國內火電行業管控系統發展歷史探討

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業變革與我國加快轉變經濟發展方式形成歷史性交匯，國家提出了實施制造強國的發展路線，部署“中國制造2025”，對接“工業4.0”。

火電企業的管理和控制系統從20 世紀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80 年代中后期開始推廣DCS（Distributed Control System，集散控制系統），大幅減少常規儀表和后備手動操作器，普及了單元集中控制，實現DCS 公用網和輔網，并向控制系統一體化方向發展的過程。從2010 年前后至今，在信息化和數字化的基礎上，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 月發布的《關于構建更加完善的要素市場化配置體制機制的意見》寫入數據要素為表征，數據要素作為一種新型生產要素的重要性已經不可忽視。

1 火電企業管理和控制系統的發展歷史

1.1 傳統過程控制——常規儀表和手動操作器

20 世紀50 年代前后開始，火電企業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、電控制系統之間沒有或很少有聯系，過程控制主要是根據頻率法和根軌跡法為主體的古典控制理論，憑生產實踐經驗操作，實現對諸如溫度、壓力、流量及液位等熱工參數的定值控制，進行就地控制。

20 世紀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用，至80 年代初期，組裝儀表、單回路調節器和PLC開始在國內推廣。PLC 通過程序編制可以實現多種類型信號的多輸入、輸出，組裝式儀表在結構上分為控制柜和操作臺兩部分，可以將監控有關的儀表集中安裝，開創了把機、爐乃至機、爐、電作為一個單元整體進行集中控制，實現集控運行，有效提高了閉環控制系統及聯鎖保護系統的投入率和調節品質。

1.2 自動化——DCS 系統的應用

20 世紀80 年代中后期開始引進DCS，實現數據采集、監控和閉環控制。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90 年代初期推廣DCS 系統，90 年代末，我國自主開發的DCS 系統得到廣泛應用，一直到21 世紀后進入快速發展期，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絡的封閉系統、輔控系統各自獨立且信息不互通等原因，未能實現控制網絡一體化，導致DCS 系統之間以及DCS 與上層信息網絡之間難以實現互聯和資源共享，產生了“自動化孤島”問題。這導致了需要大量運行人員來監控設備的運行情況，不僅運維不易，而且不能掌握全廠系統總體運行情況，無法經濟合理地安排全廠系統協調運行。隨著火電機組的大型化發展，生產系統的耦合性、時變性、非線性等特點更加突出，過程控制任務越來越重，控制系統越來越難以滿足生產過程控制的要求，迫使DCS 應用范圍擴大，主、輔機控制系統硬件一體化、網絡一體化、接口標準化等逐步實現，建立了全過程多參數綜合操作的概念，機組控制和聯鎖保護功能得以完善、調節品質得以改善，實現機組級乃至全廠級的集中控制，大幅減少了運行人員。

1.3 信息化和數字化——MIS&ERP、SIS、現場總線

1997 年電力規劃設計總院發布的《2000 年火電廠自動化》提出了發展SIS 和MIS，以及輔助車間集中管控的全廠管控網絡化及監控物理分散等目標。在此期間ERP、OA 等企業經營管理系統也逐步實現廣泛應用，現場總線技術也開始推行。2000年前后，電力行業開始進入信息化和數字化階段。

1.3.1 中國特色的火電企業信息化模式

20 世紀90 年代，國外發達國家的流程企業形成了MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）+ERP 信息化模式，當前國內石化、鋼鐵等流程行業也廣泛應用此模式。

1992 年，美國AMR（Advanced Manufacturing Research，先進制造研究機構）在對流程企業做了大量調查研究的基礎上，提出了流程行業企業的3 層集成模型，即企業生產經營過程從底層到頂層分為控制層、執行層和計劃層，每層都應有對應的控制和管理系統、軟件。

當時發達國家的許多企業，對應控制層的DCS、SCADA 和對應計劃層的ERP 已經逐步得到廣泛應用，但是對應執行層的信息系統無人關注，計劃層和執行層的信息系統互相割裂運行，由于上層系統沒有底層數據支持，企業信息化成效有限。

在20 世紀90 年代后期，國外對應執行層的MES 迅速發展起來，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與底層工業控制之間，面向車間層的管理系統?！盡ESA（Manufacturing Execution System Association，國際制造執行協會）對MES 的定義是“MES 能通過信息傳遞，對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理?！?/p>

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

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

（1）功能劃分不同。SIS 的對象明確是實時生產過程，非實時生產過程如檢修、交接班等納入MIS 管理，對生產過程的實時信息、監控和管理的時間性要求較高，主要會考慮在線監控和管理的功能；MES 泛指生產過程，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行層，SIS 和MES 都直接和機組（車間）級控制系統連接，所以兩者都應具有比MIS 和ERP 更高的安全等級。SIS 系統集中配置到安全等級相似的控制區域，同時主要面向生產管理和運行人員，安全區等級高、涉及的人員集中，保障安全方便。

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

（4）系統配置不同。SIS 需要配置實時/歷史數據庫處理實時數據，MES 還需要配置完善的關系數據庫。

電力生產與一般的工業過程不同，生產（發電）流程中沒有具體的產品，只是一個能量轉化的過程，并沒有對具體產品在生產全過程中進行追蹤管控的過程和需要。電力生產的信息化主要是保證生產過程的穩定性、安全性和更高效的控制性，同銷售及物料環節的配合沒有一般流程企業那么高的復雜性。結合SIS 在安全管理、生產實時管理上的特點以及我國電廠信息化自主發展的實踐經驗，國內火電企業信息化最終確定了DCS+SIS+MIS（或MIS&ERP）的道路。

1.3.2 現場設備級的數字化

從系統層級的維度劃分，火電廠控制和管理系統可劃分為3級，即廠級（SIS、MIS、ERP 等）、機組（車間）級（DCS、PLC）、現場設備級。現場設備級的數字化主要是依靠現場總線技術，按照國際電工委員會IEC 61158 的定義，現場總線實際上是將安裝在制造或過程區域的現場設備與控制室內的自控裝置之間的數字式、串行、雙向、多節點通信的數據通信網絡，現場總線技術比起傳統常規儀表的優勢主要是可以節約電纜、方便安裝、提供豐富診斷信息等。

2 發展規律

2.1 火電企業的管控系統發展過程的本質

縱觀火電企業管理和控制系統的發展歷史可以看出，火電企業的管控系統的發展過程就是電力企業信息化和數字化的過程。

按《2006—2020 年國家信息化發展戰略》（中辦發【2006】11號）表述，信息化是充分利用信息技術，開發利用信息資源，促進信息交流和知識共享，提高信息增長質量，推動經濟社會發展轉型的歷史進程。就企業信息化而言，它是一個動態的過程，即企業利用信息技術，對生產經營活動中，企業內外部的各種信息進行采集、控制、集成和深度開發利用，促成業務模式創新、工作流程重組、組織架構重組乃至市場模式和經營戰略轉變等等，不斷提高企業的經濟效益和市場競爭力的過程。在這個過程中，信息化的基礎在于對信息技術進行有效利用，進而實現兩化融合。

數字化是以數字形式表示（或表現）本來不是離散數據的數據。具體的說，也就是將圖像或聲音等轉化為數字化，以便這些信息能由計算機系統處理與保存（GB/T 25486—2010《網絡化制造技術術語》）。企業數字化或者說企業數字化轉型，即利用新一代信息技術，構建數據的采集、傳輸、存儲、處理和反饋的閉環，打通不同層級與不同行業間的數據壁壘，提高行業整體的運行效率，構建全新的數字經濟體系（《傳統產業數字化轉型的模式和路徑》——國務院發展研究中心課題組）?？梢钥闯?，數字化和信息化都基于信息技術，依賴于對數據要素的利用，最終都提高了生產力。

因此，從本質上看，火電企業管控系統的發展歷史，就是基于信息技術的發展和生產組織方式的變革，逐步深化數據要素應用的進程。

在這個進程中數據的獲取從人工、模擬量方式，到后來可以直接得到包括測量值和多種設備參數在內的數字量，越發可靠、豐富和實時；數據的使用從人工憑經驗使用，到簡單反饋回路控制，集中控制和將來的智能化控制，越發高效；數據的治理從手工抄表到各個系統數據互不相通到形成信息共享的數字化網絡，數據的可用性和易用性越發強大。

2.2 經驗和教訓

在這個進程中也有一些共同的經驗和教訓，比如在自動化建設和信息化建設的過程中都出現了“數據孤島”問題；在DCS和SIS 的應用過程中都伴隨著組織變革，DCS 催發了集控運行的產生，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；最初開始應用現場總線技術得到大量數據的時候，由于利用智能化和大數據等技術的分析方法和工具不足，取得的數據沒有對電力生產運行經濟指標產生明顯影響，于是現場總線技術的發展應用也就沒有了足夠的市場動力。

3 結語

在電力智慧化的建設過程中，應該以深化數據要素的應用作為線索，以提升生產力為目標，從加強數據的獲取、使用和治理能力的角度去使用智慧化的信息技術工具，同時要注意避免“數據孤島”問題，而且必須建設適應新技術的組織管理模式。