國內(nèi)火電行業(yè)管控系統(tǒng)發(fā)展歷史探討

郭 貝，石天琪，劉進海

（陜西榆林能源集團楊伙盤煤電有限公司，陜西榆林 719316）

0 引言

近年來，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式形成歷史性交匯，國家提出了實施制造強國的發(fā)展路線，部署“中國制造2025”，對接“工業(yè)4.0”。

火電企業(yè)的管理和控制系統(tǒng)從20 世紀(jì)50 年代前后通過基地式儀表、機械式儀表、單元式組合儀表和硬手操進行機、爐、電各自獨立分散的局部自動的分散就地控制開始，經(jīng)80 年代中后期開始推廣DCS（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)），大幅減少常規(guī)儀表和后備手動操作器，普及了單元集中控制，實現(xiàn)DCS 公用網(wǎng)和輔網(wǎng)，并向控制系統(tǒng)一體化方向發(fā)展的過程。從2010 年前后至今，在信息化和數(shù)字化的基礎(chǔ)上，電力智慧化的探索和實踐逐漸進行并取得了一些成果。以國家2020 年4 月發(fā)布的《關(guān)于構(gòu)建更加完善的要素市場化配置體制機制的意見》寫入數(shù)據(jù)要素為表征，數(shù)據(jù)要素作為一種新型生產(chǎn)要素的重要性已經(jīng)不可忽視。

1 火電企業(yè)管理和控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史

1.1 傳統(tǒng)過程控制——常規(guī)儀表和手動操作器

20 世紀(jì)50 年代前后開始，火電企業(yè)局限于使用一般的控制元件及機電式控制儀器，采用基地式儀表及單元式組合儀表等實現(xiàn)機、爐、電各自獨立的分散的局部自動控制，大量使用手動操作器。機、爐、電控制系統(tǒng)之間沒有或很少有聯(lián)系，過程控制主要是根據(jù)頻率法和根軌跡法為主體的古典控制理論，憑生產(chǎn)實踐經(jīng)驗操作，實現(xiàn)對諸如溫度、壓力、流量及液位等熱工參數(shù)的定值控制，進行就地控制。

20 世紀(jì)50 年代末以后，電動單元組合儀表、巡回檢測裝置開始廣泛應(yīng)用，至80 年代初期，組裝儀表、單回路調(diào)節(jié)器和PLC開始在國內(nèi)推廣。PLC 通過程序編制可以實現(xiàn)多種類型信號的多輸入、輸出，組裝式儀表在結(jié)構(gòu)上分為控制柜和操作臺兩部分，可以將監(jiān)控有關(guān)的儀表集中安裝，開創(chuàng)了把機、爐乃至機、爐、電作為一個單元整體進行集中控制，實現(xiàn)集控運行，有效提高了閉環(huán)控制系統(tǒng)及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)的投入率和調(diào)節(jié)品質(zhì)。

1.2 自動化——DCS 系統(tǒng)的應(yīng)用

20 世紀(jì)80 年代中后期開始引進DCS，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和閉環(huán)控制。從1985 年在望亭電廠選用美國西屋公司的WDPF（DCS 型號）進行試點起，經(jīng)90 年代初期推廣DCS 系統(tǒng)，90 年代末，我國自主開發(fā)的DCS 系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，一直到21 世紀(jì)后進入快速發(fā)展期，DCS 的功能范圍也逐漸擴展。

在2000 年前后，由于不同DCS 廠家出于排他性目的采用專利網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)、輔控系統(tǒng)各自獨立且信息不互通等原因，未能實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)一體化，導(dǎo)致DCS 系統(tǒng)之間以及DCS 與上層信息網(wǎng)絡(luò)之間難以實現(xiàn)互聯(lián)和資源共享，產(chǎn)生了“自動化孤島”問題。這導(dǎo)致了需要大量運行人員來監(jiān)控設(shè)備的運行情況，不僅運維不易，而且不能掌握全廠系統(tǒng)總體運行情況，無法經(jīng)濟合理地安排全廠系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行。隨著火電機組的大型化發(fā)展，生產(chǎn)系統(tǒng)的耦合性、時變性、非線性等特點更加突出，過程控制任務(wù)越來越重，控制系統(tǒng)越來越難以滿足生產(chǎn)過程控制的要求，迫使DCS 應(yīng)用范圍擴大，主、輔機控制系統(tǒng)硬件一體化、網(wǎng)絡(luò)一體化、接口標(biāo)準(zhǔn)化等逐步實現(xiàn)，建立了全過程多參數(shù)綜合操作的概念，機組控制和聯(lián)鎖保護功能得以完善、調(diào)節(jié)品質(zhì)得以改善，實現(xiàn)機組級乃至全廠級的集中控制，大幅減少了運行人員。

1.3 信息化和數(shù)字化——MIS&ERP、SIS、現(xiàn)場總線

1997 年電力規(guī)劃設(shè)計總院發(fā)布的《2000 年火電廠自動化》提出了發(fā)展SIS 和MIS，以及輔助車間集中管控的全廠管控網(wǎng)絡(luò)化及監(jiān)控物理分散等目標(biāo)。在此期間ERP、OA 等企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)也逐步實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，現(xiàn)場總線技術(shù)也開始推行。2000年前后，電力行業(yè)開始進入信息化和數(shù)字化階段。

1.3.1 中國特色的火電企業(yè)信息化模式

20 世紀(jì)90 年代，國外發(fā)達國家的流程企業(yè)形成了MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）+ERP 信息化模式，當(dāng)前國內(nèi)石化、鋼鐵等流程行業(yè)也廣泛應(yīng)用此模式。

1992 年，美國AMR（Advanced Manufacturing Research，先進制造研究機構(gòu)）在對流程企業(yè)做了大量調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，提出了流程行業(yè)企業(yè)的3 層集成模型，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程從底層到頂層分為控制層、執(zhí)行層和計劃層，每層都應(yīng)有對應(yīng)的控制和管理系統(tǒng)、軟件。

當(dāng)時發(fā)達國家的許多企業(yè)，對應(yīng)控制層的DCS、SCADA 和對應(yīng)計劃層的ERP 已經(jīng)逐步得到廣泛應(yīng)用，但是對應(yīng)執(zhí)行層的信息系統(tǒng)無人關(guān)注，計劃層和執(zhí)行層的信息系統(tǒng)互相割裂運行，由于上層系統(tǒng)沒有底層數(shù)據(jù)支持，企業(yè)信息化成效有限。

在20 世紀(jì)90 年代后期，國外對應(yīng)執(zhí)行層的MES 迅速發(fā)展起來，到2004 年MES 市場每年已突破10 億美元。AMR 對MES 的定義是“位于上層計劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間，面向車間層的管理系統(tǒng)?！盡ESA（Manufacturing Execution System Association，國際制造執(zhí)行協(xié)會）對MES 的定義是“MES 能通過信息傳遞，對從訂單下達到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理?！?/p>

SIS 也是對應(yīng)執(zhí)行層的信息系統(tǒng)，是在電廠的機組（車間）級基本解決了自動化問題的基礎(chǔ)上，總結(jié)DCS（控制層）和MIS（計劃層）割裂的教訓(xùn)而得出的。

由于面對的工作對象不同，MES+ERP 和SIS+MIS+ERP 的兩種方案自然產(chǎn)生了相應(yīng)的差異：

（1）功能劃分不同。SIS 的對象明確是實時生產(chǎn)過程，非實時生產(chǎn)過程如檢修、交接班等納入MIS 管理，對生產(chǎn)過程的實時信息、監(jiān)控和管理的時間性要求較高，主要會考慮在線監(jiān)控和管理的功能；MES 泛指生產(chǎn)過程，包括實時和非實時的過程的管理都放在MES 進行，對實時性要求較低，主要考慮離線管理。

（2）安全管理不同。作為計劃層和控制層之間的面向車間管理的執(zhí)行層，SIS 和MES 都直接和機組（車間）級控制系統(tǒng)連接，所以兩者都應(yīng)具有比MIS 和ERP 更高的安全等級。SIS 系統(tǒng)集中配置到安全等級相似的控制區(qū)域，同時主要面向生產(chǎn)管理和運行人員，安全區(qū)等級高、涉及的人員集中，保障安全方便。

（3）功能配置不同。SIS 主要進行實時生產(chǎn)過程在線監(jiān)管，可以包括統(tǒng)計分析、性能分析計算、績效管理等多種生產(chǎn)過程管理的功能；MES 可以跟蹤從物料投產(chǎn)到成品入庫的整個生產(chǎn)流程，對機組（車間）層的管理流程提供直接支持，不只是進行生產(chǎn)過程的管理，還包括工藝管理、質(zhì)量管理等功能，縱向作為控制層和計劃層的中間層承上啟下，橫向聯(lián)結(jié)SCP、CRM 等物流、銷售等相關(guān)的系統(tǒng)，功能外延范圍更廣。

（4）系統(tǒng)配置不同。SIS 需要配置實時/歷史數(shù)據(jù)庫處理實時數(shù)據(jù)，MES 還需要配置完善的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

電力生產(chǎn)與一般的工業(yè)過程不同，生產(chǎn)（發(fā)電）流程中沒有具體的產(chǎn)品，只是一個能量轉(zhuǎn)化的過程，并沒有對具體產(chǎn)品在生產(chǎn)全過程中進行追蹤管控的過程和需要。電力生產(chǎn)的信息化主要是保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性、安全性和更高效的控制性，同銷售及物料環(huán)節(jié)的配合沒有一般流程企業(yè)那么高的復(fù)雜性。結(jié)合SIS 在安全管理、生產(chǎn)實時管理上的特點以及我國電廠信息化自主發(fā)展的實踐經(jīng)驗，國內(nèi)火電企業(yè)信息化最終確定了DCS+SIS+MIS（或MIS&ERP）的道路。

1.3.2 現(xiàn)場設(shè)備級的數(shù)字化

從系統(tǒng)層級的維度劃分，火電廠控制和管理系統(tǒng)可劃分為3級，即廠級（SIS、MIS、ERP 等）、機組（車間）級（DCS、PLC）、現(xiàn)場設(shè)備級?，F(xiàn)場設(shè)備級的數(shù)字化主要是依靠現(xiàn)場總線技術(shù)，按照國際電工委員會IEC 61158 的定義，現(xiàn)場總線實際上是將安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的自控裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多節(jié)點通信的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場總線技術(shù)比起傳統(tǒng)常規(guī)儀表的優(yōu)勢主要是可以節(jié)約電纜、方便安裝、提供豐富診斷信息等。

2 發(fā)展規(guī)律

2.1 火電企業(yè)的管控系統(tǒng)發(fā)展過程的本質(zhì)

縱觀火電企業(yè)管理和控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史可以看出，火電企業(yè)的管控系統(tǒng)的發(fā)展過程就是電力企業(yè)信息化和數(shù)字化的過程。

按《2006—2020 年國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》（中辦發(fā)【2006】11號）表述，信息化是充分利用信息技術(shù)，開發(fā)利用信息資源，促進信息交流和知識共享，提高信息增長質(zhì)量，推動經(jīng)濟社會發(fā)展轉(zhuǎn)型的歷史進程。就企業(yè)信息化而言，它是一個動態(tài)的過程，即企業(yè)利用信息技術(shù)，對生產(chǎn)經(jīng)營活動中，企業(yè)內(nèi)外部的各種信息進行采集、控制、集成和深度開發(fā)利用，促成業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新、工作流程重組、組織架構(gòu)重組乃至市場模式和經(jīng)營戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變等等，不斷提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和市場競爭力的過程。在這個過程中，信息化的基礎(chǔ)在于對信息技術(shù)進行有效利用，進而實現(xiàn)兩化融合。

數(shù)字化是以數(shù)字形式表示（或表現(xiàn)）本來不是離散數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。具體的說，也就是將圖像或聲音等轉(zhuǎn)化為數(shù)字化，以便這些信息能由計算機系統(tǒng)處理與保存（GB/T 25486—2010《網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)術(shù)語》）。企業(yè)數(shù)字化或者說企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，即利用新一代信息技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、處理和反饋的閉環(huán)，打通不同層級與不同行業(yè)間的數(shù)據(jù)壁壘，提高行業(yè)整體的運行效率，構(gòu)建全新的數(shù)字經(jīng)濟體系（《傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的模式和路徑》——國務(wù)院發(fā)展研究中心課題組）。可以看出，數(shù)字化和信息化都基于信息技術(shù)，依賴于對數(shù)據(jù)要素的利用，最終都提高了生產(chǎn)力。

因此，從本質(zhì)上看，火電企業(yè)管控系統(tǒng)的發(fā)展歷史，就是基于信息技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)組織方式的變革，逐步深化數(shù)據(jù)要素應(yīng)用的進程。

在這個進程中數(shù)據(jù)的獲取從人工、模擬量方式，到后來可以直接得到包括測量值和多種設(shè)備參數(shù)在內(nèi)的數(shù)字量，越發(fā)可靠、豐富和實時；數(shù)據(jù)的使用從人工憑經(jīng)驗使用，到簡單反饋回路控制，集中控制和將來的智能化控制，越發(fā)高效；數(shù)據(jù)的治理從手工抄表到各個系統(tǒng)數(shù)據(jù)互不相通到形成信息共享的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的可用性和易用性越發(fā)強大。

2.2 經(jīng)驗和教訓(xùn)

在這個進程中也有一些共同的經(jīng)驗和教訓(xùn)，比如在自動化建設(shè)和信息化建設(shè)的過程中都出現(xiàn)了“數(shù)據(jù)孤島”問題；在DCS和SIS 的應(yīng)用過程中都伴隨著組織變革，DCS 催發(fā)了集控運行的產(chǎn)生，而在沒有人去利用SIS 提供的信息的時候，SIS 也只是一個擺設(shè)；最初開始應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)得到大量數(shù)據(jù)的時候，由于利用智能化和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的分析方法和工具不足，取得的數(shù)據(jù)沒有對電力生產(chǎn)運行經(jīng)濟指標(biāo)產(chǎn)生明顯影響，于是現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用也就沒有了足夠的市場動力。

3 結(jié)語

在電力智慧化的建設(shè)過程中，應(yīng)該以深化數(shù)據(jù)要素的應(yīng)用作為線索，以提升生產(chǎn)力為目標(biāo)，從加強數(shù)據(jù)的獲取、使用和治理能力的角度去使用智慧化的信息技術(shù)工具，同時要注意避免“數(shù)據(jù)孤島”問題，而且必須建設(shè)適應(yīng)新技術(shù)的組織管理模式。