分散控制系統冗余性能測試方法的研究

張 鍔，祝廣場，余小敏

（華電電力科學研究院 中南區域中心，武漢 430062）

隨著計算機過程控制技術的發展和國內電力企業自動控制水平的提高，分散控制系統已經在電廠得到廣泛的應用。DCS作為發電廠過程控制的“大腦”，其系統的穩定和可靠性直接關系到機組的安全穩定運行[1]。

由于設備廠家較多，設計理念和設備的工藝制作水平不一樣，DCS系統在實際運行過程中暴露諸多問題。查看近幾年各發電集團的事故非停調查報告，發現多起因DCS系統的容錯與冗余功能可靠性低引起的事故。各種事故非停和降出力，有的是由控制器切換過程中未實現冗余切換，信號誤發導致機組非停；有的是由電源切換過程中沒有實現冗余切換使有關輔機設備跳閘導致機組降出力；還有的是由于通信網絡暫時失電導致控制器脫網引發事故等。

針對因容錯與冗余切換導致事故頻發的情況，如何從應用角度對DCS系統容錯與冗余切換測試作出評價越來越受到發電企業的關注。有關熱工技術標準雖然提到系統容錯與冗余測試定性的測試方法和指標，但在實際工作中缺乏具有指導意義的定量測試方法和系統性能評估體系。

本文在查找眾多文獻與資料的基礎上提出一種較全面的容錯與冗余切換測試方法及評價體系。本文就控制器冗余切換、控制系統電源冗余切換、通信網絡的冗余切換測試等具體項目的測試方法進行介紹、并提供相關的試驗數據給予定量的性能評估方法，說明測試結果。

1 DCS系統冗余測試

1.1 控制器切換測試

DCS控制器主要功能是將接收到的現場信號和數據進行計算和處理后轉化為相應的控制量輸出值送至執行機構驅動就地控制對象。若控制器出現故障將導致失去對重要參數的監視和對工藝過程的控制能力。因此所有的DCS都對控制器進行冗余設計。

工業生產中DCS控制器采用完整的熱備用冗余，一臺主控制器，另一臺為備用，并設立了故障判斷機制，當主控制器發生故障，備用控制器立即投入運行。為保證控制器能實現無擾切換，必須保證主備控制器在任何時候都具備相同的狀態。

目前控制器冗余切換都是采用定性方法進行測試，人為模擬主控制器故障時，備用控制器應自動投入工作，備用控制器不得出錯、脫網，控制系統狀態指示應正確，控制輸出不產生擾動和突變。采用定量方法進行控制器切換時間測試，建立如圖1所示控制邏輯。

圖1 控制器切換時間測試邏輯Fig.1 Logic diagram of controller switching time test

圖1中非門的輸出接輸入，并同時連接到過程站內的一路DO通道，考慮到控制器周期在一個頁面運算周期內完成 “接收采集的新數據—數據處理—發送處理數據結果”的循環，非門的輸出端在一個處理周期內的狀態會改變一次，表現為開關量的0和1之間進行系統的翻轉，將DO通道接入高速數據采集裝置，測試在切換過程中控制器周期是否發生變化[2]。

該方法是通過一路DO通道，使其輸出狀態在控制器的每一個周期進行交替變化，測試在冗余切換過程中這種交替變化的輸出規律能否得到保持。

如圖2所示為控制器切換測試過程中記錄的運算周期波形。

圖2 控制器切換波形Fig.2 Waveform of controller switching

從圖2可知，切換之前的每一個低電平或高電平持續時間是主控制器的處理周期，而在周期突變后平穩的每一個低電平或高電平持續時間是備用控制器的處理周期。

通過該方法可以計算出主備控制器的處理周期，從圖中可以看出，周期突變部分即為控制器切換的時刻。其切換時間為突變部分的時間與實際處理周期的差。

該測試可以提醒熱工維護人員當發現某個控制器的切換時間較大，特別是切換時間達到4～5個掃描周期時，則需要檢查控制器的運行性能和控制器的運行負荷，對于特別重要的系統如FSSS、CCS，則聯系廠家更換新的控制器，保證系統的安全穩定運行。另外可以將該測試項目圖發給DCS廠家作為參考，有利于產品的更新換代。

1.2 控制系統電源切換測試

電源系統是DCS的關鍵部分，它承擔了向各個控制設備提供工作電源的任務。主要包括給控制機柜提供220 V電源，給打印機、操作員站等設備提供220 V電源，給熱工動力電源柜提供220 V交流、380 V交流、110 V直流電源等。一旦電源發生故障，將導致整個控制系統癱瘓，因此實際應用中電源都采用了冗余設計[3]。生產試驗中目前主要從事控制機柜和熱工動力電源柜的電源切換方面的測試工作。下文就具體的電源切換予以說明。

1.2.1 控制機柜電源切換測試

通過對多臺機組進行電源性能測試，目前DCS機柜電源模塊的冗余方式主要分以下2種：（1）采用2組電源模塊分別對UPS電源和保安電源進行轉換，其輸出采用切換模塊給系統的負載，如圖3所示；（2）兩路電源通過電源模塊后的輸出端通過二極管并聯，正常情況下，輸出電壓高的電源模塊承擔所有負載的電流，另一路電流處于空載運行，當主電源失壓時，備用電源模塊立即投入運行，如圖4所示。

圖3 單路輸入負載接入方式Fig.3 Access mode of single input load

圖4 二極管并聯方式Fig.4 Paralleling mode of diode

第一種負載接入方式中，兩路電源的等級一樣，切換前找出供電的工作電源，假如A電源工作，那么電源測試方式如表1所示。

表1 單路輸入負載接入方式電源切換測試步驟Tab.1 Procedure of power switching test on access mode of single input load

實際試驗用錄波儀記錄第1、3、5、7次的電壓波形即可。因為兩路電源等級一樣，恢復電源過程中不會對負載的供電產生影響。

二極管并聯方式接入負載時，輸出電壓高的電源給負載供電。實際電源切換過程中，無法確認哪一路為主電源，通常的測試方法如表2所示。

表2 二極管并聯方式電源切換方法Tab.2 Step of power switch on overlap mode of diode

當一路電源失電，一路供電時，供電的電源由于給負載提供電壓，所以失電的那一路電源恢復時，恢復的電源電壓要比前一路供電電壓高，因此在測試的第2和4步出現電源切換過程。實際試驗用錄波儀記錄第2和4次的電壓波形即可。

1.2.2 熱工動力電源柜切換測試

熱工動力電源柜主要包括熱控總電源柜、汽機電源柜、鍋爐電源柜、熱工閥門柜、儀表電源柜等，這些機柜給就地閥門、電動開關門、電動調節閥、流量調節閥、給水泵勺管、就地儀表供電。多臺機組測試發現，現場的交流動力電源柜電源切換裝置分為2種：存在默認主回路和無默認主回路。試驗中不但要注意電源切換時系統的表現，還要關注電源恢復過程中系統的影響是否正常。無默認主回路完整的測試步驟如表3所示。

表3 無默認主回路電源柜切換測試步驟Tab.3 Step of power cabinet no default primary loop

如果系統存在默認主回路，假設A路為主電源，這時只存在一種狀態，A為主，B為備。其測試步驟如表4所示。

表4 默認主回路電源柜切換測試步驟Tab.4 Procedure of switching test for default man loop power cabinet

有默認主回路的電源柜進行電源切換時，第1次為A電源切換為B電源，第二次為B電源切換為A電源，因此試驗用錄波儀記錄第1和2次的電壓波形即可。

1.3 通信網絡冗余切換測試

通信網絡是DCS的重要組成部件，電力生產過程中的大量監測和控制數據均需通過實時網絡進行傳遞，相當于DCS的中樞神經系統，可靠性和實時性要求很高，所有的DCS都對通信網絡進行了冗余設計。

目前通信冗余切換都是采用定性方法進行測試，人為斷開一路網絡接口故障時，備用網絡應自動投入工作，控制系統不得有出錯或死機的情況。

通信冗余測試方法為在一個控制站邏輯中加入翻轉模塊并將該模塊輸出設置為上網點，通過通訊卡發送到通訊總線，在另一個站接收該上網點，在該站邏輯中加入上網點狀態并直接通過該站的備用DO通道輸出。通過高速數據記錄功能采集該DO通道的狀態變化數據進行分析。

測試邏輯如下，假如測試第一個控制站到第二個控制站的通信冗余試驗，則在第一個控制站中加入如圖5所示的邏輯，第二個控制站中加入如圖6所示的邏輯。

圖5 通信冗余測試第一個控制站邏輯Fig.5 Logical diagram of the first control station in communication redundancy test

圖6 通信冗余測試第二個控制站邏輯Fig.6 Logical diagram of the second control station in communication redundancy test

第二個控制站的上網點接收的是第一個控制站的網間變量。這樣數據采集的圖形是2個控制器的處理周期和網間傳輸的時間之和。圖7所示為某電廠通信冗余切換的測試圖。

圖7 通信冗余測試圖（A網切B網）Fig.7 Diagram of communication redundancy test（network A switch to network B）

2 DCS系統冗余測試試驗案例

（1）某廠在大修期間進行#2機組控制器周期及控制器冗余切換測試。發現該機組控制器周期不滿足《火力發電廠分散控制系統技術條件》DL/T 1083—2008“模擬量控制回路的控制周期一般要求為250 ms，對于要求快速處理的控制回路可為125 ms；開關量控制回路的控制周期一般要求為100 ms；汽輪機保護（ETS）應不大于50 ms的要求”的規定；

（2）某廠在大修期間進行#2機組控制器周期及控制器冗余切換測試。發現某些控制器切換過程中有周期突變、動態擾動現象，如圖8所示。

圖8 控制器切換周期突變Fig.8 Cycle mutaion of controller switching

（3）在DCS機柜電源切換過程中，某電廠DCS機柜兩路電源一路來自于UPS，一路來自于保安電源，測試機柜的電源切換時間大于5 ms；某機組的一些機柜電源設計為單路電源，沒有進行冗余設置；某些機組的電源切換時部分機柜掉電。

（4）在熱工動力電源柜切換過程中，某些機組的動力電源柜電源切換時某些閥門掉電，某些調節閥門的反饋信號會發生突變，在4 s或更長的時間才恢復至切換前的狀態。

（5）某廠的通信冗余試驗時，當拔掉主網絡網線時，輔助網絡沒有切換過來，導致試驗機組該控制器的網絡脫落；某廠通信冗余試驗中，切換前后網間變量的傳送時間由1 s變為2 s，如圖9所示。

圖9 網間變量傳送時間Fig.9 Transfer time of variable in inter network

（6）某電廠通信冗余試驗中，試驗前后圖形由規則變為不規則，如圖10所示。

（7）某電廠通信冗余切換時，A網和B網的網間的傳送時間均達到4 s，A網切B網和B網切A網過程中均無明顯變化，如圖11所示。

圖10 A網切至B網段Fig.10 Network A switch to network B

圖11 網間傳輸時間達到4 sFig.11 Time of inter network transmission is 4 s

網間變量傳送時間過大，是由網絡傳輸時延大引起的，建議進行DCS網絡性能測試。

3 結語

本文從應用角度闡述了控制器切換測試、控制系統電源切換測試、通信冗余切換測試等幾個項目的冗余性能測試試驗方法，這些測試方法已經在諸多電廠的工程實踐中得到廣泛的應用，取得了良好的效果。利用本文的測試方法對多個電廠進行性能測試，發現了運行機組的DCS在實際中存在的問題，直接為DCS廠家的系統升級提供依據，同時也為新建機組的DCS選型提供技術性能方面的依據[4]。

通過開展DCS冗余性能測試，使熱工維護人員對DCS冗余性能有更全面的了解，并可以作為今后的檢修依據，保證機組的穩定運行。

[1]李欣梅，楊莉莉，莫恭坤.分散控制系統性能測試探討與建議[J]紅水河，2014，33（3）：84-85.

[2]張鍔，馬一鳴.神華國能寧夏煤電有限公司#1機組DCS系統性能測試報告[R].銀川：國網寧夏電力科學研究院，2015.

[3]張鍔，祝廣場.華電渠東發電有限公司#1機組控制系統電源性能測試報告[R].武漢：華電電力科學研究院，2016.

[4]陳起.火電機組分散控制系統性能測試分析[J]內蒙古電力技術，2010，28（S2）：38-40.