DCS性能测试内容、方法简介

DCS性能测试内容、测试方法简介一、概述.关于必要性目前，DCS已广泛应用到各火力发电厂以及其他过程控制系统中，数量巨大，品种繁多，如何进行横向比较、并为新建机组设计选型提供依据。在DCS投产后作为对系统验收的技术手段。DCS在实际运行中也逐渐暴露出一些问题，小到运行维护的不便，大到DCS的全面瘫痪，如何提前预知系统的情况。在运DCS的适应性问题，如何判定其还满足及适应当前过程控制的需要（技术性和功能性方面）。2.1测试方案所含内容“DL/T659-1998火力发电厂分散控制系统在线验收测试规程”为我们的测试工作提供了主要依据，但该规范只对DCS的相关性能提出了测试要求，但对实现方法并未作明确的和过多的表述。4.主要测试仪器概述序号名称型号主要技术参数用途1多功能热工信号校验仪（DRUCK）TWX—II量程：（输入/输出）（0-24）mA、（0-500）Q（0-10）V、（0-100）mV分度号：K、J、E、T、R、S、Pt100等精度：0.02%用于通道校验、抗干扰试验中的参考信号2可编程脉冲发生器（自制）自制同时输出4路脉冲宽度可调的脉冲，时间精度0.1msSOE测试3高速数据采集器（北京优采公司、软件自制）UA300A量程：（0-10）V精度：0.05%控制器运算周期测试序号名称型号主要技术参数用途4多功能数字信号源（FLUKE）5500A直流电压、电流交流电压、电流精度：0.01%抗干扰能力测试5数字方用表（FLUKE）FLUKE187量程：DCV、ACV、DCA、ACA等精度：0.1%工具二、DCS测试项目DCS测试项目从其性质来看，可将其粗分为两类性质的项目：功能型、参数型、.输入和输出功能检查该项目主要检查输入通道测量、显示、计算、滤波、报警等功能。I/O通道精度测试基本上类似于通道校验，对模拟量I/O、DI、DO通道进行测试。模拟量I/O通道（含热电偶、热电阻通道）选择5点进行精度校验。DI通道进行噪声容限的检查。DO通道目前仅对通断进行检查，意义不明显。输入参数真实性判断功能的检查可与I/O通道精度测试同时进行。超量程时CRT显示对前述选取的（4—20）mA输入通道、热电偶、热电阻测量通道，缓慢输入超过量程的信号，在超过量程上限约10%、下限量程-10%处在工程师站及操作员站的CRT上均能正确指示坏值，应符合规范要求。断开输入回路时CRT显示人为断开前述所选AI输入通道的测量回路，在工程师站及操作员站的CRT均有相应坏值指示，符合规范要求。输入参数正确性修正功能检查主汽流量、汽包水位的修正功能通过组态图检查主汽流量及汽包水位的温度、压力修正功能，逻辑结构及参数设置正确。该项目作为DCS测试项目感觉有点不太适合，因与具体的组态实现有关，应属于MCS的内容。热电偶通道冷端温度补偿对所选热电偶测量通道解开外部输入连接线，将输入短接，CRT上显示冷端温度，该功应正常，并符合其技术说明书的要求。1.2.3输入参数二次计算功能检查输入参数二次计算功能指AI模件对测得的信号进行工程量转换（含流量开方运算等）、限幅等。实际一般做法是检查给水流量信号开放运算处理正确功能；检查A、B侧主汽温自动选择功能（平均值选择、大值选择、小值选择功能）；检查凝结器补水流量显示及累计功能。组态对开方、平均、差值、最大值、最小值和累计值的计算功能均正确。1.3.4输入参数越限报警功能检查规范规定系统测量通道可由组态在其整个量程范围内设置其报警点，当测量值达到报警设定值后，在工艺画面上相应测点变色，以提醒操作员注意。一般做法是测试选取两路AI通道进行测试，在单点组态中设置其量程的20%为低限点，80%为高限点，如组态支持还可设置切换差，对报警点的上切换值、下切换值进行测试，切换差应满足技术说明书要求，或一般说来小于其通道的允许误差。1.3.5输入参数数字滤波功能检查检查通道数字滤波功能，该功能一般采用一阶惯性环节实现滤波功能。一般做法是：选择一路AI测量通道，分别设置通道滤波时间常数为2、5、8秒，加通道量程的50%正、反向阶跃信号，记录通道相应曲线，通过估算其时间常数确认滤波功能正确。.人机接口检查操作员站和工程师站基本功能检查各操作员站的工艺流程画面调出、运行操控、报警提示及浏览、SOE事故记录查阅等基本功能均正常。操作员站的组态逻辑调出、实时监视、参数修改、组态修改、控制站状态监视等基本功能均正常。操作员站之间的闭锁和保护功能的检查同时在2台不同的操作员站（OIS）上调出某相同设备（如某软手操站或某执行机构）进行相反方向的操作，先操作的OIS自动屏蔽后操作的OIS的操作，直到先操作的OIS上的操作停止为止。操作员站之间的闭锁和保护功能正常。.显示功能检查显示分区的划分及使用方法的检查操作员站画面通过菜单形式可进入到各工艺流程主画面及主要功能画面，在主画面中可通过画面上相关按钮进入更详细的子画面。显示画面种类及数量的检查显示画面种类包括流程图、参数图、实时趋势图、历史趋势图、棒形图和报警图等，满足机组运行的监视及操控需要。画面更新频率及更新数据量的检查选取操作员站上各类型画面，测量其调出相应时间，如台山电厂3号机组DCS的测试数据如下：序号画面调出操作方式调出时间（秒）画面数据量1从下拉菜单“Plant”进入画面“DISPLAYOVERVIEW”<1约50点2从画面“DISPLAYOVERVIEW”进入画面“TURBINEDRAIN”<1约50点3从画面“DISPLAYOVERVIEW”进入画面“HP/LPBYPASS”<1约50点4从卜拉菜单“Plant”进A@^“EXTR/HEATER”<15从画面“PROCESSOVERVIEW”进入趋势画面3约3.06从画面“PROCESSOVERVIEW”进入趋势画面20约2.77进入SOE画面18调出画面“AIR&FLUEGAS”约1.系统容错能力的测试系统容错能力包括：供电系统的冗余切换功能、键盘操作容错功能、通信容错能力及过程控制站（DPU）的容错能力。供电系统切换功能测试该项目目的是检查DCS供电系统的冗余功能是否正常。目前DCS一般采用APS和UPS两路冗余供电，当其中一路电源失去，系统应实现自动无扰切换。因此测试方法也是，先切除一路电源，观察各DPU、工程师站、操作员站等设备是否掉电重启。然后恢复该路电源，并进行另一路的切换。进行该项测试时应首先弄清系统的供电方式、切换方法以及各路电源所带负载的范围。键盘操作容错测试选取了两台操作员站及一台工程师站的键盘，多次按下未经定义的单键和双键时，系统无出错和死机情况出现，符合规程要求。通信容错能力测试该项目是用来检查通信系统的冗余切换功能是否正常。需注意的是，DCS通信系统往往是分层结构的，如实时网与数据网，以及DPU内的通信总线等，因此应分别测试。另外，各层网络对于不同的生产商，其网络拓扑也有不同，如星型与环网型等，冗余的方式也可能不同，如交换机的冗余、通信卡的冗余等，因此测试前应弄清网络拓扑、运行协议、冗余方式等情况，针对其每一项冗余措施来进行测试。一般做法有进行通信模件冗余测试、HUB或交换机冗余、通信电缆冗余的测试。过程控制站的冗余功能测试在DCS中过程控制站一般都采用冗余方式运行，一台作为主站运行，另一台处于热备用状态，及随时监视主控制站的运行情况，一旦检测到主控制器故障，付控制器立即无扰切换到主运行方式，期间不得丢失数据或产生错误输出。测试中一般做法时使主DPU模件停止或掉电，使付模件切换，期间检查操作员画面、工程师站画面、以及M/A站（模拟投入自动）是否有状态的变化。.时钟同步精度测试本项目用于测试各DPU站的时钟是否同步，只有时钟同步，各站的信号才能进行精确的时间比较，而实际上，有些DCS的时钟无法做到精确同步，因此在如SOE等对时间顺序要求严格的场合采用了特殊的处理，如将所有SOE通道集中在同一个DPU站内。一般测试方法是，将多路可编程顺序脉冲发生器的各输出接到至少3个不在同一DPU站的SOE通道上，然后发出时间间隔为0ms的相同脉冲，通过SOE的时间记录检查其时间是否相同；如果无法在其他DPU站上找到SOE脉冲，则只能找DI通道代替，由于DI通道的延时去抖功能，使得测得的时间无法正确反映信号发生的时刻，因此只能得出时钟同步精度不低于多少的结论。.SOE时间分辩力测试该项目用于评定SOE通道对事件发生的时间分辨力，这包括同一SOE模件通道的时间分辨力和不同SOE模件通道的时间分辨力，因此应分别测试。按照规范要求，SOE时间分辨力应在（1〜2）ms内。在同一SOE卡件上的时间分辩力测试选择某模件的4个通道进行测试。通过输入各时间间隔不同的多路脉冲，查看其能正确分辩时间间隔的能力。如从2ms时间间隔开始发出信号，注意对每一个时间间隔点发出的信号脉冲应是正反顺序两个方向，即按所接的通道顺序，以顺序和反序分别发出间隔脉冲，主要作用是防止所发脉冲顺序与SOE模件的采样顺序相同而使测试结果错误。6.2不在同一SOE卡件上的时间分辩力测试方法与在同一SOE卡上的时间分辨力测试方法相同，只是所选通道应分布在不同的SOE卡件上（一般在同一DPU内）。.控制器处理周期测试该项目用于检查各控制器的运算周期是否稳定，以判断DPU运算的稳定性、可靠性，以及DPU内组态的运算负荷分配是否合理。控制器计算周期不稳定可能会给一些实时性要求高的应用带来不确定性，对于在组态中有通过运算周期值进行累计运算的场合也会带来较大的误差。一般测试方法是，选取不同的功能控制器进行如下步骤的测试：a）在DCS组态中增加左图所示的逻辑，并将其输出直接接到同DPU内的DO通道上。从该图可知，非门每一次的状态变化即表示一个运算周期。 b）将DO输出接至高速数据采集 N0T器（对于DO继电器可不用取出，由 |于继电器的滞后仅20ms左右，且稳DO定，因此对一般所测的100ms以上运 图4DPU实际运算周期测试逻辑算周期影响不大）。c）利用采集软件进行采集，并检查采集信号各周期信号的高电平和低电平长度是否符合标称值，是否稳定。d）如功能控制器内有不同的运算周期，则改变DPU运算周期（需征得用户和厂家得同意），再次进行测试。某一测试曲线如下:的10个（或以上）的周期值，计算其平均值，但仅用均值还是不够的，应采用一指标评定周期的波动范围，可考用虑标准差，即随机选取至少5组的连续10个周期，计算各组平均值，和实验标准差，再计算各组平均值和标准差的均值，当然，采用人工计算方式比较麻烦，可采用软件自动计算。.抗干扰能力测试该项目包含3个分项，可以对系统总体抗干扰能力进行评价。系统接地方式检查DCS系统接地原则是一点接地，及逐级汇接方式。规范的接地方法应该是，机柜与基础绝缘，柜内至少应使保护地和信号地分开。保护地排接入现场来电缆的屏蔽层、电源保护地、机柜框架。信号地排专用接入模件信号地线。二者各单设一条带绝缘层的地线接至电子间总汇流地排，并由总汇流排接至地网。经常容易发现的问题是：机柜与基础不绝缘、保护地与信号地混接等。目前正在申请的接地电阻测试仪和地线电流测试仪可进一步定量测试系统接地效果，及地电流大小。测量通道抗干扰能力测试测量通道抗干扰能力可通过通道直流（交流）共模抑制比、串模抑制比来定量测试。其值应不小于说明书技术参数。该项目取自于“数据采集校准规范”2）输入通道共模抑制比测试（交流要用峰值）按下图方式接线。给通道输入端加上一直流电压，其值为满量程的1/2〜2/3,然后按直流与交流两种情况分别逐渐增大共模干扰电压，使通道显示值有一个明显的AUcm变化，记录此时共模干扰电压值Uc。按下式计算交、直流共模抑制比。直流共模抑制比 CMRRd=20lg(Ucd/AUcmd)交流共模抑制比 CMRRa=20lg(Uca/AUcma)注意：在进行该项测试时，必须确认被测通道为双端输入方式(即浮空方式)所加共模干扰信号必须小于技术说明书的规定值b)串模抑制比测试按下图方式接线。给通道输入端加上一直流电压，其值为满量程的1/2〜2/3,然后逐渐增大串模干扰电压，使通道显示值有一个明显的AUnm变化，记录此时串模干扰电压值Un。按下式计算串模抑制比。串模抑制比 NMRR=20lg(Un/AUnm)图1 图2注意：在进行该项测试时,所加串模干扰信号必须小于技术说明书上的允许值。c)几个注意的问题一所加的共模或串模信号大小除满足说明书要求外，一定要征得用户和厂家的同意。一通道在受到干扰后的表现可能是示值的漂移或波动、或二者结合。此时应分

别取偏移量、波动量和二者合成值（简单方和根）作为变化量来进行计算。—当干扰信号加至最大允许值后，通道仍未表现出明显的变化，应停止继续增大信号。增大信号时也应注意输入错误，尤其过大的信号而击穿通道。—一般选取电压或热电偶通道进行测试，若选取电流通道进行测试，则在进行串模抑制比测试时可能因信号不匹配（?）的问题而无法进行。下面给出一组实测数据及计算。通道项目未加干扰时示值所加干扰信号大小显示示值变化量抑制比备注30MAi直流共模抑制比299.07℃从0V开始缓慢增压直到40V1.14℃换算为电压为0.047mV119dBq交（流通模抑制比299.04℃28VAC有效值，换算为峰峰值为79.2V±3℃波动换算为电压为0.125mV116dB串模抑制比299.16℃17mVAC有效值，换算为峰峰值为48.1mV1.47℃换算为电压为0.096mV54dB30HAH直流共模抑制比300.00℃从0V开始缓慢增压直到42V3.15℃换算为电压为0.131mV110dB［交CTo共模抑制比300.42℃27VAC有效值，换算为峰峰值为76.4V2℃换算为电压为0.084mV119dB串模抑制比（交流？）300.54℃17mVA有效值，换算为峰峰值为48.1mV1.5℃换算为电压为0.085mV55dB系统抗射频干扰能力测试用功率为5W、频率为400MHz〜500MHz的步话机作干扰源，距敞开柜门的I/O柜、模件柜及控制器柜1.5m处工作进行测试，经检查对应模件、控制器状态及系统组态，系统工作正常。一般说来热电偶通道因被测信号微弱、且具有高输入阻抗而易受到干扰。.控制回路响应时间测试该项目用于测试DCS控制回路的实际相应时间。一般方法是，选择2对分属不同DPU的DO、DI通道，并用导线相应连接，从操作员站上发出控制指令，经DO输出后由对应DI通道返回，并使CRT上相应状态改变，测量从该指令发出到CRT上相应状态改变之间的时间。控制回路响应时间应符合规程“不大于2.5秒”的要求。.系统实时性的测试该项目包含模拟量信号和开关量信号采集实时性的测试。模拟量实时性测试该项目规范未作过多说明，其实时性含义不明，一般来说，模拟量实时性指A/D转换器的转换时间（含多路开关转换时间）。但由于无法直接测得AI模件的直接采集数据速率，因此该项目无法进行。曾经用CRT屏幕的显示来进行测试，但测得结果实际上被CRT的数据刷新率所限制。开关量实时性该项目的实际测试方法实际成为开关量通道的分辨力测试。做法是，用顺序脉冲发生器对一路DI通道送出某一时间间隔的脉冲信号，考察DCS能否进行分辨，即不丢失脉冲个数。逐渐减小脉冲间隔直至通道丢失脉冲，此最小间隔即为其实时性，该值应符合技术说明书要求。DI通道的分辨力至少受限于其延时去抖时间。.系统各部件的负荷测试该项目包含中央处理单元的负荷率、及数据通信总线的负荷率的测试。该项测试应在发电机组的启动、升负荷及满负荷三种状态下分别进行，在每种状态下测试3次，取其平均值，每次测试时间为10s。中央处理单元的负荷率该项目目前来说进行比较困难，除非厂家在DCS上附带测试软件（如新华等），或系统平台为windows系列，利用windows中CPU负荷率测试功能，否则无法测试。数据通信总线的负荷率对于以太网（如新华系统）可利用网络测试仪测试网络通信负荷率。.现场干扰电压的测试分别测量各种类型输入端子处的实际共模干扰和串模干扰的大小。实际共模干扰电压应小于输入模件抗共模电压能力的60%；实际差模干扰电压所引起的通道误差应满足：NMRUN%/■1020 0.05%其中：UN%--变送器回路中的交流分量与变送器量程之比。NMR一串模抑制比.系统可用率考核按“口匕/1659-1998”中第8条方法进行。该项目要求电厂有关DCS维护记录完整、可靠。通过DCS维护记录，统计DCS正式投入使用后的连续3个月时间里出现故障的类型和出现故障的持续时间，按照《口匕/1656—1998,火力发电厂汽轮机控制系统在线验收测试规程》中“附录A分散控制系统加权系数”规定的“硬件加权系数”和“软件加权系数”）计算系统的可用率。系统可用率A的计算公式如下：A==f义100%tx-nfifi=1式中 t「一实际试验时间，它等于整个连续考核统计时间扣除由于非本系统因素造成的空等时间；tf一故障时间，它是指被考核系统中任一装置或子系统在实际试验时间内因故障而停用的时间，经加权后的总和；tfi—第i个装置或子系统故障停用时间；Kfi—第i个装置或子系统故障加权系数，加权系数参见“DL/T659-1998”之附录A。.输入输出点接入率和完好率的统计输入输出点接入率统计模拟量I/O点数接入率统计检查统计原设计中系统所有的模拟量I/O点数D1；检查统计实际所有接入系统的模拟量I/O点数11；计算系统模拟量I/O点接入率J1。J1=今义100%1开关量I/O点数接入率统计检查统计原设计中系统所有的开关量I/O点数d2；检查统计实际所有接入系统的开关量I/O点数i2；计算系统开关量I/O点接入率J2J2=,义100%2总输入输出信号接入率J统计J按下式计算，且应不小于99%。J=1+/2*1