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青藏高原，黃河上游海拔最高的水電站——國家能源集團青海瑪爾擋水電站自全部投產(chǎn)發(fā)電以來，運營狀態(tài)良好。在這背后，離不開全國產(chǎn)智能分散控制系統(tǒng)的全天候守護。

分散控制系統(tǒng)（以下簡稱“DCS”）被喻為電廠運行的“神經(jīng)中樞”。它管理著數(shù)百個系統(tǒng)、近萬個設(shè)備，能夠?qū)Πl(fā)電過程進行實時監(jiān)測與運行控制，是電廠高效經(jīng)濟的重要保障。

“長期以來，DCS被國外壟斷，直接威脅我國能源安全。”日前，國家能源集團所屬國能智深控制技術(shù)有限公司（以下簡稱“國能智深”）首席科學(xué)家田雨聰告訴科技日報記者，“為將主動權(quán)攥在自己手中，我們的研發(fā)團隊矢志攻關(guān)，歷時30多年，成功研發(fā)出首套全國產(chǎn)智能分散控制系統(tǒng)。”

確保隨時“上崗”

“發(fā)電機組需要24小時不間斷運行，這對其控制系統(tǒng)要求極高。”國能智深硬件研發(fā)部副經(jīng)理丁娟告訴記者，“我們必須設(shè)法讓DCS極致‘靠譜’，才能保障電廠安全運行。”

要想DCS極致“靠譜”，首先要保證控制器實時“在線”、精準施控。丁娟解釋：“控制器猶如控制系統(tǒng)的‘大腦’，負責(zé)接收并計算分析傳感器采集的數(shù)據(jù)，然后向執(zhí)行器發(fā)出指令，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的管理。”

這個“大腦”一旦失靈，所有控制功能都會失控，整個系統(tǒng)也將隨之宕機。確保控制器“不掉鏈子”成為研發(fā)團隊必須攻下的關(guān)卡。

“增加備用控制器，為系統(tǒng)設(shè)計冗余方案。”團隊成員異口同聲。但是被問到具體怎么設(shè)計時，大家又莫衷一是。

反復(fù)研討后，難點被鎖定在如何實現(xiàn)兩個控制器的無縫切換上。“主備控制器切換，不是電路跳閘了再掰回去那么簡單。”田雨聰介紹，“電廠的生產(chǎn)一刻不能停，備用控制器須具備隨時‘上崗’工作的能力。”

說起來容易，做起來難。主控制器怎么判別自身故障，并第一時間讓出控制權(quán)；兩個控制器獲取的監(jiān)控數(shù)據(jù)怎樣保證完全一致；備用控制器如何時刻做好“跑起來”的準備……為了解決這些問題，大家經(jīng)常爭得面紅耳赤，在很長一段時間內(nèi)沒有進展。

一次頭腦風(fēng)暴中，有團隊成員聯(lián)想到汽車備胎，突發(fā)奇想——把備胎放下來與正常輪胎一起跑，一旦正常輪胎出問題，備胎不就能實時頂上了嗎？

“順著這個思路，我們提出了兩個控制器同時工作的解決方案，讓備用控制器正常接收傳感器上傳的數(shù)據(jù)，并進行計算分析，只是不發(fā)出任何指令。”丁娟說。

在此基礎(chǔ)上，團隊又設(shè)計出主備控制器實時交換數(shù)據(jù)的方案，以便第一時間判定主控制器是否正常工作，一旦出現(xiàn)異常即可實時切換，徹底解決了備份控制器“上崗”難問題。

“穩(wěn)住”通信網(wǎng)絡(luò)

解決了控制器問題，只是邁過了第一關(guān)。要實現(xiàn)DCS極致“靠譜”，還離不開系統(tǒng)各節(jié)點間數(shù)據(jù)的高效安全通信。

“這就猶如神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)電信號的傳輸，電信號的準確與否直接決定了人體運動是否到位。”國能智深軟件研發(fā)部副主任工程師王春燕說，DCS的通信網(wǎng)絡(luò)負責(zé)把系統(tǒng)內(nèi)各個節(jié)點，比如工程師站、操作員站、控制器等連接起來。這個通信網(wǎng)絡(luò)不僅僅是網(wǎng)絡(luò)連接，它還承擔(dān)著數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

經(jīng)過多年的摸索和積累，2006年，研發(fā)團隊設(shè)計出通信網(wǎng)絡(luò)新一代版本。這一版本應(yīng)用了雙網(wǎng)、多播組等技術(shù)，在實驗室內(nèi)反復(fù)測試，數(shù)據(jù)一切正常。

“就在大家歡欣鼓舞之時，一盆涼水卻從天而降。”田雨聰至今記憶猶新，通信網(wǎng)絡(luò)在電廠上線試運行后，出了問題——網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)負荷過高，導(dǎo)致整個系統(tǒng)不穩(wěn)定，偶爾還會宕機，跑不起來。

研發(fā)團隊立即開展排查。為了盡快解決問題，大家吃住在現(xiàn)場。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、軟件代碼、軟件封裝等，甚至每個分支、每行代碼都做了一一篩查，但依然沒有發(fā)現(xiàn)問題的癥結(jié)。

“關(guān)鍵是，這種情況發(fā)生在發(fā)電機組即將投產(chǎn)的緊急時刻，當時團隊成員非常焦慮、壓力特別大。”王春燕說，“大家互相提醒一定要冷靜，從源頭出發(fā)，仔細分析可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)堵塞的原因，認真比對試運行環(huán)境和前期實驗室調(diào)試環(huán)境的區(qū)別。”

經(jīng)過十多個晝夜的努力，他們發(fā)現(xiàn)，控制器之間互相發(fā)送運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，造成了網(wǎng)絡(luò)流量暴增。

“為了讓通信網(wǎng)絡(luò)中的流量降下來，我們設(shè)計了扁平化的對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、柔性分域技術(shù)以及組播和發(fā)布訂閱相結(jié)合的通信技術(shù)，開發(fā)出分布式監(jiān)控系統(tǒng)。”王春燕告訴記者。

如今，DCS的通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多次迭代升級，運行越來越穩(wěn)定可靠，安全性越來越高。

變得“聰明智能”

通信網(wǎng)絡(luò)組建成功后，DCS就可以在發(fā)電機組上實際應(yīng)用了。但此時系統(tǒng)只具備實時控制和基本計算判斷功能，還不能進行更高級的數(shù)據(jù)分析。

如何讓DCS變得更“聰明”，自主分析運行數(shù)據(jù)，進而作出優(yōu)化決策？

“之前，國內(nèi)沒有智能DCS，我們沒有可以參考的對象，只能從‘0’做起。”為此，國能智深智能技術(shù)部經(jīng)理張東明等人調(diào)研了3個多月，走訪了20多家發(fā)電廠，收集了100多條建議，才弄清了發(fā)電企業(yè)對智能DCS的功能需求。

經(jīng)過一年的設(shè)計、調(diào)試，2018年2月，智能DCS初具雛形，正式進入仿真測試階段。此時，研究人員都滿懷信心。

然而，意外還是再次出現(xiàn)——仿真測試結(jié)果不盡如人意。運行大量仿真數(shù)據(jù)后，智能DCS偶爾會無緣無故地癱瘓、重啟。

“最開始，我們不知道問題出在哪里，大家都很沮喪，感到很迷茫。”為了解決問題，張東明等人只能細化操作，一條一條地運行輸入和輸出的數(shù)據(jù)，并進行詳盡記錄和分析。

“經(jīng)過數(shù)不清的對比驗證，我們才發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模型中存在一些微小錯誤，直接導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓、重啟。”張東明告訴記者，“這些問題‘藏得很深’，在大多數(shù)情況下不會顯現(xiàn)，只有在輸入特殊數(shù)據(jù)組合時才能觸發(fā)。”

經(jīng)過3個多月的“定位”、修改錯誤，系統(tǒng)最終通過了仿真測試。

2018年7月4日，我國首臺套智能DCS在國家能源集團內(nèi)蒙古東勝熱電有限公司#1機組正式投運，各項功能達到預(yù)期目標。

截至目前，研發(fā)團隊自主研發(fā)的控制系統(tǒng)已經(jīng)大規(guī)模推廣應(yīng)用至300兆瓦、600兆瓦、1000兆瓦等各等級發(fā)電機組上，先后在火電、核電、水電、新能源、煤炭等各類工程中應(yīng)用超過3500臺套。

“黨的二十屆三中全會決定提出，‘統(tǒng)籌強化關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)’‘推動科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新融合發(fā)展’。這讓大家倍添動力。”田雨聰說，“智能DCS的成功研制，不但打破了國外的技術(shù)壟斷，還實現(xiàn)了在該領(lǐng)域的領(lǐng)跑。未來，我們將繼續(xù)推進工業(yè)控制軟件國產(chǎn)化、高端化，牢牢攥緊工業(yè)安全主動權(quán)！”