数字化电厂的概念及实施

周四维，李忠炳，张晋宾（.西南电力设计院，四川成都600;.成都博创通科技有限公司，四川成都600）

在全球经济步入数字时代的今天，工业领域也发生着惊人的变革，现场总线、无线网络、数据挖掘、工业云、大数据等新概念、新技术如雨后春笋般层出不穷，“数字化工厂（电厂）”是其中的热点之一.但遗憾的是，数字化工厂（电厂）目前仍没有形成公认的、系统全面的定义，因此，本文着眼于厘清“数字化电厂”的概念、内涵和实施途径，以期为我国数字化电厂建设发展的有序化、科学化和标准化提供相关参考.

1 数字化电厂概念

进入21世纪后，数字经济的发展更加迅猛，已全面覆盖企业、消费者和政府等各个层面.所谓数字经济，是指在经济的各个方面，包括每一组织（如政府、各类企事业单位、非赢利机构或团体等）的内部运作、组织间或组织与个人间、或个人与个人之间的事务，广泛采用IT信息技术（硬件、软件、应用和通信等）.而在20世纪末21世纪初开始出现的数字化工厂现象，正是数字经济环境下的产物，是当今全球工业界最吸引人眼球的热点技术和流行技术.

尽管数字化工厂耳熟能详，但全世界并没有形成公认的统一的定义.国际上，有的学者将其定义为用于表示工厂的模型和用于生成该模型的工具;有的学者认为数字化工厂就是一种捕获信息，将工厂内的生产系统和可用流程模型化并表现出来的一种技术;有的学者将其与虚拟工厂相区别，定义为已有真实工厂静态内容（包括静止的所有物、资源、媒介供应）的映像;也有的学者认为就是虚拟生产制造，即是生产制造位置的逼真的、集成的计算机模型，该模型包括每一流程和具有支持规划、仿真、开发、生产控制和维修等全部必要功能的整个工厂.

有关数字化工厂的构成，有的专家认为是由建模和可视化、仿真和评价、数据管理和通信3部分构成;也有专家认为是由3D设备系统可视化、事件仿真、制造过程仿真和人机工程仿真4部分组成.［1］在国内，有的专家认为数字化电厂包括电厂管理数字化、生产过程控制数字化、现场设备级控制与管理数字化、电厂信息高质量数字化和电厂设计数字化;［2］有的专家认为数字化电厂是通过采用先进的信息技术，实现生产和管理的数字化，实现人、技术、经营目标和管理方法的集成;也有专家认为电厂的数字化实际上是指电厂从建设到运行的整个生命周期过程中，实施完整的数字化设计、数字化采购、数字化工程建设以及数字化移交，同时在电厂监控系统的各个层次采用智能化、数字化的设备，在信息系统中采用相应的智能控制软件和管理软件，从而使得对整个电厂的监控和管理都是智能化、数字化和透明化的.［3］

在我国电力行业标准《火力发电厂热工自动化术语》DL/T 701—2012中，将数字化电厂定义为：电厂各级控制和管理系统（包括现场设备等基础单元）均进入数字化后称为数字化电厂.［4］因此，数字化电厂是电厂数字化达到一定程度后的概念.国际电工委员会IEC/TC65则将数字化工厂定义为：表现工厂基本组成单元、自动化资产、它们的行为和关系的类模型.［5］德国工程师学会在其VDI 4499导则中将其定义为：数字化工厂是一个由数字模型、方法和工具（包括仿真和3D可视）全部交织在一起的、由连续的数据管理将其集成在一起的综合网络所形成的超常概念.

综上所述，笔者认为数字化电厂的定义大致可分为两类：一类是狭义的、浅层次的、初级的，即认为数字化电厂就是指电厂生产，乃至管理的数字化，只要电厂监控系统（包括现场仪表）和管理系统的各个层面都实现了数字化，就认为建成了数字化电厂;而另一类是广义的、深层次的、高级的，即认为数字化电厂包括电厂设计、建设、营运、管理等电厂全生存周期各个过程的数字化，并强调各类系统的数字化只是一个基础或表象而已，最重要的是应建立有电厂的数字模型，并在此模型基础上，充分利用系统集成、专家系统、虚拟现实等现代信息处理和通信技术、智能控制和管理决策技术，实现电厂管控真正意义上的信息化、智能化，最大限度达到电厂的安全、高效、环保运行状态.实际上，后一种定义更为全面、系统，也与国际上主流的数字化工厂观点相吻合.

为使我国数字化电厂的建设步入科学、良性、高水平发展之路，国内宜采用后一种数字化电厂定义.在实施中，应抓住数字化电厂的两个精髓：一是采取过程方法，做好从电厂规划、建设、生产、管理等各个流程的数字化，做到各个阶段信息的不流失及其功能的充分挖掘;二是应建立电厂数字模型（包括物理模型和数学模型），并将其应用于设计优化、施工组织、仿真培训、过程控制、电厂管理等各个方面.

2 数字化电厂特点及包含的层面

2.1 数字化电厂特点

在2013年4月举办的德国汉诺威工业博览会上，德国政府正式推出了国家级高科技战略项目“工业4.0”，（其概念最初出现于2011年的汉诺威工业博览会，之所以称之为工业4.0，是德国学术界和工业界将其认为是继由水和蒸汽为动力的生产机械化推动的第一次工业革命、由电力带来的大规模生产而推动的第二次工业革命、由电子和IT技术所引发的数字革命而推动的第三次工业革命之后的第四次工业革命.）旨在推动传统工业领域的计算机化，使之向智能生产、智能工厂转型.德国政府认为：第四次工业革命是以智能生产制造为主导，工业4.0的目标是建立具有适应性、资源高效利用性、工效学应用最大化、在商业和价值处理中用户及商业伙伴一体化等特征的智能化工厂，形成新型的、高度灵活的、个性化和数字化的产品及服务生产和管理模式.其技术基础是虚拟网络-实体系统（cyber-physical system）和物联网（Internet of Things）.为向工业4.0进发，西门子公司已开始将这一理念融入其数字化制造工厂的建设中.西门子数字化示范工厂以数字化、自动化、绿色化、虚拟化等特征定义了现代工业生产的可持续发展，厂内实现了从管理、产品研发、生产到物流配送全过程的数字化，并通过信息技术，与其生产总部和研发中心进行数据互联.

从上述范例和前述数字化电厂的概念，可高度概括出全面、系统、完整的数字化电厂应至少具有以下6个特点.

（1）数字化即利用计算机信息处理技术将电厂各个生存周期阶段所存在或发生或关联的、反映电厂各个过程或结果的现象、特征、本质及规律的声音、文字、数字、符号、图形和图像等模拟信息转换为数字信息.

（2）模型化即建立有电厂完整的数字模型，其中不仅包括实体的物理模型，也应包括数学逻辑模型.如以汽轮机本体为例，一是应全面建立包括汽缸、隔板、隔板套、主汽阀、调节阀、进汽管、蒸汽室、喷嘴组、主轴、轴承、轴承座、联轴器、叶轮、动叶栅、轴封、轴封环、平衡盘等汽轮机全部组成部件的单个实体模型和由此组成的完整汽轮机实体的物理模型;二是还应建立汽轮机的各种数学逻辑模型，如汽轮机热力特性模型、应力模型、调节特性模型等.

（3）可视化即在所建立的电厂数字模型基础上，利用虚拟现实技术，将电厂各类实体及其特性以直观的、图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量（如三维立体形式）呈现于用户面前，实现与用户的交互，使之能够浏览、观察、模拟和计算，从而提高规划设计效率，也为规划设计的优化提供便捷，而且更便于实现电厂的运行、维护、检修的仿真，极大提高电厂的工作效率.

（4）互操作性即数字化电厂中的各个构成部件（如不同的计算机系统、控制装置等）具有协同工作和共享信息的能力.如数字化工厂中的一些实体可与数字化工厂中的其他实体之间无缝交换信息.

（5）信息化在我国《2006～2020年国家信息化发展战略》中指出，信息化是指充分利用信息技术、开发利用信息资源、促进信息交流和知识共享、提高经济增长质量、推动经济社会发展转型的历史进程.我国政府所推动的信息化与工业化的深度融合与德国政府所推的工业4.0战略项目中的传统工业计算机化极为类似.数字化电厂在电厂的设计、施工、生产、管理等各个环节广泛采用信息技术，显然，信息化也是数字化电厂的主要特征之一，数字化电厂的建立也是我国信息化建设的重要组成部分.

（6）智能化即数字化电厂应广泛采用现代信息处理和通信技术、智能测量和控制技术，以及基于数据仓库、联机分析处理、数据挖掘、模型库、知识库等相结合的综合智能决策支持技术，最大限度地实现电厂的安全、经济、高效、环保、自治、智能运行.

2.2 数字化电厂包括的层面

国际标准化组织在其ISO 15926标准中，将流程工厂（包括电厂在内）生存周期活动模型分为：概念流程设计;概念工程设计（前端）;详细流程设计;详细工程设计;设备、材料及服务的采购和控制;工厂的施工、调试、试运、运行;工厂及设备的维护、退役;工厂拆除和场地恢复等过程.各过程间的关系如图1所示.但该标准不涉及行政管理、商业、贸易等方面.［6］

图1 流程工厂生存周期活动模型

因此，综合来看电厂生存周期全过程，电厂的数字化不仅应体现在建立有相应的数字化电厂（包括设备、管道、设施等全部对象）模型，而且也应包括在其各个生存过程的数字化，即电厂规划和设计（包括概念设计和详细设计）的数字化、电厂建设（包括采购、施工、调试及建设管理等）的数字化、电厂运行（包括运行、维护和检修等）的数字化、电厂运营管理（包括生产经营管理、行政管理、设备管理、燃料管理、物资管理、财务管理等）的数字化等各个层面，如此才可称得上是全面的数字化电厂.

3 国内数字化电厂实施差距及认识误区

3.1 实施现状及差距

数字化电厂的构建是一项复杂的系统工程，需要长期、科学、严谨、细致、扎实的工作.与发达国家相比，我国在电厂数字化的标准化、规范化方面差距巨大.

从数字化建设流程来看，设计（包括流程设计和工程设计）是其龙头，是电厂全面数字化的基础.目前国内的电力设计院基本上甩掉了图板，采用CAD计算机辅助设计技术（如AutoCAD）进行电厂设计，达到了设计手段的初级数字化.此外，部分设计院采用国际通用的三维设计技术或协同设计平台（如AVEVA的PDMS，Bentley的Open Plant，Intergraph的Smart Plant，Siemens的Comos等），实现了电厂设计的较高质量的数字化.但与国际先进工程公司相比，国内的设计数字化还处于较为基础的阶段，所建立的三维模型只是一个物理模型，还不能全面仿真真实的工艺流程，与所要求的虚拟电厂还有差距.而且所使用的协同设计平台也不是真正意义上的全部协同，并未实现全面的工艺、土建、电气、仪控等多专业的信息共享和协同数字化设计.

在电厂建设方面，国内建设单位大都配置有建设期管理信息系统（包括建设阶段的计划管理、进度管理、物资管理、财务管理、质量管理、安全管理、工程图纸文档管理等功能模块），如Primavera的P3或P6项目管理软件等，实现了对电厂建设阶段的合同、工程概算、工程投资、设备采购、工程施工、工程质量等信息的基本数字化管理.但从深层次上看，施工方大都没有配置可与设计相兼容的工程管理信息平台，不具备从上游无缝接收数字设计产品的能力，加之绝大部分建设项目并没有从设计方获得全面完整的数字化设计产品，更谈不上基于数字化设计成果的数字化采购、基于数字模型的施工优化和虚拟化的机组调整、试验等，因此并未充分挖掘和利用数字产品的潜力，没有实现深层次的数字化建设规划和管理.

在电厂运行方面，国内电厂基本上都配置有DCS/PLC等计算机控制系统，有的甚至还在上层配置类似于国外MES制造执行系统的、国内称之为SIS的厂级监控信息系统，基本实现了过程控制及设备运行的初级数字化，具备了一定的控制优化和状态检修能力.但与国际先进水平相比，在电厂运行数字化方面，国内还应建立全面的基于被控对象的电厂数字化逻辑模型，并充分应用这些数字模型，实现对电厂的基于模型的状态预测控制、优化控制、智能控制、故障诊断、状态检修等.

在电厂管理方面，相当多的国内业主建有较为完善的，包括经营管理、资产管理、生产管理、行政管理等主要功能的M IS管理信息系统，有的大型发电企业还建有ERP企业资源计划系统（如基于SAP和用友软件等）.但从数据链看，仍没有彻底打通从设计、施工，直至运行的全部数据链，没有实现全部过程的数据共享.国外在20世纪末就制订了较为完善的过程工业全过程数据移交标准规范（如欧洲EPISTLE组织于1997年就制订了“Process Industries Data Handover Guide”），遗憾的是，国内目前还没有一部涉及电力工程数据移交的标准.从电厂生产管理角度看，没有充分利用虚拟的数字化电厂模型进行电厂的运行管理、安全管理、技术监督管理、大小修项目管理等;此外，也未充分利用已有的数据库、模型库，建立起以管理科学、运筹学、控制论和行为科学为基础，以计算机技术、仿真技术和信息技术为手段，具有智能决策作用的决策支持系统，从而未能为电力企业的各级管理者提供及时、有效的生产经营决策信息，未能达到对工程投资费用、进度、质量、生产的有效控制.

3.2 实施中存在的认识误区

误区1：一定要在现场设备级全面应用了现场总线技术后，才能称之为“真正”意义上的电厂全面数字化.这种观点其实是对数字化建设的片面理解，实质上不论是采用常规型、智能型或现场总线型仪表与控制设备，只要能采集到被控对象足够的数字状态信息，并对之实施有效的数字监控，同时对测控装置的可靠性状态实施数字化管理的，即可认为达到了数字化.片面强调仪表与控制设备的现场总线化，既不现实，（如IEC和ISO等国际标准化组织认可的现场总线类型就有几十种之多，且不是所有的仪表与控制设备都有商用的质量可靠的现场总线产品，另外如国外某已投产的号称全面采用现场总线的电厂，也还采用有阀岛、Hart等并非真正意义上的现场总线产品.）也不具有实质意义（因数字化的宗旨是计算机化、信息化、智能化）.当然，我们并不否认现场总线产品在全数字化通信、互操作性、互用性等方面的优势，只是不要将其认为是电厂数字化的必要条件.实际上，IEC国际电工委员会在其TR62794技术报告中所提到的数字化工厂参考模型，也并不完全排斥常规的I/O采集方式.［5］

误区2：只要生产和管理没有模拟数据，全部实现了数据的数字化，就建成了数字化电厂.这其实是对数字化电厂的片面理解，也是低层次的数字化.数字化是手段而不是目的，电厂的数字化是构建现代信息化企业的重要基础，也是实现企业智能化、自治运行的重要手段，单纯为了数字化而数字化，就失去了数字化存在的意义.数字化的宗旨是实现电厂的信息化、智能化，以及电厂的现代化运行和管理，达到电厂营运成本最低、发电能耗最小、污染物排放达标，设备可用系数高，以及电厂效益最大化的目的.

误区3：电厂数字化设计就是三维数字化设计.三维数字化设计技术是建立在数字化、虚拟化、智能化计算机辅助设计平台的基础上，让设计对象更立体化、更形象化的一种新型设计方式，是电厂设计的趋势之一.由此建立的三维虚拟空间，给人以直观、逼真、身临其境之感，很多不易察觉的设计缺陷（如管道、设备的碰撞等空间布置问题）能够轻易地被发现，便于项目的规划设计、方案优化等，大大提高规划和设计的质量和效率.尽管三维数字化设计具有许多优点，但它只是电厂全面数字化设计的重要组成之一，而不是数字化设计的全部.全面的数字化设计还包括除布置安装设计以外的FEED前端工程设计、流程设计、电气设计、仪控设计（包括逻辑设计、功能设计、接线设计）等方面.如全球领先的工程软件供应商——美国Intergraph的SmartPlant（智能工厂）计算机设计软件包除了SmartPlant 3D三维设计软件包外，还包括SmartPlant P＆ID，SmartPlant Instrumentation，SmartPlant Electrical，SmartPlant Process Safety等软件包.

误区4：只要电厂的运行和管理数字化就行，其他上下游过程有没有数字化，或有没有数据移交都无所谓.从电厂生存周期角度看，电厂运行期最长，其重要性不言而喻，但全面的电厂数字化包括电厂的规划设计数字化、电厂建设的数字化等各个生存阶段的数字化，不重视设备制造、工程设计、施工、调试等上游流程的数字化数据移交，不重视工程设计、采购、施工、运行等各环节的信息继承，会导致大量有用的数字信息遗失或截流，就无法保证全程数据共享和数据的有效利用，而且如果不能充分、有效地利用上游流程的数字信息，就不能保障电厂运行、维护、管理的充分性、有效性、可信性和高效性.

4 结语

数字化电厂的建设是一项复杂的系统工程，包含标准和参考架构的建立、工作组织和管理、设计（包括建模、工程设计等）和建设、基础设施（如网络或信息系统的横向、纵向集成等）搭建、信息安全、规章建立、应用培训等多个方面.因此，我国应借鉴德国政府的“工业4.0”战略项目，合理规划布局，扶持或建立相应的数字化工厂（电厂）研究组织，并确定相应的示范工程项目，以促进我国工厂（包括发电装备制造厂、发电厂、仪器仪表厂等）的数字化、智能化，提高我国工业的竞争力，使我国在新一轮工业革命中抢占先机.

［1］CARMEN Constantinescu，CHRISTOPH Runde，JOHANNES Volkmann，et al.D1 definition of a VR based collaborative digitalmanufacturing environment［R］.［S.l.］：Information Society Technologies，2007.

［2］王晓雄.构建全面数字化电厂的思考［J］.中国仪器仪表，2011（10）：41-44.

［3］危元华，任晓东，李智，等.数字化电厂的概念及方案研究［J］.电力建设，2013，34（4）：51-54.

［4］侯云浩，张国斌，张晋宾.火力发电厂热工自动化术语［S］.北京：中国电力出版社，2012.

［5］International Electrotechnical Comm ission.Industrial-process measurement，control and automation-reference model for representation of production facilities（digital factory）IEC/ TR 62794［R］.［S.l.］：IEC，2012.

［6］International Organization for Standardization.Industrial automation systems and integration-integration of life-cycle data for process plants including oil and gas production facilities，part 1：overview and fundamental principles ISO 15926-1［S］.［S.l.］：ISO，2004.

（编辑胡小萍）