(國電重慶恒泰發(fā)電有限公司，重慶 400805)

分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)是以微處理器及微型計算機為基礎，融合計算機技術、數(shù)據(jù)通信技術、CRT屏幕顯示技術和自動控制技術于一體的計算機控制系統(tǒng)。由于其具有分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便等特點，使其成為火力發(fā)電行業(yè)控制系統(tǒng)的標配而得到了全面、廣泛的應用。

筆者一直從事電廠DCS的維護工作。在工作中發(fā)現(xiàn)，工程師在進行DCS邏輯組態(tài)時，對邏輯時序的處理問題通?？紤]得比較少，這無形中對DCS邏輯的正確執(zhí)行埋下了隱患，最終可能導致事故發(fā)生。本文對DCS時序問題進行細致探討。

1 控制周期和時序

DCS的控制循環(huán)通常是指把DCS完成一次從信號輸入到控制運算再到控制信號輸出這個過程，稱之為一個控制循環(huán)。而完成一個控制循環(huán)所需要的時間，就是DCS的控制周期。在一個控制周期內，DCS將完成輸入數(shù)據(jù)采集、控制策略運算、控制信號輸出這一過程。

當然，較短的控制周期可以提高系統(tǒng)的可控性和控制精度，但這會增加控制器的硬件成本，同時也會加重硬件的運行負擔，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。所以，工業(yè)生產(chǎn)控制領域在滿足生產(chǎn)過程控制對象要求的同時，會兼顧以上兩者，以得到最佳效果。

DCS控制器運行在實時操作系統(tǒng)上，控制器內的調度系統(tǒng)完成對任務的定時調度，可以認為DCS中控制器的控制過程是串行完成的，即在一個固定控制周期內，按順序完成數(shù)據(jù)采集、控制策略運算、控制信號輸出等過程。所以，時序也就是在DCS一個控制周期內完成一個控制循環(huán)時，各個環(huán)節(jié)執(zhí)行的先后順序。雖說DCS的這個工作順序是固定不變的，但工程師在DCS中進行邏輯組態(tài)時，如果不考慮這個時序問題，任何情況下都用同樣的邏輯算法塊，最終得到的結果將會相去甚遠。

2 基礎算法

圖1所示的算法塊是一個模擬量切換算法。該算法塊有模擬量A、模擬量B兩個輸入端，一個開關量D輸入端，一個模擬量C輸出端。模擬量切換算法塊的功能是：當D=“1”時，C=B；當D=“0” 時，C=A。

圖1 模擬量切換算法塊

圖2所示的算法塊是一個模擬量加法算法塊。該算法塊有模擬量A、模擬量B兩個輸入端，一個模擬量C輸出端。模擬量加法算法塊的功能是：A+B=C。

圖2 模擬量加法算法塊

3 時序分析

3.1 開關量時序分析

圖3是一個由T1，T2，T3三個切換算法塊組成的模擬量選擇保持算法。為簡化分析，假設D1和D2始終等于“1”。

圖3 模擬量選擇保持算法塊

1)DCS由上往下按照正常時序，依次對T1→T2→T3切換算法塊進行運算，當D1=D2=D3=“1”時，則各切換算法塊T1，T2，T3的輸出分別為：

C1=C3′(T1當前時刻的輸出等于T3前一個時刻的輸出)；

C2=C1(T2當前時刻的輸出等于T1當前時刻的輸出)；

C3=C2(T3當前時刻的輸出等于T2當前時刻的輸出)。

由此得出C1=C2=C3=C3′，即切換器T3的輸出等于T3上個控制周期運算所得結果。

2)DCS按照T1→T3→T2的順序，對切換算法塊進行掃描運算，當D1=D2=D3=“1”，則各切換算法塊T1，T2，T3的輸出分別為：

C2=C1(T2當前時刻的輸出等于T1當前時刻的輸出)；

C3=C2′(T3當前時刻的輸出等于T2前一時刻的輸出)；

C1=C3′(T1當前時刻的輸出等于T3前一個時刻的輸出)。

由此可以得出，切換器T3的輸出等于T2上個控制周期運算所得結果，而切換器T1，T2的輸出相等，且等于切換器T3上個控制周期的運算結果。

3)由以上關系式，列出圖3邏輯組態(tài)中T1，T2，T3各切換算法塊的輸入/輸出關系表(假設DCS開始執(zhí)行運算時，輸入信號A由0變?yōu)?00，D1置“1”，保持該數(shù)值)，見表1。

表1 各切換算法塊輸入/輸出關系表

由T1，T2，T3切換算法塊的輸入/輸出關系表不難看出，當時序為T1→T2→T3，所需要的輸出結果C3保持了輸入信號A的值；而當時序順序為T1→T3→T2時，輸出結果C3不僅沒有保持A=100這一數(shù)值，反而在0～100不斷跳變，致使輸出呈現(xiàn)等幅震蕩。

3.2 模擬量時序分析

圖4所示為一個常用的，由3個加法算法塊組成的升速率算法。同樣，為簡化分析，假定給定值A=100。

1)DCS由上往下按照正常時序，依次對 ADD1→ADD2→ADD3各加法算法塊進行運算，則各加法塊的輸出分別為：

圖4 升速率算法塊

ADD1=ADD3′+A(ADD1的當前輸出等于ADD3前一時刻的輸出加上給定值A)；

ADD2=ADD1(ADD2的當前輸出等于ADD1的當前輸出)；

ADD3=ADD2(ADD3的當前輸出等于ADD2的當前輸出)。

由此得出ADD1=ADD2=ADD3=ADD3′+A，即加法塊ADD3的輸出等于ADD3上個控制周期的運算結果加上給定值A。

2)DCS按照ADD1→ADD3→ADD2的順序，對加法算法塊進行運算，則各加法算法塊的輸出分別為：

ADD1=ADD3′+A(ADD1的當前輸出等于ADD3前一時刻的輸出加上給定值A)；

ADD2=ADD1(ADD2的當前輸出等于ADD1的當前輸出)；

ADD3=ADD2′(ADD3的當前輸出等于ADD2前一時刻的輸出)。

3)由以上關系式，列出圖4邏輯組態(tài)中ADD1，ADD3，ADD2各加法算法塊輸入/輸出關系表(假設DCS開始執(zhí)行運算時，給定值A同時由0變?yōu)?00)，見表2。

表2 各加法算法塊輸入/輸出關系表

由ADD1，ADD3，ADD2各加法算法塊輸入/輸出關系表容易看出，當時序為ADD1→ADD2→ADD3，輸出信號C是按照給定值A=100的速率遞增；當時序為ADD1→ADD3→ADD2時，輸出結果ADD3雖然也在增加，但其輸出速率遠沒有達到給定速率的要求，在第7個控制周期時，其輸出速率僅有設定速率的43%左右。

3.3 工程案例

某電廠2#機組裝機容量300 MW， DCS采用了國電智深NT系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常情況下控制周期默認為1 s。2#機組自2006年投產(chǎn)發(fā)電后一直處于正常運行狀態(tài)，但4年后出現(xiàn)了一次故障。當時2#機組滿負荷，處于協(xié)調控制方式，所有運行參數(shù)均正常。約在15：28：21時，其中1臺送風機跳閘，導致送風機RB動作，隨后鍋爐主控由自動切為手動方式，汽機閥門總指令則在15：28：21到15：28：22這1 s內從83.6%關至53.9%，最終導致鍋爐超壓，安全門動作，2#機組跳閘。當時的歷史曲線記錄見圖5。

正常情況下，送風機RB動作后，控制方式應由協(xié)調方式自動切換為汽機跟隨方式，即鍋爐主控手動，汽機主控自動，以期達到由鍋爐調節(jié)功率，汽機調節(jié)主汽壓力的目的，使負荷快速平穩(wěn)地由300 MW減至RB目標負荷150 MW。

圖5 歷史曲線記錄

從圖5中的歷史趨勢看出，15：28：21送風機RB動作，鍋爐主控及時切為手動，15：28：22協(xié)調方式的已切除信號才發(fā)出，從而實現(xiàn)汽機跟隨運行方式。也就是說協(xié)調方式延遲了1 s才切除，而此時汽機閥門總指令是送風機RB動作后，目標負荷自動給定150 MW，經(jīng)汽機主控PID輸出的結果。就是這1 s，導致汽機跟隨運行方式延后了1 s才實現(xiàn)，最終造成了鍋爐超壓，機組保護跳閘。

事后通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，這次2#機組非停正是在2#機組DCS邏輯組態(tài)時，相關邏輯時序問題沒有做過多考慮而造成的一個嚴重后果。

4 結論

由此可見， DCS邏輯組態(tài)中時序問題至關重要。很多人認為DCS控制周期足夠快，從而忽視了在DCS邏輯組態(tài)中對時序問題的細致考慮。通過以上分析發(fā)現(xiàn)，同樣的算法塊,如果采用不同的時序會得到完全不同的運算結果。這樣造成的后果，輕者會使DCS的輸出信號滯后一個控制周期，重者則會導致DCS邏輯保護誤動、拒動，進而直接影響發(fā)電機組的安全運行。

為此，在進行DCS邏輯組態(tài)中，一定要對算法的時序問題引起足夠的重視。要清楚被控系統(tǒng)的運行方式和運行要求，并結合控制邏輯圖，知曉邏輯要實現(xiàn)的功能以及要達到的目的；同時，在DCS中進行邏輯組態(tài)時，同一邏輯圖中不同算法塊執(zhí)行的先后順序要合理排列，不同邏輯圖的位號在DCS中按照執(zhí)行流程要合理排序。尤其是在邏輯異動，需要在已有算法塊中新增算法時，更需謹慎。最后，就是要盡量創(chuàng)造條件，模擬被控系統(tǒng)或設備的實際運行狀況，做好相關試驗，以此驗證邏輯組態(tài)時序的正確性。

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