電站熱工優(yōu)化控制平臺綜合測試技術(shù)的研究

尹 峰，孫 耘，李旭侃，周 佑，蘇 燁

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

TOP（Thermal Optimized-control Platform，電站熱工優(yōu)化控制平臺）系統(tǒng)硬件包括1對冗余控制器、冗余電源、冗余內(nèi)部交換機與通信網(wǎng)絡(luò)、1臺高性能服務器、IO端子、通信卡件、人機交互設(shè)備、繼電器及端子模組等，TOP系統(tǒng)通過IO端子、Modbus（總線協(xié)議）和OPC（用于過程控制的對象連接與嵌入技術(shù)）3種通信形式和DCS（分散控制系統(tǒng)）進行通信，其高性能嵌入式計算機采用專業(yè)實時操作系統(tǒng)，實時性強、功耗低、電源切換方便，上位工業(yè)級高性能控制服務器則具有高主頻、高內(nèi)存、大存儲、人機接口友好的特點。

TOP系統(tǒng)與DCS實現(xiàn)立體數(shù)據(jù)交互，直接參與過程控制，因此對其硬件與通信系統(tǒng)的可靠性及系統(tǒng)運行安全性要求很高，應從設(shè)計理念上對平臺的安全可靠性作充分的考慮，對設(shè)備運行的性能與功能，則通過針對性、系統(tǒng)性測試技術(shù)的應用，獲得有效驗證。

1 TOP系統(tǒng)的基本性能測試

TOP系統(tǒng)的基本性能測試通過系統(tǒng)的軟硬件測試試驗完成。試驗目的在于檢測優(yōu)化控制系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性，檢測的項目、內(nèi)容與要求、實際測試結(jié)果如表1所示。

2 TOP系統(tǒng)的安全性能測試

TOP系統(tǒng)的安全性能測試，是為了驗證TOP系統(tǒng)在接入DCS后的安全穩(wěn)定性，通過系統(tǒng)的模擬試驗來完成，包括裝置在DCS中運行模式的合理性測試、在DCS中安全層級測試以及極端通信能力測試等。

2.1 在DCS中運行模式的合理性測試

TOP系統(tǒng)在不同安全層級下有不同的權(quán)限，在通信連接正常、投切指令回路暢通的狀態(tài)下，權(quán)限設(shè)置應滿足：

（1）基礎(chǔ)模式下，TOP系統(tǒng)只單方面接收DCS數(shù)據(jù)，不向DCS發(fā)送任何數(shù)據(jù)和指令。

（2）指導模式下，TOP系統(tǒng)的控制指令不能送至DCS，TOP系統(tǒng)的優(yōu)化建議通過畫面的形式提示運行人員。

（3）指導操作模式下，DCS可以手動選擇部分功能回路的運行，被DCS選擇后的部分功能回路指令才能被允許送至DCS。

（4）運行模式下，TOP系統(tǒng)在DCS允許的權(quán)限范圍內(nèi)對設(shè)備進行自動操作。

經(jīng)實際模擬測試，當TOP系統(tǒng)接入DCS后，各種模式下的權(quán)限設(shè)置均滿足預期要求。

2.2 在DCS中運行模式的合理性測試

安全層級應滿足下列要求：

（1）滿足所有安全邊界條件后，TOP系統(tǒng)才能進入在DCS中的下一安全層級。

（2）當任意安全邊界條件不滿足時，TOP系統(tǒng)自動退至底層的安全層級。

（3）運行人員在安全邊界條件滿足時，可以設(shè)置TOP系統(tǒng)在任意層級，運行操作優(yōu)先。

（4）安全層級切換應無擾動。

經(jīng)實際模擬測試，TOP系統(tǒng)進行安全層級切換正常，安全邊界條件對安全層級的切換滿足約束條件，切換過程無擾。

2.3 極端通信能力測試

針對不同的DCS，測試1塊通信卡件在不同通信點量以1 000 ms周期通信間隔下的系統(tǒng)響應能力。TOP系統(tǒng)正常運行時，單一卡件的實際通信點量應小于極端通信能力的30%。

經(jīng)實際模擬測試，在針對OVATION系統(tǒng)的測試中，1024個模擬量點（該系統(tǒng)的模擬量和開關(guān)量通信耗費的資源是相同的）以1 000 ms的周期通信時，可以運行。在1536個模擬量點以1 000 ms的周期通信時，出現(xiàn)響應緩慢，達到能力極限。

3 TOP系統(tǒng)與DCS的通信測試方法

TOP系統(tǒng)與DCS的通信測試分為通信質(zhì)量和通信壓力測試2個部分。通信質(zhì)量測試的內(nèi)容包括：Modbus通信和硬接線通信對比、Modbus通信響應測試；通信壓力測試則是通過巨大的通信量來找出TOP系統(tǒng)和DCS之間的通信極限。

3.1 Modbus通信和硬接線通信對比測試

在TOP系統(tǒng)側(cè)建立1路（比如正弦信號）輸出，分別通過硬接線和Modbus通信方式輸至DCS側(cè)，將2路信號放在趨勢上比較，并建立邏輯，統(tǒng)計2路輸入差別過大的次數(shù)。測試過程為：

（1）在DCS側(cè)根據(jù)上述提供的通信步驟，建立1個從TOP系統(tǒng)側(cè)通過Modbus通信方式送至DCS側(cè)的模擬量點組態(tài)邏輯。

（2）在同一控制器內(nèi)建立AI卡件的組態(tài)邏輯，設(shè)置量程需與Modbus通信來的量度保持一致。

（3）用萬用表測量TOP系統(tǒng)側(cè)4～20 mA輸出，測試精度達到標準要求，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 TOP系統(tǒng)的基本硬件功能測試結(jié)果

表2 TOP系統(tǒng)硬件I/O測試結(jié)果

（4）同時從TOP系統(tǒng)側(cè)通過Modbus通信發(fā)正弦波信號，建立趨勢圖觀察兩者的差別。

實際測試結(jié)果顯示：DCS側(cè)的正弦波曲線不平滑，呈階梯狀；兩者之間最大精度偏差基本在1%左右，時間偏差在1 s左右，如圖1所示。

圖1 Modbus通信和硬接線通信對比

3.2 Modbus通信響應測試

在DCS側(cè)建立1路信號輸出，通過Modbus通信方式輸至TOP系統(tǒng)側(cè)，TOP系統(tǒng)將信號保持原樣，再通過Modbus通信方式返回DCS側(cè)，在DCS側(cè)建立發(fā)出和收到的信號趨勢，統(tǒng)計兩者差別過大的次數(shù)。測試過程如下：

（1）DCS側(cè)建立1個方波信號，隔10 s發(fā)5 s脈沖觸發(fā)1次模擬量切換：由1切換為4；DCS側(cè)掃描周期設(shè)置為0.5 s，TOP側(cè)執(zhí)行周期設(shè)置為0.1 s；若兩者偏差超過1%延遲0.75 s視為兩者偏差過大。

（2）DCS側(cè)建立1個方波信號，隔10 s發(fā)5 s脈沖觸發(fā)1次模擬量切換：由1切換為4；DCS側(cè)掃描周期為設(shè)置0.25 s，TOP系統(tǒng)側(cè)執(zhí)行時間為設(shè)置0.1 s；若兩者偏差超過1%延遲0.5 s視為兩者偏差過大。

實際測試結(jié)果顯示：第（1）項測試48 h未出現(xiàn)偏差過大；第（2）項測試24 h未出現(xiàn)偏差過大。測試說明：DCS側(cè)與TOP系統(tǒng)側(cè)通信時間不超過2個掃描周期，數(shù)據(jù)的精確度較高。

3.3 通信壓力測試

該測試是通過巨大的通信量，找出TOP系統(tǒng)和DCS之間的通信極限。首先在DCS側(cè)建立大量各類信號輸出，通過Modbus通信輸至TOP系統(tǒng)側(cè)后，對全部數(shù)據(jù)進行全面或者抽樣檢查，檢查DCS側(cè)和TOP系統(tǒng)側(cè)的數(shù)據(jù)是否一致。

DCS側(cè)在通信軟件設(shè)置中有最大寫組的長度、最大模擬量讀組的長度和最大數(shù)字量讀組的長度等參數(shù)，該參數(shù)設(shè)置的最大值分別為100字節(jié)、224字節(jié)、224字節(jié)。

根據(jù)1個數(shù)字量占用的長度為1/8字節(jié)，1個模擬量占用的長度為2字節(jié)和1個License（并發(fā)數(shù)）最大點數(shù)為500點的相應規(guī)則，在1個寫組內(nèi)最多包含模擬量點50個，最多包含數(shù)字量點499個（組態(tài)要求必需有1個讀的數(shù)據(jù)點）；在1個讀組內(nèi)最多包含模擬量點112個，最多包含數(shù)字量點500個。若有多個寫組，只有有數(shù)據(jù)變化的寫組才會打包發(fā)送，例如100個模擬量點分為2個寫組，若前50個點有數(shù)據(jù)變化則將前1個寫組打包發(fā)送，若后50個點有數(shù)據(jù)變化則將后1個寫組打包發(fā)送。

通信壓力測試內(nèi)容包括：

（1）DCS側(cè)建立數(shù)字量信號輸入160個點，數(shù)字量信號輸出160個點，模擬量信號輸入10個點，模擬量信號輸出10個點；DCS側(cè)最大發(fā)包能力，每個周期發(fā)包數(shù)穩(wěn)定在10個；數(shù)據(jù)保持一致。

（2）DCS側(cè)建立數(shù)字量信號輸入16個點，數(shù)字量信號輸出16個點，模擬量信號輸入1個點，模擬量信號輸出1個點；DCS側(cè)最大發(fā)包能力，每個周期發(fā)包數(shù)穩(wěn)定在17個；數(shù)據(jù)保持一致。

（3）DCS側(cè)建立模擬量信號輸入100個點，模擬量信號輸出100個點；DCS側(cè)最大發(fā)包能力，每個周期發(fā)包數(shù)穩(wěn)定在2個；數(shù)據(jù)保持一致。

（4）DCS側(cè)建立模擬量信號輸入50個點，模擬量信號輸出50個點；DCS側(cè)最大發(fā)包能力，每個周期發(fā)包數(shù)穩(wěn)定在4個；數(shù)據(jù)保持一致。

實際測試的結(jié)果顯示：

（1）上述測試中發(fā)包通信時間以0.25 s為基數(shù)，所有發(fā)包盡量在0.25 s內(nèi)完成，若掃描周期設(shè)置大于0.25 s，則在0.25 s后發(fā)包停止，直到掃描周期結(jié)束后再開始新一輪發(fā)包。所以掃描周期越大，通信控制負荷率就越小，成反比。掃描周期為0.25 s時的通信負荷率為90%左右，掃描周期為0.5 s時的通信負荷率為50%，掃描周期為1 s時的通信負荷率為25%。

（2）模擬量點占用字節(jié)比數(shù)字量點大，所以同樣的點數(shù)，模擬量通信所用時間要大于數(shù)字量。

（3）若測試內(nèi)容（1）和（2）中的點共 4 組， 每個周期能發(fā)包數(shù)遠大于組數(shù)，在0.25 s內(nèi)可全部發(fā)完；若測試內(nèi)容（3）中模擬量點數(shù)量大，每個周期能發(fā)包數(shù)小于組數(shù)，在0.25 s內(nèi)未全部發(fā)完，則要待到下一個掃描周期發(fā)送，數(shù)據(jù)會有一定延遲；所以為保證數(shù)據(jù)的實時性，需合理安排掃描周期和點的數(shù)量。

4 結(jié)語

通過對TOP系統(tǒng)的基本性能、安全運行能力，以及通信能力測試技術(shù)的研究與實際應用，驗證了系統(tǒng)的可靠性設(shè)計與最大工作能力，確保系統(tǒng)在運行中安全可靠，也為系統(tǒng)推廣應用提供了可靠數(shù)據(jù)與設(shè)計依據(jù)。

[1]尹峰，韋東良.火電廠DCS性能考核試驗與可靠性分析[J].熱力發(fā)電，2006（11）：65-67.

[2]黃勃，盧化，樊健剛.完善分散控制系統(tǒng)性能與應用功能測試方法的探討[J].浙江電力，2012，31（7）：50-53.