核電廠DCS控制器負荷率測試

毛春彬，王 赫，王彥博

（國核自儀系統工程有限公司 電站控制中心，上海 200241）

0 引言

隨著分散控制系統DCS在各行各業的應用越來越普及，由于DCS控制器故障所引起的運行事件時有發生。而DCS在越來越多的核電廠中應用，其控制器的正常運行理應得到更多的重視[1-3]。

核電廠非安全級集散控制系統簡稱（DCS）是核電廠的大腦，主要實現電廠控制系統（PLS）、數據處理和顯示系統（DDS）等功能，同時與安全級儀控系統存在接口。整個核電廠的核島和常規島采用統一的非安全級集散控制系統平臺，為核電廠操縱員提供統一的人機接口。

集散控制系統中包含分散布置的控制器（CU），接收、處理、輸出各種信號，用以執行各工藝系統與設備的控制邏輯，以及工藝系統參數超限、設備故障等報警邏輯。即核電廠不同區域、不同工藝系統的相關邏輯存儲運行在不同的控制器中，各控制器一道正常運行，確保了核電廠各工藝系統按照設計要求及操縱員執行指令進行正常運行。

為了系統狀態監視及報警等信息的及時傳遞，以及保證操縱員動作執行得到及時的響應，DCS系統應有足夠的計算速度和容量，以保證在核電廠異常或應急情況下，不會丟失任何實時信息、報警信息及其歷史數據，以及自動控制和手動控制的處理信息。所以，對系統中分散布置的控制器（CU）的性能參數有較高要求。

1 控制器負荷率的定義及限制要求

1.1 控制器負荷率的定義

控制器CU負荷率是指在規定時間內的平均負荷與最大負荷之比的百分數，是用于測量規定時間內控制器負荷的變動情況，以及考核控制器的繁忙程度[4]。過高的負荷率會導致其計算速度變慢，數據傳輸延時，引起工藝系統及設備控制方面的延遲，甚至高負荷率將引發控制器故障死機導致控制系統癱瘓。所以，從性能的角度來說，控制器負荷率越低越好。但從經濟性的角度來看，正常工況下控制器負荷率越低也意味著控制器算力利用越低，未必是最優選擇。所以在設計選型時，需要考慮正常工況和繁忙工況下，控制器負荷率分別在一定合理區間內，以保證DCS系統的安全穩定運行。

1.2 控制器負荷率的要求

DL/T 774-2015《火力發電廠熱工自動化系統檢修運行維護規程》中4.2.1.5.2負荷率測試方法與要求提到，所有控制站的中央處理單元的負荷率應不大于60%[5]。負荷率測試應在不同工況下測試5次，每次測試時間10s，取平均值，具體的測試方法可以是系統工具或其他由制造廠提供。

某核電項目DCS技術規格書中要求系統中的各控制器負荷率，正常工況應不大于40%，峰值工況應不大于50%。

1.3 控制器負荷率的影響因素

控制器在正常運行時，周期性地從輸入模塊中讀取數據，根據邏輯組態執行運算，將計算結果輸出至輸出模塊、發送上傳實時數據網，從而實現系統設備控制及狀態監測。所以，控制器負荷率的高低受其本身的性能、控制器內組態量、邏輯組態實施方式等因素影響。

1）控制器自身性能。DCS設計階段，處理器的主頻、二級緩存、內存等參數選取決定了控制器自身的計算能力。考慮項目投產后可能的設計變更，一般都會保守選擇。某項目中要求正常工況下負荷不超過40%，而有關行業標準要求該指標不超過60%即可。

2）控制器內組態量。每個控制器中對應系統I/O模塊數量、邏輯頁數量，以及它們的掃描周期設置都會影響控制器負荷率。DCS系統中控制器是分散布置的，需要整體考慮，根據控制功能的重要性來設置掃描周期的長短。

3）邏輯組態實施方式。應確保控制器中的邏輯組態都是正確、有用、高效的。如完成特定的邏輯控制功能，組態所使用的功能塊越少，控制器負荷越低。此外若存在一些錯誤或者無用的邏輯組態，也將消耗控制器一定的算力，導致控制器負荷率增高。

2 控制器負荷率的測試設計

DL/T 774-2015《火力發電廠熱工自動化系統檢修運行維護規程》給出了控制器負荷的測試方法指導：負荷率測試應在不同工況下測試5次，每次測試時間10s，取平均值。在某項目的控制器負荷率測試中，做了一些變化。在一個假定的繁忙工況下，控制器負荷率持續15min，分別記錄或計算負荷率趨勢、最大值和平均值。

2.1 測試工況

控制器根據開關量和模擬量輸入進行邏輯運算。一般情況下，所有開關量和模擬量輸入不會每時每刻全部變化。現假定有一個繁忙工況，正常運行工況下控制器中的開關量和模擬量輸入數值發生變化的通道數量均不超過該繁忙工況。也就是說，正常運行工況下控制器負荷率均不超過繁忙工況下的數值。若繁忙工況下，控制器平均負荷率不超過技術規格書要求的40%，最大負荷率不超過50%，則認為正常工況不大于40%，峰值工況不大于50%。

基于保守考慮，若控制器下三分之二的開關量輸入和全部模擬量輸入時刻變化，則認為該工況是繁忙工況。

2.2 測試回路

如圖1所示，分別通過一個非門塊和一個三角波信號塊搭建一個簡單的開關量輸入和模擬量輸入的輔助回路。模擬的通道范圍選取被測控制器下三分之二的開關量輸入通道和全部的模擬量輸入點。

圖1 開關量輸入和模擬量輸入的輔助回路Fig.1 Auxiliary circuit of digital input and analog input

控制器負荷率測試的輔助回路如圖2。通過一個平臺特殊功能塊，分別計算或記錄控制器負荷的最大值、平均值以及實時趨勢。測試時間選取15min，更能全面、客觀地反映控制器負荷率及其變化。

圖2 CPU負荷率監測回路Fig.2 CPU Load rate monitoring loop

由于核電廠控制器一般為冗余配置，故同時測試主、備控制器負荷率。主備控制器完成切換后，再次測試其負荷率。通過這種方法，分別測試同一控制器分別在主用、備用狀態，繁忙工況下的控制器負荷率。

3 測試數據分析

3.1 測試數據

總計對43對主備控制器進行了負荷率測試。典型的控制器負荷率趨勢圖如圖3，可以看出主備控制器的負荷率趨勢基本一致，主用控制器的負荷率略高于備用控制器。經過對43對控制器在主備用狀態下的平均負荷率和最大負荷率的測試數據整理，得到表1。

圖3 主、備用控制器負荷率趨勢圖Fig.3 Trend chart of load rate of primary and backup controllers

表1 43對控制器負荷率統計結果Table 1 Statistical results of 43 pairs of controller load rate

3.2 數據分析

43對控制器的主用控制器平均負荷率最大值為31.4%、平均值為19.10%、中位數為19.67%，峰值負荷率最大值為41%、平均值為26.31%、中位數為27%；備用控制器的相應數值均小于主用控制器，與典型主、備用控制器負荷率趨勢圖一致。主備用控制器負荷率之比最大值為1.29，平均值和中位數均為1.14。即這些控制器中主用控制器負荷率一般比備用高14%左右。

3.3 測試結論

對上述測試數據的整理分析，容易得出：

1） 正常工況下，43對控制器負荷率均不超過40%。

2） 峰值工況下，43對控制器負荷率均不超過50%。

3） 正常工況及峰值工況下，備用控制器負荷率均小于主用控制器。

故43對控制器的測試結果均滿足技術規范書要求。

4 結束語

控制器負荷率高低是表征控制器是否正常運行的重要參數之一。在DCS工廠測試中，應驗證控制器負荷率處于規范及技術規格書要求的正常范圍之內。相關測試數據是日后核電廠DCS運行維護活動的重要參數依據。