核電廠DCS控制器負(fù)荷率測(cè)試

毛春彬，王 赫，王彥博

（國(guó)核自儀系統(tǒng)工程有限公司 電站控制中心，上海 200241）

0 引言

隨著分散控制系統(tǒng)DCS在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越普及，由于DCS控制器故障所引起的運(yùn)行事件時(shí)有發(fā)生。而DCS在越來越多的核電廠中應(yīng)用，其控制器的正常運(yùn)行理應(yīng)得到更多的重視[1-3]。

核電廠非安全級(jí)集散控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱（DCS）是核電廠的大腦，主要實(shí)現(xiàn)電廠控制系統(tǒng)（PLS）、數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)（DDS）等功能，同時(shí)與安全級(jí)儀控系統(tǒng)存在接口。整個(gè)核電廠的核島和常規(guī)島采用統(tǒng)一的非安全級(jí)集散控制系統(tǒng)平臺(tái)，為核電廠操縱員提供統(tǒng)一的人機(jī)接口。

集散控制系統(tǒng)中包含分散布置的控制器（CU），接收、處理、輸出各種信號(hào)，用以執(zhí)行各工藝系統(tǒng)與設(shè)備的控制邏輯，以及工藝系統(tǒng)參數(shù)超限、設(shè)備故障等報(bào)警邏輯。即核電廠不同區(qū)域、不同工藝系統(tǒng)的相關(guān)邏輯存儲(chǔ)運(yùn)行在不同的控制器中，各控制器一道正常運(yùn)行，確保了核電廠各工藝系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)要求及操縱員執(zhí)行指令進(jìn)行正常運(yùn)行。

為了系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視及報(bào)警等信息的及時(shí)傳遞，以及保證操縱員動(dòng)作執(zhí)行得到及時(shí)的響應(yīng)，DCS系統(tǒng)應(yīng)有足夠的計(jì)算速度和容量，以保證在核電廠異?；驊?yīng)急情況下，不會(huì)丟失任何實(shí)時(shí)信息、報(bào)警信息及其歷史數(shù)據(jù)，以及自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的處理信息。所以，對(duì)系統(tǒng)中分散布置的控制器（CU）的性能參數(shù)有較高要求。

1 控制器負(fù)荷率的定義及限制要求

1.1 控制器負(fù)荷率的定義

控制器CU負(fù)荷率是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的平均負(fù)荷與最大負(fù)荷之比的百分?jǐn)?shù)，是用于測(cè)量規(guī)定時(shí)間內(nèi)控制器負(fù)荷的變動(dòng)情況，以及考核控制器的繁忙程度[4]。過高的負(fù)荷率會(huì)導(dǎo)致其計(jì)算速度變慢，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，引起工藝系統(tǒng)及設(shè)備控制方面的延遲，甚至高負(fù)荷率將引發(fā)控制器故障死機(jī)導(dǎo)致控制系統(tǒng)癱瘓。所以，從性能的角度來說，控制器負(fù)荷率越低越好。但從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，正常工況下控制器負(fù)荷率越低也意味著控制器算力利用越低，未必是最優(yōu)選擇。所以在設(shè)計(jì)選型時(shí)，需要考慮正常工況和繁忙工況下，控制器負(fù)荷率分別在一定合理區(qū)間內(nèi)，以保證DCS系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 控制器負(fù)荷率的要求

DL/T 774-2015《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)檢修運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》中4.2.1.5.2負(fù)荷率測(cè)試方法與要求提到，所有控制站的中央處理單元的負(fù)荷率應(yīng)不大于60%[5]。負(fù)荷率測(cè)試應(yīng)在不同工況下測(cè)試5次，每次測(cè)試時(shí)間10s，取平均值，具體的測(cè)試方法可以是系統(tǒng)工具或其他由制造廠提供。

某核電項(xiàng)目DCS技術(shù)規(guī)格書中要求系統(tǒng)中的各控制器負(fù)荷率，正常工況應(yīng)不大于40%，峰值工況應(yīng)不大于50%。

1.3 控制器負(fù)荷率的影響因素

控制器在正常運(yùn)行時(shí)，周期性地從輸入模塊中讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)邏輯組態(tài)執(zhí)行運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果輸出至輸出模塊、發(fā)送上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備控制及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。所以，控制器負(fù)荷率的高低受其本身的性能、控制器內(nèi)組態(tài)量、邏輯組態(tài)實(shí)施方式等因素影響。

1）控制器自身性能。DCS設(shè)計(jì)階段，處理器的主頻、二級(jí)緩存、內(nèi)存等參數(shù)選取決定了控制器自身的計(jì)算能力?？紤]項(xiàng)目投產(chǎn)后可能的設(shè)計(jì)變更，一般都會(huì)保守選擇。某項(xiàng)目中要求正常工況下負(fù)荷不超過40%，而有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求該指標(biāo)不超過60%即可。

2）控制器內(nèi)組態(tài)量。每個(gè)控制器中對(duì)應(yīng)系統(tǒng)I/O模塊數(shù)量、邏輯頁數(shù)量，以及它們的掃描周期設(shè)置都會(huì)影響控制器負(fù)荷率。DCS系統(tǒng)中控制器是分散布置的，需要整體考慮，根據(jù)控制功能的重要性來設(shè)置掃描周期的長(zhǎng)短。

3）邏輯組態(tài)實(shí)施方式。應(yīng)確?？刂破髦械倪壿嫿M態(tài)都是正確、有用、高效的。如完成特定的邏輯控制功能，組態(tài)所使用的功能塊越少，控制器負(fù)荷越低。此外若存在一些錯(cuò)誤或者無用的邏輯組態(tài)，也將消耗控制器一定的算力，導(dǎo)致控制器負(fù)荷率增高。

2 控制器負(fù)荷率的測(cè)試設(shè)計(jì)

DL/T 774-2015《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)檢修運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》給出了控制器負(fù)荷的測(cè)試方法指導(dǎo)：負(fù)荷率測(cè)試應(yīng)在不同工況下測(cè)試5次，每次測(cè)試時(shí)間10s，取平均值。在某項(xiàng)目的控制器負(fù)荷率測(cè)試中，做了一些變化。在一個(gè)假定的繁忙工況下，控制器負(fù)荷率持續(xù)15min，分別記錄或計(jì)算負(fù)荷率趨勢(shì)、最大值和平均值。

2.1 測(cè)試工況

控制器根據(jù)開關(guān)量和模擬量輸入進(jìn)行邏輯運(yùn)算。一般情況下，所有開關(guān)量和模擬量輸入不會(huì)每時(shí)每刻全部變化?，F(xiàn)假定有一個(gè)繁忙工況，正常運(yùn)行工況下控制器中的開關(guān)量和模擬量輸入數(shù)值發(fā)生變化的通道數(shù)量均不超過該繁忙工況。也就是說，正常運(yùn)行工況下控制器負(fù)荷率均不超過繁忙工況下的數(shù)值。若繁忙工況下，控制器平均負(fù)荷率不超過技術(shù)規(guī)格書要求的40%，最大負(fù)荷率不超過50%，則認(rèn)為正常工況不大于40%，峰值工況不大于50%。

基于保守考慮，若控制器下三分之二的開關(guān)量輸入和全部模擬量輸入時(shí)刻變化，則認(rèn)為該工況是繁忙工況。

2.2 測(cè)試回路

如圖1所示，分別通過一個(gè)非門塊和一個(gè)三角波信號(hào)塊搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)量輸入和模擬量輸入的輔助回路。模擬的通道范圍選取被測(cè)控制器下三分之二的開關(guān)量輸入通道和全部的模擬量輸入點(diǎn)。

圖1 開關(guān)量輸入和模擬量輸入的輔助回路Fig.1 Auxiliary circuit of digital input and analog input

控制器負(fù)荷率測(cè)試的輔助回路如圖2。通過一個(gè)平臺(tái)特殊功能塊，分別計(jì)算或記錄控制器負(fù)荷的最大值、平均值以及實(shí)時(shí)趨勢(shì)。測(cè)試時(shí)間選取15min，更能全面、客觀地反映控制器負(fù)荷率及其變化。

圖2 CPU負(fù)荷率監(jiān)測(cè)回路Fig.2 CPU Load rate monitoring loop

由于核電廠控制器一般為冗余配置，故同時(shí)測(cè)試主、備控制器負(fù)荷率。主備控制器完成切換后，再次測(cè)試其負(fù)荷率。通過這種方法，分別測(cè)試同一控制器分別在主用、備用狀態(tài)，繁忙工況下的控制器負(fù)荷率。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

總計(jì)對(duì)43對(duì)主備控制器進(jìn)行了負(fù)荷率測(cè)試。典型的控制器負(fù)荷率趨勢(shì)圖如圖3，可以看出主備控制器的負(fù)荷率趨勢(shì)基本一致，主用控制器的負(fù)荷率略高于備用控制器。經(jīng)過對(duì)43對(duì)控制器在主備用狀態(tài)下的平均負(fù)荷率和最大負(fù)荷率的測(cè)試數(shù)據(jù)整理，得到表1。

圖3 主、備用控制器負(fù)荷率趨勢(shì)圖Fig.3 Trend chart of load rate of primary and backup controllers

表1 43對(duì)控制器負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical results of 43 pairs of controller load rate

3.2 數(shù)據(jù)分析

43對(duì)控制器的主用控制器平均負(fù)荷率最大值為31.4%、平均值為19.10%、中位數(shù)為19.67%，峰值負(fù)荷率最大值為41%、平均值為26.31%、中位數(shù)為27%；備用控制器的相應(yīng)數(shù)值均小于主用控制器，與典型主、備用控制器負(fù)荷率趨勢(shì)圖一致。主備用控制器負(fù)荷率之比最大值為1.29，平均值和中位數(shù)均為1.14。即這些控制器中主用控制器負(fù)荷率一般比備用高14%左右。

3.3 測(cè)試結(jié)論

對(duì)上述測(cè)試數(shù)據(jù)的整理分析，容易得出：

1） 正常工況下，43對(duì)控制器負(fù)荷率均不超過40%。

2） 峰值工況下，43對(duì)控制器負(fù)荷率均不超過50%。

3） 正常工況及峰值工況下，備用控制器負(fù)荷率均小于主用控制器。

故43對(duì)控制器的測(cè)試結(jié)果均滿足技術(shù)規(guī)范書要求。

4 結(jié)束語

控制器負(fù)荷率高低是表征控制器是否正常運(yùn)行的重要參數(shù)之一。在DCS工廠測(cè)試中，應(yīng)驗(yàn)證控制器負(fù)荷率處于規(guī)范及技術(shù)規(guī)格書要求的正常范圍之內(nèi)。相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)是日后核電廠DCS運(yùn)行維護(hù)活動(dòng)的重要參數(shù)依據(jù)。