完善分散控制系統性能與應用功能測試方法的探討

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（1.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.浙能樂清發電有限公司，浙江樂清325909）

完善分散控制系統性能與應用功能測試方法的探討

黃勃1，盧化1，樊健剛2

（1.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.浙能樂清發電有限公司，浙江樂清325909）

分散控制系統（DCS）性能與應用功能測試是DCS檢修維護中的基礎工作，也是診斷確認DCS健康狀態的手段之一，雖在DL/T 659規程中對測試方法與要求作了規定，但測試項目還不夠全面，個別項目的測試方法不夠完善或值得商榷。為此，從DCS的實際應用且易于實際測試的角度出發，對部份DCS性能指標給出了具體的測試方法。

分散控制系統；性能；測試方法；完善

0 引言

隨著發電機組的容量和規模的成倍增長，分散控制系統（DCS）的可靠性水平，已成為確保發電機組以及電網系統安全、穩定、高效運行和滿足節能環保要求的關鍵。為確保其運行可靠性，需要維護人員利用機組檢修機會，對控制系統的性能與應用功能進行規范和定期的測試，以建立DCS系統各項性能指標的歷史數據，并檢查機組DCS控制系統的實際功能、指標參數等是否符合設計要求和滿足有關標準的規定要求，盡早發現DCS中的缺陷和指標變化，提前采取相應措施。

DL/T 659《火力發電廠分散控制系統驗收測試規程》（以下簡稱規程）中，對DCS的性能與應用功能測試項目及方法作了規范，但還不夠全面，有的測試項的測試方法不夠具體，個別測試項的方法值得商榷。因此，有必要從實際應用且易于實際測試的角度出發，對性能測試中尚未很好開展的一些項目測試方法進行探討，加以補充和完善。

1 抗干擾性能的測試

1.1 模擬量測量通道的共模抑制比和串模抑制比

電磁干擾的種類很多，但作用于DCS主要有共模和串模2種方式，在技術參數上是AI模件的共模抑制比和串模抑制比參數。規程沒有規定對AI模件的抑制比參數進行測試，但據資料顯示，一些DCS的AI模件共模抑制比和串模抑制比參數的測試結果，不能滿足該技術指標的要求，導致易發生干擾信號影響參數的正常顯示，因此應開展這方面的測試工作。

1.1.1 共模抑制比參數測試

圖1為共模抑制比參數測試接線示意圖。

圖1 共模抑制比測試接線

（1）選擇熱電偶輸入通道，設置為雙端浮空方式；信號源選擇電池供電，且應具有強抗干擾能力，輸入使CRT顯示該通道量程75%的溫度穩定信號。

（2）在通道負端對地之間接入直流（或交流）共模干擾發生器，合上開關A后，逐漸增大發生器輸出信號，直至被試驗的通道信號在工程師站畫面上的顯示值產生明顯的變化量ΔU時為止，記此時的共模干擾電壓為Ucd（或Uca，交流的有效值，注意通常不超過500 V，如模件在指標中給出共模電壓值，則增大到該值）。

（3）按式（1）、式（2）計算出直流和交流共模抑制比。

直流共模抑制比：

交流共模抑制比：

共模信號引起的通道誤差應滿足公式：

式中：Ucd和Uca分別為直流干擾信號的大小和交流干擾信號的峰峰值；ΔU為此干擾電壓對測量示值所產生的影響量；UC%為輸入端子處測得的交流分量峰峰值與該點滿量程之比。

1.1.2 串模抑制比參數測試

串模抑制比表征了測量回路對串聯引入回路的交流干擾的抑制能力，圖2為共模抑制比參數測試接線示意圖。

圖2 差模抑制比測試接線

（1）將信號源串接交流差模干擾信號發生器（如沒有特殊說明，選擇50 Hz，小于30 V p-p的交流信號），接入選擇的熱電偶通道，輸入使CRT顯示該通道量程75%的溫度穩定信號；逐漸增大干擾信號發生器輸出，直至被試驗的通道信號在畫面上的顯示值產生明顯的變化量ΔU時為止，記此時的干擾電壓峰峰值為UM，注意該值不超過模件標稱的承壓范圍。

（2）按式（4）計算被測通道的串模抑制比NMR，計算時注意量綱的一致性，其值應符合模件指標值要求。

式中：Um為干擾電壓峰峰值；ΔU為此干擾電壓對測量示值產生的影響量。

1.2 DI通道直流噪聲容限測試

DI通道的直流噪聲容限，指通道能容許多大的噪聲電壓迭加在輸入信號上而不致使輸出狀態產生改變，可用通道外部電壓變化的容許值來表示DI通道的噪聲容限，測試接線見圖3。

圖3 DI直流噪聲容限測試接線

1.2.1 通道閉合狀態下噪聲容限測試

將標準可變電阻箱R接入選擇的DI通道，調節R為0 Ω，使通道閉合（測量此時R上電壓為0 V），逐漸增大R直到通道翻轉為斷開狀態，記錄此時電阻值為RC，測量RC上電壓記為UC，即通道接通狀態下的噪聲容限比，表示接通狀態工作時所允許的最大干擾電壓值。

1.2.2 通道斷開狀態下噪聲容限測試

斷開DI通道輸入接線，測量通道電壓并記為UC，然后將直流標準電阻箱R（應設其為較大的阻值）接入DI通道，并使DI通道仍保持斷開狀態，然后逐漸減小R直到通道翻轉為接通狀態，記錄此時電阻值為RO，測量RO上電壓記為UO。UC-UO為通道斷開狀態下噪聲容限比，表明通道處于斷開狀態下所允許的干擾電壓值。

2 信號采集實時性測試

2.1 開關量采集實時性測試

選取幾個不同的DI點進行測試，利用可編程脈沖信號發生器產生脈沖寬度不同的方波信號，對被測通道進行測試。

（1）在控制器中增加一個計數器功能塊，輸入端連接被測的DI通道。將可編程脈沖信號發生器輸出分別接入被測的DI通道，發出占空比為50%的方波脈沖信號，其個數大于50，寬度等于控制器處理周期（或硬件掃描周期，取二者中的大值）。當確認計數器能正確累計輸入脈沖的個數時，逐漸減小脈沖的周期，直到計數器出現丟失脈沖的現象時，之前能正確計數的最小脈沖寬度為該通道采集的實時性，應與控制器處理周期（或硬件掃描周期，取二者中的大值）一致。

（2）按最小脈沖寬度發送多個脈沖串，檢查系統的歷史報警記錄和變態打印記錄，能完整地對各次狀態的變化進行記錄。

（3）上述測試應對控制器設置不同的處理周期，并在每個處理周期下重復進行2次以上。

2.2 模擬量采集實時性測試

（1）在控制器中組態，接受AI通道測量數據的模擬量轉換成數字量輸出的高電平信號，經高/低限報警模塊轉換為邏輯信號“1”，低于高電平信號轉換為邏輯信號“0”，邏輯信號經計數器功能塊計數。

（2）電壓型AI通道輸入端串接脈沖信號發生器的輸出（該輸出并接可變電阻器）和電壓信號發生器；電流型AI通道輸入端串接可變電阻器R1和電流信號發生器（脈沖信號發生器的輸出串接另一可變電阻器R2后并接到電流信號發生器上），調節可變電阻器，使輸入端接受的高低電平信號差值大于量程的30%。

（3）脈沖信號發生器發出占空比為50%的方波脈沖信號，其個數大于50，寬度等于控制器處理周期（或硬件掃描周期）。當確認計數功能正確累計輸入脈沖的個數時，逐漸減小脈沖的周期，直到計數器出現丟失脈沖的現象時，之前能正確計數的最小脈沖寬度為該通道模擬量采集的實時性，應與控制器處理周期一致。

（4）測試應對控制器設置不同的處理周期，并在每個處理周期下重復進行2次以上。

3 控制器模件處理周期測試

測試控制器處理周期時，考慮到爐膛安全監控系統（FSSS）和模擬量控制系統（MCS）的協調控制系統邏輯組態最為復雜，邏輯控制回路較多，相互之間又緊密聯系不可分割，控制器的負荷相對較重，所以可以選取這二個控制器進行控制周期的抽樣測試。測試時應分別重復10次，剔除測試所得的最大值和最小值，算出平均值，作為該控制器的處理周期。DCS系統測試用組態控制邏輯見圖4。

圖4 控制器周期測試接線

（1）在被測試的控制器中增加組態邏輯，設置一非門，將非門輸出連接到其輸入端，并通過一路DO輸出，DO輸出連接DI輸入端（目的是利用該DI通道的查詢電壓，為示波器提供用來測量的電平信號）并接入錄波器，如果通道采用電磁式繼電器輸出，應拔出繼電器，將錄波器直接接到繼電器的輸入控制端。

（2）分別測試模擬量和開關量的處理周期，應滿足：一般模擬量控制回路的處理周期不大于250 ms，專用開關量控制回路的處理周期不大于100 ms。快速處理回路中，模擬量控制回路的處理周期不大于125 ms，開關量控制回路的處理周期不大于50 ms。DEH控制回路的處理周期不大于50 ms，用于主保護的專用開關量控制回路的處理周期不大于30 ms。

4 系統響應時間測試

4.1 模擬量控制系統響應時間測試

規程中未給出模擬量操作指令系統響應時間測試方法，以往測試中基本都用秒表記錄操作員站鍵盤指令發出到屏幕上反饋信號顯出的時間，該測試方法測得的響應時間受工作人員反應速度的影響。現使用圖5的接線方式進行測試可消除人為因素的影響。

圖5 控制器周期測試接線

（1）選取任一個調節門控制邏輯，并設置為手動控制方式。

（2）將該調節門輸出控制指令的AO端子點，通過硬接線連接本控制器的另一個AI卡件的任一AI通道上（用來記錄該點的動作時間）。

（3）在CRT操作畫面上，采用設置調節閥開度的方式，由0開始，每次使其輸出控制指令階躍遞增量程的25%，直至100%，然后再由100%階躍遞減量程的25%，直至0。

（4）調用操作員事件記錄（精確到秒），查看CRT上發出開度命令的時間值。

（5）再調出上述AO點和AI點的歷史記錄曲線，查出當開度設定值操作命令發出后，其模擬量輸出變化到設定值時的時間值（精確到秒）。

（6）第（4）與（5）步中的時間差值即為操作員站發出模擬量控制命令后系統的響應時間。

（7）重復10次取均值作為模擬量操作指令系統響應時間，該值應不大于2.5 s。

（8）將操作員事件記錄與歷史記錄曲線同放在一個窗口內，并將時間光標放在測試點上，然后拷屏、存盤。

4.2 開關量控制系統響應時間測試

規程中提供了開關量操作指令系統響應時間測試方法，但沒有給出該時間用什么方法測試或記錄系統響應時間。以往測試中也基本都用秒表記錄，因此會造成一定偏差，現改為如圖6所示的方法。

圖6 控制器周期測試接線

（1）選取一個DO控制的電動門控制邏輯。

（2）將該電動門控制指令輸出的DO點，通過硬接線直接接至同一控制器的另一個DI卡件的任一DI通道上（用來記錄該點的動作時間）。

（3）在CRT操作畫面上，操作該電動門的開、關按扭，使該電動門發出開或關的指令。

（4）調用操作員事件記錄（精確到秒），查看CRT上發出操作開、關命令的時間值。

（5）再調出上述DO點和DI點的歷史記錄曲線（精確到秒），查當操作開或關命令發出后，該點的變位時間值。

（6）第（4）與（5）步中的兩個時間值之差即為操作員站發出命令的響應時間。

（7）開關操作重復5次取均值，作為開關量操作指令系統響應時間，該值應不大于1.0 s。

（8）將操作員事件記錄與歷史記錄曲線的同一時間點放在一個窗口內，拷屏、存盤。

5 結語

通過對DCS的性能與應用功能的測試，可以較全面、客觀地了解主要技術參數是否符合相關規定，并根據測試結果中的問題及時進行處理。如：負荷率大于規程規定值，通過調整組態控制邏輯增加控制器對數來消除；系統響應時間達不到指標，可通過網絡改造來滿足；控制器冗余切換不正常，通過分析查找原因或更換控制器來提前處理；通過抗干擾性能測試，可掌握DCS抗干擾能力的大小，決定是否采取有針對性的抗干擾措施等。

此外可通過測試數據的累積，建立DCS的測試檔案。同時參閱各種DCS的測試結果，可以為新機組的DCS選型提供技術性能方面最為可靠的依據。因此完善DCS的性能與應用功能測試方法，是提高DCS運行可靠性的一項必要措施。

[1]DL/T 774-2004火力發電廠熱工自動化系統運行維護規程[S].北京：中國電力出版社，2004.

[2]DL/T 659-2006火力發電廠分散控制系統在線驗收測試規程[S].北京：中國電力出版社，2006.

[3]孫長生，朱北恒，王建強，等.提高電廠熱控系統可靠性技術研究[J].中國電力，2009，42（2）:56-59.

[4]王琦.分散控制系統抗干擾性能測試方法探討[J].中國電力，2008，41（12）:46-49.

[5]孫長生，王建強.浙江省電廠分散控制系統故障原因、處理與建議[J].電力建設，2006，27（2）:66-69.

（本文編輯：楊勇）

Exploration on Improvement of Test Methods for Performance and Application Functions of Distributed Control System

HUANG Bo1，LU Hua1，FAN Jian-gang2
（1.Zhejiang Electric Power Corporation Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.Zheneng Yueqing Power Generation Co.，Ltd，Yueqing Zhejiang 325909，China）

The testing for the distributed control system（DCS）performance and application functions is the basis of DCS repair and maintenance and is also one of the methods to diagnose the state of DCS.Although the test methods and requirements are specified in DL/T 659,the test items are not comprehensive enough. The test methods of individual items are not perfect and questionable.Therefore，the detailed test methods for part of performance indexes are put forward for practical application and easy testing.

distributed control system；performance；test methods；improvement

TP273

：B

：1007-1881（2012）07-0050-04

2012-02-13

黃勃（1960-），男，江蘇溧陽人，工程師，從事熱工自動化系統設計調試工作。