分散控制系統(tǒng)性能測試關(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)電機組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1]。依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，開展分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）性能測試研究，測試機組DCS的主要性能指標(biāo)，提高了DCS的運行效益和安全效益，能夠為評估DCS性能提供參考。

1 DCS性能測試

1.1 測試的主要內(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)流程進行設(shè)計、配置和組態(tài)的，主要包括開放系統(tǒng)的直連式存儲（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、空壓機和廠用電公用部分等輔助公用系統(tǒng)[3]。

LN2000系統(tǒng)采用實時數(shù)據(jù)網(wǎng)和控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）現(xiàn)場總線的總線式兩級通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所有的控制計算機和過程控制站均與數(shù)據(jù)交換機連接，通過設(shè)置每個站的IP地址和每個站遵守標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議（如TCP/IP協(xié)議）實現(xiàn)各個站的數(shù)據(jù)通信，從而構(gòu)成實時數(shù)據(jù)網(wǎng)[4]。過程控制站與I/O智能卡件之間通過雙絞線連接，構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。智能模塊通過本板上的撥碼開關(guān)決定本板在CAN上的地址[5]。

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

1.2 關(guān)鍵測試內(nèi)容

1.2.1 模擬量采集實時性和精度測試

隨機抽取2塊PT100卡件、1塊TC卡件和6塊內(nèi)供電AI卡，利用Druck信號發(fā)生器在測點對應(yīng)的端子上分別輸入0%、25%、50%、75%和100%量程的信號。在工程師站讀取該測點的顯示值，與輸入的標(biāo)準(zhǔn)值進行比較并做好記錄。然后，隨機抽取3塊AO卡，通過工程師站分別按量程的0%、25%、50%、75%和100%設(shè)置各點的輸出值，再對應(yīng)模件的輸出端子，用Fluke 87 V萬用表測量并讀取輸出信號示值，后與輸出的標(biāo)準(zhǔn)計算值比較并做好記錄。

1.2.2 開關(guān)量采集實時性和精度測試

隨機抽取2塊DI卡件，通過短接/斷開無源接點，測試開入量DI的采集實時性和精度。在工程師站上檢查各輸入點的狀態(tài)變化，并記錄測試的各點狀態(tài)變化，然后隨機抽取2塊DO卡件，通過工程師站分別設(shè)置0和1的輸出給定值，測試開出量DO的采集實時性和精度，在相應(yīng)模件輸出端子上測量其通/斷狀況，同時觀察開關(guān)量輸出指示燈的狀態(tài)，并記錄各點的測試狀態(tài)變化。

1.2.3 事故追憶裝置順序測試

利用一臺開關(guān)量信號發(fā)生器進行測試，信號發(fā)生器的準(zhǔn)確度應(yīng)達(dá)到0.1～0.3 ms。設(shè)備送出間隔時間為0.1～3 ms， 可調(diào)節(jié)2～3個開關(guān)量信號。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，改變信號發(fā)生器的間隔時間，直到事件順序記錄無法分辨，此時間即為事件順序記錄的分辨力，規(guī)程要求不得超過1 ms。

（1）同站同卡測試。抽取3號站51模塊的2、3、4、7通道，將專用事故追憶（Sequence Of Event，SOE）測試儀的4路輸出同時接入4個SOE回路，令測試儀輸出動作順序和時間順序精確的信號，并通過DCS的SOE記錄分析SOE的分辨能力。

（2）同站不同卡（站內(nèi)跨卡）測試。抽取3號站51模塊第7通道、3號站52模塊第1通道、3號站53模塊第1通道和3號站54模塊第1通道，將專用SOE測試儀的4路輸出同時接入4個SOE回路，令測試儀輸出動作順序和時間順序精確的信號，并通過DCS的SOE記錄分析SOE的分辨能力。

（3）不同站不同卡測試。抽取3號站53模塊第1通道、11號站54模塊第7通道和12號站54模塊第6通道，將專用SOE測試儀的輸出同時接入SOE回路，令測試儀輸出動作順序和時間順序精確的信號，并檢查DCS的SOE記錄。

1.2.4 模擬量采集實時性測試

選取2號機組AI點1號站11模塊第8通道和3號站11模塊第8通道作為被測的AI通道。在此點所在的控制器中增加一個計數(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發(fā)生器，脈沖信號發(fā)生器的輸出串接另一可變電阻器后接到電流信號發(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/低限報警模塊，高電平信號轉(zhuǎn)換為邏輯信號1，低于高電平的信號轉(zhuǎn)換為邏輯信號0。邏輯信號經(jīng)計數(shù)器功能塊計數(shù)。

選取AI點3號站11模塊第8通道，通過脈沖信號發(fā)生器，給通道接入方波脈沖信號。脈沖信號的占空比為50%，個數(shù)為60。脈沖寬度和間隔時間分別設(shè)置為400 ms時，第一次測試中計數(shù)器接收到的脈沖信號為60個，第二次測試中計數(shù)器收到的脈沖信號為60個；脈沖寬度和間隔時間設(shè)置為395 ms時，測試中計數(shù)器接收到的脈沖信號為58個；脈沖寬度設(shè)置為480 ms時，測試中計數(shù)器接收到的脈沖信號為60個。所以，該點所在的頁面掃描周期為400 ms。

選取AI點1號站11模塊第8通道，通過脈沖信號發(fā)生器，給通道接入方波脈沖信號。脈沖信號的占空比為50%，個數(shù)為60個。脈沖寬度和間隔時間分別設(shè)置為200 ms 時，第一次測試中計數(shù)器接收到的脈沖信號為60個，第二次測試中計數(shù)器收到的脈沖信號為60個；脈沖寬度和間隔時間設(shè)置為195 ms時，測試中計數(shù)器接收到的脈沖信號為57個。所以，該點所在的頁面掃描周期為200 ms。

1.2.5 控制器模件處理周期測試

選取3號站5卡第16通道DO點作為分散處理單元（Distributed Processing Unit，DPU）計算掃描周期測試點，輸出計算頁分別作為循環(huán)非門邏輯。設(shè)置頁計算周期為400 ms， 然后摘下DO繼電器，用高精度錄波儀測量DO點輸出驅(qū)動電壓，驅(qū)動循環(huán)非門邏輯，用高精度錄波儀測取電壓跳變過程，然后根據(jù)所得試驗數(shù)據(jù)進行計算。它的與非門邏輯如圖1所示。

圖1 與非門邏輯

1.3 主要測試結(jié)果

模擬量采集實時性和精度測試結(jié)果顯示，部分模擬量采集實時性和精度測試不滿足DL/T 774標(biāo)準(zhǔn)要求，測試結(jié)果見表1和表2。

表1 模擬量采集實時性和精度測試

表2 模擬量采集實時性和精度測試

開關(guān)量采集實時性和精度測試結(jié)果顯示，開關(guān)量采集實時性和精度測試滿足DL/T 774標(biāo)準(zhǔn)要求。開關(guān)量輸入DI和開關(guān)量輸出DO有較高的實時性和精度，滿足機組安全生產(chǎn)運行的要求。測試結(jié)果見表3和表4。

表3 開關(guān)量DI實時性和精度測試數(shù)據(jù)記錄表

表4 開關(guān)量DO實時性和精度測試數(shù)據(jù)記錄表

如表5所示，SOE順序測試結(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，滿足DLT-659標(biāo)準(zhǔn)要求；不同DPU的SOE分辨能力皆大于1 ms，滿足DLT-659標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 SOE順序測試數(shù)據(jù)記錄表

模擬量采集實時性測試結(jié)果顯示，選取AI點3號站11模塊第8通道，脈沖寬度設(shè)置為480 ms時，測試中計數(shù)器接收到的脈沖信號為60個，該點所在的頁面掃描周期為400 ms。選取AI點1號站11模塊第8通道，脈沖寬度設(shè)置為200 ms時，測試中計數(shù)器接收到的脈沖信號為60個，該點所在的頁面掃描周期為200 ms。

如圖2所示，控制器模件處理周期測試結(jié)果顯示，通過測試#2機組DPU計算掃描周期得出，該頁面掃描周期為798 ms，測試結(jié)果見DPU計算掃描周期記錄圖，掃描周期為798 ms。

圖2 控制器模件處理周期測試報表

2 DCS性能評估

通過測試，該廠DCS系統(tǒng)在模擬量采集精度、畫面切換時間、系統(tǒng)負(fù)荷率和站間時鐘同步精度等指標(biāo)不滿足規(guī)程要求，可能會影響機組的安全運行。建議該廠根據(jù)機組運行情況提前計劃DCS設(shè)備的升級改造，為機組正常運行提供重要保障。

3 結(jié)語

本文提出了DCS性能測試的具體方法，能夠通過測試相應(yīng)內(nèi)容判定DCS系統(tǒng)各項性能指標(biāo)，操作性較強。隨著電網(wǎng)控制和機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)進一步研究DCS的性能測試方法，促使DCS性能測試成為機組檢修改造后必須開展的測試項目。