羅嘉，朱亞清，王琦

(廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州市，510600)

0 引言

分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)作為工業(yè)過(guò)程控制的中樞系統(tǒng)，日益發(fā)揮著舉足輕重的作用，其本身的性能對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的影響［1］。由于制造廠家眾多，設(shè)計(jì)理念和制造水平也有差異，DCS在實(shí)際運(yùn)行中暴露出了一些問(wèn)題，涉及系統(tǒng)抗干擾能力、通信阻塞、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性等方面。如何從應(yīng)用的角度對(duì)DCS的性能作出評(píng)價(jià)越來(lái)越受到關(guān)注［2］。國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)發(fā)布的DL/T 659—2006《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程》中雖然規(guī)定了一些測(cè)試項(xiàng)目和指標(biāo)，但在實(shí)際工作中一直缺乏具有指導(dǎo)意義的系統(tǒng)測(cè)試體系、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用的測(cè)試方法和推薦使用的測(cè)試儀器。此外，全面、系統(tǒng)地闡述火力發(fā)電領(lǐng)域DCS性能測(cè)試的論文近年也鮮有出現(xiàn)。

廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上提出了一套完整的DCS現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試方法，測(cè)試內(nèi)容主要包括：輸入和輸出功能檢查、人機(jī)接口檢查、顯示功能檢查、系統(tǒng)容錯(cuò)能力測(cè)試、系統(tǒng)供電功能測(cè)試、模件可維護(hù)性測(cè)試、模件抗干擾性測(cè)試、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試等。此測(cè)試方法在國(guó)內(nèi)主流DCS系統(tǒng)和125～1 000 MW各等級(jí)機(jī)組上都已被應(yīng)用［3］。本文就模擬量采集實(shí)時(shí)性測(cè)試、控制器運(yùn)算周期測(cè)試、通道抗干擾性測(cè)試等DCS性能測(cè)試的關(guān)鍵項(xiàng)目進(jìn)行介紹，并分析、說(shuō)明測(cè)試結(jié)果。

1 DCS性能測(cè)試技術(shù)

1.1 模擬量采集實(shí)時(shí)性測(cè)試

模擬量采集實(shí)時(shí)性測(cè)試的方法是在DCS中選取1個(gè)模擬量通道，利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生1個(gè)具有直流偏置的不同周期的正弦波信號(hào)對(duì)被測(cè)通道進(jìn)行測(cè)試。該信號(hào)通道應(yīng)暫去掉信號(hào)的數(shù)字濾波功能。具體步驟如下：首先將函數(shù)發(fā)生器的輸出接入被測(cè)通道，調(diào)整函數(shù)發(fā)生器的直流偏置為3.0 V，再調(diào)整函數(shù)發(fā)生器的信號(hào)頻率周期，保持幅值為2.5 V。在操作員站上觀察并記錄被測(cè)通道的輸入波形。持續(xù)增大函數(shù)發(fā)生器的信號(hào)頻率周期，直到DCS無(wú)法正確反映被測(cè)信號(hào)的值，記錄此時(shí)信號(hào)源的頻率和幅值。電壓頻率為0.05～0.2 Hz的變化曲線如圖1所示。當(dāng)輸入信號(hào)頻率為0.05 Hz時(shí)，在1個(gè)變化周期內(nèi)系統(tǒng)所能記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為20個(gè)，所以在操作員站上測(cè)到的波形沒(méi)有失真。加大頻率至0.1 Hz，雖然在顯示器上測(cè)到的波幅基本沒(méi)變，但波形和振幅已有所失真。加大頻率至0.15 Hz，在顯示器上測(cè)到的波形和振幅已完全失真。所以能被該DCS系統(tǒng)正確分辨出的模擬量信號(hào)頻率需小于0.1 Hz。

圖1 模擬量采集實(shí)時(shí)性測(cè)試結(jié)果Fig.1 Real time performance test of analog signal

1.2 控制器運(yùn)算周期測(cè)試

DCS控制器主要實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳輸功能，由于不同的頁(yè)面包含不同數(shù)量的變量和運(yùn)算邏輯，不同功能對(duì)運(yùn)算速度的要求也不同，因此一般都可由用戶設(shè)置各頁(yè)面的處理周期，設(shè)置值一般可為50～1 000 ms等多檔［3］。例如數(shù)字式電氣液壓(digital electric hydraulic，DEH)控制系統(tǒng)被控對(duì)象的響應(yīng)速度較快(約幾十ms)，因此不僅要設(shè)置較短的運(yùn)算周期，還要嚴(yán)格控制該控制器內(nèi)組態(tài)邏輯頁(yè)面的數(shù)量，以避免中央處理器(central processing unit，CPU)負(fù)荷過(guò)重?zé)o法完成頁(yè)面周期的設(shè)定值要求。通常頁(yè)面的運(yùn)算周期在CPU的允許負(fù)荷內(nèi)應(yīng)保持一定的穩(wěn)定性，當(dāng)控制器頁(yè)面運(yùn)算周期不穩(wěn)或達(dá)不到要求值時(shí)，往往表明控制器的CPU負(fù)荷過(guò)大，無(wú)法按要求周期完成頁(yè)面的運(yùn)算［4］。控制器運(yùn)算周期的測(cè)試方法是在DCS組態(tài)中增加1個(gè)如圖2所示的運(yùn)算邏輯，用于檢查CPU的實(shí)際運(yùn)算周期。當(dāng)CPU實(shí)際運(yùn)算該功能回路1次，則數(shù)字量輸出(digital output，DO)狀態(tài)發(fā)生1次變化，DO接至DCS端子排，用高速數(shù)據(jù)采集裝置采集輸出信號(hào)。從圖3中可以看到接點(diǎn)基本在750 ms左右翻轉(zhuǎn)1次(包含繼電器動(dòng)作時(shí)間)，是符合系統(tǒng)設(shè)定的運(yùn)算周期750 ms的。該測(cè)試可以提醒熱工維護(hù)人員一旦發(fā)現(xiàn)控制器運(yùn)算周期大于系統(tǒng)設(shè)定的運(yùn)算周期，則需要綜合檢查該控制器的運(yùn)行性能及控制器的運(yùn)算負(fù)荷等相關(guān)情況，做到防患于未然。

1.3 通道抗干擾性測(cè)試

DCS由于應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程的控制，測(cè)量與控制的信號(hào)連接電纜不可避免地與各種大電流設(shè)備(包括動(dòng)力電纜)相鄰或直接連接，這些設(shè)備均可能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，DCS的抗電磁干擾能力直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。DCS各部件應(yīng)具有一定的抑制共模干擾和串模干擾的能力［5］。

1.3.1 共模抑制比測(cè)試

共模干擾又稱為對(duì)地干擾，它是相對(duì)于公共地電位產(chǎn)生的工作信號(hào)之外的信號(hào)變化，是相對(duì)于公共電位基準(zhǔn)點(diǎn)在接收電路的2個(gè)輸入端同時(shí)出現(xiàn)的干擾。共模干擾一般可以用電壓源的形式來(lái)表征［6］。

為檢測(cè)DCS抗共模干擾能力，可按圖4接線方式給通道輸入端加1個(gè)直流電壓，加入信號(hào)前需確認(rèn)該通道為雙端輸入方式，其電壓值為滿量程的1/2～2/3。然后按直流與交流2種情況分別逐漸增大共模干擾電壓，使通道顯示值有明顯的ΔUcm(干擾引起的電壓變化量)變化，記錄此時(shí)共模干擾電壓值Uc。按式(1)、(2)計(jì)算交、直流共模抑制比。

圖4 共模干擾測(cè)試等效電路Fig.4 Equivalent circuit diagram of common-mode interference test

直流共模抑制比為

式中：Ucd為直流干擾信號(hào)，mV；ΔUcmd為測(cè)試產(chǎn)生的電壓變化量，mV。

交流共模抑制比為

式中：Uca為交流干擾信號(hào)峰峰值，mV；ΔUcma為測(cè)試產(chǎn)生的電壓變化量，mV。

表1為選取的一個(gè)K型熱電偶輸通道的直流共模抑制比、交流共模抑制比測(cè)試結(jié)果，結(jié)論均符合大于120 dB的要求。

1.3.2 串模抑制比測(cè)試

串模干擾又稱為差模干擾，它是指串聯(lián)于信號(hào)回路中的干擾。串模干擾源可等效為電壓源或電流源的形式，如果噪聲源阻抗較低，可以將其看作是一個(gè)電源和信號(hào)源相串聯(lián)的形式。由于噪聲源是直接與信號(hào)回路串聯(lián)的，是一個(gè)疊加量，所以將直接影響系統(tǒng)的工作［7］。對(duì)于DCS應(yīng)用來(lái)說(shuō)，當(dāng)信號(hào)線與某些動(dòng)力電纜平行敷設(shè)時(shí)就容易引入串模干擾。串模干擾測(cè)試等效電路如圖5所示。

圖5 串模干擾測(cè)試等效電路Fig.5 Equivalent circuit of seriesm ode interference

給被測(cè)通道輸入端按圖5方式接入一直流電壓，其值為滿量程的1/2～2/3，然后逐漸增大串模干擾電壓，使通道顯示值有一個(gè)明顯的ΔUnm變化(串模干擾引起的電壓變化量)，記錄此時(shí)串模干擾電壓值Un。按式(3)計(jì)算串模抑制比。

串模抑制比為

NMRR=20 lg(Un/ΔUnm) (3)式中：Un為干擾電壓峰峰值，mV；ΔUnm為測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的電壓變化量，mV。

表2為一個(gè)4～20 mA模擬量輸入通道和一個(gè)K型熱電偶輸入通道的串模抑制比測(cè)試結(jié)果，結(jié)論均符合大于60 dB的要求

2 結(jié)語(yǔ)

本文從應(yīng)用的角度出發(fā)，重點(diǎn)闡述了分散控制系統(tǒng)模擬量實(shí)時(shí)性測(cè)試、控制器運(yùn)算周期測(cè)試、通道抗干擾測(cè)試等幾個(gè)DCS性能測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試方法。這些測(cè)試方法已在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，目前已用此方法對(duì)廣東省內(nèi)10多家火力發(fā)電企業(yè)的數(shù)10套DCS進(jìn)行測(cè)試，取得了良好的效果。采用本文給出的測(cè)試方法多次發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有DCS在實(shí)際運(yùn)行中存在的問(wèn)題，直接為DCS廠家的系統(tǒng)升級(jí)提供了依據(jù)。鍋爐、汽機(jī)主設(shè)備在機(jī)組168 h試運(yùn)行結(jié)束后進(jìn)行性能驗(yàn)收測(cè)試已是機(jī)組移交生產(chǎn)必需的試驗(yàn)項(xiàng)目，DCS作為機(jī)組控制的核心，更應(yīng)廣泛開(kāi)展性能測(cè)試工作，望本文能夠給廣大熱工技術(shù)人員提供借鑒，促使DCS的性能測(cè)試成為常態(tài)開(kāi)展的項(xiàng)目之一。

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