CN111273631A - 一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台 - Google Patents
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Abstract
一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台，与章鱼的生物结构原理相似，采用一个主脑连接可扩展的多个触手的结构框架，包括一路或多路通讯卡件、通过控制总线与通讯卡件双向连接的用于支撑多个控制模块或多个第三方提供的控制模块的PLC触手控制器、通过控制总线与PLC触手控制器连接的用于支撑数据服务和智能运算的主脑服务器、通过控制总线与主脑服务器连接的用于建立OPC连接的OPC通讯客户端；本发明不仅能涵盖未来人工智能、大数据、云平台的应用场景，而且具有扩展灵活、低成本、易维护、跨平台、易移植等特点，可满足未来智能控制功能需求和信息安全需求，使人工智能与大数据技术能够在火电机组的过程控制中真正发挥作用，助力智能电站的基础建设。
Description
技术领域
本发明涉及火力发电厂的自动控制领域，具体涉及一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台。
背景技术
随着大数据、云计算、人工智能等技术的飞速发展，工业生产开始加速向数字化、信息化和智能化方向迈进。建设智能电站成为响应国家“中国制造2025”与“新一代人工智能发展规划”、减员增效增强企业核心竞争力、实现更加经济、环保、安全生产的重要举措。然而大数据与人工智能等依赖大量数据与计算的控制新技术直接在目前我国电站现有主流DCS控制系统中应用还存在一系列需要解决的问题。现代大功率火电机组基本都采用DCS(Digital Control System)控制系统。常规DCS技术已经非常成熟，以大规模数据并行采集、高速可靠控制运算、多类型输入输出IO接入等为核心功能进行设计，国内也涌现了不少DCS品牌，取得了一定的市场份额，然而国内应用的DCS系统技术框架和结构并不适合目前大数据与人工智能等技术的大规模推广应用，主要体现如下：
(1)出于控制系统的整体安全性考虑，DCS控制器的运算负荷与通讯负荷率被严格限制，而人工智能和大数据应用运算需要的大规模并行计算及数据交互，不仅软硬件不足以支撑高速并行运算与通讯，而且人工智能与大数据模块以优化作用为主，其优先级弱于保护、顺控和基本模拟量控制，因而大量的中间数据点和通讯并不适合与基本控制作用抢占资源；
(2)人工智能与大数据应用多依赖历史数据样本的分析、运算和存储，而DCS系统的历史数据支持的检索和查询功能较弱，索引效率低，以查询、报表为主，无法第三方程序提供高性能的历史数据服务，因此，DCS软件平台上的相关开发和应用受到极大的限制；
(3)人工智能与大数据应用多需要大规模算法的重用、嵌套和递归，而DCS控制程序组态以顺序控制和计算为主，算法重用以模块化副本方式实现，使用效率低，软硬件难以支撑复杂的大型运算；
(4)DCS以定时采样的数字量和模拟量为主，普遍不支持流媒体等其它类型数据的应用。
(5)国外品牌DCS普遍配置有类似SIS平台的数据处理和信息应用平台的方案，但其数据处理能力和对外支持能力与当前的SIS信息处理系统相似，且仅限于自有品牌的内部应用，对于不同DCS系统无法跨平台支持，这也直接导致了缺乏开放的、安全的、各类品牌DCS通用的、可移植的智能控制平台架构。
综上所述，现有火电机组DCS系统不适合集成复杂的人工智能和大数据应用，但在管理平台上集成的人工智能与大数据应用以辅助决策和信息集成应用为主，位于安全三区，从数据安全角度不允许向下输出控制指令到DCS所在的安全一区，因此，智能电站中的智能控制及其大数据应用缺乏基础平台而大大制约了技术的发展和应用。
另一方面，各种优化控制技术以外挂控制器的形式在火电机组控制领域获得了一定的应用，通过这些底层的标准控制通讯协议，在控制安全一区拓展DCS的功能，实现局部控制作用的优化。这种拓展形式每增加一项智能控制技术应用，电厂都需要增加一套外挂装置。这不仅无法实现各控制回路的协同协作，而且在造成通讯资源重复浪费的同时增加了系统的不确定风险点以及维护成本，也导致电厂用户普遍不欢迎外挂控制器的现状。尤其随着外挂控制模块的增多，上述问题变得尤为突出，极大限制了外挂形式的控制应用拓展。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的在于提供一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台，不仅能涵盖未来人工智能、大数据、云平台的应用场景，而且具有扩展灵活、低成本、易维护、跨平台、易移植等特点，可满足未来智能控制功能需求和信息安全需求，使人工智能与大数据技术能够在火电机组的过程控制中真正发挥作用，助力智能电站的基础建设。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台，与章鱼的生物结构原理相似，采用一个主脑连接可扩展的多个触手的结构框架，包括一路或多路通讯卡件4、通过控制总线5与通讯卡件4双向连接的用于支撑多个控制模块或多个第三方提供的控制模块的多个PLC触手控制器6、通过控制总线5与PLC触手控制器6连接的用于支撑数据服务和智能运算的主脑服务器7、通过控制总线5与主脑服务器7连接的用于建立OPC连接的OPC通讯客户端9；
所述一路或多路通讯卡件4与DCS控制系统2中的一路或多路通讯控制器3进行一一对应的双向连接，采用串口MODBUS通讯或TCP/MODBUS底层通讯方式，且DCS控制系统侧为主站；采用OPC通讯客户端9与DCS控制系统2内独占的一台已有或新增的OPC服务器8实现数据的单向通讯，通讯采用标准OPC协议，DCS控制系统侧为服务器，智能控制平台侧为客户端；所述智能控制平台与外部SIS系统、信息与管理数据平台11的数据通讯由OPC通讯客户端9提供，并通过单向网闸10与外界实现安全隔离；主脑服务器7与各PLC触手控制器6相连，协调各PLC触手控制器6之间的参数；智能控制平台运算和分析所需的大量实时测点数据经OPC服务器8与OPC通讯客户端9之间的OPC通讯实现异步通讯；其中各PLC触手控制器6内控制模块所需的影响控制回路安全的必要关键数据输入点单独通过DCS控制系统侧的通讯控制器3与智能控制平台中的通讯卡件4之间的底层通讯进行单独或冗余的通讯，同时智能控制平台中各PLC触手控制器6内控制模块所需的闭环控制指令的输出均通过底层控制链路即DCS控制系统侧的通讯控制器3与智能控制平台中的通讯卡件4之间的底层通讯实现向DCS控制系统的指令输出，并通过DCS控制系统的原有控制回路发生作用，最终实现对机组设备1的控制。
所述PLC触手控制器6与主脑服务器7失去正常的通讯，也能独立完成简单智能控制并实现独立的优化功能。
所述单一智能控制回路或控制单一系统对象的控制模块在单独的PLC触手控制器6内实现其基本的智能控制作用；所需的大数据与复杂智能算法在主脑服务器7内实现；主脑服务器7与PLC触手控制器6通过控制总线5实现信息交互。
所述PLC触手控制器6的数量能够自由扩展，并由遵循智能控制平台架构的多个第三方进行扩展，从而实现平台化、共享化与自由扩展化。
所述控制总线5采用TCP/MODBUS规约。
各PLC触手控制器6与主脑服务器7所拥有的数据通讯由所属PLC触手控制器6或主脑服务器7为主站，其余获取数据的设备为从站，由数据所属设备负责地址与通讯权限管理；各PLC触手控制器6与主脑服务器7所产生的数据通讯视数据使用，由所属的PLC触手控制器6或主脑服务器7作为主站或从站实现通讯。
相比于现有技术，本发明技术方案具有如下优点：
1.重要数据和指令通过PLC触手控制器6独占的通讯链路(DCS侧的通讯控制器3与智能控制平台中的通讯卡件4之间的底层通讯)实现，在实现平台内海量数据共享的同时，保障了触手控制器6所需重要数据的通讯安全，此外还便于触手控制器在不影响其他触手控制器情况下进行下装和调试。通讯方式采用串口MODBUS或TCP/MODBUS,适用于几乎所有主流电站DCS系统，全面兼容目前各种独立外挂优化控制系统，用户适应性和扩展性好。
2.该架构相当于在控制安全区采用了单独的主脑服务器7，内部可采用各种大数据平台方案，支撑各种大数据和智能算法的应用，区别于安全三区的数据平台11，可直接为各PLC触手控制器6提供高级算法和大数据的支持，使各PLC触手控制器6的智能化和性能得到提升，避免了常规大数据平台部署在安全三区，无法反向安全一区(控制安全区)进行数据传输的问题。
3.由于主脑服务器7安装有操作系统等软件，有病毒等风险，但与DCS控制系统之间通过通讯卡件4进行了隔离，由DCS主站从指定的内存区内进行数据读写，对DCS系统的安全性影响极低。
4.采用了统一的OPC通讯客户端9和独占的OPC服务器8，既保障了通讯容量和速度，又为整个平台提供了统一的OPC数据通讯服务，避免每个控制回路建立单独的通讯，浪费DCS的系统接口和通讯负载。OPC协议支持几乎所有主流的电站DCS系统，架构的适应性广。
附图说明
图1为本发明控制平台框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提出的一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台，与章鱼的生物结构原理相似，采用一个主脑连接可扩展的多个触手的结构框架，包括一路或多路通讯卡件4、通过控制总线5与通讯卡件4双向连接的用于支撑多个控制模块或多个第三方提供的控制模块的多个PLC触手控制器6、通过控制总线5与PLC触手控制器6连接的用于支撑数据服务和智能运算的主脑服务器7、通过控制总线5与主脑服务器7连接的用于建立OPC连接的OPC通讯客户端9。
所述的一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台中，一路或多路通讯卡件4与DCS控制系统2中的一路或多路通讯控制器3进行一一对应的双向连接，采用串口MODBUS通讯或TCP/MODBUS底层通讯方式，且DCS控制系统侧为主站。采用OPC通讯客户端9与DCS控制系统2内独占的一台已有或新增的OPC服务器8实现数据的单向通讯，通讯采用标准OPC协议，DCS控制系统侧为服务器，智能控制平台侧为客户端。所述智能控制平台与外部SIS系统、信息与管理数据平台11的数据通讯由OPC通讯客户端9提供，并通过单向网闸10与外界实现安全隔离。智能控制平台运算和分析所需的大量实时测点数据经OPC服务器8与OPC通讯客户端9之间的OPC通讯实现异步通讯，适合目前主流的各品牌DCS控制系统，且满足1万点/s的通讯速率要求。其中各PLC触手控制器6内控制模块所需的影响控制回路安全的必要关键数据输入点单独通过DCS控制系统侧的通讯控制器3与智能控制平台中的通讯卡件4之间的底层通讯进行单独或冗余的通讯，同时智能控制平台中各PLC触手控制器6内控制模块所需的闭环控制指令的输出均通过底层控制链路即DCS控制系统侧的通讯控制器3与智能控制平台中的通讯卡件4之间的底层通讯实现向DCS控制系统的指令输出，并通过DCS控制系统的原有控制回路发生作用，最终实现对机组设备1的控制。
所述的一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台架构与章鱼的生物结构原理相似。首先，章鱼每个触手上有单独的脑结构，可独立实现简单的智慧活动，甚至触手脱离章鱼身体仍能独立活动用以迷惑天敌，这触手对应本发明智能控制平台中的各PLC触手控制器6，可在PLC内部利用各品牌PLC支持的组态模块与代码语言编制各种工业应用的主流智能控制算法，实现单一对象或系统的优化控制，即使因故PLC触手控制器6与主脑服务器7失去正常的通讯，也能独立完成简单智能控制并实现独立的优化功能；其次，章鱼的大脑与各触手上的脑结构相连，可以协调各触手的动作，以共同完成更复杂的动作，对应本发明智能控制平台的主脑服务器7与各PLC触手控制器6相连，协调各PLC触手控制器6之间的参数，内部可集成大数据与复杂的智能算法，具备支持各PLC触手控制器6实现更高级智能作用的能力；此外，本发明智能控制平台架构还能实现各种通讯资源和接口的共享。具体的，单一智能控制回路或控制单一系统对象的控制模块在单独的PLC触手控制器6内实现其基本的智能控制作用；所需的大数据与复杂智能算法在主脑服务器7内实现；主脑服务器7与PLC触手控制器6通过控制总线5实现信息交互。PLC触手控制器6的数量可自由扩展，并可由遵循平台架构的多个第三方进行扩展，从而实现平台化、共享化与自由扩展化。
所述的一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台中，控制总线5可采用TCP/MODBUS规约。各PLC触手控制器6与主脑服务器7所拥有的数据通讯由所属PLC触手控制器6或主脑服务器7为主站，其余获取数据的设备为从站，由数据所属设备负责地址与通讯权限管理；各PLC触手控制器6与主脑服务器7所产生的数据通讯视数据使用，可由所属的PLC触手控制器6或主脑服务器7作为主站或从站实现通讯。
Claims (6)
1.一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台，其特征在于：与章鱼的生物结构原理相似，采用一个主脑连接可扩展的多个触手的结构框架，包括一路或多路通讯卡件(4)、通过控制总线(5)与通讯卡件(4)双向连接的用于支撑多个控制模块或多个第三方提供的控制模块的多个PLC触手控制器(6)、通过控制总线(5)与PLC触手控制器(6连接的用于支撑数据服务和智能运算的主脑服务器(7)、通过控制总线5)与主脑服务器(7)连接的用于建立OPC连接的OPC通讯客户端(9)；
所述一路或多路通讯卡件(4)与DCS控制系统(2)中的一路或多路通讯控制器(3)进行一一对应的双向连接，采用串口MODBUS通讯或TCP/MODBUS底层通讯方式，且DCS控制系统侧为主站；采用OPC通讯客户端(9)与DCS控制系统(2)内独占的一台已有或新增的OPC服务器(8)实现数据的单向通讯，通讯采用标准OPC协议，DCS控制系统侧为服务器，智能控制平台侧为客户端；所述智能控制平台与外部SIS系统、信息与管理数据平台(11)的数据通讯由OPC通讯客户端(9)提供，并通过单向网闸(10)与外界实现安全隔离；主脑服务器(7)与各PLC触手控制器(6)相连，协调各PLC触手控制器(6)之间的参数；智能控制平台运算和分析所需的大量实时测点数据经OPC服务器(8)与OPC通讯客户端(9)之间的OPC通讯实现异步通讯；其中各PLC触手控制器(6)内控制模块所需的影响控制回路安全的必要关键数据输入点单独通过DCS控制系统侧的通讯控制器(3)与智能控制平台中的通讯卡件(4)之间的底层通讯进行单独或冗余的通讯，同时智能控制平台中各PLC触手控制器(6)内控制模块所需的闭环控制指令的输出均通过底层控制链路即DCS控制系统侧的通讯控制器(3)与智能控制平台中的通讯卡件(4)之间的底层通讯实现向DCS控制系统的指令输出，并通过DCS控制系统的原有控制回路发生作用，最终实现对机组设备(1)的控制。
2.根据权利要求1所述的一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台，其特征在于：所述PLC触手控制器(6)与主脑服务器(7)失去正常的通讯，也能独立完成简单智能控制并实现独立的优化功能。
3.根据权利要求1所述的一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台，其特征在于：所述单一智能控制回路或控制单一系统对象的控制模块在单独的PLC触手控制器(6)内实现其基本的智能控制作用；所需的大数据与复杂智能算法在主脑服务器(7)内实现；主脑服务器(7)与PLC触手控制器(6)通过控制总线(5)实现信息交互。
4.根据权利要求1所述的一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台，其特征在于：所述PLC触手控制器(6)的数量能够自由扩展，并由遵循智能控制平台架构的多个第三方进行扩展，从而实现平台化、共享化与自由扩展化。
5.根据权利要求1所述的一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台，其特征在于：所述控制总线(5)采用TCP/MODBUS规约。
6.根据权利要求1所述的一种章鱼型架构的火电机组智能控制平台，其特征在于：各PLC触手控制器(6)与主脑服务器(7)所拥有的数据通讯由所属PLC触手控制器(6)或主脑服务器(7)为主站，其余获取数据的设备为从站，由数据所属设备负责地址与通讯权限管理；各PLC触手控制器(6)与主脑服务器(7)所产生的数据通讯视数据使用，由所属的PLC触手控制器(6)或主脑服务器(7)作为主站或从站实现通讯。
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| CN114172933A (zh) * | 2021-12-02 | 2022-03-11 | 润电能源科学技术有限公司 | 一种dcs与外挂智能控制器的通讯系统 |
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2020
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