一、引 言

      现代火力发电企业是什么样的?当您进入火力发电厂时，看不到人来人往的情形，而机组的发电与现代化的管理正在悄然进行。调度会上，主管生产的副总正与各生产部门在大屏幕投影前查看机组运行情况和电网负荷，制定新的竞价电价和设备检修计划；财务部正在打印财务报表和预测新的发电成本；材供部正在查阅材料消耗情况和设备损耗情况，根据库存制订备品配件购买计划，并在Internet上发布采购信息；检修班组正在网上填写工作票，申请对设备进行检修；出差在外的总正用笔记本电脑在网上查看公司各部门的数据，并根据分析系统得出的结论作出正确的决策。这就是现代化火力发电企业的情景，与以往的热火朝天形成了鲜明对比，但却产生了数倍的经济效益。员工虽少，效益却高，企业每部分都能产生zui大的效能。这是任何一个火电厂企业领导人的梦想，而这可通过实施管控一体化DCS（分布式控制系统）工程实现。

      什么是管控一体化DCS工程呢?首先，管控一体化系统总体技术路线为:系统采用WINDOWS NT和QNX操作系统平台，采用现场总线技术，形成DCS系统对火电机组的生产全过程至每个环节进行监视和控制。在此基础上，火电厂企业资源计划（ERP）的功能通过实时信息系统接口集成到DCS中，形成管理和控制一体化的计算机系统。系统从体系结构上应充分采用现场总线技术和开放式计算机与网络技术。系统结构示意图如图1。

      在火电企业中，利用管控一体化系统实现什么目标呢?首先，利用计算机集成制造的哲理，使火电企业的人、财、物、时间等各种资源得以充分利用，使发电生产过程和企业的经营得到优化，使企业在＂厂网分开、竞价上网＂的市场竞争中取得优势。通过实施管控一体化DCS工程，整合企业资源，实现对企业进行有效的经营管理，充分发挥企业核心竞争力的优势，降低发电成本，满足电网需求。企业以安全经济的电能质量和、的检修服务质量，实现长期的经济效益。实施管控一体化DCS工程的效益主要体现在: （1）降低发电生产成本；（2）降低管理成本；（3）提高企业利润；（4）提高企业综合经济效益；（5）提高企业核心竞争力、顾客满意率。

      火电企业要实现以上目标，管控一体化系统应具有什么功能呢?在管控一体化DCS工程思想统一下，综合自动化技术、计算机技术、网络技术、信息技术、智能技术和有关工艺（包括发电、检修等工艺）技术，建立火电企业集成化的经营决策系统、管理信息系统、生产计划与调度系统、车间管理、现场控制与数据采集系统。在计算机网络和数据库管理的支持下，不仅把发电企业的全部生产活动，包括市场分析（如:电网负荷分析、发电成本分析等）、经营管理、生产（包括主业及三产），集成起来，也把人-机集成起来，建立一个经营决策、生产调度、车间管理、生产过程优化控制的集成生产自动化系统。因此，系统应具有以下主要功能:（1）常规检测功能；（2）自动控制功能；（3）检测功能；（4）一体化的ERP功能。从而可以实现满意的经营决策、信息管理、优化企业生产调度、优化发电工艺的操作和控制，达到节能降耗、降低成本，以安全经济的电能质量满足电网要求，提高火电企业的能力水平。这就是为什么在火电厂实施管控一体化方案的原因。

      二、管控一体化系统体系结构及功能

      管控一体化系统体系结构怎样且如何实施呢?我们发现火电企业存在两类信息，即管理数据和现场数据。管理数据可采用分布式数据库管理，现场数据由DCS管理。管理所需要的现场数据，以及现场控制需要的管理数据，可相互获取和传送。为此，应将系统分为控制网络、系统网络和管理网络三层。控制网络应采用上zui流行的现场总线网络技术（如Profibus-DP和CAN等），用来连接现场控制站主控制器和I/O单元；系统网络用于连接现场控制站和操作员站及系统服务器，用于完成现场控制站与操作员站及服务器的通信和数据交换；管理网络用于DCS与ERP的数据交换以及和外部的数据交换。

      1.系统硬件体系结构

      系统硬件体系应由DCS系统硬件、ERP系统硬件和网关构成。DCS系统硬件包括I/0站、操作员站、工程师站、服务器、电源柜、接地柜、集成器等。ERP系统硬件包括2～3个服务器、1OOMbps交换机、集成器、电脑终端等。

      2.系统软件体系结构

      （1）体系结构

      DCS和ERP层系统软件均采用标准的Client/Server结构，为了保持操作数据（特别是历史数据）的一致性和保持系统数据的安全性与大容量的要求，系统的操作层采用Client/Server结构。

      （2）系统软件功能结构

      系统软件从功能上分为系统平台支撑软件和系统在线应用软件两个部分。系统平台支撑软件是用于生成各种应用工程环境的一组组态工具包，运行于工程师站或操作员站。包括实时数据库生成、控制过程和方法组态、ERP组态平台等。 在线应用软件是针对组态平台所生成的对象进行在线实时监测和连续实时控制的应用软件，包括操作员站监控软件、I/0板级智能软件等。

      （3）应用软件层次结构

      系统的应用软件由以下5个级别组成:

      a）设备级软件:用于现场信号的数据采集和预处理，设备级软件一般固化在I/0单元中。

      b）I/0处理及通信级软件:用于子系统级的集中数据采集和外部通信，通信级软件运行在各个子系统的现场控制站和通信控制器中。

      c）管理级软件:采用实时数据库，对子系统或全局的数据实行处理、记录、事件分析和其它应用功能，管理级软件运行在系统服务器中。

      d）操作级软件:操作级用于系统对火力发电现场的监视和实现对过程变量进行调节、参数整定和软手操作的功能，运行在各级操作员站、工程师站和控制站中。

      e）ERP级软件:ERP级实现火电企业资源计划的自动化，运行在ERP服务器和工作站中。

      系统软件应由系统组态、人机界面（HMI）、打印管理、数据集中管理、I/0通信和ERP等6个子系统组成。另外，还可集成GIS子系统、视频监视系统、语音查询子系统、语音报警子系统、大屏幕投影子系统等。

      a）系统组态子系统分别面向工程应用和二次开发，提供两级组态功能。

      ① 工程应用组态:工程应用组态为一个运行于工程师站或操作员站的软件包，是用户应用环境的组态工具。

      ② 应用开发组态:提供一系列面向应用开发的组态工具，以便于加入或扩展新的应用功能。

      b）人机界面子系统（HMI）的主要功能是图形显示和会话、控制操作、成组趋势显示、工艺报警、日志显示、参数列表、事故追忆查询显示和打印。

      c）打印管理子系统配以专门的动态数据定义组态平台，接受系统服务器打印命令和数据，将相应内容送至打印机打印，以完成各种实时库、历史库数据的统计报表。

      d）服务器数据集中管理子系统所管理的是来自各个现场控制站、通信控制器的数据。

      e）I/0通信子系统包括以下软件模块:① 数据采集通信模块；②数据采集处理模块；③计算模块；④通信模块。

      f）ERP管理子系统

      ① 层次结构

      我们考虑将一个企业分为六个层次和两个支持系统。0层为生产过程，1层为控制和数据采集层，2层为车间管理层，3层为生产计划和调度层，4层为管理信息层，5层为经营决策层。ERP覆盖了2～5层的功能。

      经营决策是顶层功能，依据火电企业内部和外部信息对企业经营策略、中长期目标、发展规划和年度综合计划提出决策支持。

      管理信息又可细分为经营管理、生产管理和人文管理，其任务是对火电公司、各车间、各科室的生产和业务信息实现集成管理，并依据经营决策的指令形成逻辑策略。

      生产计划和调度层完成生产计划分解、生产调度及生产统计等功能，进一步形成详细的生产计划、生产策略和过程策略。

      车间管理是生产计划和调度的直接执行者。主要完成生产计划、控制能耗，生产统计等。

      控制和数据采集层实现对生产过程的常规控制和有关生产的基础数据采集。

      数据库系统和网络系统是整个系统的基础，为系统信息集成提供集成环境。

      ② 功能结构

      我们考虑可采用组态思想，将ERP按功能划分成功能模块，每个功能模块相当于DCS的一个I/0站。通过企业组态平台可以灵活地构造企业的流程，满足火电企业变化的需要。我们可以用一个简单的结构图（图2）表示ERP功能结构。

      三、系统实施中需解决的关键技术

      1.实时数据技术

      管控一体化系统采用的软件平台应有机地将开放式的Windows NT平台和分布式嵌入式实时多任务操作系统平台QNX结合在一起，组成一个高性能、高可用性的实时分布式控制系统。现场控制站采用QNX系统，是基于系统面向过程的处理，具有更好的实时性和可靠性。操作员界面采用Windows NT平台，是基于其人机界面友好的操作性和人因性能。服务器采用的Windows NT平台，是基于系统更好的扩展性、数据的开放性和系统对第三方软件的集成能力。系统的实时数据库应以分布式服务器群集技术为基础，通过网络透明的进程间通信，使一个地理或功能上分散的系统的全部信息形成一个全局数据库，任一操作员站都可以访问任何一个服务器，实现本地或远程的监视和控制。

      2.实时网络技术

      在管控一体化DCS系统中，网络是整个系统的关键部件，其中zui关键的是它的可靠性和实时性。系统的网络分为三层，现场控制网、系统控制网和管理网。系统控制网用于连接服务器和系统中的各I/0站。现场网位于I/0站中，用于I/O站内的主控制器模块与各I/0模块的连接。管理网络用于DCS与ERP的数据交换以及和外部的数据交换。

      3.面向目标图形技术

      在发电工艺模拟流程图生成和显示的软件技术上，应采用面向目标图形的设计和编程技术，包括图形对象的编辑、图形对象的组合与分解、图形对象的动态特性和人机交互特性的定义以及对图形对象库的管理等功能。面向对象的图形界面设计技术，可以实现复杂漂亮的图形界面，并支持动画功能、图形缩放功能。

      4.多窗口技术

      在软件技术上应实现多窗口技术，背景为一个主框架窗口，各种操作画面按照操作顺序放在子窗口中。主框架窗口提供菜单、状态条和背景窗口；子窗口按不同的窗口功能显示不同的内容，如动态图形画面，报警画面、日志跟踪显示画面、参数列表画面、曲线显示画面等。

      5.Internet Web服务器技术

      应将Internet Web服务器的技术引进到系统中，用Web服务器浏览和查询现场信息和状态的功能，提供与操作员站软件及ERP系统——对应的查询和显示功能。

      6.现场控制站的硬件设计技术

      整个系统对I/0站提出了很高的要求。I/O站应主要具有以下特点:

      （1）所有的功能单元（主控制器、电源和I/0）采用基于现场总线的模块化设计；

      （2）系统中重要的模块（主控制器、电源和模拟量输出模块）支持冗余配置；

      （3）系统中所有的模块都支持在线热插拔；

      （4）模拟量输入模块采用16位的A/D转换器，在保持高精度的同时，具有很高的共模和差模噪声抑制能力；

      （5）开关量输入模块在保持很好的噪声抑制能力的同时，对SOE（事件顺序）输入信号达到lms的分辨率。

      以上就是火电企业管控一体化系统实施中的关键技术，也是系统开发成功的关键所在。

      四、国内外系统的技术发展情况

      1.国外发展动态

      目前国外可以成套提供（集成）管控一体化计算机系统的国家主要有美国的Honeywell、Foxboro及德国的Siemens等。

      随着计算机、网络、现场总线等技术的发展，国外的DCS系统也在不断发展、不断完善，其技术发展的特点如下:

      （1）基础硬件和软件由产品系统发展为通用、标准化产品系统。

      （2）系统体系结构由集中结构向分布式结构、进而向客户机/服务器结构方向发展，并在此基础上发展成基于Intenet/Intranet技术的全企业自动化系统（即所谓BS结构——Browser/Server结构）。

      （3）系统软件采用了窗口技术、面向对象技术、多媒体技术等软件新技术。

      窗口技术提供了丰富灵活的人机界面功能，使CRT屏幕的作用大大加强，且操作简洁快速。

      面向对象技术的图形可以更加灵活地再现工厂各部分的实时状态，并且具有立体图显示和动画功能，以使操作员动态地掌握现场运行情况。在对象图形的基础上，近年来面向对象的编程和对象数据库有了很大的发展，这使得计算机软件更贴近现场设备，并可以根据各个现场设备的实时状态提供有力的手段，同时为引入人工智能技术打下了基础。

      （4）应用软件及系统更加实用、方便、可靠。

      2.国内概况

      目前国内除了北京和利时公司外，还没有第二家公司的产品可以实现管理和控制的无缝连接，实现企业管控一体化。而在火电企业中，实现管控一体化方案的极少。

      3.国内外系统的技术对比情况

      将国内厂家所采用的技术和系统的技术水平与国外的同类技术和系统进行比较，在系统基础、体系结构、软件技术和应用设计基础方面水平相当，但在企业经营、决策建模和应用方面还有差距。

      五、结论

      根据系统技术和性能价格比等方面的比较，火电企业实施管控一体化方案可优先考虑国内产品。因为在系统基础、体系结构、软件技术水平和应用设计基础等方面，国内产品已达*水平，并可实现无缝连接，而ERP管理子系统可根据需求方便修改和升级。但在实施火电企业管控一体化方案时，无论采用国内厂家产品还是*产品，都应注意解决以下几个问题:

      （1）在制定火电企业实施管控一体化方案时，应将*的现代化管理思想嵌入一体化系统。这是方案的难点，也是系统实施成功的关键，是提高火电企业能力水平的基础。

      （2）现在越来越多的火电企业为适应新的发展形势，将状态检修的思想纳入到发电设备的日常检修和维护工作中，通过对设备状态的监测和诊断，实现设备的故障预诊断和寿命预测，从而合理地安排设备检修计划，保证设备安全、经济、长期运行。当前对设备状态的诊断技术和手段已成熟，但对设备故障和寿命的预测仍没有成熟理论和数学模型。另外，设备在故障和减少出力的状态下，对发电成本的影响分析，仍无法用定量分析代替定性分析。因此，在实施管控一体化系统时，应建立准确合理的状态检修数学模型，这样才能将系统充分融入火电企业的日常工作中，发挥zui大效能。

      （3）火力发电企业由于自身的*性，管理体制和机构长期保持稳定，对*管理思想的实施有一定难度。许多火电企业在实施MIS系统项目时，将现行管理体制嵌入系统中，制约了系统效能的发挥。因此，在实施管控一体化的过程中，如何将*的管理思想纳入火电企业的管理体制，是必须解决的问题，这样才能确保系统效能的zui大发挥，和促进火电企业能力水平全面提高。

      （4）在管控一体化实施过程中，系统与企业的融合也是急需解决的问题。在火电企业中，运行与检修、特别是检修四个专业（汽机、锅炉、电气、热工）之间所面临的工作范围和使用系统能力水平存在较大差距。因此，要将有针对性的培训落到实处，让员工适应并熟练使用系统，这样才能确保系统得到zui大＂扩展＂。