分散控制系統自主可控技術的發展

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，國際上電力網絡攻擊事件頻發，造成設施損毀、大規模停電，甚至社會動蕩。分散控制系統（DCS）是火電機組的“神經中樞”，其核心軟硬件嚴重依賴歐美等國，存在重大安全隱患和斷供風險，嚴重威脅我國電力生產安全。然而，目前我國核心元器件和基礎軟件產業仍處于起步階段。實 現DCS自主可控，構建自主創新體系，是關系我國電力生產和國計民生重大戰略選擇。DCS自主可控關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軟件的內核全面自主可控[1-4]。

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

國產DCS硬件系統經歷了結構優化、芯片升級和智能低功耗等發展歷程。過程控制層模件由模件+預制電纜+端子板的結構逐步發展為端子/模件一體化結構，通過小型化設計提高了系統集成度和連接可靠性，同時節省了機柜空間和數量。控制器核心由高性能32位CPU發展為采用64位嵌入式SOC（systemon-a-chip）處理器，工作主頻、存儲容量和片上資源等性能不斷提升。I/O模件CPU由8位或16位單片機發展為32位高性能低功耗微控制器（MCU）。同時I/O模件由插裝元器件發展為采用SMT（surface mounted technology）工藝的智能低功耗設計。

在國產DCS發展初期，國家發改委和相關行業主管部門及時制定了一系列措施鼓勵國產DCS的推廣應用。在此過程中，我國科技人員在消化吸收國外技術的同時，積極自主創新國產DCS，經多年努力已取得可喜成果，如新華控制、和利時、國電智深和浙江中控的產品相繼在改造或新建工程中廣泛應用。

近年來，隨著國內技術的發展，國產品牌DCS已占據一定市場份額，市場規模逐年擴大，但與進口品牌相比，其市場占用率仍相對較低，且系統軟硬件也多采用進口產品。

1 國產DCS軟硬件國產化現狀

國產DCS上位機操作系統多采用非開源的由美國微軟公司研發的Microsoft Windows操作系統，上位機應用軟件則均基于Windows系統自主開發，且相關接口軟件統一采用Windows平臺相關標準。系統采用的數據庫軟件多為進口供貨商提供的成熟產品，如Oracle、DB2等。現場總線軟件多基于Windows系統自主開發，下位機控制器嵌入式操作系統多采用非開源的進口操作系統，目前其使用和系統裁剪均須獲得相關國外供貨商授權。

國產DCS上位機多使用國產品牌計算機，但其CPU等核心芯片依舊需要進口，如Intel或AMD品牌；而下位機控制器、I/O模件和通信設備（如交換機等）使用的CPU、千兆PHY芯片、ADC/DAC、MCU、FPGA等核心芯片也均采用進口產品。

綜上，雖然國產DCS已經取得一定進步與發展，但尚未完全實現軟硬件自主可控。我國未完全掌握從上位機操作系統、嵌入式操作系統到控制器和I/O模件處理器芯片在內的完全國產化技術，嚴重依賴相關國外供貨商。總而言之，在大力發展自主可控技術之前，國產DCS上位機和下位機的軟、硬件仍然大量使用國外軟件和進口品牌設備，國產化率較低，核心技術及元器件尚未實現自主可控。

2 國產DCS實現自主可控存在問題

DCS全國產化是指DCS的軟硬件均采用國產自主可控系統和元器件，即：操作系統（包括桌面和嵌入式）、元器件（包括芯片、分立元器件等）、數據庫、應用軟件等全部采用國產自主可控技術和產品。目前，國內已經基本形成了自主可控的全國產化產業鏈[5]，但國內工業級CPU等核心芯片、操作系統和基礎應用軟件產業相對科技發達國家較為薄弱，技術成熟度低，國產化技術生態不完善，性能良莠不齊，穩定性和兼容性有待應用驗證。因此，實現DCS全國產化仍面臨嚴峻的技術挑戰。

DCS的自主可控重在強調“能力”，重在外部供應受限時還能依靠國內的力量保障產業鏈和供應鏈的基本運行，實行國產替代對于達到自主可控是完全必要的[6]，但要實現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方案問題；2）芯片功能缺陷導致的模件性能差的問題；3）操作系統和工控軟件與硬件的適配性、可靠性、綜合算力等問題。

目前，國內各家自主可控 DCS所需要的元器件基本都能實現國產替代，同時國產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，系統總體功能和性能達到行業標準要求，個別功能還有所提升。但在實際應用過程中，由于系統成熟度等原因，替代或適配方案仍需根據實際應用環境和工況不斷進行升級和優化，以增強系統魯棒性。另外，國產元器件由于生態原因，升級迭代的同時造成批次性差異。因此，DCS廠家需及時調整或改進設計方案，以加強DCS產品對國產生態的適應性。

對于新老系統的兼容性問題，各家DCS整體結構與傳統方式基本一致，特別是老牌DCS企業，對于歷史型號系列產品，需考慮新老系統相互兼容的問題；而新興DCS企業則不存在該問題，可以大膽地使用新技術。

3 國產DCS開發進展與應用情況

2019年以來，各大電力央企發揮優勢，經艱苦攻關，最終攻克關鍵核心技術。全國產、自主可控DCS在300、600、1 000 MW等級機組分別投入運行，標志著火電控制系統實現自主可控。國產DCS主要產品有華能睿渥、華電睿藍、國能智深、南京科遠和浙江中控等（表1）。

表1 國內自主可控DCS開發及應用情況 Tab.1 Development and application of independent and controllable DCS in China

3.1 華能睿渥

2020年11月6日，中國華能集團有限公司（華能集團）自主研發的國內首套100%全國產化DCS——華能睿渥在華能福州電廠350 MW機組成功投運，實現鍋爐、汽輪機（含DEH）、發電機的全覆蓋控制，為國內首臺套100%國產化DCS機組，標志著我國發電領域工業控制系統完全實現自主可控。

2020年11月25日，華能睿渥DCS在華能玉環電廠1號超超臨界1 000 MW機組成功投運，屬國內首次實現百萬千瓦機組全國產DCS示范應用，標志著我國高參數、大容量發電領域核心控制設備實現完全自主可控[8]。

2021年9月23日，我國首臺全國產DCS+DEH/ MEH主輔一體化百萬千瓦超超臨界高效二次再熱機組——華能瑞金電廠二期工程3號機組正式投運，其采用的是華能集團自主研發的全國產安全智能型睿渥DCS[9]，這是我國在發電工控系統“卡脖子”技術上實現的又一重大突破，實現了全廠范圍主輔一體化的全國產化控制。

華能睿渥 DCS（HNICS-T316）全面采用國產操作系統和國產元器件，自主開發控制器、 I/O 模件等組成的下位機系統；上位機，包括操作員站、工程師站、歷史站等，采用中國電子長城計算機/服務器，搭載麒麟操作系統，運行自主開發的應用平臺軟件。經第三方審查，系統電子元器件國產化率達100%，整體性能和功能達到國家和行業標準要求，多項技術指標超過國內外同類產品，并通過了歐盟CE安全認證，滿足歐盟標準要求，穩定性及可靠性達國際先進水平。

目前，華能集團正在穩步推進在役和新建機組的核心控制系統全國產化替代和應用工作，進一步提高工控系統的國產化覆蓋率，提升電力設備自主可控水平。

3.2 華電睿藍

2019年12月26日，由中國華電集團有限公司自主研發的采用國產CPU的華電睿藍DCS在華電揚州電廠330 MW機組成功示范應用。

2020年11月23日，華電睿藍DCS在華電蕪湖電廠超超臨界660 MW機組成功投運，控制范圍覆蓋鍋爐、汽輪機（DEH）等主、輔設備。系統控制層、網絡層、監控層均實現國產化，主要模件實現了100%國產化。

2021年6月11日，華電睿藍自主可控DCS在華電句容電廠1號超超臨界1 000 MW機組成功投運，成為國內首套在330、660、1 000 MW機組均實現工程應用的自主可控DCS[10-11]。

3.3 國能智深

2021年8月20日，由國能智深控制技術有限公司自主研發的國內首套自主可控智能分散控制系統（iDCS）在內蒙古能源公司布連電廠2號超超臨界660 MW空冷燃煤機組成功應用。該系統實現了關鍵芯片100%國產化，軟件100%國產化，核心知識產權100%自主可控。具有電廠核心控制系統自主可控、系統網絡特性、硬件抗干擾性等特點，設計了泛在感知數據網、全廠實時數據池和智能計 算引擎，提高優化了控制系統對生產數據的采集、計算、分析能力，實現發電過程全流程協同智能化。同時開發了高度開放的運行優化、建模計算和統計分析環境，構建了具有主動防御、邊界防護、集中監管功能的工控系統網絡安全架構，提升了智能發電運行控制系統在復雜網絡條件下的內生安全防護水平及工控領域核心信息基礎設施安全防護水平，為我國能源裝備核心技術實現國產化、自主化、智慧化提供了保障[12]。

3.4 南京科遠

2021年5月6日，由科遠智慧自主研發、100%自主可控智能控制系統NT6000 V5，在大唐南京發電廠2號660 MW機組實現進口替代，正式投入商業運行。系統硬件設備包括控制器、I/O模件及各類組件等均100%采用國產芯片，上位機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，操作系統采用基于國產安全加固的銀河麒麟V10操作系統。系統通過國家權威機構完全自主可控認證，認證結果自主可控率達到100%[13]。

3.5 浙江中控

2021年7月17日，浙江中控發布了100%全國產化DCS控制系統ECS-700X。從操作站軟件到控制器、通信模塊、I/O模塊，實現100%全國產化。系統硬件方面，控制器采用龍芯低功耗高性能處理器，I/O硬件采用中控技術定制SoC芯片開發。系統軟件采用銀河麒麟V10作為監控平臺的操作系統。

3.6 和利時

2021年10月，和利時發布HOLLiAS MACS IC完全自主可控DCS，其系統數據庫容量為120萬點，專門針對石化、化工、油氣等行業超大型煉化項目（千萬噸級煉油及百萬噸級乙烯項目）應用需求設計。控制器CPU采用龍芯雙核處理器，采用自主研發微內核架構，所有元器件國產化率100%，所有上位機軟件及組件100%國產化。

4 國產DCS推廣運行中存在問題

當前，我國已具備進行自主可控DCS大規模推廣的條件。在前期推廣過程中，整體態勢向好，但由于國產軟硬件生態現狀，還存在缺少嵌入式低功耗處理器、國產元器件性能存在批次性差異、產業供應鏈較弱等問題。

4.1 缺少嵌入式低功耗處理器

目前國內缺少適用于DCS控制器開發的國產嵌入式低功耗處理器，只能采用桌面處理器替代開發，普遍存在功耗高、發熱量大的現象，國內自主研發高能效處理器內核在低功耗方面還有待加強。

4.2 國產元器件不同批次存在性能差異

國產元器件不同批次產品的性能存在一定差異，如某品牌A/D轉換器，同一型號不同批次的采樣時鐘有所區別，需動態調整采樣等待時間才能完成其功能。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，需針對應用需求進行二次篩選才可用于生產。

4.3 國產軟硬件生態不完善，性價比低，供貨周期長

當前，國產軟硬件生態尚不完整，國產芯片、操作系統和整機的產品鏈相對單一，在選型方面存在一定局限性。特別是受全球疫情反復等多種外部環境因素的影響，芯片生產原材料漲價、供應緊張，造成當前總體成本上漲，性價比偏低，供貨周期也隨之加長，大規模推廣成本壓力較大。

4.4 國產操作系統生態環境有待優化

操作系統生態建設需要解決的最核心問題就是適配和優化。DCS廠家的上位機和下位機軟件均基于國產操作系統平臺開發，具有自主知識產權。在當前技術條件下，與進口成熟產品相比，自主可控應用軟件進行常規地移植適配后，在國產平臺運行時往往出現由于算力資源緊張導致的程序卡頓、丟幀、實時性低等問題。此外，由于國產CPU硬件平臺架構的多樣性，始終未形成統一的行業標準和軟件開發環境、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生產企業和國產軟硬件廠家，應加強產業鏈生態圈內的技術交流，實現信息共享，加強橫向合作，取長補短，通過生態閉環實現信息共享和快速迭代，在整個行業內形成積極推動國產DCS應用的良好氛圍。國產軟硬件產品經過迭代發展，在功能和性能方面必將不斷拉近與國外同類產品的差距。同時研究高效統一的軟件開發環境、操作系統配套工具鏈等，使國產操作系統、底層基礎軟件和上層應用軟件更好地適配國產硬件平臺，構建更加成熟的國產軟件生態環境。

2）DCS廠家對已應用的項目進行長期跟蹤和 觀察[7]，掌握國產元器件的長期穩定性數據及批次性差異情況，不斷迭代優化和升級，并持續增強自身DCS產品的研發能力，以提高產品可靠性和可控性，確保自主可控DCS的長期、穩定、可靠運行。同時將現場收集的數據和情況及時反饋給元器件研究單位，協助其改進提升，快速提高國產元器件的可靠性和長期穩定性。

3）正確的政策引導是國產DCS持續發展的基礎，最終應用單位的大力支持對國產DCS的大規模推廣應用起決定性的作用。因此建議各大電力央企加大對自主可控工控產品推廣應用的支持力度，共同促進自主可控生態圈的健康發展。

6 結 語

近兩年來，國產自主可控DCS領域取得了重大突破，解決了“卡脖子”問題。多個DCS廠商進行前瞻性規劃，相繼推出各具特點的自主可控產品，在多個示范項目成功應用，并在各自集團內展開大規模推廣，強有力地帶動了國產軟硬件和產業鏈的發展。

國產DCS廠商在掌握核心技術的同時，仍在不斷提高研發設計和應用能力，在研用結合、安全可信、智能高效等方面繼續深入研究，從根本上提升火力發電領域核心控制系統的本質安全和智能化水平，助力我國能源安全和科技創新水平再上新臺階。