火力發(fā)電廠工控系統(tǒng)私有云應(yīng)用研究

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概述

在互聯(lián)網(wǎng)+的迅猛浪潮下，新一代的信息技術(shù)，特別是大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能的快速發(fā)展，促使企業(yè)向數(shù)字智能化方向轉(zhuǎn)變。發(fā)電企業(yè)目前面臨的形勢(shì)和挑戰(zhàn)迫使發(fā)電企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，高質(zhì)量發(fā)展需求不斷增加，提升系統(tǒng)效率，高品質(zhì)發(fā)電將成為今后發(fā)電企業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)。發(fā)電廠控制系統(tǒng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，是發(fā)電企業(yè)的核心系統(tǒng)，本文從控制系統(tǒng)的“窗口”——人機(jī)交互系統(tǒng)展開分析，提出H-DCS（HMI集散控制系統(tǒng)）設(shè)計(jì)理念，將工控機(jī)遷移至工控系統(tǒng)私有云集中智能化管理，提高發(fā)電廠控制系統(tǒng)工控機(jī)的穩(wěn)定性，將上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)工作簡(jiǎn)單化，減少故障處理所需時(shí)間。2

工控系統(tǒng)應(yīng)用需求

傳統(tǒng)上位機(jī)系統(tǒng)，由于24小時(shí)持續(xù)不間斷工作，壽命一般在5~7年。如何優(yōu)化上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、降低維護(hù)成本、提高維護(hù)效率和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性成為發(fā)電企業(yè)急需解決的問題。目前上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在以下問題：

（1）兼容性問題近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展十分迅速，計(jì)算機(jī)硬件不斷地更新?lián)Q代，如CPU、主板的接口及硬盤接口容量等，與此同時(shí)操作系統(tǒng)的升級(jí)也從未停止。由于工控系統(tǒng)的特殊性，工控軟件的更新速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)的迭代速度。如此就會(huì)出現(xiàn)上位機(jī)軟件及編程軟件無法兼容新硬件或新版本操作系統(tǒng)的情況，導(dǎo)致工控機(jī)只能選用老版本型號(hào)的計(jì)算機(jī)，工控機(jī)性能受限，備品備件可選擇性低。

（2）硬件故障問題工控機(jī)出現(xiàn)硬盤、主板等單點(diǎn)硬件損壞情況無法繼續(xù)使用，需要重新更換配件或整套工控機(jī)。此時(shí)上位機(jī)工程及控制邏輯工程均需要重新恢復(fù)，所有軟件重新安裝，軟件配置及通訊配置重新調(diào)試，需要耗費(fèi)維護(hù)人員大量的時(shí)間。若一些工控機(jī)硬件停產(chǎn)，則出現(xiàn)無可用備件更換的問題。

（3）擴(kuò)展難新增一臺(tái)操作員站或者工程師站，需要安裝包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件在內(nèi)的所有軟件、恢復(fù)控制系統(tǒng)工程文件、配置通訊參數(shù)、調(diào)試畫面及控制邏輯功能。技術(shù)要求非常高，并且實(shí)施工作量大。

（4）冗余成本高工程師站或操作員站常見的是單機(jī)獨(dú)立模式運(yùn)行，若均配置成雙機(jī)冗余模式（例如容錯(cuò)服務(wù)器），會(huì)造成理論可靠性高、實(shí)際使用性低的現(xiàn)象。另外，冗余實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜，雙份硬件和軟件成本更高。3基于超融合技術(shù)的工控系統(tǒng)私有云方案基于超融合架構(gòu)，計(jì)算存儲(chǔ)統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)X86硬件，運(yùn)用開源虛擬化和云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建安全可控、開箱即用、綠色節(jié)能的工控系統(tǒng)私有云產(chǎn)品。用戶可根據(jù)控制系統(tǒng)內(nèi)的服務(wù)器數(shù)量、工程師站及操作員站數(shù)量選擇不同配置的工控系統(tǒng)私有云。產(chǎn)品支持根據(jù)功能需要靈活搭配，同時(shí)滿足發(fā)電廠控制系統(tǒng)高可靠性和實(shí)時(shí)性要求。產(chǎn)品支持集中管理，通過統(tǒng)一接口進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，監(jiān)控上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3.1超融合架構(gòu)超融合架構(gòu)是指在一套獨(dú)立服務(wù)器設(shè)備中支持計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和服務(wù)器虛擬化等資源和技術(shù)，多套獨(dú)立服務(wù)器設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)聚合起來，實(shí)現(xiàn)無縫橫向擴(kuò)展，構(gòu)建統(tǒng)一的資源池。超融合架構(gòu)以服務(wù)器虛擬化為底層架構(gòu)，延伸出網(wǎng)絡(luò)虛擬化和存儲(chǔ)虛擬化，通過模塊化的配置過程構(gòu)建出業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)邏輯，實(shí)現(xiàn)虛擬資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度和靈活擴(kuò)展。

3.2超融合架構(gòu)的特征3.2.1存儲(chǔ)虛擬化存儲(chǔ)虛擬化后，把存儲(chǔ)應(yīng)用程序與物理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施分離，基于超融合架構(gòu)技術(shù)構(gòu)建的私有云平臺(tái)能夠提高資源的利用率，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的管理，對(duì)服務(wù)器硬件設(shè)備進(jìn)行整合和優(yōu)化，使硬件系統(tǒng)變成可以動(dòng)態(tài)管理的“資源池”。該技術(shù)的使用，不但能夠確保控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)的連續(xù)性，滿足可持續(xù)發(fā)展的需求，還顯著提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可用性及安全性等級(jí)。3.2.2面向虛擬化的統(tǒng)一管理超融合架構(gòu)支持統(tǒng)一的界面管理，簡(jiǎn)化配置管理過程，提高運(yùn)維的靈活性、安全性、可用性；減輕運(yùn)維人員的工作負(fù)擔(dān)，降低運(yùn)維成本，提升SLA。超融合架構(gòu)具有彈性部署優(yōu)勢(shì)，用戶可以根據(jù)控制系統(tǒng)需要、預(yù)算等逐步進(jìn)行系統(tǒng)的建設(shè)和擴(kuò)展，從而降低總體擁有成本。借助超融合架構(gòu)，運(yùn)維將在資源豐裕性、系統(tǒng)可靠性、響應(yīng)及時(shí)性上大大提高，以此提升服務(wù)品質(zhì)和質(zhì)量。

3.3工控系統(tǒng)私有云平臺(tái)特點(diǎn)傳統(tǒng)云計(jì)算架構(gòu)復(fù)雜，平臺(tái)的整體性能受限于物理設(shè)備，服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備等組件管理無法統(tǒng)一。同時(shí)相互獨(dú)立的運(yùn)維工具讓維護(hù)更復(fù)雜，使得傳統(tǒng)云計(jì)算難以應(yīng)用于工控系統(tǒng)?；诔诤蠘?gòu)建的工業(yè)級(jí)云架構(gòu)，僅需通用的X86服務(wù)器和交換機(jī)硬件，利用軟件定義技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)的資源池化，即可替代繁重復(fù)雜的傳統(tǒng)云基礎(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)云架構(gòu)的極簡(jiǎn)。由于傳統(tǒng)云計(jì)算架構(gòu)缺乏完整的安全體系和可靠性保障，工控系統(tǒng)等關(guān)鍵應(yīng)用上云比較困難，借助超融合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)工控系統(tǒng)對(duì)私有云的可靠性、實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)安全的高要求作專門的研究和優(yōu)化提升，讓發(fā)電企業(yè)控制系統(tǒng)關(guān)鍵應(yīng)用能夠部署到私有云平臺(tái)上，讓IT更好地驅(qū)動(dòng)發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)管理和運(yùn)行維護(hù)變革，以實(shí)現(xiàn)降低維護(hù)成本、提高維護(hù)效率的目標(biāo)。工控系統(tǒng)私有云平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工控機(jī)功能的基礎(chǔ)上，還具有高容錯(cuò)性、高兼容性、高穩(wěn)定性、高擴(kuò)展性的新特性，并且硬件維護(hù)簡(jiǎn)單、可替代性高，平臺(tái)智能穩(wěn)定、接口豐富。4工控系統(tǒng)私有云平臺(tái)的核心訴求研究在常見的云服務(wù)模型中，包含了IaaS、PaaS、SaaS三種服務(wù)模型，其中IaaS模型的服務(wù)對(duì)象是IT管理員，PaaS模型的服務(wù)對(duì)象是軟件開發(fā)者，SaaS模型的服務(wù)對(duì)象是終端用戶。傳統(tǒng)企業(yè)私有云的主要服務(wù)對(duì)象是IT管理員以及軟件開發(fā)者，IT管理員更關(guān)注如何簡(jiǎn)化資源交付，基礎(chǔ)架構(gòu)管理與監(jiān)控以及自動(dòng)化運(yùn)維等；而軟件開發(fā)者更關(guān)注開發(fā)效率，持續(xù)、快速應(yīng)用交付等。工控系統(tǒng)業(yè)務(wù)單一且功能明確，因此工控系統(tǒng)私有云適合建設(shè)成SaaS服務(wù)模型，同時(shí)定制化開發(fā)、自動(dòng)化運(yùn)維、資源監(jiān)控與管理功能集成在云管理平臺(tái)。

4.1業(yè)務(wù)更“敏捷”的研究在傳統(tǒng)的架構(gòu)下，用戶基于業(yè)務(wù)系統(tǒng)的資源需求，獨(dú)立采購(gòu)軟件和硬件設(shè)備，一般需要經(jīng)歷預(yù)算—測(cè)試—招標(biāo)—采購(gòu)—部署—上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上線等流程，整個(gè)過程復(fù)雜、耗時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)工控機(jī)快速部署。發(fā)電企業(yè)用戶對(duì)私有云的一個(gè)核心訴求是：資源可方便地進(jìn)行交付，引入更多自動(dòng)化功能幫助企業(yè)縮短業(yè)務(wù)系統(tǒng)的部署與投用流程，使發(fā)電企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中獲得更大的優(yōu)勢(shì)。

4.2業(yè)務(wù)更“穩(wěn)定”的研究一般工控上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)被要求提供7×24h的不間斷服務(wù)，事實(shí)上，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一直面臨著各種風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，包括停電、網(wǎng)絡(luò)故障、硬件故障等問題，這些問題都有可能影響上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可用性。特別在傳統(tǒng)架構(gòu)下，隨著工控機(jī)數(shù)量的增多，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)引入了更多不同的設(shè)備以及技術(shù)，增大了維護(hù)的復(fù)雜性，使得企業(yè)的維護(hù)人員經(jīng)常上演“消防員”角色。因此發(fā)電企業(yè)構(gòu)建私有云另外一個(gè)重要訴求是：私有云應(yīng)該具備更簡(jiǎn)單的維護(hù)、更高的容錯(cuò)性，甚至是一定程度的故障自愈功能。

4.3資源交付更具“彈性”的研究在傳統(tǒng)工控機(jī)架構(gòu)中，工控機(jī)往往是基于某個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)投用而建立，與業(yè)務(wù)系統(tǒng)有比較強(qiáng)的耦合關(guān)系，工控機(jī)資源之間無法流動(dòng)，容易造成資源孤島以及資源利用率較低等問題。另外工控機(jī)資源建設(shè)缺乏通盤的考慮，導(dǎo)致管理與擴(kuò)展成本比較高。發(fā)電企業(yè)用戶對(duì)私有云的另外一個(gè)期許是：將零散工控機(jī)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，建設(shè)統(tǒng)一資源池，實(shí)現(xiàn)更靈活的資源劃分與交付；資源應(yīng)具備“彈性伸縮”特性，可對(duì)資源進(jìn)行生命周期管理，既可迅速擴(kuò)展資源規(guī)模，也可以及時(shí)回收“閑置”資源進(jìn)行重分配。

4.4技術(shù)路線4.4.1虛實(shí)結(jié)合功能互備的高可用性冗余設(shè)計(jì)路線立足于火電廠輔控網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及需求，提出工控機(jī)虛實(shí)結(jié)合功能互備的高可用性冗余設(shè)計(jì)理念。優(yōu)化上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，平衡上位機(jī)監(jiān)控軟件、操作系統(tǒng)、主機(jī)硬件之間的兼容需求，解決硬件的低容錯(cuò)性故障引起的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)停運(yùn)等維護(hù)問題。將就地離散的工控機(jī)物理資源虛擬化集中智能管理，既提高了工控機(jī)物理硬件的高可靠性，又提升了工控機(jī)系統(tǒng)的可控性和兼容性。同時(shí)，保留原集控室內(nèi)工控機(jī)并安裝配套開發(fā)的HMI同步插件，與虛擬化后進(jìn)入輔控網(wǎng)絡(luò)私有云平臺(tái)的工控機(jī)功能互備，構(gòu)成虛實(shí)結(jié)合、功能互備的多重高可用性冗余上位機(jī)。4.4.2高彈性架構(gòu)的HMI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)基于KVM開源技術(shù)開發(fā)并優(yōu)化，解決工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜的高可靠性問題，研究網(wǎng)絡(luò)配置的可靠性、網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，以及控制系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)的高可用性應(yīng)用等，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理主機(jī)資源、網(wǎng)絡(luò)資源的高可用性提升。開發(fā)高彈性架構(gòu)的HMI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，該架構(gòu)優(yōu)化了HMI軟件與PLC控制器的通訊方式。支持N套HMI軟件同時(shí)連接高彈性HMI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)高彈性HMI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化訪問請(qǐng)求后統(tǒng)一連接至PLC控制器?？捎行ё钄郒MI側(cè)出現(xiàn)爆發(fā)式流量請(qǐng)求或者其它惡意攻擊情況時(shí)，對(duì)PLC控制器造成災(zāi)難性沖擊。4.4.3數(shù)字化、智能化的建設(shè)提供技術(shù)基礎(chǔ)為控制系統(tǒng)數(shù)字化、智能化的建設(shè)提供技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示的集中托管，并提供各類數(shù)據(jù)接口。簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)對(duì)工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力，減少維護(hù)工作量，降低整體維護(hù)成本，提高工控機(jī)數(shù)字化、智能化能力。實(shí)現(xiàn)智能化管理工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)器健康和能耗狀況，智能分析與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜部署的“自動(dòng)化”和維護(hù)的“傻瓜化”，做到一站式交付、家電化安裝、一鍵式業(yè)務(wù)部署。4.4.4智能管控平臺(tái)基于分散控制系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)思想開發(fā)，兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則，廣泛應(yīng)用高可靠性的工業(yè)級(jí)硬件設(shè)備和生產(chǎn)工藝，采用冗余技術(shù)，在軟件設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)、故障自診斷和自動(dòng)處理技術(shù)等。平臺(tái)管理界面依據(jù)HMI監(jiān)控界面風(fēng)格及運(yùn)行維護(hù)人員使用習(xí)慣開發(fā)，并且能夠嵌入至HMI系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。5

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

5.1現(xiàn)場(chǎng)概況目前#1/2機(jī)控制室布置有4臺(tái)操作員站（兼工程師站）、#3/4機(jī)控制室布置有2臺(tái)操作員站（兼工程師站）、脫硫除灰控制室布置有5臺(tái)操作員站（兼工程師站）、化水控制室布置有2臺(tái)操作員站（兼工程師站）、除灰控制室布置有2臺(tái)操作員站（兼工程師站）、輸煤系統(tǒng)布置有2臺(tái)操作員站（兼工程師站）。根據(jù)輔網(wǎng)子系統(tǒng)的功能按“水”、“煤”、“灰”3個(gè)系統(tǒng)設(shè)立相應(yīng)的3個(gè)分區(qū)集中控制點(diǎn)監(jiān)控。改造后“水”系統(tǒng)布置4臺(tái)操作員站，“煤”系統(tǒng)部署2臺(tái)操作員站，“灰”系統(tǒng)部署5臺(tái)操作員站，部分操作員站兼工程師站，如圖1所示。圖1改造后輔網(wǎng)子系統(tǒng)分區(qū)集中控制點(diǎn)分布5.2部署工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜

（1）安裝機(jī)柜工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜安裝方式和DCS系統(tǒng)盤柜安裝方式一致，機(jī)柜底座固定安裝在槽鋼上，安裝過程做好絕緣及接地保護(hù)等工作。

（2）電源接入工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜內(nèi)含有一套冗余電源模塊，該電源模塊布置在機(jī)柜上層，進(jìn)線電源為雙路220VAC電源，其中一路進(jìn)線電源設(shè)計(jì)為保安段電源。

（3）布置網(wǎng)絡(luò)工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜內(nèi)集成有兩臺(tái)支持虛擬化的核心交換機(jī)，瘦客戶端連接至兩臺(tái)核心交換機(jī)可實(shí)現(xiàn)與工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜的數(shù)據(jù)交互。工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜通過核心交換機(jī)連接至工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)PLC數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控功能。瘦客戶端的通訊網(wǎng)絡(luò)與工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，不交叉混用。故需要鋪設(shè)瘦客戶端至工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜之間的網(wǎng)線或者光纜。

（4）安裝瘦客戶端根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，安裝瘦客戶端并提供電源220VAC及網(wǎng)絡(luò)。

5.3操作員站及工程師站功能遷移至工控系統(tǒng)私有云遷移物理工控機(jī)上的工控軟件和數(shù)據(jù)到工控系統(tǒng)私有云中，將使用到P2V工具。這種遷移方式，主要是把物理工控機(jī)上的工程狀態(tài)和數(shù)據(jù)“鏡像”到工控系統(tǒng)私有云中，并且在工控系統(tǒng)私有云的虛擬機(jī)中恢復(fù)物理工控機(jī)上運(yùn)行的工程。

5.4工控系統(tǒng)私有云試運(yùn)行調(diào)試完成后工控系統(tǒng)私有云虛擬機(jī)系統(tǒng)做好鏡像和快照，原上位機(jī)系統(tǒng)安裝HMI同步插件并同步運(yùn)行。6

結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)當(dāng)前業(yè)界主流技術(shù)的調(diào)研分析，以及前述超融合技術(shù)與私有云技術(shù)的結(jié)合可以看出，利用該技術(shù)可以為發(fā)電企業(yè)帶來以下優(yōu)勢(shì)：（1）整個(gè)工控系統(tǒng)私有云平臺(tái)采用集中管理的模式，所有的工控機(jī)系統(tǒng)都在統(tǒng)一的平臺(tái)上運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的維護(hù)及管理人員可以整合，節(jié)省了人力成本；（2）應(yīng)用集中管理模式，維護(hù)及管理部門可以直觀地查看所有的工控機(jī)數(shù)據(jù)應(yīng)用的運(yùn)行情況，維護(hù)