分散控制系統(tǒng)冗余性能測試方法的研究

張 鍔，祝廣場，余小敏

（華電電力科學研究院 中南區(qū)域中心，武漢 430062）

隨著計算機過程控制技術(shù)的發(fā)展和國內(nèi)電力企業(yè)自動控制水平的提高，分散控制系統(tǒng)已經(jīng)在電廠得到廣泛的應用。DCS作為發(fā)電廠過程控制的“大腦”，其系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性直接關(guān)系到機組的安全穩(wěn)定運行[1]。

由于設(shè)備廠家較多，設(shè)計理念和設(shè)備的工藝制作水平不一樣，DCS系統(tǒng)在實際運行過程中暴露諸多問題。查看近幾年各發(fā)電集團的事故非停調(diào)查報告，發(fā)現(xiàn)多起因DCS系統(tǒng)的容錯與冗余功能可靠性低引起的事故。各種事故非停和降出力，有的是由控制器切換過程中未實現(xiàn)冗余切換，信號誤發(fā)導致機組非停；有的是由電源切換過程中沒有實現(xiàn)冗余切換使有關(guān)輔機設(shè)備跳閘導致機組降出力；還有的是由于通信網(wǎng)絡暫時失電導致控制器脫網(wǎng)引發(fā)事故等。

針對因容錯與冗余切換導致事故頻發(fā)的情況，如何從應用角度對DCS系統(tǒng)容錯與冗余切換測試作出評價越來越受到發(fā)電企業(yè)的關(guān)注。有關(guān)熱工技術(shù)標準雖然提到系統(tǒng)容錯與冗余測試定性的測試方法和指標，但在實際工作中缺乏具有指導意義的定量測試方法和系統(tǒng)性能評估體系。

本文在查找眾多文獻與資料的基礎(chǔ)上提出一種較全面的容錯與冗余切換測試方法及評價體系。本文就控制器冗余切換、控制系統(tǒng)電源冗余切換、通信網(wǎng)絡的冗余切換測試等具體項目的測試方法進行介紹、并提供相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)給予定量的性能評估方法，說明測試結(jié)果。

1 DCS系統(tǒng)冗余測試

1.1 控制器切換測試

DCS控制器主要功能是將接收到的現(xiàn)場信號和數(shù)據(jù)進行計算和處理后轉(zhuǎn)化為相應的控制量輸出值送至執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動就地控制對象。若控制器出現(xiàn)故障將導致失去對重要參數(shù)的監(jiān)視和對工藝過程的控制能力。因此所有的DCS都對控制器進行冗余設(shè)計。

工業(yè)生產(chǎn)中DCS控制器采用完整的熱備用冗余，一臺主控制器，另一臺為備用，并設(shè)立了故障判斷機制，當主控制器發(fā)生故障，備用控制器立即投入運行。為保證控制器能實現(xiàn)無擾切換，必須保證主備控制器在任何時候都具備相同的狀態(tài)。

目前控制器冗余切換都是采用定性方法進行測試，人為模擬主控制器故障時，備用控制器應自動投入工作，備用控制器不得出錯、脫網(wǎng)，控制系統(tǒng)狀態(tài)指示應正確，控制輸出不產(chǎn)生擾動和突變。采用定量方法進行控制器切換時間測試，建立如圖1所示控制邏輯。

圖1 控制器切換時間測試邏輯Fig.1 Logic diagram of controller switching time test

圖1中非門的輸出接輸入，并同時連接到過程站內(nèi)的一路DO通道，考慮到控制器周期在一個頁面運算周期內(nèi)完成 “接收采集的新數(shù)據(jù)—數(shù)據(jù)處理—發(fā)送處理數(shù)據(jù)結(jié)果”的循環(huán)，非門的輸出端在一個處理周期內(nèi)的狀態(tài)會改變一次，表現(xiàn)為開關(guān)量的0和1之間進行系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)，將DO通道接入高速數(shù)據(jù)采集裝置，測試在切換過程中控制器周期是否發(fā)生變化[2]。

該方法是通過一路DO通道，使其輸出狀態(tài)在控制器的每一個周期進行交替變化，測試在冗余切換過程中這種交替變化的輸出規(guī)律能否得到保持。

如圖2所示為控制器切換測試過程中記錄的運算周期波形。

圖2 控制器切換波形Fig.2 Waveform of controller switching

從圖2可知，切換之前的每一個低電平或高電平持續(xù)時間是主控制器的處理周期，而在周期突變后平穩(wěn)的每一個低電平或高電平持續(xù)時間是備用控制器的處理周期。

通過該方法可以計算出主備控制器的處理周期，從圖中可以看出，周期突變部分即為控制器切換的時刻。其切換時間為突變部分的時間與實際處理周期的差。

該測試可以提醒熱工維護人員當發(fā)現(xiàn)某個控制器的切換時間較大，特別是切換時間達到4～5個掃描周期時，則需要檢查控制器的運行性能和控制器的運行負荷，對于特別重要的系統(tǒng)如FSSS、CCS，則聯(lián)系廠家更換新的控制器，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。另外可以將該測試項目圖發(fā)給DCS廠家作為參考，有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

1.2 控制系統(tǒng)電源切換測試

電源系統(tǒng)是DCS的關(guān)鍵部分，它承擔了向各個控制設(shè)備提供工作電源的任務。主要包括給控制機柜提供220 V電源，給打印機、操作員站等設(shè)備提供220 V電源，給熱工動力電源柜提供220 V交流、380 V交流、110 V直流電源等。一旦電源發(fā)生故障，將導致整個控制系統(tǒng)癱瘓，因此實際應用中電源都采用了冗余設(shè)計[3]。生產(chǎn)試驗中目前主要從事控制機柜和熱工動力電源柜的電源切換方面的測試工作。下文就具體的電源切換予以說明。

1.2.1 控制機柜電源切換測試

通過對多臺機組進行電源性能測試，目前DCS機柜電源模塊的冗余方式主要分以下2種：（1）采用2組電源模塊分別對UPS電源和保安電源進行轉(zhuǎn)換，其輸出采用切換模塊給系統(tǒng)的負載，如圖3所示；（2）兩路電源通過電源模塊后的輸出端通過二極管并聯(lián)，正常情況下，輸出電壓高的電源模塊承擔所有負載的電流，另一路電流處于空載運行，當主電源失壓時，備用電源模塊立即投入運行，如圖4所示。

圖3 單路輸入負載接入方式Fig.3 Access mode of single input load

圖4 二極管并聯(lián)方式Fig.4 Paralleling mode of diode

第一種負載接入方式中，兩路電源的等級一樣，切換前找出供電的工作電源，假如A電源工作，那么電源測試方式如表1所示。

表1 單路輸入負載接入方式電源切換測試步驟Tab.1 Procedure of power switching test on access mode of single input load

實際試驗用錄波儀記錄第1、3、5、7次的電壓波形即可。因為兩路電源等級一樣，恢復電源過程中不會對負載的供電產(chǎn)生影響。

二極管并聯(lián)方式接入負載時，輸出電壓高的電源給負載供電。實際電源切換過程中，無法確認哪一路為主電源，通常的測試方法如表2所示。

表2 二極管并聯(lián)方式電源切換方法Tab.2 Step of power switch on overlap mode of diode

當一路電源失電，一路供電時，供電的電源由于給負載提供電壓，所以失電的那一路電源恢復時，恢復的電源電壓要比前一路供電電壓高，因此在測試的第2和4步出現(xiàn)電源切換過程。實際試驗用錄波儀記錄第2和4次的電壓波形即可。

1.2.2 熱工動力電源柜切換測試

熱工動力電源柜主要包括熱控總電源柜、汽機電源柜、鍋爐電源柜、熱工閥門柜、儀表電源柜等，這些機柜給就地閥門、電動開關(guān)門、電動調(diào)節(jié)閥、流量調(diào)節(jié)閥、給水泵勺管、就地儀表供電。多臺機組測試發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場的交流動力電源柜電源切換裝置分為2種：存在默認主回路和無默認主回路。試驗中不但要注意電源切換時系統(tǒng)的表現(xiàn)，還要關(guān)注電源恢復過程中系統(tǒng)的影響是否正常。無默認主回路完整的測試步驟如表3所示。

表3 無默認主回路電源柜切換測試步驟Tab.3 Step of power cabinet no default primary loop

如果系統(tǒng)存在默認主回路，假設(shè)A路為主電源，這時只存在一種狀態(tài)，A為主，B為備。其測試步驟如表4所示。

表4 默認主回路電源柜切換測試步驟Tab.4 Procedure of switching test for default man loop power cabinet

有默認主回路的電源柜進行電源切換時，第1次為A電源切換為B電源，第二次為B電源切換為A電源，因此試驗用錄波儀記錄第1和2次的電壓波形即可。

1.3 通信網(wǎng)絡冗余切換測試

通信網(wǎng)絡是DCS的重要組成部件，電力生產(chǎn)過程中的大量監(jiān)測和控制數(shù)據(jù)均需通過實時網(wǎng)絡進行傳遞，相當于DCS的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，可靠性和實時性要求很高，所有的DCS都對通信網(wǎng)絡進行了冗余設(shè)計。

目前通信冗余切換都是采用定性方法進行測試，人為斷開一路網(wǎng)絡接口故障時，備用網(wǎng)絡應自動投入工作，控制系統(tǒng)不得有出錯或死機的情況。

通信冗余測試方法為在一個控制站邏輯中加入翻轉(zhuǎn)模塊并將該模塊輸出設(shè)置為上網(wǎng)點，通過通訊卡發(fā)送到通訊總線，在另一個站接收該上網(wǎng)點，在該站邏輯中加入上網(wǎng)點狀態(tài)并直接通過該站的備用DO通道輸出。通過高速數(shù)據(jù)記錄功能采集該DO通道的狀態(tài)變化數(shù)據(jù)進行分析。

測試邏輯如下，假如測試第一個控制站到第二個控制站的通信冗余試驗，則在第一個控制站中加入如圖5所示的邏輯，第二個控制站中加入如圖6所示的邏輯。

圖5 通信冗余測試第一個控制站邏輯Fig.5 Logical diagram of the first control station in communication redundancy test

圖6 通信冗余測試第二個控制站邏輯Fig.6 Logical diagram of the second control station in communication redundancy test

第二個控制站的上網(wǎng)點接收的是第一個控制站的網(wǎng)間變量。這樣數(shù)據(jù)采集的圖形是2個控制器的處理周期和網(wǎng)間傳輸?shù)臅r間之和。圖7所示為某電廠通信冗余切換的測試圖。

圖7 通信冗余測試圖（A網(wǎng)切B網(wǎng)）Fig.7 Diagram of communication redundancy test（network A switch to network B）

2 DCS系統(tǒng)冗余測試試驗案例

（1）某廠在大修期間進行#2機組控制器周期及控制器冗余切換測試。發(fā)現(xiàn)該機組控制器周期不滿足《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)條件》DL/T 1083—2008“模擬量控制回路的控制周期一般要求為250 ms，對于要求快速處理的控制回路可為125 ms；開關(guān)量控制回路的控制周期一般要求為100 ms；汽輪機保護（ETS）應不大于50 ms的要求”的規(guī)定；

（2）某廠在大修期間進行#2機組控制器周期及控制器冗余切換測試。發(fā)現(xiàn)某些控制器切換過程中有周期突變、動態(tài)擾動現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 控制器切換周期突變Fig.8 Cycle mutaion of controller switching

（3）在DCS機柜電源切換過程中，某電廠DCS機柜兩路電源一路來自于UPS，一路來自于保安電源，測試機柜的電源切換時間大于5 ms；某機組的一些機柜電源設(shè)計為單路電源，沒有進行冗余設(shè)置；某些機組的電源切換時部分機柜掉電。

（4）在熱工動力電源柜切換過程中，某些機組的動力電源柜電源切換時某些閥門掉電，某些調(diào)節(jié)閥門的反饋信號會發(fā)生突變，在4 s或更長的時間才恢復至切換前的狀態(tài)。

（5）某廠的通信冗余試驗時，當拔掉主網(wǎng)絡網(wǎng)線時，輔助網(wǎng)絡沒有切換過來，導致試驗機組該控制器的網(wǎng)絡脫落；某廠通信冗余試驗中，切換前后網(wǎng)間變量的傳送時間由1 s變?yōu)? s，如圖9所示。

圖9 網(wǎng)間變量傳送時間Fig.9 Transfer time of variable in inter network

（6）某電廠通信冗余試驗中，試驗前后圖形由規(guī)則變?yōu)椴灰?guī)則，如圖10所示。

（7）某電廠通信冗余切換時，A網(wǎng)和B網(wǎng)的網(wǎng)間的傳送時間均達到4 s，A網(wǎng)切B網(wǎng)和B網(wǎng)切A網(wǎng)過程中均無明顯變化，如圖11所示。

圖10 A網(wǎng)切至B網(wǎng)段Fig.10 Network A switch to network B

圖11 網(wǎng)間傳輸時間達到4 sFig.11 Time of inter network transmission is 4 s

網(wǎng)間變量傳送時間過大，是由網(wǎng)絡傳輸時延大引起的，建議進行DCS網(wǎng)絡性能測試。

3 結(jié)語

本文從應用角度闡述了控制器切換測試、控制系統(tǒng)電源切換測試、通信冗余切換測試等幾個項目的冗余性能測試試驗方法，這些測試方法已經(jīng)在諸多電廠的工程實踐中得到廣泛的應用，取得了良好的效果。利用本文的測試方法對多個電廠進行性能測試，發(fā)現(xiàn)了運行機組的DCS在實際中存在的問題，直接為DCS廠家的系統(tǒng)升級提供依據(jù)，同時也為新建機組的DCS選型提供技術(shù)性能方面的依據(jù)[4]。

通過開展DCS冗余性能測試，使熱工維護人員對DCS冗余性能有更全面的了解，并可以作為今后的檢修依據(jù)，保證機組的穩(wěn)定運行。

[1]李欣梅，楊莉莉，莫恭坤.分散控制系統(tǒng)性能測試探討與建議[J]紅水河，2014，33（3）：84-85.

[2]張鍔，馬一鳴.神華國能寧夏煤電有限公司#1機組DCS系統(tǒng)性能測試報告[R].銀川：國網(wǎng)寧夏電力科學研究院，2015.

[3]張鍔，祝廣場.華電渠東發(fā)電有限公司#1機組控制系統(tǒng)電源性能測試報告[R].武漢：華電電力科學研究院，2016.

[4]陳起.火電機組分散控制系統(tǒng)性能測試分析[J]內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2010，28（S2）：38-40.