电厂DCS系统关键参数性能测试与分析_牛晨.pdf

第二十八卷 第一期，安徽电气工程职业技术学院学报 年 月 电厂 系统关键参数性能测试与分析牛 晨收稿日期：作者简介：牛 晨（），男，安徽阜阳人，硕士，工程师，主要从事热工过程控制方面试验与研究。（中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院，安徽 合肥）摘 要：分散控制系统（）是工业自动化领域中最关键的设备，文章以某电厂 机组自主可控改造国产 系统为例，介绍了控制器处理周期、系统实时性、控制器切换稳定性等关键测试项目，给出了测试方法并分析了测试结果。通过性能测试试验，定量获取该 系统的安全性、可靠性、实时性的重要技术参数，为系统的缺陷改进和升级更新提供了重要依据。关键词：火电机组；分散控制系统；处理周期；实时性；切换稳定性中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：（），：；引言近年来，随着国产自主可控 的应用需求的范围不断扩大，各大国产 系统厂家相继推出各具特点的自主可控 产品。由于研发实力、制造技术等因素的影响，使得各产品的性能、造价也各有差别。因此，对各大 厂家的产品的性能及应用效果需进行系统性的测试和评估。性能测试试验是进行 评价工作中最重要的方法和手段。某电厂 超临界燃煤机组 自主可控改造示范项目中选用了某国产 系统，系统主要完成机组的数据采集与处理系统（）、模拟量控制系统（）、顺序控制系统（）、锅炉燃烧监视系统（）、汽轮机旁路系统（）、汽轮机数字电液控制系统（）、电气监控系统（）、机组自启停（）、汽轮机危急跳闸系统（）等功能。文章对机组调试期间所完成的控制器处理周期、系统实时性、控制器切换稳定性等重要测试项目进行介绍。牛 晨：电厂 系统关键参数性能测试与分析 控制器处理周期 控制器处理周期测试控制器内执行处理子系统主要完成控制运算和数据传输功能。每执行一次接收、计算、发送数据的循环所用时间便是控制器的处理周期。不同的控制器可根据应用实时性的需求设置不同的档位，常用的设置值一般为 ，控制器处理周期越快，系统响应能力越强，但相应会升高控制器负荷率。测试方法控制器内各个组态页面就是需要完成的处理任务，处理时间无法直接进行测量，可在控制器组态中搭建如图 所示的与非门逻辑来间接实现控制器处理周期的测量。图 控制器处理周期测试逻辑如图 所示，非门的输出与输入相连，并经由控制站的一路开关量输出（）通道输出至高精度数据采集装置，控制器每执行一次接收、计算、发送数据的任务调度周期，开关量输出端的高、低电平状态会变化一次，交替往复。在 通道处便可观测到一个方波脉冲串，每个高电平或低电平的脉宽即为控制器处理周期。需注意的是，对于采用电磁式继电器输出的 通道，由于继电器的机械行程延迟会使得所采集信号与输出信号的不一致性，进而带来一定的测量误差。因此测试时应拔出继电器，将高精度数据采集装置直接接到继电器的控制端进行测量。测试结果图 控制器处理周期 测试波形 图 控制器处理周期 测试波形图 控制器处理周期 测试波形 图 控制器处理周期 测试波形现场选取某一控制器任一 通道，在不同控制器处理周期下的测试波形见图 图，从测试结果可知，实测运算周期与组态设置相同，但当控制器处理周期为 时，测试波形存在失真现象，如图 所示。更换备用控制器后，波形仍存在失帧现象，由此初步判定控制器底座异常，更换控制器底座后，采安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第一期集波形正常。系统实时性 控制器开关量采集实时性测试 测试方法开关量数据由开关量输入（）模件进行采集，其采集实时性反映控制系统对于状态快速变化的开关信号的处理能力。在系统所能准确检测的开关量信号状态下，该状态所能维持的最小时间即为开关量采集的实时性。在控制器组态中添加计数逻辑块，并将其与一路 通道相连接，使用信号发生器给该路 施加占空比为 的方波脉冲串，脉冲个数为，逐渐缩减脉冲宽度，直至计数器不能正确计数，此时未发生丢脉冲现象的最小脉冲时间即为该 通道的实时性参数，应与控制器处理周期相同。测试结果现场选取 个不同控制器的 通道，在各个控制处理周期档位下的开关量采集实时性数据见表。表 控制器开关量采集实时性测试结果 通道控制器处理周期档位 通道 丢脉冲丢脉冲正确计数正确计数通道 丢脉冲正确计数正确计数正确计数从表 的测试结果可见，系统能在 的控制周期档位下稳定正确计数，在 档位下时有丢脉冲现象发生，开关量采集实时性符合行业标准要求。控制器模拟量采集实时性测试 测试方法模拟量数据由模拟量输入（）模件进行采集，经过 转换形成数字信号，采集实时性反映控制系统对于状态快速变化的模拟信号的处理能力。对于电流型 卡件，标准输入信号为 ，可在 卡件输入端施加一定频率变化的电流方波，经过高 低（）选择模块将模拟信号转换成 信号，预设输入信号的频率和个数，并利用计数器进行计数。改变输入信号的频率，直至计数器不能正确计数，此时未发生丢脉冲现象的最小脉宽即为该 通道的实时性参数，应与控制器处理周期相同。图 电流方波产生电路施加的电流方波信号电路如图 所示。电流源输出恒定电流 ，为具有一定频率的开关信号发生器（信号发生器），为卡件内阻，在两端并联可控分流支路，调节滑动变阻器，使与阻值相当。通过控制开关 的通断频率，使流过 卡件输入端的支路电流为具有一定频率且在 和 两峰值间的电流方波信号，对应 测点总量程的 与。牛 晨：电厂 系统关键参数性能测试与分析图 模拟量采集实时性测试逻辑组态控制器的测试逻辑组态如图 所示。在电流方波信号接入 卡件输入端后，将常数块置“”开始进行测试。测试结果现场选取 个不同控制器的 通道，在各个控制处理周期档位下的模拟量采集实时性数据见表。表 控制器模拟量采集实时性测试结果 通道控制器处理周期档位 通道 丢脉冲丢脉冲丢脉冲正确计数通道 丢脉冲丢脉冲丢脉冲正确计数表 的测试结果可见，系统能在 的控制周期档位下稳定正确计数，在 以下档位时有丢脉冲现象发生，模拟量采集实时性基本符合行业 的标准要求。控制网络实时性控制网络是各控制站间的传输通道，各控制站间的信息数据能否被快速、准确地传递与接收，关系着 系统的控制性能的好坏。测试方法图 控制网络实时性测试原理图如图 所示，利用信号发生器生成 稳定电流，一路接入高速数据采集仪记录输入信号状态，一路接入测试控制器任一 通道，在控制器逻辑组态中，再次分为两路，一路直接接入本控制器的 通道，另一路由上网通讯点接入另一控制器的 通道，并分别接入高速数据采集仪记录信号状态。将信号输入端的 电流突变至 ，在高速数据采集仪上观察记录各通道信号变化的时间，两 通道的时间差即为网络传输时延。测试结果对该 系统某两台控制器的 的网络实时性测试结果见表，在不同控制器间经网络传输后的输出信号与原始信号间的延时时间与控制器处理周期相关，控制器处理越快，网络延时越小；其网络实时性延迟基本在 个控制周期内，达到了设计标准。表 控制器网络实时性测试数据控制器控制器处理周期档位 网络传输时延 安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第一期 系统响应时间测试 测试方法对于 控制系统来说，响应时间是指信号或指令在控制器内部传输完毕所需要的时间。在生产过程中指令响应时间反映了一个控制过程的实时性。如图 所示，其包含了信号采集、运算处理、网络传输、显示等数个环节时间的总和。控制指令有模拟量和开关量两类，随机选择某开关量或模拟量控制通道，将输出信号与其反馈输入端直接相连，然后从 上发出指令，记录从指令发出至 画面反馈显示的时间。为消除随机误差，测量次数不少于 次，取数次平均值。图 系统响应时间测试原理图 测试结果选取两个控制器分别进行测试，该 系统的指令响应时间测试结果见表。表 系统响应时间测试数据控制器开关量指令响应时间模拟量指令响应时间控制器 控制器 从表 的测试结果可知，该 系统的开关量指令响应时间均值为 ，模拟量指令响应时间为 。满足 中 关于“系统响应时间不应超过 （或合同规定）”的规程要求。控制器切换稳定性 控制器冗余控制器作为 系统的核心处理单元，负责输入、输出信号的逻辑运算处理。当控制器出现故障时，将失去对各设备参数的监视与过程状态的控制能力。因此，所有的 控制器都进行了冗余配置，一台为主控制器，一台为备用控制器，当主控制器出现故障时，备用控制器立刻进入运行状态。这个切换过程应当是无扰的，为保证控制器的每个控制指令正常执行，其冗余切换的时间应在一个控制器处理周期内完成。测试方法控制器冗余切换成功的主要标志是系统状态显示与开关量、模拟量输出的无扰性，可利用以下方法对控制器冗余性能进行测试。在控制器组态中增加测试逻辑：对于模拟量输出，选择一路 通道，直接接入本控制器一路 通道，利用信号发生器在 信号输入端施加固定斜率的斜坡信号，信号输出端接入高速数据采集仪监视其波形是否会在控制器切换过程中有数值上或斜率上的突变；对于开关量输出，与控制器处理周期测试方法相同（见图），使一路 通道的输出为以控制器处理周期交替变化的矩形波，利用高速数据采集仪监视其波形在控制器切换过程中是否存在明显扰动。牛 晨：电厂 系统关键参数性能测试与分析 测试结果在不同控制周期档位下的控制器切换过程采集波形如图 图 所示，随着控制器处理速度的加快，切换过程的丢波现象越明显。这是由于控制器在完成切换过程中，主、辅控制器的周期不同步造成的，控制器处理周期的减小加剧了这种不同步现象。图 控制周期 控制器切换波形 图 控制周期 控制器切换波形图 控制周期 控制器切换波形 图 控制周期 控制器切换波形通过测试结果可知，该 系统在 及以上的控制器周期下，切换过程在一个周期以内，但在少数情况下发生了模拟量数值突变现象，如图 所示，对于 突变现象，偶然发生在挂载控制卡件个数较多的控制器中，在挂载卡件较少的控制器上未发生该现象，判定为控制器带卡件负荷能力的限制，对于挂载控制卡件较多的控制器进行了分散处理以减少负荷率。结语文章以某电厂 改造控制系统性能测试为例，参照火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则（）以及火力发电厂分散控制系统验收测试规程（）等技术标准，总结了 性能测试中关键测试内容，系统完整地介绍了一些具体的测试项目和测试方法。从侧重系统应用的角度为评估 系统的实际性能是否达到预定要求提供了依据，并以量化的结果进行表述。通过 性能测试，可使发电厂家提前发现故障隐患，对存在安全隐患的软、硬件改进消缺，确保系统长期、可靠、稳定运行；也为发电企业在 系统自主可控选型提供技术性能方面的可靠依据。参考文献：卢化，蔡钧宇，蔡萍萍，等 国产分散控制系统主要性能测试对比 热力发电，（）：王琦 分散控制系统性能测试技术 北京：科学出版社，刘哲，万文军，胡康涛 大型火电机组分散控制系统性能测试试验研究 中国电力，（）：责任编辑：郑安豫