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

1. 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. 我室本项目开展的相关情况

2.1 我室测试方案所含内容

最早，在进行数据采集系统（DAS系统）性能测试方面的研究，参考规范为“JJG 1048-95数据采集系统校准规范”，但该规范的测试对象偏重高速数据采集系统，与电厂控制中的DAS系统有不小的区别，但其中系统抗干扰能力测试等项目被吸收到后来的DCS性能测试方案中。

DCS测试的实际需求及相关测试规范的出现，使我们的工作转到DCS性能测试上来。“DL/T 659-1998 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。通过我们的努力，对规范中绝大多数测试项目形成了具体的测试方法。

另外，考虑到DCS中通信网络的重要性，参照常规局域网络现有的测试项目和仪器，增加了一些对网络链路层及物理层的测试项目（其中对于物理层的测试因仪器购置问题还未正式开展）。

综上，我室的DCS性能测试方法是以“DL/T 659-1998火力发电厂分散控制系统在线验收测试规程”为主，并包含了测量系统抗干扰能力、网络性能测试方

面内容的一套方法。 2.2 应用情况

最早应用在珠江电厂控制系统改造后的评价测试中，然后逐步应用到各新建机组的DCS性能测试，以及在运的DCS检修中的测试。

实际测试中，根据用户需求，有全项目的测试和部分项目的测试。

已测试的DCS有新华的XDPS、贝利的INFI90、西门子公司的TELEPERM XP、以及西屋、哈特曼布朗、和利时、三菱等公司的DCS系统。

3. 目前存在的问题

由于对规范的理解还不充分，个别项目的测试可能存在理解上的偏差； 规范上个别项目的描述不太清晰，定义不明，使得测试工作不好开展； 网络测试部分，我们的测试仪器只能对以太网进行测试，对于一些DCS采用

的其他协议的网络还无法进行测试工作。

如何进一步完善测试项目，如针对“25项反措”中防止DCS失灵，制定测

试项目，评估当前系统各方面存在的缺陷。

4. 主要测试仪器概述

序号 名称 型号 主要技术参数 量程：（输入/输出） （0-24）mA 、 (0-500)Ω 1 多功能热工信号校验仪 （DRUCK） TWX－Ⅱ 用于通道校(0-10)V 、 (0-100)mV 验、抗干扰试验中的参考分度号：K、J、E、T、R、S、信号 Pt100等 精度：0.02% 2 可编程脉冲发生器（自制） 高速数据采集器 3 （北京优采公司、软件自制） 多功能数字信号源（FLUKE） UA300A 自制 同时输出4路脉冲宽度可调的脉冲，时间精度0.1ms 量程：（0-10）V 精度：0.05% SOE测试 用途 控制器运算周期测试 抗干扰能力测试 4 5500A 直流电压、电流 序号 名称 型号 主要技术参数 交流电压、电流 精度：0.01% 量程：DCV、ACV、 用途 数字万用表 5 （FLUKE） FLUKE187 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、

1. 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。 1.1 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。 1.2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。 1.2.1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。 1.2.2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。 1.3输入参数正确性修正功能检查 1.3.1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。 1.3.2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。

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。

2. 人机接口检查

2.1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。

2.2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。

3. 显示功能检查

3.1 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。 3.2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。 3.3 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 1 2 画面调出操作方式 从下拉菜单“Plant”进入画面“DISPLAY OVERVIEW” 从画面“DISPLAY OVERVIEW”进入画面“TURBINE DRAIN” 从画面“DISPLAY OVERVIEW”进入画面“HP/LP BYPASS” 从下拉菜单“Plant”进入画面“EXTR/HEATER” 从画面“PROCESS OVERVIEW”进入趋势画面3 从画面“PROCESS OVERVIEW”进入趋势画面20 进入SOE画面 调出画面“AIR&FLUEGAS” 调出时间（秒） <1 <1 画面 数据量 约50点 约50点 3 4 5 6 7 8 <1 <1 约3.0 约2.7 1 约1 约50点 -- -- -- -- --

－ 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 直流共比 交流共模抑制比 串模抑制比 299.16℃ 299.04℃ 30MAN11CT001 30HAH51CT001

8.3 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

未加干扰所加干扰信显示示值变时示值 号大小 化量 从0V开始1.14℃ 119dB 到40V 为 0.047mV 抑制比 备注 模抑制299.07℃ 缓慢增压直换算为电压28VAC有效±3℃波动值，换算为换算为电压峰峰值为 79.2V 17mVAC有1.47℃ 效值，换算换算为电压为峰峰值为为0.096mV 48.1mV 直流共比 交流共模抑制比 串模抑制比(交流？) 300.54℃ 300.42℃ 从0V开始3.15℃ 模抑制300.00℃ 缓慢增压直换算为电压到42V 为 0.131mV 27VAC有效2℃ 值，换算为换算为电压峰峰值为为0.084mV 76.4V 17mVA有效1.5℃ 值，换算为换算为电压峰峰值为为0.085mV 48.1mV 为 0.125mV 116dB 54dB 110dB 119dB 55dB 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。

9. 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。

10. 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。 10.1 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。 10.2 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。

11. 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。

11.1 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。

11.2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。

12. 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：

UNNMR20?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—串模抑制比

13. 系统可用率考核

按“DL/T659-1998”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《DL/T656—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?tt?tftt?100%ni?1 tf??Kfitfi式中 tt-—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—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。

14. 输入输出点接入率和完好率的统计

14.1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I1； 计算系统模拟量I/O点接入率J1。

J1?I1?100% D114.2 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J2

J2?I2?100% D214.3 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?I1?I2?100% D1?D214.4 输入输出点完好率统计

a) 开关量点完好率统计

按原设计的开关量总数的5%抽检DI、DO点KD点； 统计抽检点中合格（要求是什么？）的I/O点点数RD； 计算DCS 开关量点完好率FD

FD?RD?100% KDb) 模拟量点完好率统计

按原设计的DCS的模拟量总数的5%抽检AI、AO点KA点； 统计抽检点中合格的I/O点点数RA； 计算DCS 模拟量点完好率FA

FA?RA?100% KAc) 计算DCS I/O点完好率F

F?RD?RA?100% KD?KA

15. 关于还未开展的网络布线参数测试项目

网络线路质量的下降尤其是在传输速率较高的网络上，如由于分布电容、连接电阻等参数的变化引起的线路特性阻抗变化，以及接地电阻增加、沿线路干扰的增加等因素，极有可能会导致误码及碰撞现象的增加，降低通讯效率、影响通讯质量，严重时可能会造成通讯系统瘫痪，据有关资料统计，局域网50%或以上的故障均与线路质量有关。因此对于任何网络，布线参数都是评价网络特性的重要指标。

布线参数及其他网络测试项目如下： 15?1 电缆特性阻抗测试

测试电缆的特性阻抗在整条电缆上是否保持为规定值，电缆上任何一点特性阻抗的突然变化会产生“反射”，有可能造成碰撞或帧破损。 15?2 近端串扰测试

测试以太网中，发送与接收线对间互扰程度。

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