基于工业级5G的发电厂运行控制系统演进初探

基于工业级 5G的发电厂运行控制系统演进初探

李昱 1费盼峰 2朱珂 3罗宁 4

杭州和利时自动化有限公司 123 昆山中科晶上信息技术有限公司 2

浙江省杭州市 310018

摘要：发电厂运行控制系统是实现智能化的关键系统，其承载着越来越多的高级智能应用，这就要求整个系统具有强大的信息集成处理能力，其中，通讯系统是关键一环，然而，传统的光纤等有线网络面对大规模传感、可移动智能终端的部署场景，其建设维护成本高，扩展不灵活等问题显现，随着5G的持续演进，低时延、高可靠性、高上行能力的增强，满足了工业控制系统高速、可靠、海量接入的联接要求，本文研究并提出了工业级5G应用于发电厂运行控制系统的框架，对5G与电厂DCS控制系统结合的核心问题，进行了互联互通实验测试，最后得出了基于5G的发电运行控制系统的演进技术路线初步结论。

关键词： 工业5G 智能电厂 运行控制系统 DCS 机器人巡检 无人值守

1. 前言

随着电厂节能、环保、减员增效、能源互联等内需，以及5G、人工智能、大数据等新技术的推动，国内智能电厂^[1]建设不断深入，电厂运行向着无人化方向发展。电厂运行控制系统是一套连接电厂工艺环节和装置传感、执行机构及运行人员，并进行自动或辅助人工操作控制的系统，是实现电厂智能化的关键系统，它是承载了诸如一键启停、机器人巡检、无人值守等多种智能化应用，这些智能应用要求有越来越多的传感、可移动智能终端设备的接入，这就给传统以光纤等有线传输网络带来了挑战，有线网络建设和维护成本高，特别是后期改造时可扩展性不够灵活，且受规划期带宽限制，较难满足海量互联需要。随着5G的持续演进，eMBB、mMTC和URLLC能力的增强，进一步降低了时延、提升了可靠性、提高了上行能力，从而更好的满足了工业控制系统高速、可靠、海量接入的联接要求。本文对基于工业级5G的发电厂运行控制系统演进了初步探究。

2. 电厂运行控制系统5G应用框架

根据智能电厂建设要求，电厂运行控制系统将从传统的DCS实时控制系统向智能控制系统扩展。如图1所示，基于5G网络传输的电厂发电运行控制系统是由智能传感层、5G采集及网络传输层、集中控制计算中心层组成。

图1 基于5G的电厂运行控制系统框架示意

其中，智能传感终端层，在传统有线仪表的基础上，增加了5G通讯仪表、巡检机器人等智能移动终端、视频、振动等多维高带宽采集终端，丰富了运行控制系统对底层工艺设备状态的感知能力，从而使无人值守、无人巡检、故障自诊断应用构建成为可能。

5G网络传输层，通过构建工业级低延时、高带宽、高可靠的无线传输网络，包括建设5G核心网、一体化5G基站设备、不同控制时延和品质要求的5G边缘采集计算终端等组成， 5G核心网宜采用轻量化设计，网元通过AUSF与AMF合设、UDR和UDM合设等使其外部接口交互变成组件内部的通信，节省系统内存和计算资源的开销，通过网元功能的裁剪和定制实现低成本、轻量级的UPF，以及对如机器人、视频等5G终端直接接入支持，并通过部署分布式边缘计算，提高整个系统的承载能力。

集中控制计算中心层，布置两层工业以太网网络，第一层为实时控制网络，整个计算周期（主控所有逻辑执行加上对应所有节点数据交互）时间控制在百毫秒以内，用于对电厂发电流程实时控制，第二层为高性能计算网络，实现对电厂工艺设备及系统的状态、性能实时计算，实现秒级、分钟级不同时延的计算周期，高性能计算和实时控制相结合构成了智能发电运行系统，为实现能效大闭环的智能控制提高环境。

3. 基于5G的实时控制系统网络互联互通测试研究

要实现基于5G的电厂运行控制系统，核心问题是控制系统高速实时控制层的通讯速率、可靠性要满足业务需求，通常需要能够在100ms内完成对底层传感数据的交互，在某些场景个别场景如汽轮机控制时延要求甚至更高，这对5G网络的传输是个挑战。

本文搭建了DCS的5G网络测试平台（如图2所示），DCS采用和利时HOLLiAS MACS-K光纤VIO传输系统，5G网（R15标准）采用中科晶上工业级 5G专网设备，测试平台是利用5G专网替换了原DCS光纤网络通讯部分实现。

图2 DCS的5G网络传输测试平台示意

试验中工业级5G网关与主站和从站分别采用UART通信，对收取的数据帧进行格式检查、协议解析（Profibus DP）以及对于粘包进行分包处理，然后，进行添加帧头帧尾通过网关之间建立UDPsocket通道转发到对端网关，对端网关对其解包并校验处理，之后发送给从站，返回的数据经过另一个UDP通道以同样的方式返回给主站处理。测试数据如下表：

表1 基于5G的DCS试验平台通讯测试数据表

试验数据显示，在低波特率、较大允许延时的情况下，工业级5G专网替换DCS中的光纤能达到低时延、可靠的互联互通的效果。在较大波特率的情况下，尽管网关485接口标准为230Kbps，实测能保持1.5Mbps的速率，但是，由于允许最大时延要求较高，数据在多操作系统（2个网关和1个核心网的多级协议栈）的接力下，抖动和时延无法得到保证，所以存在“撞包”的可能，降低了系统可靠性。

4. 结论

本文通过研究分析，基于5G电厂运行系统宜实现的技术演进路线如下：

首先，可以肯定的是，在电厂非高速实时控制领域，如机器人巡检、视频识别、设备状态监测等大流量、实时性相对不高的场景，可以率先使用工业5G通讯。

其次，在水源控制、污水处理、煤场无人值守等远程辅助系统控制场景，可以通过利用现有5G专网与控制系统结合，在低速区进行应用。

再次，对于高速实时运行控制系统网络，不能盲目用现有5G专网简单替代光纤传输的方式用于实际生产，宜需要对高速实时控制系统底层通讯机制进行修改实现，如将主控与IO模块通讯的轮询方式改为并发方式，一种更有效的办法是直接基于5G芯片级加速来开发5G高速实时控制系统，从而达到高速率低延时要求下的可靠通讯。

参考文献：

[1] 能源领域5G应用实施方案[J] 大众用电. 2021,36(06)