分散控制系統(tǒng)自主可控技術(shù)的發(fā)展

王 賓，蔡 丹，邱起瑞，宋誠驍

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211002）

近年來，國際上電力網(wǎng)絡(luò)攻擊事件頻發(fā)，造成設(shè)施損毀、大規(guī)模停電，甚至社會(huì)動(dòng)蕩。分散控制系統(tǒng)（DCS）是火電機(jī)組的“神經(jīng)中樞”，其核心軟硬件嚴(yán)重依賴歐美等國，存在重大安全隱患和斷供風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅我國電力生產(chǎn)安全。然而，目前我國核心元器件和基礎(chǔ)軟件產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段。實(shí) 現(xiàn)DCS自主可控，構(gòu)建自主創(chuàng)新體系，是關(guān)系我國電力生產(chǎn)和國計(jì)民生重大戰(zhàn)略選擇。DCS自主可控關(guān)鍵在于軟硬件的自主可控，核心在于電子元器件的自主研制與基礎(chǔ)軟件的內(nèi)核全面自主可控[1-4]。

國產(chǎn)品牌DCS起步較早。1981年開始我國企業(yè)開始逐步推廣使用DCS。1985年是國產(chǎn)工控行業(yè)的起步之年，上海新華控制技術(shù) (集團(tuán)) 有限公司成立，主要深耕于火電控制行業(yè)。1993年，浙江中控技術(shù)股份有限公司（浙江中控）、南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化集團(tuán)股份有限公司（科遠(yuǎn)自動(dòng)化）、杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司（和利時(shí)）先后成立，分別推出了自主研發(fā)DCS，拉開了我國DCS自主可控的序幕。

國產(chǎn)DCS硬件系統(tǒng)經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、芯片升級(jí)和智能低功耗等發(fā)展歷程。過程控制層模件由模件+預(yù)制電纜+端子板的結(jié)構(gòu)逐步發(fā)展為端子/模件一體化結(jié)構(gòu)，通過小型化設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)集成度和連接可靠性，同時(shí)節(jié)省了機(jī)柜空間和數(shù)量?？刂破骱诵挠筛咝阅?2位CPU發(fā)展為采用64位嵌入式SOC（systemon-a-chip）處理器，工作主頻、存儲(chǔ)容量和片上資源等性能不斷提升。I/O模件CPU由8位或16位單片機(jī)發(fā)展為32位高性能低功耗微控制器（MCU）。同時(shí)I/O模件由插裝元器件發(fā)展為采用SMT（surface mounted technology）工藝的智能低功耗設(shè)計(jì)。

在國產(chǎn)DCS發(fā)展初期，國家發(fā)改委和相關(guān)行業(yè)主管部門及時(shí)制定了一系列措施鼓勵(lì)國產(chǎn)DCS的推廣應(yīng)用。在此過程中，我國科技人員在消化吸收國外技術(shù)的同時(shí)，積極自主創(chuàng)新國產(chǎn)DCS，經(jīng)多年努力已取得可喜成果，如新華控制、和利時(shí)、國電智深和浙江中控的產(chǎn)品相繼在改造或新建工程中廣泛應(yīng)用。

近年來，隨著國內(nèi)技術(shù)的發(fā)展，國產(chǎn)品牌DCS已占據(jù)一定市場份額，市場規(guī)模逐年擴(kuò)大，但與進(jìn)口品牌相比，其市場占用率仍相對較低，且系統(tǒng)軟硬件也多采用進(jìn)口產(chǎn)品。

1 國產(chǎn)DCS軟硬件國產(chǎn)化現(xiàn)狀

國產(chǎn)DCS上位機(jī)操作系統(tǒng)多采用非開源的由美國微軟公司研發(fā)的Microsoft Windows操作系統(tǒng)，上位機(jī)應(yīng)用軟件則均基于Windows系統(tǒng)自主開發(fā)，且相關(guān)接口軟件統(tǒng)一采用Windows平臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)庫軟件多為進(jìn)口供貨商提供的成熟產(chǎn)品，如Oracle、DB2等?，F(xiàn)場總線軟件多基于Windows系統(tǒng)自主開發(fā)，下位機(jī)控制器嵌入式操作系統(tǒng)多采用非開源的進(jìn)口操作系統(tǒng)，目前其使用和系統(tǒng)裁剪均須獲得相關(guān)國外供貨商授權(quán)。

國產(chǎn)DCS上位機(jī)多使用國產(chǎn)品牌計(jì)算機(jī)，但其CPU等核心芯片依舊需要進(jìn)口，如Intel或AMD品牌；而下位機(jī)控制器、I/O模件和通信設(shè)備（如交換機(jī)等）使用的CPU、千兆PHY芯片、ADC/DAC、MCU、FPGA等核心芯片也均采用進(jìn)口產(chǎn)品。

綜上，雖然國產(chǎn)DCS已經(jīng)取得一定進(jìn)步與發(fā)展，但尚未完全實(shí)現(xiàn)軟硬件自主可控。我國未完全掌握從上位機(jī)操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)到控制器和I/O模件處理器芯片在內(nèi)的完全國產(chǎn)化技術(shù)，嚴(yán)重依賴相關(guān)國外供貨商?？偠灾诖罅Πl(fā)展自主可控技術(shù)之前，國產(chǎn)DCS上位機(jī)和下位機(jī)的軟、硬件仍然大量使用國外軟件和進(jìn)口品牌設(shè)備，國產(chǎn)化率較低，核心技術(shù)及元器件尚未實(shí)現(xiàn)自主可控。

2 國產(chǎn)DCS實(shí)現(xiàn)自主可控存在問題

DCS全國產(chǎn)化是指DCS的軟硬件均采用國產(chǎn)自主可控系統(tǒng)和元器件，即：操作系統(tǒng)（包括桌面和嵌入式）、元器件（包括芯片、分立元器件等）、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用軟件等全部采用國產(chǎn)自主可控技術(shù)和產(chǎn)品。目前，國內(nèi)已經(jīng)基本形成了自主可控的全國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈[5]，但國內(nèi)工業(yè)級(jí)CPU等核心芯片、操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)應(yīng)用軟件產(chǎn)業(yè)相對科技發(fā)達(dá)國家較為薄弱，技術(shù)成熟度低，國產(chǎn)化技術(shù)生態(tài)不完善，性能良莠不齊，穩(wěn)定性和兼容性有待應(yīng)用驗(yàn)證。因此，實(shí)現(xiàn)DCS全國產(chǎn)化仍面臨嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。

DCS的自主可控重在強(qiáng)調(diào)“能力”，重在外部供應(yīng)受限時(shí)還能依靠國內(nèi)的力量保障產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈的基本運(yùn)行，實(shí)行國產(chǎn)替代對于達(dá)到自主可控是完全必要的[6]，但要實(shí)現(xiàn)DCS自主可控，也并非簡單的硬件替代與軟件移植，必須解決好3方面問題：1）缺少專用芯片的替代技術(shù)方案問題；2）芯片功能缺陷導(dǎo)致的模件性能差的問題；3）操作系統(tǒng)和工控軟件與硬件的適配性、可靠性、綜合算力等問題。

目前，國內(nèi)各家自主可控 DCS所需要的元器件基本都能實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，同時(shí)國產(chǎn)元器件的種類日新月異，和用戶需求也更貼近[7]。此外，各DCS廠家也都比較好地解決了缺少專用芯片以及模擬量芯片功能不全等問題，系統(tǒng)總體功能和性能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，個(gè)別功能還有所提升。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于系統(tǒng)成熟度等原因，替代或適配方案仍需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和工況不斷進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化，以增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。另外，國產(chǎn)元器件由于生態(tài)原因，升級(jí)迭代的同時(shí)造成批次性差異。因此，DCS廠家需及時(shí)調(diào)整或改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，以加強(qiáng)DCS產(chǎn)品對國產(chǎn)生態(tài)的適應(yīng)性。

對于新老系統(tǒng)的兼容性問題，各家DCS整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)方式基本一致，特別是老牌DCS企業(yè)，對于歷史型號(hào)系列產(chǎn)品，需考慮新老系統(tǒng)相互兼容的問題；而新興DCS企業(yè)則不存在該問題，可以大膽地使用新技術(shù)。

3 國產(chǎn)DCS開發(fā)進(jìn)展與應(yīng)用情況

2019年以來，各大電力央企發(fā)揮優(yōu)勢，經(jīng)艱苦攻關(guān)，最終攻克關(guān)鍵核心技術(shù)。全國產(chǎn)、自主可控DCS在300、600、1 000 MW等級(jí)機(jī)組分別投入運(yùn)行，標(biāo)志著火電控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主可控。國產(chǎn)DCS主要產(chǎn)品有華能睿渥、華電睿藍(lán)、國能智深、南京科遠(yuǎn)和浙江中控等（表1）。

表1 國內(nèi)自主可控DCS開發(fā)及應(yīng)用情況 Tab.1 Development and application of independent and controllable DCS in China

3.1 華能睿渥

2020年11月6日，中國華能集團(tuán)有限公司（華能集團(tuán)）自主研發(fā)的國內(nèi)首套100%全國產(chǎn)化DCS——華能睿渥在華能福州電廠350 MW機(jī)組成功投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)鍋爐、汽輪機(jī)（含DEH）、發(fā)電機(jī)的全覆蓋控制，為國內(nèi)首臺(tái)套100%國產(chǎn)化DCS機(jī)組，標(biāo)志著我國發(fā)電領(lǐng)域工業(yè)控制系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)自主可控。

2020年11月25日，華能睿渥DCS在華能玉環(huán)電廠1號(hào)超超臨界1 000 MW機(jī)組成功投運(yùn)，屬國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)百萬千瓦機(jī)組全國產(chǎn)DCS示范應(yīng)用，標(biāo)志著我國高參數(shù)、大容量發(fā)電領(lǐng)域核心控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)完全自主可控[8]。

2021年9月23日，我國首臺(tái)全國產(chǎn)DCS+DEH/ MEH主輔一體化百萬千瓦超超臨界高效二次再熱機(jī)組——華能瑞金電廠二期工程3號(hào)機(jī)組正式投運(yùn)，其采用的是華能集團(tuán)自主研發(fā)的全國產(chǎn)安全智能型睿渥DCS[9]，這是我國在發(fā)電工控系統(tǒng)“卡脖子”技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的又一重大突破，實(shí)現(xiàn)了全廠范圍主輔一體化的全國產(chǎn)化控制。

華能睿渥 DCS（HNICS-T316）全面采用國產(chǎn)操作系統(tǒng)和國產(chǎn)元器件，自主開發(fā)控制器、 I/O 模件等組成的下位機(jī)系統(tǒng)；上位機(jī)，包括操作員站、工程師站、歷史站等，采用中國電子長城計(jì)算機(jī)/服務(wù)器，搭載麒麟操作系統(tǒng)，運(yùn)行自主開發(fā)的應(yīng)用平臺(tái)軟件。經(jīng)第三方審查，系統(tǒng)電子元器件國產(chǎn)化率達(dá)100%，整體性能和功能達(dá)到國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)超過國內(nèi)外同類產(chǎn)品，并通過了歐盟CE安全認(rèn)證，滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求，穩(wěn)定性及可靠性達(dá)國際先進(jìn)水平。

目前，華能集團(tuán)正在穩(wěn)步推進(jìn)在役和新建機(jī)組的核心控制系統(tǒng)全國產(chǎn)化替代和應(yīng)用工作，進(jìn)一步提高工控系統(tǒng)的國產(chǎn)化覆蓋率，提升電力設(shè)備自主可控水平。

3.2 華電睿藍(lán)

2019年12月26日，由中國華電集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的采用國產(chǎn)CPU的華電睿藍(lán)DCS在華電揚(yáng)州電廠330 MW機(jī)組成功示范應(yīng)用。

2020年11月23日，華電睿藍(lán)DCS在華電蕪湖電廠超超臨界660 MW機(jī)組成功投運(yùn)，控制范圍覆蓋鍋爐、汽輪機(jī)（DEH）等主、輔設(shè)備。系統(tǒng)控制層、網(wǎng)絡(luò)層、監(jiān)控層均實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，主要模件實(shí)現(xiàn)了100%國產(chǎn)化。

2021年6月11日，華電睿藍(lán)自主可控DCS在華電句容電廠1號(hào)超超臨界1 000 MW機(jī)組成功投運(yùn)，成為國內(nèi)首套在330、660、1 000 MW機(jī)組均實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的自主可控DCS[10-11]。

3.3 國能智深

2021年8月20日，由國能智深控制技術(shù)有限公司自主研發(fā)的國內(nèi)首套自主可控智能分散控制系統(tǒng)（iDCS）在內(nèi)蒙古能源公司布連電廠2號(hào)超超臨界660 MW空冷燃煤機(jī)組成功應(yīng)用。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵芯片100%國產(chǎn)化，軟件100%國產(chǎn)化，核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)100%自主可控。具有電廠核心控制系統(tǒng)自主可控、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特性、硬件抗干擾性等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了泛在感知數(shù)據(jù)網(wǎng)、全廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)池和智能計(jì) 算引擎，提高優(yōu)化了控制系統(tǒng)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、分析能力，實(shí)現(xiàn)發(fā)電過程全流程協(xié)同智能化。同時(shí)開發(fā)了高度開放的運(yùn)行優(yōu)化、建模計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析環(huán)境，構(gòu)建了具有主動(dòng)防御、邊界防護(hù)、集中監(jiān)管功能的工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)，提升了智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)條件下的內(nèi)生安全防護(hù)水平及工控領(lǐng)域核心信息基礎(chǔ)設(shè)施安全防護(hù)水平，為我國能源裝備核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化、自主化、智慧化提供了保障[12]。

3.4 南京科遠(yuǎn)

2021年5月6日，由科遠(yuǎn)智慧自主研發(fā)、100%自主可控智能控制系統(tǒng)NT6000 V5，在大唐南京發(fā)電廠2號(hào)660 MW機(jī)組實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，正式投入商業(yè)運(yùn)行。系統(tǒng)硬件設(shè)備包括控制器、I/O模件及各類組件等均100%采用國產(chǎn)芯片，上位機(jī)采用中國長城工作站，其CPU采用中國電子飛騰FT-2000/4處理器，操作系統(tǒng)采用基于國產(chǎn)安全加固的銀河麒麟V10操作系統(tǒng)。系統(tǒng)通過國家權(quán)威機(jī)構(gòu)完全自主可控認(rèn)證，認(rèn)證結(jié)果自主可控率達(dá)到100%[13]。

3.5 浙江中控

2021年7月17日，浙江中控發(fā)布了100%全國產(chǎn)化DCS控制系統(tǒng)ECS-700X。從操作站軟件到控制器、通信模塊、I/O模塊，實(shí)現(xiàn)100%全國產(chǎn)化。系統(tǒng)硬件方面，控制器采用龍芯低功耗高性能處理器，I/O硬件采用中控技術(shù)定制SoC芯片開發(fā)。系統(tǒng)軟件采用銀河麒麟V10作為監(jiān)控平臺(tái)的操作系統(tǒng)。

3.6 和利時(shí)

2021年10月，和利時(shí)發(fā)布HOLLiAS MACS IC完全自主可控DCS，其系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫容量為120萬點(diǎn)，專門針對石化、化工、油氣等行業(yè)超大型煉化項(xiàng)目（千萬噸級(jí)煉油及百萬噸級(jí)乙烯項(xiàng)目）應(yīng)用需求設(shè)計(jì)?？刂破鰿PU采用龍芯雙核處理器，采用自主研發(fā)微內(nèi)核架構(gòu)，所有元器件國產(chǎn)化率100%，所有上位機(jī)軟件及組件100%國產(chǎn)化。

4 國產(chǎn)DCS推廣運(yùn)行中存在問題

當(dāng)前，我國已具備進(jìn)行自主可控DCS大規(guī)模推廣的條件。在前期推廣過程中，整體態(tài)勢向好，但由于國產(chǎn)軟硬件生態(tài)現(xiàn)狀，還存在缺少嵌入式低功耗處理器、國產(chǎn)元器件性能存在批次性差異、產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈較弱等問題。

4.1 缺少嵌入式低功耗處理器

目前國內(nèi)缺少適用于DCS控制器開發(fā)的國產(chǎn)嵌入式低功耗處理器，只能采用桌面處理器替代開發(fā)，普遍存在功耗高、發(fā)熱量大的現(xiàn)象，國內(nèi)自主研發(fā)高能效處理器內(nèi)核在低功耗方面還有待加強(qiáng)。

4.2 國產(chǎn)元器件不同批次存在性能差異

國產(chǎn)元器件不同批次產(chǎn)品的性能存在一定差異，如某品牌A/D轉(zhuǎn)換器，同一型號(hào)不同批次的采樣時(shí)鐘有所區(qū)別，需動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣等待時(shí)間才能完成其功能。精密電阻、電容、二極管等分立元件也同樣存在一致性差的問題，需針對應(yīng)用需求進(jìn)行二次篩選才可用于生產(chǎn)。

4.3 國產(chǎn)軟硬件生態(tài)不完善，性價(jià)比低，供貨周期長

當(dāng)前，國產(chǎn)軟硬件生態(tài)尚不完整，國產(chǎn)芯片、操作系統(tǒng)和整機(jī)的產(chǎn)品鏈相對單一，在選型方面存在一定局限性。特別是受全球疫情反復(fù)等多種外部環(huán)境因素的影響，芯片生產(chǎn)原材料漲價(jià)、供應(yīng)緊張，造成當(dāng)前總體成本上漲，性價(jià)比偏低，供貨周期也隨之加長，大規(guī)模推廣成本壓力較大。

4.4 國產(chǎn)操作系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境有待優(yōu)化

操作系統(tǒng)生態(tài)建設(shè)需要解決的最核心問題就是適配和優(yōu)化。DCS廠家的上位機(jī)和下位機(jī)軟件均基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在當(dāng)前技術(shù)條件下，與進(jìn)口成熟產(chǎn)品相比，自主可控應(yīng)用軟件進(jìn)行常規(guī)地移植適配后，在國產(chǎn)平臺(tái)運(yùn)行時(shí)往往出現(xiàn)由于算力資源緊張導(dǎo)致的程序卡頓、丟幀、實(shí)時(shí)性低等問題。此外，由于國產(chǎn)CPU硬件平臺(tái)架構(gòu)的多樣性，始終未形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和軟件開發(fā)環(huán)境、工具鏈等[14-15]。

5 建 議

針對以上存在的問題，提出以下建議：

1）各大DCS生產(chǎn)企業(yè)和國產(chǎn)軟硬件廠家，應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈內(nèi)的技術(shù)交流，實(shí)現(xiàn)信息共享，加強(qiáng)橫向合作，取長補(bǔ)短，通過生態(tài)閉環(huán)實(shí)現(xiàn)信息共享和快速迭代，在整個(gè)行業(yè)內(nèi)形成積極推動(dòng)國產(chǎn)DCS應(yīng)用的良好氛圍。國產(chǎn)軟硬件產(chǎn)品經(jīng)過迭代發(fā)展，在功能和性能方面必將不斷拉近與國外同類產(chǎn)品的差距。同時(shí)研究高效統(tǒng)一的軟件開發(fā)環(huán)境、操作系統(tǒng)配套工具鏈等，使國產(chǎn)操作系統(tǒng)、底層基礎(chǔ)軟件和上層應(yīng)用軟件更好地適配國產(chǎn)硬件平臺(tái)，構(gòu)建更加成熟的國產(chǎn)軟件生態(tài)環(huán)境。

2）DCS廠家對已應(yīng)用的項(xiàng)目進(jìn)行長期跟蹤和 觀察[7]，掌握國產(chǎn)元器件的長期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)及批次性差異情況，不斷迭代優(yōu)化和升級(jí)，并持續(xù)增強(qiáng)自身DCS產(chǎn)品的研發(fā)能力，以提高產(chǎn)品可靠性和可控性，確保自主可控DCS的長期、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。同時(shí)將現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)和情況及時(shí)反饋給元器件研究單位，協(xié)助其改進(jìn)提升，快速提高國產(chǎn)元器件的可靠性和長期穩(wěn)定性。

3）正確的政策引導(dǎo)是國產(chǎn)DCS持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，最終應(yīng)用單位的大力支持對國產(chǎn)DCS的大規(guī)模推廣應(yīng)用起決定性的作用。因此建議各大電力央企加大對自主可控工控產(chǎn)品推廣應(yīng)用的支持力度，共同促進(jìn)自主可控生態(tài)圈的健康發(fā)展。

6 結(jié) 語

近兩年來，國產(chǎn)自主可控DCS領(lǐng)域取得了重大突破，解決了“卡脖子”問題。多個(gè)DCS廠商進(jìn)行前瞻性規(guī)劃，相繼推出各具特點(diǎn)的自主可控產(chǎn)品，在多個(gè)示范項(xiàng)目成功應(yīng)用，并在各自集團(tuán)內(nèi)展開大規(guī)模推廣，強(qiáng)有力地帶動(dòng)了國產(chǎn)軟硬件和產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

國產(chǎn)DCS廠商在掌握核心技術(shù)的同時(shí)，仍在不斷提高研發(fā)設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力，在研用結(jié)合、安全可信、智能高效等方面繼續(xù)深入研究，從根本上提升火力發(fā)電領(lǐng)域核心控制系統(tǒng)的本質(zhì)安全和智能化水平，助力我國能源安全和科技創(chuàng)新水平再上新臺(tái)階。