国产分散控制系统主要性能测试对比

卢 化，蔡钧宇，蔡萍萍，苏 烨，李 飞

（1.杭州意能电力技术有限公司，浙江 杭州 310014； 2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014）

随着国家对工业领域自主可控要求的提高以及着力解决“卡脖子”技术问题，各大分散控制系统（DCS）厂家推出了各自的自主可控DCS，并逐步投入应用[1]。从2019年4月开始，中国自动化学会发电自动化专业委员会受各发电集团、DCS厂家或发电厂的委托，组织国网浙江省电力有限公司电力科学研究院专家和各DCS厂家资深研发测试人员组成测试组，对各种DCS的性能及应用功能进行了较深入的测试和评估。

测试的DCS涵盖8套国产DCS及1套进口系统，其中自主可控DCS有华能睿渥HNICS-T316、华电睿蓝maxCHD、科远NT6000-V5以及国能智深 EDPF-NT（记为“A—D”，非顺序对应）；其他DCS有国核自仪NuCON、中控ECS-700、新华 XDC800B、和利时MACS-V6.5、西屋OVATION（记为“E—H”及“J”，非顺序对应），除西屋系统以外，其他均为国产DCS。

1 测试要点

对DCS性能测试而言，系统稳定性、控制器处理周期以及系统响应实时性等都是测试的重要内容[2-4]。为了提高系统稳定性，DCS控制器、通信网络均冗余配置，运行过程中在发生冗余切换时能否无扰切换，也是系统稳定性的重要环节。影响系统稳定性的其他重要环节还包括抗干扰能力、电源适应能力以及系统软件的成熟度等。在抗干扰能力测试中，以热电偶温度信号为例，测试了交流和直流共模抑制比、差模抑制比以及抗射频干扰的能力[5]。

在系统的组态软件中，一般都设计有温度变化速率保护模块，如果该模块不符合设计要求，不但不能防止设备误动而且可能导致保护拒动。另外，温度变化速率的计算值与I/O模件的扫描周期、控制器的处理周期以及相互之间的配合算法有关，速率保护模块的测试值与设定值之间的匹配度一定程度也反映了系统的成熟度。所以，温度变化速率保护模块也是测试要点之一。

2 主要性能及参数比较

测试评估主要参照《火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则》（DL/T 261-2012）以及《火力发电厂分散控制系统验收测试规程》（DL/T 659-2016），本文根据测试报告，就主要性能及参数比较如下。

2.1 控制器处理周期及其稳定性

2.1.1 测试方法

在被测试的控制器中增加组态逻辑，设置1个非门，将非门输出连接至其输入端，并通过1路DO输出。将录波器接入DO通道的输出端。录波器上观察的脉宽即为控制器处理周期。

2.1.2 测试结果

各DCS控制器处理周期及其稳定性测试结果见表1。测试中出现几种问题：1）个别系统控制器存在快速处理状态下，处理周期不稳定现象；2）个别系统由于设置不当，出现了处理周期延长50%的情况；3）某系统控制器与I/O卡通信速率为1.5 Mbps同步模式下，在处理周期为200 ms时，偶然还有状态翻转丢失情况，通信速率改为500 Kbps异步模式后，处理周期比较均匀。

表1 各DCS控制器处理周期及其稳定性测试结果 Tab.1 Processing cycle and stability of each DCS

根据测试状况及表1可见：1）自主可控DCS在处理速度上，多数达到进口DCS水平，部分超越目前在用的进口DCS，B、C 2个自主可控DCS在处理周期为10 ms时仍能稳定运行；2）非自主可控DCS与进口DCS大体处于相同性能水平，较好的系统在20 ms能够稳定运行，大部分系统在100 ms时实现稳定运行，E、H 2个系统的处理周期及其稳定性稍差。

2.2 控制器切换稳定性

2.2.1 测试方法

在被测试的控制器中增加组态逻辑，设置1个计数模块，其输入为DI信号，将专用脉冲信号发生器接到DI端。设置脉冲个数为n，脉冲宽度为处理器处理周期。在脉冲信号发送过程中，用关停、重置或拔出控制器方式使双冗余控制器发生切换。脉冲发送结束后，比较计数模块的计数结果与n值，如果相同，则说明切换稳定无扰动，差值越大则系统越不稳定。

2.2.2 测试结果

各DCS控制器切换稳定性测试结果见表2， 表2中的数据为计数模块的计数与实际脉冲个数之差。由表2可见，在控制器切换稳定性方面，自主可控DCS和其他国产DCS多数达到目前在用的 进口DCS水平，部分超过进口系统。其中，A、G 2个系统的控制器在50 ms处理周期下切换不丢包，性能最优；B、C、F 3个系统的控制器在100 ms处理周期下切换不丢包，属于中等水平；大部分系统的控制器在200 ms处理周期下切换都能达到稳定；D、H 2个系统在该方面的性能较弱。

表2 各DCS控制器切换稳定性测试结果 Tab.2 Switching stability test results of DCS controllers

测试过程中还发现的问题如下。

1）大部分DCS在控制器切换过程中存在丢包情况，但测试过程没有对正常运行造成明显的影响。一般情况下，随着控制器处理速度加快，丢包现象会更明显。

2）通过停一侧控制器进行切换与通过拔网线进行切换相比较，测试结果可能不同。

3）某系统在控制器切换过程中，丢包数量与控制器下挂I/O卡数量有关，卡数减少50%，丢包明显减少。

4）某系统控制器切换过程中，AO信号在趋势图中有3～4 s曲线断裂现象。

5）某系统缓慢拔出控制器时有可能进入双主状态且无法自行恢复。

2.3 网络切换稳定性

2.3.1 测试方法

测试方法同控制器切换稳定性测试相同，在脉冲信号发送过程中，分别用拔网线或关停交换机方式使双冗余网络发生切换或成单网运行。脉冲发送结束后，比较计数模块的计数结果与n值，如果相同，则说明切换稳定无扰动，差值越大则系统越不稳定。

2.3.2 测试结果

各DCS网络切换稳定性测试结果见表3，表3中的数据为计数模块的计数与实际脉冲个数之差。网络切换理论上与控制器处理周期无关，但由于测试环境离不开控制器，同时为了揭示网络切换稳定性在不同处理速度下是否有差异，所以提供了在不同控制器处理周期下的测试数据。测试数据表明：自主可控DCS及其他DCS在网络切换过程中表现稳定，达到设计要求。

表3 各DCS网络切换稳定性测试结果 Tab.3 Switching stability test results of DCS networks

实际测试过程还发现的问题如下。

1）个别DCS在网络切换过程中存在丢包情况，经修改后丢包现象得以消除。

2）某DCS在进行历史站A/B断网切换过程中，如果某个历史站双网切断，系统状态图仍然显示正常。

3）某DCS控制器和扩展柜的通信是单路网线，未真正冗余。

4）某DCS在网络切换过程中，对控制器A、B网试验，拔掉主控DPU A网时，出现报警，但在同一时刻，事件报警窗口中又出现该报警恢复。

2.4 开关量采集实时性

2.4.1 测试方法

在被测试的DCS控制器中增加组态逻辑，设置1个计数模块，其输入为DI信号，将专用脉冲信号发生器接到DI端。设置脉冲个数为n，脉冲宽度为控制器处理周期或者硬件扫描周期中的大值。确认计数器能正确累计输入脉冲的个数时，逐渐减小脉冲周期，直到计数结果小于n，将之前能正确计数的最小脉冲宽度作为DI采集的实时性参数[6]。

2.4.2 测试结果

各DCS开关量采集实时性测试结果见表4。开关量采集实时性受制于DI的采样周期和处理器的处理周期，由两者的最小值决定。

由表4测试数据可见：

表4 各DCS开关量采集实时性测试结果 Tab.4 Real time test results of DCS digital signal acquisition

1）自主可控DCS的DI采集实时性均符合行业标准要求，整体表现优于进口系统。其中B、C 2个系统在该方面性能最优，可实现10 ms的通道采集实时性。

2）非自主可控DCS多数也达到目前在用的进口DCS水平，个别优于进口DCS。大部分系统的开关量采集实时性为50 ms或以下；H系统在该方面的性能最差，为100 ms。

2.5 模拟量采集实时性

2.5.1 测试方法

用信号发生器给AI端送高低变化量（A1为高值，A2为低值），在被测试的DCS控制器中增加一组组态逻辑：AI为模拟量输入模块，引至H/L高低限报警模块，再引至计数模块。根据不同脉宽使信号发生器发送n个周期变化量。脉冲发送结束后，检查计数模块的计数结果，以能正确记数n值时的模拟量最小变化周期作为AI采集实时性参数[7]。

2.5.2 测试结果

各DCS模拟量采集实时性测试结果见表5。模拟量采集实时性受制于AI的采样周期（AI采样周期通常大于处理器处理周期）。

表5 各DCS模拟量采集实时性测试结果 Tab.5 Real time test results of DCS analog signal acquisition

由表5测试数据可见：

1）自主可控DCS整体表现略逊于进口DCS，A系统优于进口系统，B、C 2个系统略差。

2）非自主可控DCS整体表现较好，E、G优于进口DCS。其他系统也达到目前在用的进口DCS水平，其中G系统性能最优，可实现80 ms的采集实时性。

3）绝大部分国产DCS可实现250 ms的采集实时性，满足标准的要求；B系统有待改进，采集实时性为500 ms，不满足标准要求。

2.6 网络传输实时性

2.6.1 测试方法

选择2台处理周期相同的控制器，作为发送控制器和接收控制器；在发送控制器中建立置0/1模块，输出一路至DO通道，另一路发送至接收控制器，由接收控制器发送至其下的DO通道。2个DO通道信号硬接线接入SOE系统；SOE报告中2个信号的时间差为网络传输时延，反映实时性。

2.6.2 测试结果

各DCS网络传输实时性测试结果见表6。表6中给出不同控制器处理周期下测试数据。受测试条件所限，C、G 2个系统未做相关测试，部分系统也只做了典型工况的测试。非区间数据为测试的平均值。

表6 各DCS网络传输实时性测试结果 Tab.6 Real time test results of DCS network data transmission

由表6测试数据表明：

1）自主可控DCS及其他DCS在网络传输实时性方面，没有实质性差距，都达到设计标准。

2）从已有数据看，A系统表现最好，控制器在20 ms处理周期下，传输实时性达到37 ms。

3）B系统也表现不错，但控制器在20 ms与 50 ms处理周期下，测试数据已无明显差别，说明此时传输实时性受交换机影响。

4）多数DCS测试数据基本在控制器1～2个处理周期之间，说明网络传输实时性与控制器处理周期存在相关性。

2.7 其他与时间相关测试

2.7.1 测试方法

DI操作指令响应时间：将开关量操作输出信号直接引至该操作对象反馈信号输入端，记录自操作员站键盘指令发出到屏幕上反馈信号显出这段过程的时延。

AI操作指令响应时间：将模拟量操作输出信号直接引至该操作对象反馈信号输入端，操作员站上输入一指令，记录自操作员站键盘指令发出到屏幕上反馈信号显出这段过程的时延。

SOE分辨力[8]：将SOE信号发生器的4个信号接入DCS，设置信号间隔1 ms，检查SOE报表。

2.7.2 测试结果

各DCS控制系统操作指令响应时间及SOE分辨力测试结果见表7。由表7测试数据表明：

表7 各DCS操作指令响应时间及SOE分辨力 Tab.7 Response time of operation command and SOE resolution

1）自主可控DCS及其他DCS在DI操作指令响应时间方面，无实质性差别，基本都达到标准要求（E系统DI操作指令响应时间略超标）。

2）自主可控DCS在AI操作指令响应时间方面，整体表现强于进口DCS，都达到标准要求。以A和C系统表现最优，达到0.9 s以下。

3）自主可控DCS及其他DCS在SOE分辨力方面，无实质性差别，都达到标准要求。

2.8 抗干扰能力

2.8.1 测试方法

1）共模抑制比测试方法

直流共模抑制比测试：选择热电偶通道，接入500 ℃的信号。在通道负端对地之间接入直流共模干扰发生器，逐渐增大发生器输出电压，直至被试验通道信号在画面显示值产生明显变化量，计算ΔU，记此时共模干扰电压为Ud。按照式(1)计算直流共模抑制比δCMRR,d：

直流共模干扰发生器换为交流共模干扰发生器，可以得到交流共模抑制比δCMRR,a[9]。

2）差模抑制比测试方法

选择热电偶通道，接入500 ℃的信号，串接交流差模干扰信号，逐渐增大干扰信号发生器输出，直至被试验的通道信号在画面显示值产生明显的变化量，计算ΔU，记录此时的干扰电压值U，按照式(2)计算差模抑制比δNMR：

3）抗射频干扰测试方法

选择1个AI或AO信号，用频率为400～500 MHz、功率为5 W的对讲机作干扰源，从1.5 m外由远至近对该信号进行干扰，直至贴近端子板。检查画面上信号是否超差[10]。

2.8.2 测试结果

各DCS抗干扰测试结果见表8。另外，受测试条件限制，部分DCS及部分项目未做相关测试。

由表8测试数据可见：

1）对于直流共模抑制比和交流共模抑制比，已测试过的系统都表现不错，测试数据远高于标准要求。

2）抗差模干扰能力上，多数自主可控DCS达到甚至超过进口DCS水平。以A、B、G表现较好，达到60甚至70以上。个别自主可控DCS抗差模干扰能力有待进一步加强。

测试中出现的问题：

1）某DCS交流共模抑制比测试未通过，后经改变信号接线方式后复测，测试通过。

2）某DCS在给定一K型热电偶500 ℃、差模干扰电压加至60 mV时，信号基本保持原值。当加至63 mV时，信号出现精度要求范围内的变化，但1 min后，信号跳变到480 ℃，且不可恢复。当加到70 mV时，信号直接跳变到480 ℃，且不可恢复。

2.9 电源适应能力

2.9.1 测试方法

将调压器的输出作为DCS的供电电源，在供电电源电压变化过程中，检查DCS的工作状况。

2.9.2 测试结果

各DCS电源适应能力测试结果见表9。由表9测试数据可见：

表9 各DCS电源适应能力测试结果 Tab.9 Test results of adaptability of DCS power supply

1）自主可控DCS的电源适应能力都达到甚至超过进口DCS水平。其中A系统的电源适应能力最强，范围为25～258 V；

2）大部分DCS低压适应能力范围为65～80 V，F系统的低压适应能力稍差，为128 V；在高压适应能力方面，各个DCS的性能接近，其中D系统的高压适应能力最强，为264 V。

2.10 速率保护功能块有效性

2.10.1 测试方法

根据组态软件的要求，选择带速率保护的温度信号，在输入端用信号发生器输入按设定变化速率变化的信号，检查速率保护闭锁功能是否正常。

2.10.2 测试结果

各DCS速率保护功能块有效性测试结果见 表10。由表10测试数据可见：

表10 各DCS速率保护功能块有效性测试结果 Tab.10 Results of effectiveness test for temperature rise rate protection function blocks in each DCS

1）大部分自主可控DCS与进口DCS相比还有差距。

2）个别DCS速率保护功能块不符合要求，有待改进。B、E、H 3个系统偏差较大，性能需要改进；D系统性能最差无法正常使用，亟待解决。

3）C、J 2个系统性能最优，可实现无偏差速率保护，F系统性能次优，偏差为5%左右，F、G 2个系统偏差都比较小，分别为15%和20%。

2.11 其他特性

对DCS其他系统特性，如系统负荷率、系统容错性、时钟同步、历史数据存储与检索、组态中的关键模块以及工程师站的相关功能等[6,11]，也都做了相应测试，各系统以上测试项的测试结果都符合标准要求，自主可控DCS与其他DCS相比，基本保持了同一水平。

3 自主可控DCS总体评价

3.1 自主可控DCS的优势

1）控制器性能大部分自主可控DCS处理器运行速度都比进口DCS快，有2个系统在10 ms处理周期下也能稳定运行。进口DCS一般快速处理周期为50 ms。

2）控制器运行负荷率在完成大致相同逻辑运算量前提下，大部分自主可控DCS控制器负荷率都比较低。目前常规火电机组自主可控DCS控制器负荷率基本都可以达到20%以下。

3）处理器切换稳定性自主可控DCS处理器切换稳定性整体与进口DCS齐平，在100 ms处理周期下，切换过程不丢包，个别DCS能做到50 ms下不丢包。进口DCS在200 ms处理周期下也仍有丢包情况发生。

4）开关量采集实时性自主可控DCS整体表现优于进口DCS，最快DCS能达到10 ms采集周期，最慢为50 ms采集周期，与进口DCS持平。

5）TC卡抗差模干扰能力有2个自主可控DCS差模抑制比在60 dB以上，超过进口DCS。

6）网络传输实时性自主可控DCS整体表现优于进口DCS，4个系统基本达到200 ms以下，进口DCS在190～1 000 ms范围。

3.2 自主控DCS存在问题

测试中反映出自主可控DCS与进口DCS相比，还存在以下方面需进一步加强。

1）系统成熟度测试中部分自主可控DCS的随机错误出现的概率以及遇到的不合理情况次数高于进口DCS。主要因为自主可控DCS研发周期短，实际应用少，一些部件需要长期运行后才能测出问题，因此自主可控DCS需经过长时间运行后发现并解决问题才能逐渐趋于成熟。

2）系统的易用性总体而言，进口DCS提供的操作功能更全面，而自主可控DCS是近两年集中研发攻关，国内厂家将主要精力放在关键部件的国产化替代上，因而在系统的易用性方面相对投入较少，在此方面自主可控DCS需要加强，提高系统的易用性以及便捷性。

3）模拟量采集实时性此方面自主可控DCS整体稍弱于进口DCS，个别DCS采集实时性达不到标准的要求。

4）性能进一步提高自主可控DCS是一个复杂系统，其性能受到芯片、数据库、操作系统、服务器等上下游产业链相关产品性能的影响，在功能及性能上有一定的突破并赶超国外同类产品后才能给DCS提供更好的性能支撑。

4 应用情况

目前，自主可控DCS已开始进入实用阶段。其中华能睿渥HNICS-T316系统于2020年11月应用于华能福州电厂燃煤2号机组以及华能玉环电厂超超临界1 000 MW燃煤1号机组；华电睿蓝maxCHD系统于2020年11月应用于华电芜湖电厂超超临界600 MW燃煤1号机组，于2021年4月应用于华电浙江龙游热电200 MW级燃气蒸汽联合循环燃机控制系统；国能智深EDPF-NT系统于2021年4月应用于国能内蒙古布连电厂超超临界660 MW燃煤2号机组；科远NT6000-V5系统于2021年5月应用于大唐南京发电厂超超临界 660 MW燃煤2号机组。

以上各系统自投运以来，运行情况良好，至投稿时间为止，未发生因控制系统故障而停机事件。

5 结 语

通过本次测试，在主要性能以及主要应用功能方面，自主可控DCS与进口DCS已基本无差距，基本性能和应用功能均已基本满足《火力发电厂分散控制系统验收测试规程》（DL/T 659—2016）以及《火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则》（DL/T 261—2012）的要求，部分指标高于行业标准要求，少数指标优于进口DCS，如处理周期、冗余切换稳定性、系统实时性以及抗干扰性等方面。如果在系统易用性上进行加强，并且不断优化改进系统性能，假以时日，自主可控DCS必将得到更大提升。

自主可控DCS各具优点、互有优势，通过中国自动化学会发电自动化专业委员会组织的各DCS厂家参与的测试小组互相测试，相互比较共同 促进，各自取长补短，将加速自主可控DCS的发展与完善。