分散控制系統性能測試關鍵技術

羅嘉，朱亞清，王琦

(廣東電網公司電力科學研究院，廣州市，510600)

0 引言

分散控制系統(distributed control system，DCS)作為工業過程控制的中樞系統，日益發揮著舉足輕重的作用，其本身的性能對工業生產過程的安全性、可靠性和經濟性具有重要的影響［1］。由于制造廠家眾多，設計理念和制造水平也有差異，DCS在實際運行中暴露出了一些問題，涉及系統抗干擾能力、通信阻塞、系統實時性等方面。如何從應用的角度對DCS的性能作出評價越來越受到關注［2］。國家發展與改革委員會發布的DL/T 659—2006《火力發電廠分散控制系統驗收測試規程》中雖然規定了一些測試項目和指標，但在實際工作中一直缺乏具有指導意義的系統測試體系、現場實用的測試方法和推薦使用的測試儀器。此外，全面、系統地闡述火力發電領域DCS性能測試的論文近年也鮮有出現。

廣東電網公司電力科學研究院在總結前人工作的基礎上提出了一套完整的DCS現場性能測試方法，測試內容主要包括：輸入和輸出功能檢查、人機接口檢查、顯示功能檢查、系統容錯能力測試、系統供電功能測試、模件可維護性測試、模件抗干擾性測試、系統實時性測試、網絡性能測試等。此測試方法在國內主流DCS系統和125～1 000 MW各等級機組上都已被應用［3］。本文就模擬量采集實時性測試、控制器運算周期測試、通道抗干擾性測試等DCS性能測試的關鍵項目進行介紹，并分析、說明測試結果。

1 DCS性能測試技術

1.1 模擬量采集實時性測試

模擬量采集實時性測試的方法是在DCS中選取1個模擬量通道，利用函數發生器產生1個具有直流偏置的不同周期的正弦波信號對被測通道進行測試。該信號通道應暫去掉信號的數字濾波功能。具體步驟如下：首先將函數發生器的輸出接入被測通道，調整函數發生器的直流偏置為3.0 V，再調整函數發生器的信號頻率周期，保持幅值為2.5 V。在操作員站上觀察并記錄被測通道的輸入波形。持續增大函數發生器的信號頻率周期，直到DCS無法正確反映被測信號的值，記錄此時信號源的頻率和幅值。電壓頻率為0.05～0.2 Hz的變化曲線如圖1所示。當輸入信號頻率為0.05 Hz時，在1個變化周期內系統所能記錄的數據點數為20個，所以在操作員站上測到的波形沒有失真。加大頻率至0.1 Hz，雖然在顯示器上測到的波幅基本沒變，但波形和振幅已有所失真。加大頻率至0.15 Hz，在顯示器上測到的波形和振幅已完全失真。所以能被該DCS系統正確分辨出的模擬量信號頻率需小于0.1 Hz。

圖1 模擬量采集實時性測試結果Fig.1 Real time performance test of analog signal

1.2 控制器運算周期測試

DCS控制器主要實現控制運算和數據傳輸功能，由于不同的頁面包含不同數量的變量和運算邏輯，不同功能對運算速度的要求也不同，因此一般都可由用戶設置各頁面的處理周期，設置值一般可為50～1 000 ms等多檔［3］。例如數字式電氣液壓(digital electric hydraulic，DEH)控制系統被控對象的響應速度較快(約幾十ms)，因此不僅要設置較短的運算周期，還要嚴格控制該控制器內組態邏輯頁面的數量，以避免中央處理器(central processing unit，CPU)負荷過重無法完成頁面周期的設定值要求。通常頁面的運算周期在CPU的允許負荷內應保持一定的穩定性，當控制器頁面運算周期不穩或達不到要求值時，往往表明控制器的CPU負荷過大，無法按要求周期完成頁面的運算［4］?？刂破鬟\算周期的測試方法是在DCS組態中增加1個如圖2所示的運算邏輯，用于檢查CPU的實際運算周期。當CPU實際運算該功能回路1次，則數字量輸出(digital output，DO)狀態發生1次變化，DO接至DCS端子排，用高速數據采集裝置采集輸出信號。從圖3中可以看到接點基本在750 ms左右翻轉1次(包含繼電器動作時間)，是符合系統設定的運算周期750 ms的。該測試可以提醒熱工維護人員一旦發現控制器運算周期大于系統設定的運算周期，則需要綜合檢查該控制器的運行性能及控制器的運算負荷等相關情況，做到防患于未然。

1.3 通道抗干擾性測試

DCS由于應用于工業過程的控制，測量與控制的信號連接電纜不可避免地與各種大電流設備(包括動力電纜)相鄰或直接連接，這些設備均可能產生較強的電磁干擾，DCS的抗電磁干擾能力直接關系到系統的可靠性和準確性。DCS各部件應具有一定的抑制共模干擾和串模干擾的能力［5］。

1.3.1 共模抑制比測試

共模干擾又稱為對地干擾，它是相對于公共地電位產生的工作信號之外的信號變化，是相對于公共電位基準點在接收電路的2個輸入端同時出現的干擾。共模干擾一般可以用電壓源的形式來表征［6］。

為檢測DCS抗共模干擾能力，可按圖4接線方式給通道輸入端加1個直流電壓，加入信號前需確認該通道為雙端輸入方式，其電壓值為滿量程的1/2～2/3。然后按直流與交流2種情況分別逐漸增大共模干擾電壓，使通道顯示值有明顯的ΔUcm(干擾引起的電壓變化量)變化，記錄此時共模干擾電壓值Uc。按式(1)、(2)計算交、直流共模抑制比。

圖4 共模干擾測試等效電路Fig.4 Equivalent circuit diagram of common-mode interference test

直流共模抑制比為

式中：Ucd為直流干擾信號，mV；ΔUcmd為測試產生的電壓變化量，mV。

交流共模抑制比為

式中：Uca為交流干擾信號峰峰值，mV；ΔUcma為測試產生的電壓變化量，mV。

表1為選取的一個K型熱電偶輸通道的直流共模抑制比、交流共模抑制比測試結果，結論均符合大于120 dB的要求。

1.3.2 串模抑制比測試

串模干擾又稱為差模干擾，它是指串聯于信號回路中的干擾。串模干擾源可等效為電壓源或電流源的形式，如果噪聲源阻抗較低，可以將其看作是一個電源和信號源相串聯的形式。由于噪聲源是直接與信號回路串聯的，是一個疊加量，所以將直接影響系統的工作［7］。對于DCS應用來說，當信號線與某些動力電纜平行敷設時就容易引入串模干擾。串模干擾測試等效電路如圖5所示。

圖5 串模干擾測試等效電路Fig.5 Equivalent circuit of seriesm ode interference

給被測通道輸入端按圖5方式接入一直流電壓，其值為滿量程的1/2～2/3，然后逐漸增大串模干擾電壓，使通道顯示值有一個明顯的ΔUnm變化(串模干擾引起的電壓變化量)，記錄此時串模干擾電壓值Un。按式(3)計算串模抑制比。

串模抑制比為

NMRR=20 lg(Un/ΔUnm) (3)式中：Un為干擾電壓峰峰值，mV；ΔUnm為測試時產生的電壓變化量，mV。

表2為一個4～20 mA模擬量輸入通道和一個K型熱電偶輸入通道的串模抑制比測試結果，結論均符合大于60 dB的要求

2 結語

本文從應用的角度出發，重點闡述了分散控制系統模擬量實時性測試、控制器運算周期測試、通道抗干擾測試等幾個DCS性能測試項目的測試方法。這些測試方法已在工程實踐中得到了廣泛應用，目前已用此方法對廣東省內10多家火力發電企業的數10套DCS進行測試，取得了良好的效果。采用本文給出的測試方法多次發現了現有DCS在實際運行中存在的問題，直接為DCS廠家的系統升級提供了依據。鍋爐、汽機主設備在機組168 h試運行結束后進行性能驗收測試已是機組移交生產必需的試驗項目，DCS作為機組控制的核心，更應廣泛開展性能測試工作，望本文能夠給廣大熱工技術人員提供借鑒，促使DCS的性能測試成為常態開展的項目之一。

［1］陸會明，鄧慧，張智光.實現電站DCS開放性的OPC開發方案［J］.電力自動化設備，2007，27(7)：95-97.

［2］王建峰，羅振興，薛鵬.影響DCS可靠性的因素分析［J］.華東電力，2008，36(4)：109-111.

［3］胡昌鎂，任軍.分散控制系統網絡通信堵塞和人機界面反應遲緩現象分析及其優化調整［J］.中國電力，2004，37(8)：61-63.

［4］羅嘉，潘笑.INFI90 SOE系統的網絡與通訊［J］.工業控制計算機，2003，16(8)：49-51.

［5］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)：46-48.

［6］劉珂，王琦.共模干擾對模擬量控制模件輸出回路的影響分析及其解決方法［J］.廣東電力，2005，18(4)：29-31.

［7］朱北恒.火電廠熱工自動化系統試驗［M］.北京：中國電力出版社，2006.