張 鍔，祝廣場，余小敏

（華電電力科學(xué)研究院 中南區(qū)域中心，武漢 430062）

隨著計(jì)算機(jī)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(yīng)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(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

由于設(shè)備廠家較多，設(shè)計(jì)理念和設(shè)備的工藝制作水平不一樣，DCS系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中暴露諸多問題。查看近幾年各發(fā)電集團(tuán)的事故非停調(diào)查報(bào)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(shí)現(xiàn)冗余切換，信號誤發(fā)導(dǎo)致機(jī)組非停；有的是由電源切換過程中沒有實(shí)現(xiàn)冗余切換使有關(guān)輔機(jī)設(shè)備跳閘導(dǎo)致機(jī)組降出力；還有的是由于通信網(wǎng)絡(luò)暫時失電導(dǎo)致控制器脫網(wǎng)引發(fā)事故等。

針對因容錯與冗余切換導(dǎo)致事故頻發(fā)的情況，如何從應(yīng)用角度對DCS系統(tǒng)容錯與冗余切換測試作出評價(jià)越來越受到發(fā)電企業(yè)的關(guān)注。有關(guān)熱工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)雖然提到系統(tǒng)容錯與冗余測試定性的測試方法和指標(biāo)，但在實(shí)際工作中缺乏具有指導(dǎo)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(xiàn)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(jià)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(luò)的冗余切換測試等具體項(xiàng)目的測試方法進(jìn)行介紹、并提供相關(guān)的試驗(yàn)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(jìn)行計(jì)算和處理后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制量輸出值送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動就地控制對象。若控制器出現(xiàn)故障將導(dǎo)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(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。

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(jī)制，當(dāng)主控制器發(fā)生故障，備用控制器立即投入運(yùn)行。為保證控制器能實(shí)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(jìn)行測試，人為模擬主控制器故障時，備用控制器應(yīng)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(yīng)正確，控制輸出不產(chǎn)生擾動和突變。采用定量方法進(jìn)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(yùn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(jì)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(shí)際處理周期的差。

該測試可以提醒熱工維護(hù)人員當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個控制器的切換時間較大，特別是切換時間達(dá)到4～5個掃描周期時，則需要檢查控制器的運(yùn)行性能和控制器的運(yùn)行負(fù)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(yùn)行。另外可以將該測試項(xiàng)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(dān)了向各個控制設(shè)備提供工作電源的任務(wù)。主要包括給控制機(jī)柜提供220 V電源，給打印機(jī)、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(dǎo)致整個控制系統(tǒng)癱瘓，因此實(shí)際應(yīng)用中電源都采用了冗余設(shè)計(jì)[3]。生產(chǎn)試驗(yàn)中目前主要從事控制機(jī)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(jī)柜電源切換測試

通過對多臺機(jī)組進(jìn)行電源性能測試，目前DCS機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，其輸出采用切換模塊給系統(tǒng)的負(fù)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(dān)所有負(fù)載的電流，另一路電流處于空載運(yùn)行，當(dāng)主電源失壓時，備用電源模塊立即投入運(yùn)行，如圖4所示。

圖3 單路輸入負(fù)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(fù)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(fù)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(shí)際試驗(yàn)用錄波儀記錄第1、3、5、7次的電壓波形即可。因?yàn)閮陕冯娫吹燃壱粯?，恢?fù)電源過程中不會對負(fù)載的供電產(chǎn)生影響。

二極管并聯(lián)方式接入負(fù)載時，輸出電壓高的電源給負(fù)載供電。實(shí)際電源切換過程中，無法確認(rèn)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(dāng)一路電源失電，一路供電時，供電的電源由于給負(fù)載提供電壓，所以失電的那一路電源恢復(fù)時，恢復(fù)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(shí)際試驗(yàn)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(jī)電源柜、鍋爐電源柜、熱工閥門柜、儀表電源柜等，這些機(jī)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(jī)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(rèn)主回路和無默認(rèn)主回路。試驗(yàn)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(fù)過程中系統(tǒng)的影響是否正常。無默認(rèn)主回路完整的測試步驟如表3所示。

表3 無默認(rèn)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(rèn)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(rèn)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(rèn)主回路的電源柜進(jìn)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(yàn)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(luò)冗余切換測試

通信網(wǎng)絡(luò)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(shí)時網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，相當(dāng)于DCS的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，可靠性和實(shí)時性要求很高，所有的DCS都對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)。

目前通信冗余切換都是采用定性方法進(jìn)行測試，人為斷開一路網(wǎng)絡(luò)接口故障時，備用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)自動投入工作，控制系統(tǒng)不得有出錯或死機(jī)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(diǎn)，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(diǎn)，在該站邏輯中加入上網(wǎng)點(diǎn)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(jìn)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(yàn)，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(diǎn)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(yàn)案例

（1）某廠在大修期間進(jìn)行#2機(jī)組控制器周期及控制器冗余切換測試。發(fā)現(xiàn)該機(jī)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(jī)保護(hù)（ETS）應(yīng)不大于50 ms的要求”的規(guī)定；

（2）某廠在大修期間進(jìn)行#2機(jī)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(jī)柜電源切換過程中，某電廠DCS機(jī)柜兩路電源一路來自于UPS，一路來自于保安電源，測試機(jī)柜的電源切換時間大于5 ms；某機(jī)組的一些機(jī)柜電源設(shè)計(jì)為單路電源，沒有進(jìn)行冗余設(shè)置；某些機(jī)組的電源切換時部分機(jī)柜掉電。

（4）在熱工動力電源柜切換過程中，某些機(jī)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(fù)至切換前的狀態(tài)。

（5）某廠的通信冗余試驗(yàn)時，當(dāng)拔掉主網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)線時，輔助網(wǎng)絡(luò)沒有切換過來，導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)組該控制器的網(wǎng)絡(luò)脫落；某廠通信冗余試驗(yàn)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(yàn)中，試驗(yàn)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(dá)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(dá)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(luò)傳輸時延大引起的，建議進(jìn)行DCS網(wǎng)絡(luò)性能測試。

3 結(jié)語

本文從應(yīng)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(xiàng)目的冗余性能測試試驗(yàn)方法，這些測試方法已經(jīng)在諸多電廠的工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用，取得了良好的效果。利用本文的測試方法對多個電廠進(jìn)行性能測試，發(fā)現(xiàn)了運(yùn)行機(jī)組的DCS在實(shí)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(jī)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(hù)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(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)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(jī)組DCS系統(tǒng)性能測試報(bào)告[R].銀川：國網(wǎng)寧夏電力科學(xué)研究院，2015.

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

[4]陳起.火電機(jī)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.