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1. 建設(shè)背景與目標(biāo)

1.1.    虛擬化技術(shù)的介紹

虛擬化的含義很廣泛，將任何一種形式的資源抽象成另一種形式的技術(shù)都是虛擬化技術(shù)。它是一種能夠更有效地利用物理計(jì)算機(jī)硬件的過程，也是云計(jì)算的基礎(chǔ)。虛擬化或虛擬技術(shù)（Virtualization）作為一種資源管理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)將計(jì)算機(jī)中諸如CPU、內(nèi)存、磁盤空間、網(wǎng)絡(luò)適配器等各種實(shí)體資源加以抽象、轉(zhuǎn)換后形成一種全新形態(tài)的電腦配置環(huán)境。并且其組合形態(tài)的可塑性極強(qiáng)，可拆分和組合為一個或多個環(huán)境形態(tài)。因其形態(tài)的特殊性，使得該虛擬的電腦配置環(huán)境打破了實(shí)體結(jié)構(gòu)間的不可拆分和切割的桎梏，使用戶可以采用更便捷高效更合理化的方式來應(yīng)用這些電腦硬件資源。

隨著目前業(yè)界針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等的技術(shù)體系探索，具體來說實(shí)現(xiàn)控制器靈活性和可擴(kuò)展性的技術(shù)路線主要有以下兩種：

（1）實(shí)現(xiàn)控制器虛擬化。利用控制器虛擬化取代傳統(tǒng)硬件控制器；

（2）控制器硬件重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)下一代新型和智能的控制器設(shè)備，取代傳統(tǒng)硬件控制器。

這兩種技術(shù)是目前工業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)化的技術(shù)熱點(diǎn)和研究方向，至少從理論實(shí)現(xiàn)的角度上來說，實(shí)現(xiàn)控制器虛擬化將最大程度的保障現(xiàn)有的大部分廠家及其用戶的現(xiàn)有利益，并且基于在IT系統(tǒng)的成功應(yīng)用，使得該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域充滿希望。另外的控制器硬件重構(gòu)，主要以軟件定義思想為核心，將控制器硬件的邏輯運(yùn)算平面和邏輯控制平面進(jìn)行分離，控制器硬件將實(shí)現(xiàn)通用的邏輯運(yùn)算，統(tǒng)一由控制器進(jìn)行控制平面的邏輯控制和邏輯管理。

1.2.    虛擬化技術(shù)在電廠中的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)在電廠中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

①　提高資源利用率：通過虛擬化技術(shù)，可以在物理服務(wù)器上創(chuàng)建多個虛擬機(jī)，實(shí)現(xiàn)更高的資源利用率和靈活性。

②　提高系統(tǒng)可靠性：每個虛擬機(jī)都是獨(dú)立的，并且具有自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。如果某個虛擬機(jī)出現(xiàn)故障，其他的虛擬機(jī)可以繼續(xù)正常運(yùn)行，不會受到任何影響。

③　提高可管理性：通過虛擬化技術(shù)，可以對所有的虛擬機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)，大大降低了管理成本和維護(hù)成本。

④　提高安全性：虛擬化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)資源的動態(tài)分配和調(diào)整，使得輸煤系統(tǒng)控制云平臺可以更好地適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)需求和場景。

⑤　在電力行業(yè)中，虛擬化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為了行業(yè)變革的重要驅(qū)動力。它不僅提升了運(yùn)營效率，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)安全，還優(yōu)化了資源配置，為電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入了新的活力。

首先，服務(wù)器虛擬化技術(shù)讓電廠的運(yùn)營變得更為高效。它通過虛擬化技術(shù)將物理服務(wù)器轉(zhuǎn)化為虛擬服務(wù)器，使得服務(wù)器資源得到了更為合理的分配和共享。這不僅減少了服務(wù)器的閑置和浪費(fèi)，提高了服務(wù)器的利用率，還降低了能源的消耗和排放，為電廠的環(huán)保事業(yè)做出了積極的貢獻(xiàn)。此外，服務(wù)器虛擬化技術(shù)還具備出色的能效比，使得電力行業(yè)在滿足高效率的同時，也能夠?qū)崿F(xiàn)綠色、可持續(xù)的發(fā)展。

其次，存儲虛擬化技術(shù)的應(yīng)用為電力行業(yè)的數(shù)據(jù)管理提供了更為可靠的支持。它能夠?qū)⒏鞣N存儲設(shè)備統(tǒng)一管理起來，形成一個邏輯上的存儲池，使得數(shù)據(jù)的讀寫、備份和管理變得更加高效和有序。這種技術(shù)不僅保證了數(shù)據(jù)的安全性，還提高了存儲設(shè)備的運(yùn)行效率，為電力行業(yè)的數(shù)據(jù)管理帶來了革命性的變革。同時，存儲虛擬化技術(shù)的應(yīng)用還為電力行業(yè)提供了更為靈活和可靠的數(shù)據(jù)存儲解決方案，使得電力行業(yè)在應(yīng)對數(shù)據(jù)存儲需求時更加從容和自信。

此外，網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用也為電力行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)提供了更為全面和可靠的支持。它通過將多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整合為一個邏輯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的靈活配置和高效管理。這不僅提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，降低了網(wǎng)絡(luò)的故障風(fēng)險，還大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)能力，使得電力行業(yè)能夠從容應(yīng)對各種網(wǎng)絡(luò)安全威脅，確保關(guān)鍵信息的安全和完整。網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用還為電力行業(yè)提供了更為靈活和可靠的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案，使得電力行業(yè)在應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)安全威脅時更加從容和自信。

1.3.    方案建設(shè)目標(biāo)

傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已有多年歷史，能較好的完成傳統(tǒng)控制任務(wù)，但隨著流程工業(yè)對生產(chǎn)控制精細(xì)化、高效化的要求不斷提高，以及人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)在的控制系統(tǒng)不僅要處理傳統(tǒng)的溫度、壓力、流量和液位等四大傳感信號，而且還要能夠處理視覺、語音等以前沒有的信號，要支持5G等無線通信，這些對于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是無法做到的；另外，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)廠家各自都有自己的通信協(xié)議，不開放、不可擴(kuò)展、不可兼容，這對于未來按需生產(chǎn)的智能制造是不相適應(yīng)的。因此，傳統(tǒng)DCS難以實(shí)現(xiàn)與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的深度融合，難以滿足對控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的更高要求。

傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)通常被稱為五層金字塔模型，從現(xiàn)場傳感層到PLC/DCS控制層，再到上面的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控SCADA層，生產(chǎn)執(zhí)行MES層和企業(yè)管理ERP層。目前的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺以兼容傳統(tǒng)架構(gòu)的方式運(yùn)行，通過實(shí)時或者歷史數(shù)據(jù)庫或者專門的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，然后上傳到平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、展示，以及利用工業(yè)App做數(shù)據(jù)應(yīng)用，進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化生產(chǎn)過程。但要實(shí)現(xiàn)真正意義上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)建的藍(lán)圖，這樣的架構(gòu)并不能滿足要求。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，最終的控制過程還需要PLC/DCS來進(jìn)行控制，MES、ERP或者工業(yè)APP不僅需要從PLC/DCS直接采集數(shù)據(jù)，而且還需要PLC/DCS能夠直接執(zhí)行來自MES、ERP或者工業(yè)APP的指令，根據(jù)指令優(yōu)化和調(diào)整PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的效率提升，同時也避免繁瑣的人工調(diào)試過程。近年來，隨著5G的通訊技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬化技術(shù)的發(fā)展，為OT與IT層深度融合、協(xié)同控制提供了途徑，工廠需要更扁平的架構(gòu)、更簡單的流程和更智能的分析。

圖1.3-1 虛擬云化演進(jìn)圖

控制器云化（虛擬化）是技術(shù)發(fā)展的一個方向，在云端運(yùn)行傳統(tǒng)控制器軟件，通過將物聯(lián)接口標(biāo)準(zhǔn)化和應(yīng)用云化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。將傳統(tǒng)的DCS控制器部署于云端，利用云平臺的強(qiáng)大算力，可以顯著提升控制器指令速度，縮短控制周期，降低控制器負(fù)荷；云平臺的大型存儲能力、分析能力，可以支撐更多復(fù)雜控制和優(yōu)化算法，通過機(jī)器學(xué)習(xí)形成對被控設(shè)備的自動控制策略，提高過程控制分析能力、自動化水平，通過云端底層數(shù)據(jù)打通，OT與IT的融合具備廣闊的想象和產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展空間，產(chǎn)生一系列的優(yōu)化控制、節(jié)能降耗等行業(yè)控制方法應(yīng)用，以上軟件服務(wù)均布置在統(tǒng)一云平臺，為用戶形成完整的解決方案，形成產(chǎn)品組合并創(chuàng)造增值空間，能夠更好的支撐云平臺推廣。當(dāng)前，智能優(yōu)化控制技術(shù)在行業(yè)內(nèi)已紛紛開展試點(diǎn)和應(yīng)用，這是配合智能電網(wǎng)發(fā)展智能化電廠必須完成的下一個目標(biāo)。隨著先進(jìn)控制策略、智能算法、優(yōu)化算法的發(fā)展已逐步成熟，在傳統(tǒng)DCS工業(yè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，發(fā)展新一代智能運(yùn)行控制系統(tǒng)已經(jīng)成為必然。

圖1.3-2 虛擬化DCS演進(jìn)圖

本方案中的虛擬化控制系統(tǒng)采用基于DCS控制器虛擬化技術(shù)，可部署在電廠私有云計(jì)算平臺的虛擬機(jī)上，利用云服務(wù)器的算力資源，通過云服務(wù)器提供的冗余虛擬機(jī)環(huán)境加載實(shí)時操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)DCS DPU在虛擬化環(huán)境中的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)DCS控制邏輯、監(jiān)視畫面的虛擬化部署，最終達(dá)到數(shù)據(jù)的交互綜合利用，資源的合理配置。

系統(tǒng)由虛擬控制器、控制網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程網(wǎng)關(guān)及IO模塊組成，并配有操作員站、工程師及歷史站及相關(guān)配套軟件，系統(tǒng)使用操作符合常規(guī)DCS操作習(xí)慣。虛擬控制器為完全虛擬化控制器，虛擬控制器支持在單個虛擬機(jī)部署，可安裝于云平臺，由云平臺分配虛擬機(jī)、用于安裝云控制器、網(wǎng)絡(luò)通訊及其依賴的環(huán)境。云控制器的邏輯組態(tài)以及數(shù)據(jù)存儲均在虛擬服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)，邏輯運(yùn)算依托虛擬控制器，整個云平臺虛擬控制器的掃描周期、信號回路的傳輸周期、可靠性應(yīng)滿足電廠輔助車間生產(chǎn)時延性要求（小于等于200ms）。

2.  方案詳細(xì)介紹

2.1.    生產(chǎn)云平臺整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目在機(jī)組DCS、公用DCS網(wǎng)段之上構(gòu)建生產(chǎn)云與廠級云兩級云平臺。利用生產(chǎn)云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)大的算力構(gòu)建智能計(jì)算服務(wù)平臺，部署智能尋優(yōu)控制、智能監(jiān)盤、及鍋爐數(shù)字孿生等智能應(yīng)用，同時，通過一體化通訊機(jī)制與DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行高效安全數(shù)據(jù)雙向通訊，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)實(shí)時控制，這樣，就共同組成了一套基于生產(chǎn)云計(jì)算的電廠一體化的智能DCS控制系統(tǒng)（以下簡稱“ICS”），成為電廠實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的保障。

圖2.1-1 生產(chǎn)云平臺技術(shù)架構(gòu)

和利時在大型燃煤發(fā)電廠的ICS發(fā)電控制系統(tǒng)建設(shè)方面有著豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和眾多的實(shí)施案例，可為電廠提供以和利時DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)拓展出智能控制所需智能優(yōu)化控制站、基于私有云部署的大數(shù)據(jù)分析環(huán)境、智能計(jì)算環(huán)境、智能控制環(huán)境、智能算法組態(tài)環(huán)境和開放的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，其中開放的應(yīng)用環(huán)境可以為第三方的智能模塊提供組態(tài)工具，支持第三方開發(fā)的算法模型、高級應(yīng)用置于統(tǒng)一的生產(chǎn)云平臺資源環(huán)境下運(yùn)行。將常規(guī)DCS系統(tǒng)無縫升級成ICS系統(tǒng)，并確保不影響原有DCS系統(tǒng)的安全性和實(shí)時性。

圖2.1-2 生產(chǎn)云平臺界面示意圖

和利時智能生產(chǎn)云平臺采用以智能發(fā)電控制系統(tǒng)（ICS）為核心，在傳統(tǒng)DCS配置基礎(chǔ)上擴(kuò)展智能優(yōu)化算法庫、智能控制器、高級值班員工作站、高性能服務(wù)器等資源，為實(shí)現(xiàn)發(fā)電過程的智能監(jiān)盤、智能控制、智能尋優(yōu)提供可靠的軟硬件環(huán)境。在智能發(fā)電控制系統(tǒng)上，在系統(tǒng)的智能控制器及高性能服務(wù)器中預(yù)留了運(yùn)行第三方高級應(yīng)用的開放環(huán)境，具備吸收各種優(yōu)秀智能應(yīng)用資源能力，實(shí)現(xiàn)機(jī)組APS智能啟停、在線尋優(yōu)控制、智能監(jiān)盤等智能化的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)組智能發(fā)電控制及輔助運(yùn)行。

和利時智能生產(chǎn)云平臺設(shè)計(jì)包含DCS實(shí)時控制網(wǎng)、生產(chǎn)云智能計(jì)算網(wǎng)等多層網(wǎng)絡(luò)并接入生產(chǎn)視頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)綜合泛在感知。本項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下：

圖2.1-3 板集電廠二期生產(chǎn)云平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.1.1.            平臺性能優(yōu)勢

（1）橫向擴(kuò)充，更強(qiáng)大的計(jì)算、存儲能力

集群模式下，傳統(tǒng)雙網(wǎng)雙冗余的結(jié)構(gòu)，只能同時有一臺服務(wù)器能提供處理能力，和利時智能生產(chǎn)云平臺采用雙網(wǎng)三冗余的結(jié)構(gòu)，三臺服務(wù)器通過負(fù)載均衡的方式同時工作，相當(dāng)于左側(cè)三倍的處理能力，同時還具有橫向擴(kuò)充能力。當(dāng)一臺服務(wù)器故障時仍然能正常工作。同時實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式部署和備份，確保服務(wù)高可用及數(shù)據(jù)的安全。所有服務(wù)器構(gòu)建為一個統(tǒng)一集群，服務(wù)器內(nèi)部通訊對外隔離，按照運(yùn)行的權(quán)限和接口進(jìn)行調(diào)用；基于 RBAC 的權(quán)限管理服務(wù)，細(xì)化每一個資源的訪問權(quán)限，并對所有操作進(jìn)行記錄和審計(jì)。

圖2.1.1-1 智能生產(chǎn)云平臺服務(wù)器監(jiān)控詳情

（2）對第三方算法應(yīng)用進(jìn)行有效網(wǎng)絡(luò)抑制

第三方應(yīng)用查詢請求建立在數(shù)據(jù)服務(wù)器自有歷史庫和實(shí)時庫，不會對DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率造成影響。數(shù)據(jù)服務(wù)器對第三方應(yīng)用寫請求進(jìn)行緩存匯聚，定時穩(wěn)定下發(fā)，對DCS系統(tǒng)網(wǎng)造成影響有限。數(shù)據(jù)服務(wù)器具備對第三方應(yīng)用寫請求的閾值、梯度、權(quán)限等合法校驗(yàn)功能。應(yīng)用控制器中第三方算法，只能被動等候調(diào)用，沒有操作網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存、存儲、調(diào)度的能力。應(yīng)用控制器中的第三方算法雖然是黑盒提供，但是平臺具備應(yīng)用前對其使用的函數(shù)和資源做檢查的能力。應(yīng)用控制器通過網(wǎng)絡(luò)變量對外輸出，其流量、頻度、范圍都受到ICS平臺監(jiān)視和控制。OPS 可監(jiān)控所有第三方應(yīng)用狀態(tài)，并提供報警、日志、事件、倒換等功能。

圖2.1.1-2 智能生產(chǎn)云平臺WEB監(jiān)控系統(tǒng)

（4）豐富的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)

?  實(shí)時數(shù)據(jù)存取服務(wù)：提供實(shí)時數(shù)據(jù)的高速存取處理

?  歷史數(shù)據(jù)存取服務(wù)：提供歷史數(shù)據(jù)的高速存取，趨勢查詢，聚合查詢功能

?  數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)服務(wù)：提供多種格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)

?  消息總線服務(wù)：提供分布式環(huán)境下的消息通訊、高速數(shù)據(jù)交換的總線服務(wù)

?  用戶及權(quán)限管理服務(wù)：提供基于 RBAC 用戶、角色、資源、組織機(jī)構(gòu)處理服務(wù)

?  單點(diǎn)登錄服務(wù)：提供全平臺單點(diǎn)登錄服務(wù)

?  系統(tǒng)管理服務(wù)：提供系統(tǒng)設(shè)置處理

?  數(shù)據(jù)采集服務(wù)：支持多種渠道，多種協(xié)議的數(shù)據(jù) ETL 服務(wù)

?  任務(wù)調(diào)度服務(wù)：定時任務(wù)

?  MQTT代理服務(wù)：接受MQTT的訂閱/發(fā)布處理

圖2.1.1-3 智能生產(chǎn)云平臺微服務(wù)框架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（5）圍繞以 OPCUA 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的信息模型，基于模型驅(qū)動技術(shù)，功能和流程高度可配置、可重構(gòu)、可擴(kuò)展，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)無縫結(jié)合。

OPCUA 實(shí)現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的 “標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范”，其中信息模型又是 OPCUA 的核心。該信息模型采用了多級分層網(wǎng)絡(luò)，可通過元數(shù)據(jù)描述命名空間里的對象。對象的結(jié)構(gòu)之間也可相互引用實(shí)例，采用圖（GRAPH）數(shù)據(jù)的組織方式，可導(dǎo)航到任何節(jié)點(diǎn)對象。平臺完全支持 OPCUA 信息模型和通信標(biāo)準(zhǔn)，可輸出符合國際標(biāo)準(zhǔn)的 XML 模型文件，也可直接發(fā)布容器形式的以 OPCUA 微服務(wù)模型。

圖2.1.1-4 智能生產(chǎn)云平臺模型標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

 平臺完成了基于 WEB 的多用戶、可協(xié)作的 OPCUA 建模工具，充分支持流程行業(yè)的建模工作需求。能為實(shí)現(xiàn)各類特定任務(wù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)封裝，形成各種行業(yè)包模型。IT 平臺在行業(yè) PAAS 層上集成的諸多工具，包括工作流編排、可視化組態(tài)、邏輯組態(tài)、高級報表、自定義表單、規(guī)則引擎、元數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等都以模型為基礎(chǔ)，將多元異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合。

圖2.1.1-5 OPC UA建模工具

（6）利用先進(jìn)的NoSQL技術(shù): 高性能、高并發(fā)，支持分布式

高速內(nèi)存服務(wù)器，通過集群、哨兵等靈活的部署模式以支持分布式計(jì)算，擁有多種數(shù)據(jù)類型以及消息機(jī)制、過期機(jī)制、持久化機(jī)制。非常適合用作實(shí)時數(shù)據(jù)存取的場景。InfluxDB是一款專門處理高寫入和查詢負(fù)載的時序數(shù)據(jù)庫，用于存儲大規(guī)模的時序數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時分析，支持毫秒級儲存，完全滿足快速控制要求，支持十萬點(diǎn)以上數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用。

2.2.    虛擬控制器系統(tǒng)介紹

圖2.2-1 虛擬控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

如上圖，虛擬系統(tǒng)由IO及網(wǎng)關(guān)、虛擬控制器、上位監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)組成。其中：

（1）           上位監(jiān)控

上位監(jiān)控系統(tǒng)采用和利時MACS6.5.4版本，包含工程師站，操作員站，歷史站等功能，保持與傳統(tǒng)DCS軟件整體功能基本一致。

（2）           虛擬控制器

部署在用于服務(wù)器中，由硬件資源，虛擬化平臺軟件，操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件組成，完成和傳統(tǒng)控制器的相同功能。通過虛擬化技術(shù)，一臺服務(wù)器可以部署多個控制器。虛擬控制器支持控制器冗余，和上位機(jī)軟件還是通過雙以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

（3）           網(wǎng)絡(luò)

整個系統(tǒng)中包含三種網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，冗余網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)網(wǎng)：DCS工程師站，操作員站，歷史站等與控制器通信的網(wǎng)絡(luò)。控制網(wǎng)：控制器與IO模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)。

（4）           網(wǎng)關(guān)

完成虛擬控制器與IO模塊間的以太網(wǎng)和DP之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)云化控制器和I/O模塊的通信。單網(wǎng)關(guān)支持4條鏈路獨(dú)立DP。與控制器通信通過以太網(wǎng)通信，支持兩條鏈路冗余；支持在虛擬控制器和網(wǎng)關(guān)之間使用5G網(wǎng)絡(luò)。

（5）           IO模塊

保持和現(xiàn)有和利時IO模塊一致。

2.2.1.            控制平臺云的軟件虛擬化部署架構(gòu)

圖2.2.1-1 虛擬化部署架構(gòu)

云化DCS控制層軟件由硬件資源，虛擬化平臺軟件，操作系統(tǒng)及各種應(yīng)用軟件組成。

(1)      虛擬化：

l  和利時虛擬控制器支持采用Xen虛擬化及VMWARE技術(shù)。

l  支持將硬件實(shí)體資源（CPU、內(nèi)存、磁盤空間、網(wǎng)絡(luò)適配器等）分配給各種應(yīng)用的操作系統(tǒng)。

(2)      操作系統(tǒng)層：

1)         云化控制器的操作系統(tǒng)：

l  采用采用RTLinux操作系統(tǒng)，保證控制器能夠完成實(shí)時控制；

l  和利時完成對Linux系統(tǒng)的調(diào)度時基的調(diào)整，提供系統(tǒng)調(diào)度準(zhǔn)確性；

2)         工程師站和操作員站的操作系統(tǒng)：

l  采用linux也可以支持windows；

l  在虛擬化前后系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件都是未經(jīng)更改的，因此軟件的穩(wěn)定性與虛擬化前完全相同。

(3)      組態(tài)服務(wù)軟件：

l  支持多工程師協(xié)同組態(tài)，多個工程客戶端同時組態(tài)同一個工程。

l  支持遠(yuǎn)程進(jìn)行離線組態(tài)和在線下裝和調(diào)試組態(tài)邏輯。

l  支持根據(jù)各種使用場景對不同角色設(shè)置合理的用戶權(quán)限。

2.2.2.            云化控制器軟件結(jié)構(gòu)

云化控制器軟件（RTS）架構(gòu)

圖2.2.2-1 虛擬化控制器結(jié)構(gòu)

l  支持運(yùn)算和通信管理分核處理，保證IEC運(yùn)算獨(dú)自CPU核運(yùn)算，提供強(qiáng)大運(yùn)算能力。

l  支持工藝模型仿真運(yùn)行，模型數(shù)據(jù)使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)的鏡像，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場事故預(yù)測。

l  支持工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線的統(tǒng)一。

l  支持IEC61131-3組態(tài)多任務(wù)運(yùn)行。

l  支持傳統(tǒng)控制器的IEC61131-3組態(tài)邏輯運(yùn)算。

l  支持虛擬控制器資源監(jiān)測及診斷。

l  支持傳統(tǒng)控制器冗余功能，實(shí)現(xiàn)控制器無擾切換。

l  云化控制器后大大提高了運(yùn)算能力，運(yùn)算能力比傳統(tǒng)控制器提高5倍數(shù)以上。可降低傳統(tǒng)控制器的運(yùn)算負(fù)荷。

l  單個云化控制器支持64M組態(tài)程序，支持128M組態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。支持接入8000個I/O點(diǎn)。

2.2.3.            云化控制器功能介紹

圖2.2.3-1 云化控制器系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：

(1)       軟件定義

虛擬控制系統(tǒng)的組件均實(shí)現(xiàn)了虛擬化，可以對控制器的CPU資源、計(jì)算容量進(jìn)行彈性伸縮。實(shí)現(xiàn)硬件資源利用的最大化，及性能接入量的最優(yōu)配置。

(2)       扁平化

使用扁平化架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)所接入的系統(tǒng)規(guī)模進(jìn)行虛擬設(shè)備的可裁剪，分布式地部署，提高系統(tǒng)地可靠性及靈活性。

(3)       智能協(xié)同

系統(tǒng)利用虛擬高速總線通訊，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制器、智能算法服務(wù)器地?zé)o縫集成，實(shí)現(xiàn)了ms級、s/min級的多時間尺度的融合，以及簡單邏輯控制、復(fù)雜智能控制及尋優(yōu)算法的一體化。

(4)       多用戶組態(tài)

系統(tǒng)支持權(quán)限多用戶的遠(yuǎn)程登陸及同時組態(tài)，提高了工程協(xié)同能力，大大縮短工期。

(5)       多客戶端訪問

支持移動等多客戶端訪問。

(6)       支持海量接入

系統(tǒng)采集網(wǎng)絡(luò)支持原有DCS所有IO類型模塊，能夠接入海量傳感數(shù)據(jù)。

2.2.3.1.       控制器功能擴(kuò)展

結(jié)合和利時CPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輔網(wǎng)的智能化控制運(yùn)行，利用虛擬控制器技術(shù)實(shí)現(xiàn)輔助車間納入虛擬化控制系統(tǒng)控制，同時，在平臺上部署高級應(yīng)用包括：智能報警、智能監(jiān)測、過程控制與工業(yè)電視聯(lián)動、儀表示值自動識別、智能設(shè)備輪換、故障設(shè)備自動切除等應(yīng)用。具體功能包括：

(1)       智能報警：利用智能發(fā)電控制系統(tǒng)高性能服務(wù)器的信息處理能力，采用人工智能技術(shù)，通過推理機(jī)制和故障知識庫，建立報警因果關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)報警過濾、溯源、診斷、預(yù)測等功能，幫助運(yùn)行人員快速處理各類異常，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同智能監(jiān)盤：

1）報警管理與統(tǒng)計(jì)分析：設(shè)置和組態(tài)符合EEMUA-191《報警系統(tǒng)設(shè)計(jì)及管理導(dǎo)則》和ISA18.2《過程工業(yè)報警系統(tǒng)管理》的國際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，可廣泛應(yīng)用于報警系統(tǒng)生命周期的各個階段。

2）參數(shù)預(yù)警：當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生運(yùn)行異常趨勢，但參數(shù)還沒有到達(dá)報警閾值時，提前給出設(shè)備或系統(tǒng)預(yù)警信息，提醒運(yùn)行人員密切注意并采取必要的干預(yù)措施，以提高運(yùn)行安全經(jīng)濟(jì)性。

3）轉(zhuǎn)機(jī)診斷：基于工藝運(yùn)行信號的診斷，工藝信號報警診斷模塊與原DCS系統(tǒng)采用實(shí)時通訊機(jī)制，而關(guān)于智能預(yù)警模塊的計(jì)算均在DCS中通過組態(tài)的形式實(shí)現(xiàn)。基于振動信號的診斷，基于振動信號診斷模塊允許用戶對設(shè)備振動數(shù)據(jù)進(jìn)行波形和頻譜分析，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析和相關(guān)趨勢分析。

4）滋擾報警抑制：進(jìn)行異常報警的特征分析，采取濾波、延遲、死區(qū)、系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)的報警限值設(shè)定、優(yōu)先級調(diào)整、多變量關(guān)聯(lián)分析等措施抑制或消除滋擾報警。

5）報警診斷：利用現(xiàn)有的生產(chǎn)過程知識和專家經(jīng)驗(yàn)建立故障知識庫，實(shí)時對生產(chǎn)過程中的故障識別，發(fā)送診斷信息，并提供處理指導(dǎo)意見

(2)       定期工作自動執(zhí)行 ：通過開展電廠定期工作智能化的研究，結(jié)合先進(jìn)的控制思想、程序控制理念，能夠?qū)崿F(xiàn)定期工作按照正規(guī)操作步驟及工藝標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，工作任務(wù)自動創(chuàng)建、運(yùn)行條件自動確認(rèn)、功能自動執(zhí)行、試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動記錄、結(jié)果結(jié)論自動分析生成。在正常條件下能夠自動地根據(jù)定期工作、定期試驗(yàn)的工作要求，通過采用先進(jìn)的控制策略實(shí)現(xiàn)定期工作對人工的依賴，減少工作過程中的不確定性和人為因素的影響，確保機(jī)組定期工作、定期試驗(yàn)自動執(zhí)行、智能分析，對設(shè)備做到可知、可控，保持系統(tǒng)的可靠性。

(3)       典型故障自動處理：針對常規(guī)典型故障（設(shè)備故障），具備及時完成故障點(diǎn)的切除或及時合理地觸發(fā)RB功能，滿足機(jī)組在常規(guī)典型故障條件下的故障自動處理，及時調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，確保機(jī)組的不間斷運(yùn)行；針對非常規(guī)典型故障（功能性故障），機(jī)組具備故障評估功能，具有故障自愈能力，通過對故障的自約束能力來降低故障的危害。

(4)       操作過程與視頻聯(lián)動：在主輔機(jī)主要轉(zhuǎn)動設(shè)備周邊布置位于安全I(xiàn)區(qū)的視頻系統(tǒng)，與ICS系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動。包括視頻系統(tǒng)的診斷結(jié)果信息送入ICS作為報警項(xiàng)；設(shè)備操作時，視頻系統(tǒng)可對應(yīng)彈出相關(guān)設(shè)備畫面。

(5)       設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及評價：

1）閥門性能監(jiān)測：根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以往故障的現(xiàn)象和運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)，建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能判斷專家知識庫。采用專家知識庫，對閥門的工作狀態(tài)、線性度實(shí)時計(jì)算并監(jiān)控，并給出分類提示，供運(yùn)行和檢修人員直觀監(jiān)控，進(jìn)行輔助決策。對一般閥門計(jì)算其電機(jī)統(tǒng)計(jì)時間以進(jìn)行健康預(yù)報警；

2）控制回路品質(zhì)監(jiān)測;在線實(shí)時監(jiān)測機(jī)組主要控制回路的控制品質(zhì)評價，采用控制指標(biāo)評價相關(guān)算法，通過對控制回路實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)的分析，將當(dāng)前控制回路品質(zhì)量化成具體得分，供運(yùn)行和檢修人員直觀查看;

3）設(shè)備健康度監(jiān)測：基于機(jī)組運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立設(shè)備相關(guān)輸入和輸出變量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)輸出變量實(shí)時值與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測值，采用關(guān)聯(lián)度分析，對系統(tǒng)的健康程度進(jìn)行評估打分，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的異常預(yù)警和健康度分析。

2.2.4.            虛擬控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

（1）           虛擬控制系統(tǒng)控制器相關(guān)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到或高于電廠常規(guī)DCS相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。

（2）           虛擬控制系統(tǒng)的單回路控制周期應(yīng)小于等于200ms，即信號從就地遠(yuǎn)程IO柜的輸入模塊、網(wǎng)絡(luò)采集傳輸、虛擬控制器運(yùn)算后發(fā)出指令、再到就地遠(yuǎn)程IO柜的輸出模塊的時間響應(yīng)。

（3）           操作信號響應(yīng)時間（即鍵盤發(fā)出操作指令到LCD屏幕上顯示該信號反饋的時間），開關(guān)量信號操作時間不大于1.0s，模擬量信號操作時間不大于2.5s。

（4）           單個虛擬控制器支持對調(diào)度時基的調(diào)整，提供系統(tǒng)調(diào)度準(zhǔn)確性，POU任務(wù)周期可在40ms，100ms，200ms，500ms，1s設(shè)置。

（5）           虛擬控制器在最大負(fù)荷運(yùn)行時，負(fù)荷率不超過40％。

（6）           單臺虛擬控制器可支持接入不少于4800點(diǎn)的IO硬接點(diǎn)的容量，并保證時延滿足要求。

（7）           模擬量處理器模件完成所有指定任務(wù)的最大執(zhí)行周期不應(yīng)超過250ms，開關(guān)量處理器模件所有指定任務(wù)的最大執(zhí)行周期不應(yīng)超過100ms。

（8）           對需快速處理的模擬和順序控制回路，其處理能力應(yīng)分別為每125ms和50ms執(zhí)行一次。

（9）           報警過濾、報警溯源規(guī)則可組態(tài)；

（10）       報警過濾50%以上無效報警；

（11）       參數(shù)預(yù)警和輔機(jī)健康度診斷模塊中，在正常運(yùn)行工況下各參數(shù)預(yù)測值與實(shí)際值相對偏差小于5%；

（12）       報警溯源算法準(zhǔn)確率達(dá)到96%；

（13）       任何智能報警畫面均應(yīng)能在2秒(或更少)的時間以內(nèi)完全顯示出來，所有顯示的數(shù)據(jù)應(yīng)每秒更新一次。

3.  創(chuàng)新性和推廣價值

3.1.    創(chuàng)新性

虛擬控制器相較于傳統(tǒng)實(shí)體控制器有以下四點(diǎn)優(yōu)勢：

(1)       虛擬控制器運(yùn)行平臺具有運(yùn)行高度復(fù)雜智能算法和簡單邏輯算法相協(xié)調(diào)的計(jì)算的能力，打通底層數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)IT與OT的便捷融合，實(shí)現(xiàn)不同控制站的控制協(xié)同；

(2)       具備無線接入能力，滿足工業(yè)控制的低延時、高度的可靠性、可用性，能夠連接分散、遠(yuǎn)程、乃至廣域的IO；

(3)       硬件平臺具備更高的可靠性，通過IT技術(shù)保證數(shù)據(jù)安全、信息安全與控制器長期可靠工作；

(4)       具有靈活的軟件定義能力，云化后單臺服務(wù)器可以支持的虛擬控制器數(shù)量，相比于真實(shí)控制器需要有成本優(yōu)勢。

在實(shí)現(xiàn)控制器虛擬化方面，鑒于虛擬化和云計(jì)算在ICT領(lǐng)域取得巨大成功，其創(chuàng)新程度甚至顛覆了整個ICT舊有的架構(gòu)體系，其效果也是相當(dāng)顯著，可將現(xiàn)在的ICT環(huán)境的運(yùn)營成本較明顯的降低。虛擬化和云計(jì)算開始逐步向工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域延申。但是，在工業(yè)環(huán)境中，對控制系統(tǒng)要求通常很高，系統(tǒng)故障、實(shí)時性等對工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用來說是至關(guān)重要的。要使得在工業(yè)應(yīng)用，需要通過工業(yè)4.0綜合技術(shù)實(shí)踐將虛擬化和云計(jì)算等先進(jìn)IT創(chuàng)新技術(shù)有效運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域并提高工業(yè)生產(chǎn)效率是關(guān)鍵，當(dāng)前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0技術(shù)正在試點(diǎn)推廣中，成熟度和可靠性，以及在需要滿足穩(wěn)定性和實(shí)時計(jì)算等較高要求的工業(yè)控制環(huán)境中大規(guī)模應(yīng)用正在進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2.    推廣價值

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)的云計(jì)算平臺逐漸成為各行各業(yè)企業(yè)管理和生產(chǎn)經(jīng)營的重要數(shù)據(jù)支撐平臺，云計(jì)算平臺的應(yīng)用范疇在虛擬化技術(shù)的支持下變得越來越廣泛。深入研究虛擬化技術(shù)在云計(jì)算中的具體應(yīng)用，并不斷摸索基于虛擬化技術(shù)的云計(jì)算平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)，不斷提升虛擬化技術(shù)在云計(jì)算中的應(yīng)用價值，可提升云計(jì)算平臺運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)云計(jì)算平臺在實(shí)踐應(yīng)用過程中的資源最大化和效益最大化發(fā)展。

和利時在控制器虛擬化或軟件定義控制器方面已經(jīng)研究多年，當(dāng)前，和利時已經(jīng)在控制器虛擬化方面進(jìn)行了產(chǎn)品發(fā)布，和利時邊緣智能控制器、邊緣智能一體機(jī)已順利落地北京地鐵19號線一期工程,實(shí)現(xiàn)和利時邊緣計(jì)算平臺在智慧城軌領(lǐng)域的首次成功應(yīng)用。通過虛擬化技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)控制、AI人工智能算法相結(jié)合,邊緣智能控制器實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)BAS功能、機(jī)電智能診斷功能等場景應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)自動扶梯、風(fēng)機(jī)、站臺門、蓄電池、節(jié)能控制等五類設(shè)備/系統(tǒng)的故障診斷與預(yù)測分析。