分散控制系统性能测试关键技术

罗嘉，朱亚清，王琦

(广东电网公司电力科学研究院，广州市，510600)

0 引言

分散控制系统(distributed control system，DCS)作为工业过程控制的中枢系统，日益发挥着举足轻重的作用，其本身的性能对工业生产过程的安全性、可靠性和经济性具有重要的影响［1］。由于制造厂家众多，设计理念和制造水平也有差异，DCS在实际运行中暴露出了一些问题，涉及系统抗干扰能力、通信阻塞、系统实时性等方面。如何从应用的角度对DCS的性能作出评价越来越受到关注［2］。国家发展与改革委员会发布的DL/T 659—2006《火力发电厂分散控制系统验收测试规程》中虽然规定了一些测试项目和指标，但在实际工作中一直缺乏具有指导意义的系统测试体系、现场实用的测试方法和推荐使用的测试仪器。此外，全面、系统地阐述火力发电领域DCS性能测试的论文近年也鲜有出现。

广东电网公司电力科学研究院在总结前人工作的基础上提出了一套完整的DCS现场性能测试方法，测试内容主要包括：输入和输出功能检查、人机接口检查、显示功能检查、系统容错能力测试、系统供电功能测试、模件可维护性测试、模件抗干扰性测试、系统实时性测试、网络性能测试等。此测试方法在国内主流DCS系统和125～1 000 MW各等级机组上都已被应用［3］。本文就模拟量采集实时性测试、控制器运算周期测试、通道抗干扰性测试等DCS性能测试的关键项目进行介绍，并分析、说明测试结果。

1 DCS性能测试技术

1.1 模拟量采集实时性测试

模拟量采集实时性测试的方法是在DCS中选取1个模拟量通道，利用函数发生器产生1个具有直流偏置的不同周期的正弦波信号对被测通道进行测试。该信号通道应暂去掉信号的数字滤波功能。具体步骤如下：首先将函数发生器的输出接入被测通道，调整函数发生器的直流偏置为3.0 V，再调整函数发生器的信号频率周期，保持幅值为2.5 V。在操作员站上观察并记录被测通道的输入波形。持续增大函数发生器的信号频率周期，直到DCS无法正确反映被测信号的值，记录此时信号源的频率和幅值。电压频率为0.05～0.2 Hz的变化曲线如图1所示。当输入信号频率为0.05 Hz时，在1个变化周期内系统所能记录的数据点数为20个，所以在操作员站上测到的波形没有失真。加大频率至0.1 Hz，虽然在显示器上测到的波幅基本没变，但波形和振幅已有所失真。加大频率至0.15 Hz，在显示器上测到的波形和振幅已完全失真。所以能被该DCS系统正确分辨出的模拟量信号频率需小于0.1 Hz。

图1 模拟量采集实时性测试结果Fig.1 Real time performance test of analog signal

1.2 控制器运算周期测试

DCS控制器主要实现控制运算和数据传输功能，由于不同的页面包含不同数量的变量和运算逻辑，不同功能对运算速度的要求也不同，因此一般都可由用户设置各页面的处理周期，设置值一般可为50～1 000 ms等多档［3］。例如数字式电气液压(digital electric hydraulic，DEH)控制系统被控对象的响应速度较快(约几十ms)，因此不仅要设置较短的运算周期，还要严格控制该控制器内组态逻辑页面的数量，以避免中央处理器(central processing unit，CPU)负荷过重无法完成页面周期的设定值要求。通常页面的运算周期在CPU的允许负荷内应保持一定的稳定性，当控制器页面运算周期不稳或达不到要求值时，往往表明控制器的CPU负荷过大，无法按要求周期完成页面的运算［4］。控制器运算周期的测试方法是在DCS组态中增加1个如图2所示的运算逻辑，用于检查CPU的实际运算周期。当CPU实际运算该功能回路1次，则数字量输出(digital output，DO)状态发生1次变化，DO接至DCS端子排，用高速数据采集装置采集输出信号。从图3中可以看到接点基本在750 ms左右翻转1次(包含继电器动作时间)，是符合系统设定的运算周期750 ms的。该测试可以提醒热工维护人员一旦发现控制器运算周期大于系统设定的运算周期，则需要综合检查该控制器的运行性能及控制器的运算负荷等相关情况，做到防患于未然。

1.3 通道抗干扰性测试

DCS由于应用于工业过程的控制，测量与控制的信号连接电缆不可避免地与各种大电流设备(包括动力电缆)相邻或直接连接，这些设备均可能产生较强的电磁干扰，DCS的抗电磁干扰能力直接关系到系统的可靠性和准确性。DCS各部件应具有一定的抑制共模干扰和串模干扰的能力［5］。

1.3.1 共模抑制比测试

共模干扰又称为对地干扰，它是相对于公共地电位产生的工作信号之外的信号变化，是相对于公共电位基准点在接收电路的2个输入端同时出现的干扰。共模干扰一般可以用电压源的形式来表征［6］。

为检测DCS抗共模干扰能力，可按图4接线方式给通道输入端加1个直流电压，加入信号前需确认该通道为双端输入方式，其电压值为满量程的1/2～2/3。然后按直流与交流2种情况分别逐渐增大共模干扰电压，使通道显示值有明显的ΔUcm(干扰引起的电压变化量)变化，记录此时共模干扰电压值Uc。按式(1)、(2)计算交、直流共模抑制比。

图4 共模干扰测试等效电路Fig.4 Equivalent circuit diagram of common-mode interference test

直流共模抑制比为

式中：Ucd为直流干扰信号，mV；ΔUcmd为测试产生的电压变化量，mV。

交流共模抑制比为

式中：Uca为交流干扰信号峰峰值，mV；ΔUcma为测试产生的电压变化量，mV。

表1为选取的一个K型热电偶输通道的直流共模抑制比、交流共模抑制比测试结果，结论均符合大于120 dB的要求。

1.3.2 串模抑制比测试

串模干扰又称为差模干扰，它是指串联于信号回路中的干扰。串模干扰源可等效为电压源或电流源的形式，如果噪声源阻抗较低，可以将其看作是一个电源和信号源相串联的形式。由于噪声源是直接与信号回路串联的，是一个叠加量，所以将直接影响系统的工作［7］。对于DCS应用来说，当信号线与某些动力电缆平行敷设时就容易引入串模干扰。串模干扰测试等效电路如图5所示。

图5 串模干扰测试等效电路Fig.5 Equivalent circuit of seriesm ode interference

给被测通道输入端按图5方式接入一直流电压，其值为满量程的1/2～2/3，然后逐渐增大串模干扰电压，使通道显示值有一个明显的ΔUnm变化(串模干扰引起的电压变化量)，记录此时串模干扰电压值Un。按式(3)计算串模抑制比。

串模抑制比为

NMRR=20 lg(Un/ΔUnm) (3)式中：Un为干扰电压峰峰值，mV；ΔUnm为测试时产生的电压变化量，mV。

表2为一个4～20 mA模拟量输入通道和一个K型热电偶输入通道的串模抑制比测试结果，结论均符合大于60 dB的要求

2 结语

本文从应用的角度出发，重点阐述了分散控制系统模拟量实时性测试、控制器运算周期测试、通道抗干扰测试等几个DCS性能测试项目的测试方法。这些测试方法已在工程实践中得到了广泛应用，目前已用此方法对广东省内10多家火力发电企业的数10套DCS进行测试，取得了良好的效果。采用本文给出的测试方法多次发现了现有DCS在实际运行中存在的问题，直接为DCS厂家的系统升级提供了依据。锅炉、汽机主设备在机组168 h试运行结束后进行性能验收测试已是机组移交生产必需的试验项目，DCS作为机组控制的核心，更应广泛开展性能测试工作，望本文能够给广大热工技术人员提供借鉴，促使DCS的性能测试成为常态开展的项目之一。

［1］陆会明，邓慧，张智光.实现电站DCS开放性的OPC开发方案［J］.电力自动化设备，2007，27(7)：95-97.

［2］王建峰，罗振兴，薛鹏.影响DCS可靠性的因素分析［J］.华东电力，2008，36(4)：109-111.

［3］胡昌镁，任军.分散控制系统网络通信堵塞和人机界面反应迟缓现象分析及其优化调整［J］.中国电力，2004，37(8)：61-63.

［4］罗嘉，潘笑.INFI90 SOE系统的网络与通讯［J］.工业控制计算机，2003，16(8)：49-51.

［5］王琦.分散控制系统抗干扰性能测试方法探讨［J］.中国电力，2008，41(12)：46-48.

［6］刘珂，王琦.共模干扰对模拟量控制模件输出回路的影响分析及其解决方法［J］.广东电力，2005，18(4)：29-31.

［7］朱北恒.火电厂热工自动化系统试验［M］.北京：中国电力出版社，2006.