尹 峰，孫 耘，李旭侃，周 佑，蘇 燁

（浙江省電力公司電力科學(xué)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(tái)）系統(tǒng)硬件包括1對(duì)冗余控制器、冗余電源、冗余內(nèi)部交換機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)、1臺(tái)高性能服務(wù)器、IO端子、通信卡件、人機(jī)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(duì)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(jìn)行通信，其高性能嵌入式計(jì)算機(jī)采用專業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功耗低、電源切換方便，上位工業(yè)級(jí)高性能控制服務(wù)器則具有高主頻、高內(nèi)存、大存儲(chǔ)、人機(jī)接口友好的特點(diǎn)。

TOP系統(tǒng)與DCS實(shí)現(xiàn)立體數(shù)據(jù)交互，直接參與過程控制，因此對(duì)其硬件與通信系統(tǒng)的可靠性及系統(tǒng)運(yùn)行安全性要求很高，應(yīng)從設(shè)計(jì)理念上對(duì)平臺(tái)的安全可靠性作充分的考慮，對(duì)設(shè)備運(yùn)行的性能與功能，則通過針對(duì)性、系統(tǒng)性測試技術(shù)的應(yīng)用，獲得有效驗(yàn)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(yàn)完成。試驗(yàn)?zāi)康脑谟跈z測優(yōu)化控制系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性，檢測的項(xiàng)目、內(nèi)容與要求、實(shí)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(yàn)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(yàn)來完成，包括裝置在DCS中運(yùn)行模式的合理性測試、在DCS中安全層級(jí)測試以及極端通信能力測試等。

2.1 在DCS中運(yùn)行模式的合理性測試

TOP系統(tǒng)在不同安全層級(jí)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(yīng)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(dǎo)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(yùn)行人員。

（3）指導(dǎo)操作模式下，DCS可以手動(dòng)選擇部分功能回路的運(yùn)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(yùn)行模式下，TOP系統(tǒng)在DCS允許的權(quán)限范圍內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)操作。

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

2.2 在DCS中運(yùn)行模式的合理性測試

安全層級(jí)應(yīng)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(jìn)入在DCS中的下一安全層級(jí)。

（2）當(dāng)任意安全邊界條件不滿足時(shí)，TOP系統(tǒng)自動(dòng)退至底層的安全層級(jí)。

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

（4）安全層級(jí)切換應(yīng)無擾動(dòng)。

經(jīng)實(shí)際模擬測試，TOP系統(tǒng)進(jìn)行安全層級(jí)切換正常，安全邊界條件對(duì)安全層級(jí)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(duì)不同的DCS，測試1塊通信卡件在不同通信點(diǎn)量以1 000 ms周期通信間隔下的系統(tǒng)響應(yīng)能力。TOP系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，單一卡件的實(shí)際通信點(diǎn)量應(yīng)小于極端通信能力的30%。

經(jīng)實(shí)際模擬測試，在針對(duì)OVATION系統(tǒng)的測試中，1024個(gè)模擬量點(diǎn)（該系統(tǒng)的模擬量和開關(guān)量通信耗費(fèi)的資源是相同的）以1 000 ms的周期通信時(shí)，可以運(yùn)行。在1536個(gè)模擬量點(diǎn)以1 000 ms的周期通信時(shí)，出現(xiàn)響應(yīng)緩慢，達(dá)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(gè)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(duì)比、Modbus通信響應(yīng)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(duì)比測試

在TOP系統(tǒng)側(cè)建立1路（比如正弦信號(hào)）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(hào)放在趨勢(shì)上比較，并建立邏輯，統(tǒng)計(jì)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(gè)從TOP系統(tǒng)側(cè)通過Modbus通信方式送至DCS側(cè)的模擬量點(diǎn)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(shí)從TOP系統(tǒng)側(cè)通過Modbus通信發(fā)正弦波信號(hào)，建立趨勢(shì)圖觀察兩者的差別。

實(shí)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(shí)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(duì)比

3.2 Modbus通信響應(yīng)測試

在DCS側(cè)建立1路信號(hào)輸出，通過Modbus通信方式輸至TOP系統(tǒng)側(cè)，TOP系統(tǒng)將信號(hào)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(hào)趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)兩者差別過大的次數(shù)。測試過程如下：

（1）DCS側(cè)建立1個(gè)方波信號(hào)，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(gè)方波信號(hào)，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(shí)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(shí)際測試結(jié)果顯示：第（1）項(xiàng)測試48 h未出現(xiàn)偏差過大；第（2）項(xiàng)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(shí)間不超過2個(gè)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(hào)輸出，通過Modbus通信輸至TOP系統(tǒng)側(cè)后，對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)數(shù)字量占用的長度為1/8字節(jié)，1個(gè)模擬量占用的長度為2字節(jié)和1個(gè)License（并發(fā)數(shù)）最大點(diǎn)數(shù)為500點(diǎn)的相應(yīng)規(guī)則，在1個(gè)寫組內(nèi)最多包含模擬量點(diǎn)50個(gè)，最多包含數(shù)字量點(diǎn)499個(gè)（組態(tài)要求必需有1個(gè)讀的數(shù)據(jù)點(diǎn)）；在1個(gè)讀組內(nèi)最多包含模擬量點(diǎn)112個(gè)，最多包含數(shù)字量點(diǎn)500個(gè)。若有多個(gè)寫組，只有有數(shù)據(jù)變化的寫組才會(huì)打包發(fā)送，例如100個(gè)模擬量點(diǎn)分為2個(gè)寫組，若前50個(gè)點(diǎn)有數(shù)據(jù)變化則將前1個(gè)寫組打包發(fā)送，若后50個(gè)點(diǎn)有數(shù)據(jù)變化則將后1個(gè)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(hào)輸入160個(gè)點(diǎn)，數(shù)字量信號(hào)輸出160個(gè)點(diǎn)，模擬量信號(hào)輸入10個(gè)點(diǎn)，模擬量信號(hào)輸出10個(gè)點(diǎn)；DCS側(cè)最大發(fā)包能力，每個(gè)周期發(fā)包數(shù)穩(wěn)定在10個(gè)；數(shù)據(jù)保持一致。

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

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

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

實(shí)際測試的結(jié)果顯示：

（1）上述測試中發(fā)包通信時(shí)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(fù)荷率就越小，成反比。掃描周期為0.25 s時(shí)的通信負(fù)荷率為90%左右，掃描周期為0.5 s時(shí)的通信負(fù)荷率為50%，掃描周期為1 s時(shí)的通信負(fù)荷率為25%。

（2）模擬量點(diǎn)占用字節(jié)比數(shù)字量點(diǎn)大，所以同樣的點(diǎn)數(shù)，模擬量通信所用時(shí)間要大于數(shù)字量。

（3）若測試內(nèi)容（1）和（2）中的點(diǎn)共 4 組， 每個(gè)周期能發(fā)包數(shù)遠(yuǎn)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(diǎn)數(shù)量大，每個(gè)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(gè)掃描周期發(fā)送，數(shù)據(jù)會(huì)有一定延遲；所以為保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，需合理安排掃描周期和點(diǎn)的數(shù)量。

4 結(jié)語

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

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