分散控制系统的控制周期及系统响应时间测试方法的探讨

分散控制系统的控制周期及系统响应时间测试方法的探讨胡晓花等来源：2010年全国发电厂热工自动化年会点击数：424更新时间：2010-11-2611:37:08胡晓花张秋生（神华国华（北京）电力研究院有限责任公司北京100069）【摘要】通过对分散控制系统进行性能测试，可以为新机组DCS的验收提供客观、有效的测试手段，探讨在DCS验收中测试方法；DCS的性能测试还可以作为DCS定期维护的一个重要方法，并为DCS的进一步优化提供有力的参考；对各制造商以及各类型DCS测试的数据积累，还可以为今后DCS的设备选型、评价提供科学、客观的依据。本文通过分析、归纳和总结，探讨较为完整、实用的测试方法。【关键词】分散控制系统测试控制1引言随着DCS在国内电力系统大量的应用，DCS的重要性也显得越来越重要。行业制订并修订了“DL/T659-2006火力发电厂分散控制系统在线验收测试规程”，这是专门用于DCS性能测试的规程，它对DCS的主要设备和一些重要功能提出了相应的测试项目，其规定测试内容主要有人机接口检查、输入输出功能检查、显示功能检查、系统容错能力测试、控制器处理周期测试、时钟同步测试、SOE时间分辨力测试、各部件负荷率测试、系统实时性测试、系统抗干扰能力检查、系统可用率考核等。其被测试的对象也几乎包含DCS的各主要部分，如操作员站、工程师站、打印机、过程控制站、SOE系统、通信系统等。总体上说，该规程是一份相对较为系统的测试规程，具有很高的参考价值，但在部分性能的测试项目上，只是提及需要测试的项目，具体测试方法不够深入与细致，本文结合规程规范在具体的几个工程中FAT阶段进行了DCS性能测试，对部分性能进行了细致的测试，可操作性较强，本文进行总结，进一步进行探讨。2DCS控制周期测试DCS的控制器运行在实时操作系统上，控制器内的调度子系统完成任务的定时调度，通常这一部分以一基准执行周期接受时钟中断，根据调度表靠控制内部计数器的办法，安排所注册的周期，来执行任务。调度子系统控制控制器内多任务相对确定的执行顺序和稳定的执行负荷。正常运行时，由周期调度任务按配置好的调度时间表设置各任务的启动条件，保证整个控制器的执行确定性。控制器内执行处理子系统主要完成控制运算和数据传输功能，按调度节拍，每次执行一个“接收新数据一计算一发送新数据”的循环。控制器内的各个组态页面就是需要完成的运算任务，页面在周期调度系统的调度下按设定的周期运行。由于不同的页面有不同的测点和运算逻辑，有的运算速度要求较高，有的运算速度要求较低，因此一般DCS都可由用户设置各页面的处理周期，周期设置值一般可从25ms至500ms等多档。例如对于火力发电厂的电气控制和汽轮机转速控制等逻辑，因被控对象的时间响应很快（约几十毫秒），就应设置较短的运算周期，同时还要严格控制该控制器内组态逻辑页面的数量，以避免CPU负荷过重无法完成页面周期的设定值要求。页面的运算周期在CPU的允许负荷内应保持一定的稳定性，如果周期不稳定则会使这些时间值失准，影响控制作用。当控制器页面运算周期不稳或达不到要求值时，往往表明控制器的CPU负荷率过大，无法按要求周期完成页面的运算。2.1测试方法（1）DCS系统测试用组态控制逻辑：（2）测试接线：将被测试的DO输出点，通过硬接线，接至另一DI通道上（目的是利用该DI通道的查询电压，为示波器提供用来测量的电平信号）。2.2测试数据过程及数据处理规程规范中要求测试控制器处理周期，应选择模拟量控制器、开关量控制器、DEH控制器、MEH控制器分别测试处理周期。一般火力发电厂的FSSS系统和MCS的协调控制系统控制器的负荷较重，逻辑组态最为复杂，逻辑控制回路较多，之间又紧密联系不可分割，所以在出厂验收阶段建议选取该部分的控制器进行控制周期的测试。某工程在FAT阶段，经过分别对FSSS和MCS两个控制器进行不同设定控制周期的测试，分别重复测试10次，剔除测试所得的最大值和最小值，算出平均值，即为该控制器的处理周期。其测试记录如下：图1Fsss设定为50ms测试曲线图2Fsss设定为100ms测试曲线图3MCS设定为125ms测试曲线图4MCS设定为250ms测试曲线当设定控制周期在50ms时，控制器平均响应时间为86.44ms；当设定控制周期在100ms时，控制器平均响应时间为112.44ms；当设定控制周期在125ms时，控制器平均响应周期为119.40ms；当设定控制周期在250ms时，控制器平均响应周期为172.80ms。因此，均可保证控制器响应时间不大于两个扫描周期。[1][分散控制系统的控制周期及系统响应时间测试方法的探讨胡晓花等来源：2010年全国发电厂热工自动化年会点击数：426更新时间：2010-11-2611:37:083DCS系统实时性测试系统实时性测试实际就是对CRT画面响应实时性、模拟量采集实时性、开关量采集实时性、SOE信号测量实时性、时钟同步精度、控制器页面运算周期及控制系统响应时间的测试。一直以来系统实时性中的许多项目都较难测试，本文在某工程的FAT中，根据实际测试中积累的经验，对模拟量和开关量的响应时间进行了测试，通过对响应时间的分析，得出了性能具体参数。3.1模拟量控制CRT操作响应时间测试（1）测试方法与步骤：ü选取任一个调节门控制逻辑，并其置为手动控制方式；ü将该调节门输出控制指令的AO点，通过硬接线接至本控制器的另一AI卡件的任一AI通道上（用来记录该点的动作时间）；ü在CRT操作画面上，采用设置调节阀开度的方式，使其输出控制指令变化，由0升至25、由25升至50、由50升至75、由75升至100，再由100降至50、由50降至0；ü通过调用操作操作员事件记录，查看CRT上发出开度命令的时间值（操作员事件记录精确到秒）；ü再调出上述AO点和AI点的历史记录曲线，在该曲线中查出，当开度设定值操作命令发出后，其模拟量输出变化到设定的开度值时的时间值（精确到秒）；ü上述两个时间值之差即为操作员站发出模拟量控制命令时的响应时间。ü将操作员事件记录与历史记录曲线（将时间光标放在测试点上）同放在一个窗口内，拷屏、存盘。（2）测试示意图：（3）测试数据处理及分析：时间输入时间输出时间响应时间第一次在操作员站上，将阀门开度值设置为25，打入回车键时时间为：14点18分00秒输出AO由0升至为25的时间为：14点18分01秒；1S第二次在操作员站上，将阀门开度值设置为50，打入回车键后时，时间为14点18分30秒；当输出AO由25升至为50的时间为：14点18分31秒；1S第三次在操作员站上，将阀门开度值设置为75，打入回车键时，时间为14点18分40秒；输出AO由50升至为75时，其时间为：14点18分41秒；1S第四次在操作员站上，将阀门开度值设置为100，打入回车键时，时间为14点18分50秒；当输出AO由75升至为100时，其时间为：14点18分51秒1S第五次在操作员站上，将阀门开度值设置为50，打入回车键时，时间为14点19分10秒；当输出AO由100降至为50时，其时间为：14点19分12秒2S第六次在操作员站上，将阀门开度值设置为0，打入回车键时，时间为14点19分20秒；输出AO由50降至为0时，其时间为：14点19分22秒2S经6次开关操作试验，每次CRT操作，其输出控制命令的响应时间不大于2秒。（规程要求响应时间应不超过2.0S）模拟量操作响应时间记录曲线（注：记录曲线中，红色为AO指令输出点；绿色为测试记录用AI点）分散控制系统的控制周期及系统响应时间测试方法的探讨胡晓花等来源：2010年全国发电厂热工自动化年会点击数：427更新时间：2010-11-2611:37:083.2开关量控制CRT操作响应时间测试（1）测试方法与步骤：ü选取任一个电动门控制逻辑（选取单DO控制的电动门）；ü将该电动门输出控制指令的DO点，通过硬接线接至本控制器的另一DI卡件的任一DI通道上（用来记录该点的动作时间）；ü在CRT操作画面上，操作该电动门的开、关按扭，使该电动门发出开或关的指令；反复进行开、关操作5次；ü通过调用操作操作员事件记录，查看CRT上发出操作开、关命令的时间值（操作员事件记录精确到秒）；ü再调出上述DO点和DI点的历史记录曲线，在该曲线中查当开操作、或关操作命令发出后，该点的变位时间值（精确到秒）；ü上述两个时间值之差即为操作员站发出命令的响应时间。ü将操作员事件记录与历史记录曲线（将时间光标放在测试点上）同放在一个窗口内，拷屏、存盘。（2）测试示意图：（3）测试数据处理及分析：测试次数操作发出时间（操作员事件记录中）开操作DO指令发出时间（测试用DI点曲线记录中）响应时间第一次开：10点52分00秒开：10点52分00秒1S关：10点52分17秒关：10点52分17秒1S第二次开：10点52分35秒开：10点52分35秒1S关：10点52分48秒关：10点52分48秒1S第三次开：10点52分59秒开：10点52分59秒1S关：10点53分13秒关：10点53分13秒1S经10次开关操作试验，每次CRT操作，其输出控制命令的响应时间均小于1秒开关量操作响应时间记录曲线（注：记录曲线中绿色为DO指令输出点；红色为测试记录用DI点）4结束语通过对新建机组DCS的验收测试可以较全面、客观地给出DCS功能正确性、易用性的评价以及了解主要技术参数是否符合相关规定，使用户对自己的DCS有一个全面的了解，并根据测试结果中的问题向制造商提出整改方法。通过控制周期的测试，提供确保其负荷率满足规程要求（不应大于40%）依据，若负荷率大于规程规定值，则建议调整组态控制逻辑，或增加控制器对数，以满足控制器负荷率及控制周期的双重要求（二者均需满足）。通过控制周期及响应时间测试，可以为电厂用户提供设备选型的依据。各制造单位由于行业、技术背景的不同使其产品的设计理念互有区别，这种区别直接影响到了产品的功能与结构，同时又由于其研发实力、制造技术等因素的影响，使得其产品性能、造价也各有差别。从实际使用的情况来看，用户在选型阶段往往缺乏足够的技术信息，虽然一些功能性的特性诸如界面、报表、故障率等可以通过向以往用户了解得到，但对系统的技术参数只能以制造商的介绍为准，DCS测试项目由于兼顾了系统功能与性能的测试，可以得到较为全面的结果，尤其对于一些重要的技术参数可以得到直观的数据结果，对于不同的DCS可以进行直接的横向比较。因此，对各种DCS的测试积累，其测试结果可以为新机组的DCS选型提供技术性能方面最为可靠的依据。本文为实际DCS验收时总结，其测试方法可为其它工程DCS验收时参考。参考文献：[1]张林明.分散控制系统验收测试规程.中华人民共和国国家发展和改革委员，2007年[2]王琦.分散控制系统（DCS）性能测试方法的研究.华南理工大学硕士论文，2006年作者简介：胡晓花：女，汉族，从事热工自动化设计、研究与工程咨询工作。工作单位：神华国华（北京）电力研究院有限责任公司；地址：北京市丰台区开阳路#1瀚海花园大厦10-9室（100069）；联系电话：[phone]；传真：[phone]；电子信箱：[e-mail]