分散控制系統(tǒng)性能測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)探討

吳利寧

（陜西德源府谷能源有限公司，榆林 719407）

系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到火力發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）性能測(cè)試研究，測(cè)試機(jī)組DCS的主要性能指標(biāo)，提高了DCS的運(yùn)行效益和安全效益，能夠?yàn)樵u(píng)估DCS性能提供參考。

1 DCS性能測(cè)試

1.1 測(cè)試的主要內(nèi)容

某廠DCS采用魯能控制有限公司的LN2000系統(tǒng)，其功能和物理結(jié)構(gòu)分散。DCS按照工藝生產(chǎn)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)、配置和組態(tài)的，主要包括開(kāi)放系統(tǒng)的直連式存儲(chǔ)（Direct-Attached Storage，DAS）、調(diào)制與編碼策略（Mymova Checkin System，MCS）、順序控制系統(tǒng)（Sequence Control System，SCS）、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（Furnace Safeguard Supervisory System，F(xiàn)SSS）和電氣控制系統(tǒng)（Electric Control System，ECS）等[2]。DCS配置有公用網(wǎng)絡(luò)、采暖加熱、空壓機(jī)和廠用電公用部分等輔助公用系統(tǒng)[3]。

LN2000系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)和控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）現(xiàn)場(chǎng)總線的總線式兩級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所有的控制計(jì)算機(jī)和過(guò)程控制站均與數(shù)據(jù)交換機(jī)連接，通過(guò)設(shè)置每個(gè)站的IP地址和每個(gè)站遵守標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議（如TCP/IP協(xié)議）實(shí)現(xiàn)各個(gè)站的數(shù)據(jù)通信，從而構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)[4]。過(guò)程控制站與I/O智能卡件之間通過(guò)雙絞線連接，構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。智能模塊通過(guò)本板上的撥碼開(kāi)關(guān)決定本板在CAN上的地址[5]。

根據(jù)規(guī)程要求，DCS性能試驗(yàn)主要包括冗余性能試驗(yàn)、系統(tǒng)容錯(cuò)性能試驗(yàn)、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測(cè)試、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試、系統(tǒng)存儲(chǔ)容量和負(fù)荷率測(cè)試、抗射頻干擾能力測(cè)試、模件信號(hào)處理精度測(cè)試以及通道輸出自保持功能測(cè)試等內(nèi)容[6]。

1.2 關(guān)鍵測(cè)試內(nèi)容

1.2.1 模擬量采集實(shí)時(shí)性和精度測(cè)試

隨機(jī)抽取2塊PT100卡件、1塊TC卡件和6塊內(nèi)供電AI卡，利用Druck信號(hào)發(fā)生器在測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的端子上分別輸入0%、25%、50%、75%和100%量程的信號(hào)。在工程師站讀取該測(cè)點(diǎn)的顯示值，與輸入的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較并做好記錄。然后，隨機(jī)抽取3塊AO卡，通過(guò)工程師站分別按量程的0%、25%、50%、75%和100%設(shè)置各點(diǎn)的輸出值，再對(duì)應(yīng)模件的輸出端子，用Fluke 87 V萬(wàn)用表測(cè)量并讀取輸出信號(hào)示值，后與輸出的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值比較并做好記錄。

1.2.2 開(kāi)關(guān)量采集實(shí)時(shí)性和精度測(cè)試

隨機(jī)抽取2塊DI卡件，通過(guò)短接/斷開(kāi)無(wú)源接點(diǎn)，測(cè)試開(kāi)入量DI的采集實(shí)時(shí)性和精度。在工程師站上檢查各輸入點(diǎn)的狀態(tài)變化，并記錄測(cè)試的各點(diǎn)狀態(tài)變化，然后隨機(jī)抽取2塊DO卡件，通過(guò)工程師站分別設(shè)置0和1的輸出給定值，測(cè)試開(kāi)出量DO的采集實(shí)時(shí)性和精度，在相應(yīng)模件輸出端子上測(cè)量其通/斷狀況，同時(shí)觀察開(kāi)關(guān)量輸出指示燈的狀態(tài)，并記錄各點(diǎn)的測(cè)試狀態(tài)變化。

1.2.3 事故追憶裝置順序測(cè)試

利用一臺(tái)開(kāi)關(guān)量信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)發(fā)生器的準(zhǔn)確度應(yīng)達(dá)到0.1～0.3 ms。設(shè)備送出間隔時(shí)間為0.1～3 ms， 可調(diào)節(jié)2～3個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)。將設(shè)備接線端子接入事件順序記錄的不同控制器的不同輸入模件端子，改變信號(hào)發(fā)生器的間隔時(shí)間，直到事件順序記錄無(wú)法分辨，此時(shí)間即為事件順序記錄的分辨力，規(guī)程要求不得超過(guò)1 ms。

（1）同站同卡測(cè)試。抽取3號(hào)站51模塊的2、3、4、7通道，將專(zhuān)用事故追憶（Sequence Of Event，SOE）測(cè)試儀的4路輸出同時(shí)接入4個(gè)SOE回路，令測(cè)試儀輸出動(dòng)作順序和時(shí)間順序精確的信號(hào)，并通過(guò)DCS的SOE記錄分析SOE的分辨能力。

（2）同站不同卡（站內(nèi)跨卡）測(cè)試。抽取3號(hào)站51模塊第7通道、3號(hào)站52模塊第1通道、3號(hào)站53模塊第1通道和3號(hào)站54模塊第1通道，將專(zhuān)用SOE測(cè)試儀的4路輸出同時(shí)接入4個(gè)SOE回路，令測(cè)試儀輸出動(dòng)作順序和時(shí)間順序精確的信號(hào)，并通過(guò)DCS的SOE記錄分析SOE的分辨能力。

（3）不同站不同卡測(cè)試。抽取3號(hào)站53模塊第1通道、11號(hào)站54模塊第7通道和12號(hào)站54模塊第6通道，將專(zhuān)用SOE測(cè)試儀的輸出同時(shí)接入SOE回路，令測(cè)試儀輸出動(dòng)作順序和時(shí)間順序精確的信號(hào)，并檢查DCS的SOE記錄。

1.2.4 模擬量采集實(shí)時(shí)性測(cè)試

選取2號(hào)機(jī)組AI點(diǎn)1號(hào)站11模塊第8通道和3號(hào)站11模塊第8通道作為被測(cè)的AI通道。在此點(diǎn)所在的控制器中增加一個(gè)計(jì)數(shù)器功能塊，輸入端連接該DI通道，AI通道輸入端串接可變電阻器和電流信號(hào)發(fā)生器，脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出串接另一可變電阻器后接到電流信號(hào)發(fā)生器上，然后調(diào)節(jié)可變電阻器，使輸入端接收的高、低電平信號(hào)差值大于量程的30%。在控制器中組態(tài)，接收此AI通道的模擬量轉(zhuǎn)換模塊輸出，連接高/低限報(bào)警模塊，高電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)1，低于高電平的信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)0。邏輯信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)器功能塊計(jì)數(shù)。

選取AI點(diǎn)3號(hào)站11模塊第8通道，通過(guò)脈沖信號(hào)發(fā)生器，給通道接入方波脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的占空比為50%，個(gè)數(shù)為60。脈沖寬度和間隔時(shí)間分別設(shè)置為400 ms時(shí)，第一次測(cè)試中計(jì)數(shù)器接收到的脈沖信號(hào)為60個(gè)，第二次測(cè)試中計(jì)數(shù)器收到的脈沖信號(hào)為60個(gè)；脈沖寬度和間隔時(shí)間設(shè)置為395 ms時(shí)，測(cè)試中計(jì)數(shù)器接收到的脈沖信號(hào)為58個(gè)；脈沖寬度設(shè)置為480 ms時(shí)，測(cè)試中計(jì)數(shù)器接收到的脈沖信號(hào)為60個(gè)。所以，該點(diǎn)所在的頁(yè)面掃描周期為400 ms。

選取AI點(diǎn)1號(hào)站11模塊第8通道，通過(guò)脈沖信號(hào)發(fā)生器，給通道接入方波脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的占空比為50%，個(gè)數(shù)為60個(gè)。脈沖寬度和間隔時(shí)間分別設(shè)置為200 ms 時(shí)，第一次測(cè)試中計(jì)數(shù)器接收到的脈沖信號(hào)為60個(gè)，第二次測(cè)試中計(jì)數(shù)器收到的脈沖信號(hào)為60個(gè)；脈沖寬度和間隔時(shí)間設(shè)置為195 ms時(shí)，測(cè)試中計(jì)數(shù)器接收到的脈沖信號(hào)為57個(gè)。所以，該點(diǎn)所在的頁(yè)面掃描周期為200 ms。

1.2.5 控制器模件處理周期測(cè)試

選取3號(hào)站5卡第16通道DO點(diǎn)作為分散處理單元（Distributed Processing Unit，DPU）計(jì)算掃描周期測(cè)試點(diǎn)，輸出計(jì)算頁(yè)分別作為循環(huán)非門(mén)邏輯。設(shè)置頁(yè)計(jì)算周期為400 ms， 然后摘下DO繼電器，用高精度錄波儀測(cè)量DO點(diǎn)輸出驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)循環(huán)非門(mén)邏輯，用高精度錄波儀測(cè)取電壓跳變過(guò)程，然后根據(jù)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。它的與非門(mén)邏輯如圖1所示。

圖1 與非門(mén)邏輯

1.3 主要測(cè)試結(jié)果

模擬量采集實(shí)時(shí)性和精度測(cè)試結(jié)果顯示，部分模擬量采集實(shí)時(shí)性和精度測(cè)試不滿(mǎn)足DL/T 774標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 模擬量采集實(shí)時(shí)性和精度測(cè)試

表2 模擬量采集實(shí)時(shí)性和精度測(cè)試

開(kāi)關(guān)量采集實(shí)時(shí)性和精度測(cè)試結(jié)果顯示，開(kāi)關(guān)量采集實(shí)時(shí)性和精度測(cè)試滿(mǎn)足DL/T 774標(biāo)準(zhǔn)要求。開(kāi)關(guān)量輸入DI和開(kāi)關(guān)量輸出DO有較高的實(shí)時(shí)性和精度，滿(mǎn)足機(jī)組安全生產(chǎn)運(yùn)行的要求。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 開(kāi)關(guān)量DI實(shí)時(shí)性和精度測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

表4 開(kāi)關(guān)量DO實(shí)時(shí)性和精度測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

如表5所示，SOE順序測(cè)試結(jié)果顯示，SOE事故追憶裝置功能正常。此外，同DPU的SOE分辨能力皆不大于 1 ms，滿(mǎn)足DLT-659標(biāo)準(zhǔn)要求；不同DPU的SOE分辨能力皆大于1 ms，滿(mǎn)足DLT-659標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 SOE順序測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

模擬量采集實(shí)時(shí)性測(cè)試結(jié)果顯示，選取AI點(diǎn)3號(hào)站11模塊第8通道，脈沖寬度設(shè)置為480 ms時(shí)，測(cè)試中計(jì)數(shù)器接收到的脈沖信號(hào)為60個(gè)，該點(diǎn)所在的頁(yè)面掃描周期為400 ms。選取AI點(diǎn)1號(hào)站11模塊第8通道，脈沖寬度設(shè)置為200 ms時(shí)，測(cè)試中計(jì)數(shù)器接收到的脈沖信號(hào)為60個(gè)，該點(diǎn)所在的頁(yè)面掃描周期為200 ms。

如圖2所示，控制器模件處理周期測(cè)試結(jié)果顯示，通過(guò)測(cè)試#2機(jī)組DPU計(jì)算掃描周期得出，該頁(yè)面掃描周期為798 ms，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)DPU計(jì)算掃描周期記錄圖，掃描周期為798 ms。

圖2 控制器模件處理周期測(cè)試報(bào)表

2 DCS性能評(píng)估

通過(guò)測(cè)試，該廠DCS系統(tǒng)在模擬量采集精度、畫(huà)面切換時(shí)間、系統(tǒng)負(fù)荷率和站間時(shí)鐘同步精度等指標(biāo)不滿(mǎn)足規(guī)程要求，可能會(huì)影響機(jī)組的安全運(yùn)行。建議該廠根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況提前計(jì)劃DCS設(shè)備的升級(jí)改造，為機(jī)組正常運(yùn)行提供重要保障。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了DCS性能測(cè)試的具體方法，能夠通過(guò)測(cè)試相應(yīng)內(nèi)容判定DCS系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)，操作性較強(qiáng)。隨著電網(wǎng)控制和機(jī)組容量工藝的不斷提高和DCS控制相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后應(yīng)進(jìn)一步研究DCS的性能測(cè)試方法，促使DCS性能測(cè)試成為機(jī)組檢修改造后必須開(kāi)展的測(cè)試項(xiàng)目。