国内火电行业管控系统发展历史探讨

郭 贝，石天琪，刘进海

（陕西榆林能源集团杨伙盘煤电有限公司，陕西榆林 719316）

0 引言

近年来，新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，国家提出了实施制造强国的发展路线，部署“中国制造2025”，对接“工业4.0”。

火电企业的管理和控制系统从20 世纪50 年代前后通过基地式仪表、机械式仪表、单元式组合仪表和硬手操进行机、炉、电各自独立分散的局部自动的分散就地控制开始，经80 年代中后期开始推广DCS（Distributed Control System，集散控制系统），大幅减少常规仪表和后备手动操作器，普及了单元集中控制，实现DCS 公用网和辅网，并向控制系统一体化方向发展的过程。从2010 年前后至今，在信息化和数字化的基础上，电力智慧化的探索和实践逐渐进行并取得了一些成果。以国家2020 年4 月发布的《关于构建更加完善的要素市场化配置体制机制的意见》写入数据要素为表征，数据要素作为一种新型生产要素的重要性已经不可忽视。

1 火电企业管理和控制系统的发展历史

1.1 传统过程控制——常规仪表和手动操作器

20 世纪50 年代前后开始，火电企业局限于使用一般的控制元件及机电式控制仪器，采用基地式仪表及单元式组合仪表等实现机、炉、电各自独立的分散的局部自动控制，大量使用手动操作器。机、炉、电控制系统之间没有或很少有联系，过程控制主要是根据频率法和根轨迹法为主体的古典控制理论，凭生产实践经验操作，实现对诸如温度、压力、流量及液位等热工参数的定值控制，进行就地控制。

20 世纪50 年代末以后，电动单元组合仪表、巡回检测装置开始广泛应用，至80 年代初期，组装仪表、单回路调节器和PLC开始在国内推广。PLC 通过程序编制可以实现多种类型信号的多输入、输出，组装式仪表在结构上分为控制柜和操作台两部分，可以将监控有关的仪表集中安装，开创了把机、炉乃至机、炉、电作为一个单元整体进行集中控制，实现集控运行，有效提高了闭环控制系统及联锁保护系统的投入率和调节品质。

1.2 自动化——DCS 系统的应用

20 世纪80 年代中后期开始引进DCS，实现数据采集、监控和闭环控制。从1985 年在望亭电厂选用美国西屋公司的WDPF（DCS 型号）进行试点起，经90 年代初期推广DCS 系统，90 年代末，我国自主开发的DCS 系统得到广泛应用，一直到21 世纪后进入快速发展期，DCS 的功能范围也逐渐扩展。

在2000 年前后，由于不同DCS 厂家出于排他性目的采用专利网络的封闭系统、辅控系统各自独立且信息不互通等原因，未能实现控制网络一体化，导致DCS 系统之间以及DCS 与上层信息网络之间难以实现互联和资源共享，产生了“自动化孤岛”问题。这导致了需要大量运行人员来监控设备的运行情况，不仅运维不易，而且不能掌握全厂系统总体运行情况，无法经济合理地安排全厂系统协调运行。随着火电机组的大型化发展，生产系统的耦合性、时变性、非线性等特点更加突出，过程控制任务越来越重，控制系统越来越难以满足生产过程控制的要求，迫使DCS 应用范围扩大，主、辅机控制系统硬件一体化、网络一体化、接口标准化等逐步实现，建立了全过程多参数综合操作的概念，机组控制和联锁保护功能得以完善、调节品质得以改善，实现机组级乃至全厂级的集中控制，大幅减少了运行人员。

1.3 信息化和数字化——MIS&ERP、SIS、现场总线

1997 年电力规划设计总院发布的《2000 年火电厂自动化》提出了发展SIS 和MIS，以及辅助车间集中管控的全厂管控网络化及监控物理分散等目标。在此期间ERP、OA 等企业经营管理系统也逐步实现广泛应用，现场总线技术也开始推行。2000年前后，电力行业开始进入信息化和数字化阶段。

1.3.1 中国特色的火电企业信息化模式

20 世纪90 年代，国外发达国家的流程企业形成了MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）+ERP 信息化模式，当前国内石化、钢铁等流程行业也广泛应用此模式。

1992 年，美国AMR（Advanced Manufacturing Research，先进制造研究机构）在对流程企业做了大量调查研究的基础上，提出了流程行业企业的3 层集成模型，即企业生产经营过程从底层到顶层分为控制层、执行层和计划层，每层都应有对应的控制和管理系统、软件。

当时发达国家的许多企业，对应控制层的DCS、SCADA 和对应计划层的ERP 已经逐步得到广泛应用，但是对应执行层的信息系统无人关注，计划层和执行层的信息系统互相割裂运行，由于上层系统没有底层数据支持，企业信息化成效有限。

在20 世纪90 年代后期，国外对应执行层的MES 迅速发展起来，到2004 年MES 市场每年已突破10 亿美元。AMR 对MES 的定义是“位于上层计划管理系统与底层工业控制之间，面向车间层的管理系统。”MESA（Manufacturing Execution System Association，国际制造执行协会）对MES 的定义是“MES 能通过信息传递，对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。”

SIS 也是对应执行层的信息系统，是在电厂的机组（车间）级基本解决了自动化问题的基础上，总结DCS（控制层）和MIS（计划层）割裂的教训而得出的。

由于面对的工作对象不同，MES+ERP 和SIS+MIS+ERP 的两种方案自然产生了相应的差异：

（1）功能划分不同。SIS 的对象明确是实时生产过程，非实时生产过程如检修、交接班等纳入MIS 管理，对生产过程的实时信息、监控和管理的时间性要求较高，主要会考虑在线监控和管理的功能；MES 泛指生产过程，包括实时和非实时的过程的管理都放在MES 进行，对实时性要求较低，主要考虑离线管理。

（2）安全管理不同。作为计划层和控制层之间的面向车间管理的执行层，SIS 和MES 都直接和机组（车间）级控制系统连接，所以两者都应具有比MIS 和ERP 更高的安全等级。SIS 系统集中配置到安全等级相似的控制区域，同时主要面向生产管理和运行人员，安全区等级高、涉及的人员集中，保障安全方便。

（3）功能配置不同。SIS 主要进行实时生产过程在线监管，可以包括统计分析、性能分析计算、绩效管理等多种生产过程管理的功能；MES 可以跟踪从物料投产到成品入库的整个生产流程，对机组（车间）层的管理流程提供直接支持，不只是进行生产过程的管理，还包括工艺管理、质量管理等功能，纵向作为控制层和计划层的中间层承上启下，横向联结SCP、CRM 等物流、销售等相关的系统，功能外延范围更广。

（4）系统配置不同。SIS 需要配置实时/历史数据库处理实时数据，MES 还需要配置完善的关系数据库。

电力生产与一般的工业过程不同，生产（发电）流程中没有具体的产品，只是一个能量转化的过程，并没有对具体产品在生产全过程中进行追踪管控的过程和需要。电力生产的信息化主要是保证生产过程的稳定性、安全性和更高效的控制性，同销售及物料环节的配合没有一般流程企业那么高的复杂性。结合SIS 在安全管理、生产实时管理上的特点以及我国电厂信息化自主发展的实践经验，国内火电企业信息化最终确定了DCS+SIS+MIS（或MIS&ERP）的道路。

1.3.2 现场设备级的数字化

从系统层级的维度划分，火电厂控制和管理系统可划分为3级，即厂级（SIS、MIS、ERP 等）、机组（车间）级（DCS、PLC）、现场设备级。现场设备级的数字化主要是依靠现场总线技术，按照国际电工委员会IEC 61158 的定义，现场总线实际上是将安装在制造或过程区域的现场设备与控制室内的自控装置之间的数字式、串行、双向、多节点通信的数据通信网络，现场总线技术比起传统常规仪表的优势主要是可以节约电缆、方便安装、提供丰富诊断信息等。

2 发展规律

2.1 火电企业的管控系统发展过程的本质

纵观火电企业管理和控制系统的发展历史可以看出，火电企业的管控系统的发展过程就是电力企业信息化和数字化的过程。

按《2006—2020 年国家信息化发展战略》（中办发【2006】11号）表述，信息化是充分利用信息技术，开发利用信息资源，促进信息交流和知识共享，提高信息增长质量，推动经济社会发展转型的历史进程。就企业信息化而言，它是一个动态的过程，即企业利用信息技术，对生产经营活动中，企业内外部的各种信息进行采集、控制、集成和深度开发利用，促成业务模式创新、工作流程重组、组织架构重组乃至市场模式和经营战略转变等等，不断提高企业的经济效益和市场竞争力的过程。在这个过程中，信息化的基础在于对信息技术进行有效利用，进而实现两化融合。

数字化是以数字形式表示（或表现）本来不是离散数据的数据。具体的说，也就是将图像或声音等转化为数字化，以便这些信息能由计算机系统处理与保存（GB/T 25486—2010《网络化制造技术术语》）。企业数字化或者说企业数字化转型，即利用新一代信息技术，构建数据的采集、传输、存储、处理和反馈的闭环，打通不同层级与不同行业间的数据壁垒，提高行业整体的运行效率，构建全新的数字经济体系（《传统产业数字化转型的模式和路径》——国务院发展研究中心课题组）。可以看出，数字化和信息化都基于信息技术，依赖于对数据要素的利用，最终都提高了生产力。

因此，从本质上看，火电企业管控系统的发展历史，就是基于信息技术的发展和生产组织方式的变革，逐步深化数据要素应用的进程。

在这个进程中数据的获取从人工、模拟量方式，到后来可以直接得到包括测量值和多种设备参数在内的数字量，越发可靠、丰富和实时；数据的使用从人工凭经验使用，到简单反馈回路控制，集中控制和将来的智能化控制，越发高效；数据的治理从手工抄表到各个系统数据互不相通到形成信息共享的数字化网络，数据的可用性和易用性越发强大。

2.2 经验和教训

在这个进程中也有一些共同的经验和教训，比如在自动化建设和信息化建设的过程中都出现了“数据孤岛”问题；在DCS和SIS 的应用过程中都伴随着组织变革，DCS 催发了集控运行的产生，而在没有人去利用SIS 提供的信息的时候，SIS 也只是一个摆设；最初开始应用现场总线技术得到大量数据的时候，由于利用智能化和大数据等技术的分析方法和工具不足，取得的数据没有对电力生产运行经济指标产生明显影响，于是现场总线技术的发展应用也就没有了足够的市场动力。

3 结语

在电力智慧化的建设过程中，应该以深化数据要素的应用作为线索，以提升生产力为目标，从加强数据的获取、使用和治理能力的角度去使用智慧化的信息技术工具，同时要注意避免“数据孤岛”问题，而且必须建设适应新技术的组织管理模式。