无人直接参与的情况下，利用测控设备完成电厂热工过程参数自动测量与控制、信息处理、自动报警和保护的技术称为电厂热工自动化^[1]。它是保障人身与设备安全、提高电厂经济性、改善劳动条件及减轻劳动强度的重要手段，其范围极其广泛，包括了主机、辅助设备、公用系统等的自动化，已经历了漫长的发展过程。热工自动化技术对于电厂机组运行经济性、安全性和清洁性具有重大意义，该文回顾和总结热工自动化的历程、现状，也给出了热工自动化面临的主要问题和发展趋势，有利于促进热工自动化的技术交流，促进热工自动化的技术发展。

50年代我国电力工业属于起步阶段，单机容量在50MW以下，机组靠人工操作来运行，操作工分布在工艺设备的附近，依靠简单的机械式仪表和电子管型的DDZ-Ⅰ型电动单元组合仪表来控制生产过程。

60—70年代，电力工业快速发展，单机容量在50MW至300MW，由母管制逐渐过渡到单元制，采用集控方式，操作员通过各种仪表和操作设备对生产过程进行监视和控制。仪表主要有晶体管型的DDZ-Ⅱ型电动单元组合仪表、DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表、集成电路组装式的MZ-Ⅲ型、TF-900型控制仪表，自动化水平低。

80年代，先后有可编程控制器和引进300MW至600MW机组的各种分散控制系统(distributed control system，DCS)，提高了控制系统的可靠性和可用率，同时提高了热工自动投入率，但仍保留了大量的常规仪表和手操设备。90年代初，常规仪表和手操设备大幅减少，90年代中期，新机组常规仪表和手操设备几乎已经绝迹，采用DCS的自动投入率达到了100%^[2-3]。

21世纪以来，新技术不断涌现，如通用化的硬件平台，可组态的应用软件，标准化的通讯协议，可编程逻辑控制器(programmable logic control，PLC)的接入，现场总线控制系统(field bus control system，FCS)的应用，变频技术的实现，控制技术的优化，自动启/停机控制系统(automation plant start-up and shut down system，APS)(也称一键启停)；目前PLC方便地接入DCS、DCS运行参数的数据送入全厂管理信息系统(management information system，MIS)，实现数据共享和处理，厂级监控信息系统(supervisory information system，SIS)完成电厂管理系统与分散控制系统之间信息交换、实时数据共享；电气控制系统(electric control system，ECS)纳入DCS的控制范围中、汽轮机危机遮断系统(emergency trip system，ETS)改由DCS模块构成、数字电液控制系统(digital electric hydraulic control system，DEH)并入DCS中，烟气净化控制并入DCS控制，各个辅助车间的控制整合成一个辅控网(balance of plant，BOP)，在DCS技术推动下控制系统一体化走向完善^[4-6]。

为适应低氮燃烧器改造、电网“两个细则”以及火电机组改造的要求，需要机组变负荷速率快、负荷调节精度高、一次调频性能好、机组负荷调节范围宽，因此控制系统必须优化。优化控制软件在电厂已得到发展与应用，自动发电控制(automatic generation control，AGC)由单台机组方式发展成全厂负荷分配方式，控制策略得到改进，状态预测控制、模糊控制、自适应控制及人工神经网络控制等技术已得到成功应用^[7-9]。

具有现场总线通讯功能的现场设备主要包括压力变送器、差压变送器、温度变送器、超声波物位计、雷达物位仪、电动调门、电动门、气动调节阀、电动机、分析仪表、变频器，FCS与DCS、PLC相互促进发展，FCS借助于DCS和PLC平台拓展应用空间，DCS和PLC则借助于FCS完善自身的功能。

1）应用范围进一步扩大。对重要设备采用数字通讯方式对其相关信息进行传输，电气控制系统广泛采用PLC与机组DCS实现热工电气一体化网络监控，促进数据共享。

2）现场总线设备信息的高效应用。发挥现场总线智能设备的优势，对现场总线设备数据的挖掘与二次开发，提高了现场总线设备的故障预测及诊断、提高设备的可靠性和可用率。

3）通讯故障诊断的完善。通过大量数据快速诊断设备和网络故障，快速提供故障诊断和指导。

4）与物联网的融合。将现场智能设备与物联网融入，实现设备重要信息共享，以提高设备可靠性和利用率，同时也为微电网智能控制提供了解决方案。

5）与无线仪表的兼容。总线技术整合无线通讯技术，给用户提供完整的解决方案，以减少在通讯系统硬件方面的投资。

6）与工业以太网的信息通讯。现场智能设备与控制系统之间采用以太网协议进行通讯能统一现在的多种现场总线协议，有助于智能设备的发展^[10]。

APS的优点是：规范了操作流程，减少误操作；减少了人工操作，减轻运行人员负担；优化了操作过程，提高控制品质；缩短了启停时间，提高效率和经济性。机组自启停时，它按程序向各个子系统发出启停指令，并由以下系统协同完成：模拟量控制系统(modulating control system，MCS)、炉膛安全监控系统(furnace safety supervisory system，FSSS)、DEH、小汽轮机电液控制系统(micro electro-hydraulic control system，MEH)、旁路控制系统(bypass control system，BPC)、顺序控制系统(sequence control system，SCS)、给水、燃烧及其他控制系统(如ECS、自动电压调节器(automatic voltage regulator，AVR)等)。一键启停APS与控制系统的接口信号全部采用通信的方式实现，它是基于控制系统之上的机组管理、调度系统，实现APS系统与控制系统的无缝连接是实现APS系统自启停功能的关键。需要解决控制系统的全程控制、多执行机构并列运行及指令平衡控制、凝结水系统自适应投运等关键控制问题。“交叉引用、条件自举”的理念使控制系统实现全工况、全过程、全自动运行成为可能^[11]。

仪表及其软件新技术不断涌现，迈向了数字化、集中化和智能化。数字仪表将传感器采集的模拟信号数字化，经主处理器计算处理，再将数字量转换成相应的物理量，测量精度更高，此外，增加各种通讯接口，如串行通讯接口使仪表设备与计算机连接，实现数据的传输和共享。将各种仪器设备连接，相互通讯，再由检测系统进行监测，能方便地实现自动控制。智能软件可以对传感器进行在线组态和参数设置，修正零位飘移，自动校正精度，计算误差，生成校正曲线和报告，跟踪并记录运行中的仪表状态，也能对阀门进行在线组态和阶跃测试，判断阀门是否卡涩、磨损等。

APS技术、全激励式仿真技术及预估控制、模糊控制、专家控制等多种控制技术；启动路径识别、制粉系统最优启停控制、汽轮机启动过程风险预估等关键技术；以智能启停和智能调峰为核心的全程智能控制技术促进了机组监控的数字化、集中化和智能化，提高了机组运行管理水平^{[4, 8, 12]}。

1）无线测量技术。其优点为：方便迁移，安装灵活；无需敷线、接线、安装桥架，施工量小；安全风险小，占据空间小；维护方便，扩展简单；不便安装的场合(酸碱、污水等场合)都可用无线测量技术实现远程监控。ISA100提供了开放式的无线网络构架，允许更多无线产品和产品无线化，为无线测量技术的应用提供了广阔的前景^[13]。

2）变频技术。变频器作为控制系统的一个重要功率变换部件，在调速范围和精度，动态响应速度等方面表现出优越性，节能效果显著，其应用正由中小型电机推广到高压电机。

3）三维技术。三维技术带来了新变革，通过电厂三维模型，既可数字化，又能可视化。它与MIS相结合，可对厂内的设备、管道实现数字化、可视化的精确管理。

目前进行的研究与实践的技术有：1）鲁棒控制用于控制系统的设计，其优点是能够克服不确定性因素以及有效抑制外界扰动，改善火电机组控制系统性能，提高控制系统品质。2）预测控制用于机组控制：模型算法控制，动态矩阵控制，广义预测控制，广义预测极点控制，内模控制，推理控制等等。预测控制是一种对模型精度要求低、在线计算简便、控制性能好的动态优化控制方法，能够较好地解决大惯性、大滞后过程的问题。3）反馈线性化控制方法在协调控制系统中的应用能够有效解决对象的非线性、时变性以及耦合性等问题。4）多模型和增益调度方法用于机组模型(包含炉机电模型)的协调控制将非线性系统分解成许多线性系统分而治之，该方法将非线性系统在各工况点线性化，针对每一个工况点设计适合的线性控制器，将这些线性控制器通过一定的调度切换规则组合在一起，可以使控制器满足不同工况条件下对象的控制任务，实现被控对象的全局优化控制。5）自抗扰控制器，是解决热控对象控制难点的有效方法之一，其优点是不必精确了解被控对象的动态特性，也无需检测外扰的作用，可以同时抑制所有扰动，对非线性、不确定模型、强耦合系统具有较好的控制品质。6）智能控制。包括神经网络控制、模糊控制、免疫算法、遗传算法、专家控制、学习控制、分层递阶控制、仿人智能控制，通常采用复合或混合智能控制方式用于现场对象。智能控制是多学科交叉的高级控制，提高了对复杂系统控制的能力，将它应用于大型复杂的电力生产过程中往往能获得良好的效果^[14]。

由于热工对象复杂且存在不少控制难点问题：大延迟、大惯性、非线性、时变性、变量间的耦合性，数学模型不确定性，系统内部或外部扰动不确定性等。上述控制技术对控制难点问题仍未彻底解决，控制技术仍需完善，因此，对先进控制理论进行深入研究与实践仍是热工自动化的发展方向。

1）仪表新技术。软检定技术是仪表新技术，它根据检测数据，依靠科学合理的算法处理，进而推断出无法确定的信息，用于无法进行数据采集的场合。测量技术日新月异，并不断地用于火电厂，具有集成化、系统化以及智能化的特点^[15]。

2）EIC技术。在电厂控制过程中，电气控制E、仪表I和计算机控制C都是彼此独立的。EIC综合技术就是将这3种系统进行统一处理，目前EIC综合技术已开始逐渐地被应用，这是热工自动化未来的技术发展趋势。

3）智能机器人巡检。智能机器人搭载可见光摄像机、热成像仪、激光测振仪，激光雷达导航传感器、声纳传感器，配合充电系统、无线通讯系统、后台管理系统、手机APP客户端软件和液体泄漏检测系统，实现电厂化水车间、主变压器、供热系统和锅炉水泵区域的自动巡检。根据不同的介质及工况采用通过泄漏电缆、声压计、视频识别、红外测温等技术，自动判断现场水、酸、碱、气、汽跑冒滴漏。自动检测管道、储罐水、油、酸、碱泄漏。

图1为智慧电厂组成图。“智慧电厂”就是在现有数字化电厂的基础之上，综合人工智能、物联网、互联网、云计算、大数据分析、虚拟现实等技术，对现有电厂系统和数据进行深入挖掘，使电厂最终达到更安全、更高效、用人更少、更绿色、更盈利的智能化生产运营。它实现了由数字化到智慧化、由人工决策到机器决策，将工业化与信息化深度融合、使“互联网+”用于发电，围绕“安全、经济、环保”3个主题，利用最新信息化技术，指导安全生产运行、检修及三维培训,是当前的潮流，目前的智慧电厂已实现以下功能：基于三维可视化的智能培训系统、基于“互联网+”的生产管理系统、基于大数据分析的优化运行系统、三维可视化的诊断系统和决策系统。目前研究的问题有：三维空间定位与可视化智能巡检、炉内智能检测与燃烧优化控制、数字化煤场与燃料信息智能互动、信息挖掘与远程专家诊断预警、网源协同结合与电力市场辅助决策、沉浸式仿真培训与虚拟现实(virtual reality，VR)辅助检修^[16-18]。

热工自动化未来的趋势是智能化、信息化、透明化、综合化一体化，数据挖掘、智能测量、故障诊断与预测以及先进控制策略是基础，其技术应用将从煤电拓展至气电、核电、生物质发电、太阳能发电等领域。智慧电厂是未来热工自动化有前景的发展方向，它将综合运用热工自动化的各种新技术，自动根据发电厂内、外因素变化，优化控制策略、方法、参数和管理模式，实现自我寻优与进化，使电厂安全、经济、环保最优化运营，经济效益与社会效益最大化。可以预见，在不远的将来电厂必然会从目前全范围内的生产过程自动化阶段迈向智慧电厂的高级阶段，智慧电厂的智慧管控层、智能控制层及智能设备层将实现综合一体化设计，它们之间将实现无缝对接，使电力生产从“少人干预”迈向“无人驾驶”。