应智能发电复杂计算分析的需求，在上位机中增加计算功能，使其具有与控制器相同的计算处理方式，实现多任务多线程高效并行计算。因为采用高性能的工作站，计算处理能力大大增强。建立算法调度机制，报警处理功能，提供标准计算模块和高级应用算法块，统一的图形化组态运行环境，快速实现功能组态、在线仿真和调试。智能应用服务站支持神经网络深度学习、复杂系统多目标多约束寻优等高级应用。同时，智能应用服务站支持冗余配置，为高级智能应用高可靠地参与实时控制提供支撑。
（3）冗余高性能历史站。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为提高系统的可靠性，系统配置冗余的高性能历史站。采用主从冗余的工作模式，保证主服务器在故障、重启情况下，冗余服务器立即切换为主服务器，不影响历史数据的采集和查询。两个服务器之间无扰切换，满足采集数据不丢失、检索业务不中断、检索返回的数据不变化的需求。以高性能历史站为核心，可实现机组生产过程实时数据的高速采集、压缩、结构化梳理和高效率存储。实时历史数据库具有30万以上标签点容量，硬盘容量应能够满足至少存储12个月数据的要求。
（4）基于GPU并行计算的服务器。为适应工业生产过程海量数据的分析计算需求，在智能控制系统ICS中集成设计GPU并行计算服务器，完成生产历史数据的深度学习分析计算。GPU的工作方式是多核并行计算流的方式，可满足人工智能领域的计算要求。GPU并行加速计算提供非凡的应用程序性能，将应用程序计算密集部分的工作负载转移到GPU，同时仍由CPU运行其余程序代码，大幅提升复杂学习和寻优算法的运行速度。
（5）丰富的对外接口。ICS设有与电网调度的接口，以参与系统AGC、AVC调节，ISS的对外接口用来实现电厂与集团公司、监管机构、直供用户及技术服务机构之间的数据通信与信息互动。基于计算服务器、本地读写分布数据库的API接口程序、与系统计算任务相协调的调度执行机制，可实现独立程序的直接插入式运行，从而更为简便、灵活地使用第三方专有技术。
（6）工控域防火墙。目前，大型火电厂智能控制系统均由多套ICS子系统或DCS系统构成，这些子系统的网络物理直连，大多采用ACL或VLAN技术实现子系统网络间的节点管控。但因存在网络的物理连接，且其中各种子系统的不同生产信息流及其交互关系复杂，经研究，现有的各种网络技术均无法可靠地管控，易出现网络异常难以分析，网络病毒传播及网络攻击易扩散等危害，急需通过技术手段实现网络间的有效互联和按需隔离。
4智能DCS的硬件设计和功能特点
智能DCS的硬件设计和功能特点包括：
（1）在传统的实时控制冗余网络（A，B网）的基础上，构建了专用于海量数据交互的高级应用服务网（C，D网）。同步开发高级应用服务网及海量数据的识别传输机制，实现海量数据高级应用对实时控制网的无干扰，保证实时直接控制的安全可靠。采用冗余设计，进一步提升可靠性，实现了大数据处理与实时控制的深度融合。
（2）构建控制系统的分布式计算架构。系统的任意节点，智能应用服务站或控制器，均可独立配置运算环境。同时智能应用服务站中的高级应用与控制器中的基础应用，能实现高效协同配合与统一监控，从而实现彻底的分布式计算，大幅提升系统的计算能力。
（3）实现系统的高度开放式设计。对于处理或展示海量数据的各类第三方智能应用，可进行无缝整合，且不占用系统实时点标签资源。通过高度开放的应用开发环境，赋能用户，围绕ICS建立良好的智能应用生态圈，使ICS的智能应用能够更加丰富、更有成效。
（4）构建与控制系统深度融合的多源、异构大数据融合处理平台。实现了基于数据分析技术的全体系智能化改进，进一步提升网络安全防护能力，整套ICS的网络安全防护能力达到发电生产监控系统安全等级保护三级要求。
5结 论
针对燃煤火力发电站，分析全新一代智能DCS的硬件系统设计、架构和功能应用，通过增加高级应用服务网、智能应用服务站、生产大数据融合处理平台、GPU并行计算等硬件支撑功能，提升智能DCS的计算力基础，从而提升机组运行和控制的智能化水平和效率。结果表明：
（1）智能DCS的核心硬件系统是在传统DCS控制系统的基础上，增加高级应用服务网、高性能历史站、智能计算服务站、生产大数据融合处理平台、域间隔离器等一系列智能设备，提升系统计算能力，实现各项功能协同。
（2）智能控制系统（ICS）的核心硬件系统升级的目的是为了大幅提升系统计算能力和功能协同能力，为智能控制算法、海量生产数据深度分析，以及各种人工智能、数据挖掘算法提供计算力基础和运行环境，从而有效提升运行和控制环节的智能化水平和效率。
（3）智能DCS的硬件系统包括智能应用服务站、智能应用服务站、冗余高性能历史站、基于GPU并行计算的服务器、丰富的对外接口和工控域防火墙。
（4）高级应用服务网设计原则包括高级服务网与实时控制网完全独立；高级应用功能与实时数据无关的通讯优先采用高级服务网；冗余服务器之间的数据同步，优先采用高级服务网。智能应用服务站支持神经网络深度学习、复杂系统多目标多约束寻优等高级应用，同时支持冗余配置，为高级智能应用高可靠地参与实时控制提供支撑。
（5）智能DCS的硬件设计和功能特点包括在传统的实时控制冗余网络（A，B网）的基础上，构建专用于海量数据交互的高级应用服务网（C，D网）；构建了控制系统的分布式计算架构；实现系统的高度开放式设计；构建与控制系统深度融合的多源、异构大数据融合处理平台。
参考文献
[1]沈跃军, 马克, 崔畅元, 周健, 兰俊生, 赵俊杰. 大数据与逻辑故障树在火电厂故障诊断中应用[J]. 电力设备, 2018, (10): 62-63.
[2]贺舒婷, 朱贤伟, 叶启明, 翁天天, 赵俊杰. 火力发电企业EAM系统运行效率分析及优化[J]. 移动信息, 2016, 10(10): 58-60.
[3]李孟周, 伏劲宇, 杜杰, 张毅龙, 兰俊生, 赵俊杰. 燃煤火电集控运行精益化管理提升策略研究[J]. 电力设备, 2017, (34): 230, 232.
[4]张毅龙, 姚俊彦, 任晓敏, 王齐, 赵俊杰. 基于火电站设备性能提升优化AGC负荷响应指标[J]. 防护工程, 2017, (29): 196-197.
[5]沈跃军, 马克, 周健, 马俊峰, 张毅龙, 赵俊杰. 基于逻辑故障树的智能DCS早期预警建模与应用[J]. 防护工程, 2018, (9): 470, 472.
论文作者:马克,
论文发表刊物:《中国电业》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/14
标签：智能论文; 高级论文; 系统论文; 数据论文; 控制系统论文; 服务网论文; 硬件论文; 《中国电业》2019年第19期论文;