CN103279121B - 分散控制系统控制器实时性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种分散控制系统控制器实时性能测试方法，该方法包括以下步骤：（1）测试组态；（2）处理周期实际测试；（3）计算出实际处理周期；（4）计算出控制器实时性能指标：β₁的值和β₂的值越是分别接近1，而β₃的值和β₄的值越是分别接近0时，表明所测试的分散控制系统控制器的实时性能越好；反之，表明所测试的分散控制系统控制器的实时性能越差。使用本方法，1、能够通过试验的方式对分散控制系统控制器的处理周期进行实际测试；2、本方法所建立的分散控制系统控制器实时性能指标能够对分散控制系统控制器的实时性能进行有效而全面的评价。

Description

分散控制系统控制器实时性能测试方法

技术领域

本发明属于火力发电技术领域，尤其涉及一种火力发电机组的分散控制系统控制器的实时性能的分析测试方法，即控制系统控制器实时性能测试方法。

背景技术

近年来，随着我国电力事业的发展，模拟调节器已很少在大型火电机组上使用，取而代之的是分散控制系统〔DCS(英文全称为Distributed ControlSystem的缩写。)〕和数字电液系统〔DEH(英文全称为DigitalElectro-hydraulic Control System的缩写。)〕的广泛应用。DCS/DEH的功能十分强大，且控制策略灵活，可以满足电源/电网对机组控制的要求。而分散控制系统的控制器是实现火电机组过程控制的核心组成部分。其作用在于，该控制器根据A/D转换器转换来的现场输入信号进行相应的逻辑转化及数值计算后，经DCS/DEH计算得到相应的控制输出控制现场设备，进而实现对火电机组电力生产流程的过程控制。

DCS/DEH的控制器具有离散控制特性。每一处理周期，控制器根据其内部逻辑更新控制输出。因此，控制器的处理周期对控制系统的实时性有十分重要的影响。而那些对机组安全有重要影响的保护信号，更要求控制器能够及时对其进行处理，控制器处理周期对机组安全有重要意义。《火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程》(中华人民共和国部颁DL/T774-2004标准)规定：模拟量控制系统的处理周期不大于250ms，开关量控制系统处理周期不大于100ms；快速处理回路中，模拟量控制系统不大于125ms，开关量控制系统不大于50ms。因此控制器的实际处理周期是评估控制系统性能的重要指标。

现有技术中，有罗嘉在2012年5月出版的《电力建设》期刊中介绍的有关分散控制系统性能测试的关键技术。该技术提供了一种分散控制系统控制器运算周期的测试方法。该方法通过在DCS组态中增加1个运算逻辑，用于检查CPU的实际运算周期：当CPU实际运算该功能回路1次，则数字量输出状态发生1次变化，D0接至DCS端子排，用高速数据采集装置采集数字量输出信号，根据数字量输出的变化确定CPU实际运算周期。但是，尽管此方法能够实现对控制器运算周期的实际测量，却并未涉及到对控制器实时性能的评估和分析。此外控制器实时性能的内涵不仅包括了实际运算周期，同时也包含了控制器的实时输出精度。由于该方法所示用的数字量输出仅有‘0’和‘1’两种状态，因此也就无法测量控制器输出的实时精度，从而无法全面地反映控制器的实时性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对已知技术存在的缺陷，提供一种分散控制系统控制器实时性能测试方法。使用该方法可实际测量分散控制系统控制器的处理周期，并能够对分散控制系统控制器的实时性进行有效评估。

本发明的技术方案是，所提供的分散控制系统控制器实时性能测试方法，系通过配置待测试分散控制系统的控制器中的组态，并记录该控制器输出的特性曲线来测量所述分散控制系统控制器的处理周期，它采用一整套评估指标对待测试分散控制系统控制器的实时性进行评估。该分散控制系统控制器实时性能测试方法包括以下步骤：

(1)测试组态：在待测试分散控制系统的控制器中，利用该分散控制系统所配备的专用组态软件，配置一个累加器。使分散控制系统的输出，在经过每一控制器处理周期之时，按累加值C进行迭加。根据实际需要调整累加值C，累加值C的设定调整范围设在5～10％物理量程之间。当累加值C调整至小于设定累加值C的最小值时，所述累加器输出的变化趋势不明显，测得的控制器处理周期数增加；当累加值C调整至大于设定累加值C的最大值时，所述累加器输出的变化趋势明显，测得的控制器处理周期数减少。使用常规方法，通过上述组态软件将所述累加器的输出通道转换为待测试控制器的模拟量输出通道；

(2)处理周期实际测试：在上述待测试分散控制系统的控制器中，利用该分散控制系统所配备的专用组态软件，配置一台高速数据采样装置。将该装置与步骤(1)所配置的待测试控制器的模拟量输出通道联接。利用待测分散控制系统所配备的专用组态软件启动步骤(1)所配置的累加器，所述所配置之高速数据采样装置记录所述待测试控制器的模拟量输出通道的电压值的变化或电流值的变化，得到所述待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电压值变化阶梯曲线，或所述待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电流值变化阶梯曲线；

(3)计算出实际处理周期：依据步骤(2)所得待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电压值变化阶梯曲线，或待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电流值变化阶梯曲线，得到每一级阶梯所对应的宽度T_i(T表示宽度，i表示阶梯级数，T_i表示第i级阶梯所对应的宽度。)和高度C_i(C表示高度，i表示阶梯级数，C_i表示第i级阶梯所对应的高度。)。所述宽度T_i代表步骤(2)中附图1所示的阶梯曲线上，通过实际测试得到的控制器的第i个处理周期。理论上T_i应与控制器处理周期设2)中所述的待测试分散控计值T_S(该设计值由所述控制器的生产厂家提供)相等。所述高度C_i代表步骤(制系统的控制器的模拟量输出通道的电压值变化阶梯曲线上，或所述待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电流值变化阶梯曲线上，通过实际测试得到的第i级阶梯对应的控制器模拟量输出增幅，理论上C_i应与累加值C相等。

运用下述式(1)计算上述控制器的实测平均处理周期：

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i---\left(1\right)$

式(1)中，表示控制器的实测平均周期；N表示步骤(2)中阶梯上升曲线所包含的阶梯级数。

运用下述式(2)计算控制器的实测模拟量输出增幅的平均值：

$\stackrel{\‾}{C}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i---\left(2\right)$

式(2)中，表示控制器的实测模拟量输出增幅的平均值。

用上述控制器的实测平均周期代表控制器的实际处理周期；

(4)计算出控制器实时性能指标：步骤(3)所得控制器的实测平均周期T并不能全面反映控制器的实时性能。在控制器实际工作过程中可能存在：1、实际处理周期与控制器处理周期设计值存在不符的情况；2、实际处理周期存在变化；3、控制器动态输出存在一定的精度误差问题。因此有必要建立一整套完整的用于评估控制器实时性能的指标体系：

设β₁为处理周期稳态指标，用于评估实际处理周期与处理周期设计值T_S的偏差，该偏差的计算如下述式(3)：

${\mathrm{\β}}_1=\frac{\stackrel{\‾}{T}}{T_S}---\left(3\right)$

式(3)中，表示控制器的实测平均周期。

设β₂为控制器实时精度稳态指标，用于评估步骤(3)中控制器的实测模拟量输出增幅的平均值与步骤(1)中的累加值C的偏差，该偏差的计算如下述式(4)：

${\mathrm{\β}}_2=\frac{\stackrel{\‾}{C}}{C}---\left(4\right)$

设β₃为处理周期动态指标，用于评估实际处理周期的变化，该变化的计算如下述式(5)：

${\mathrm{\β}}_3=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{T_i}{T_S}-1)}^2}---\left(5\right)$

式(5)中，T_i表示步骤(2)中的阶梯曲线上通过实际测试得到的控制器的第i个处理周期；N表示步骤(2)所得阶梯上升曲线包含的阶梯级数之和。

设β₄为控制器实时精度动态指标，用于评估变化过程中控制输出的精度变化，该变化的计算如下述式(6)：

${\mathrm{\β}}_4=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{C_i}{C}-1)}^2}---\left(6\right)$

式(6)中，C_i表示步骤(2)中的阶梯曲线上通过实际测试得到的第i级阶梯对应的控制器模拟量输出增幅。

依次按照上述式(3)、式(4)、式(5)、式(6)分别计算出β₁、β₂、β₃、β₄的值。

当步骤(4)所得β₁的值和β₂的值越是接近1，而β₃的值和β₄的值越是接近0时，表明所测试的分散控制系统控制器的实时性能越好；反之，则表明所测试的分散控制系统控制器的实时性能越差。

本发明的有益效果是：

1、能够通过试验的方式对分散控制系统控制器的处理周期进行实际测试；

2、本方法所建立的分散控制系统控制器实时性能指标能够对分散控制系统控制器的实时性能进行有效而全面的评价。

具体实施方式

实施例1：

(1)测试组态：在待测试分散控制系统的控制器中，利用该分散控制系统所配备的专用组态软件，配置一个累加器。使分散控制系统的输出，在经过每一控制器处理周期之时，按累加值C进行迭加。设定累加值C设在5％物理量程。当累加值C调整至小于设定累加值C时，所述累加器输出的变化趋势不明显，测得的控制器处理周期数增加；使用常规方法，通过上述组态软件将所述累加器的输出通道转换为待测试控制器的模拟量输出通道；

(2)处理周期实际测试：在上述待测试分散控制系统的控制器中，利用该分散控制系统所配备的专用组态软件，配置一台高速数据采样装置。将该装置与步骤(1)所配置的待测试控制器的模拟量输出通道联接。利用待测分散控制系统所配备的专用组态软件启动步骤(1)所配置的累加器，所述所配置之高速数据采样装置记录所述待测试控制器的模拟量输出通道的电压值的变化，得到所述待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电压值变化阶梯曲线；

(3)计算出实际处理周期：依据步骤(2)所得待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电压值变化阶梯曲线，得到每一级阶梯所对应的宽度T_i和高度C_i。所述宽度T_i代表步骤(2)中的阶梯曲线上，通过实际测试得到的控制器的第i个处理周期。所述高度C_i代表步骤(2)中所述的待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电压值变化阶梯曲线上，通过实际测试得到的第i级阶梯对应的控制器模拟量输出增幅。

运用下述式(1)计算上述控制器的实测平均处理周期：

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i---\left(1\right)$

式(1)中，表示控制器的实测平均周期；N表示步骤(2)中阶梯上升曲线所包含的阶梯级数。

运用下述式(2)计算控制器的实测模拟量输出增幅的平均值：

$\stackrel{\‾}{C}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i---\left(2\right)$

式(2)中，表示控制器的实测模拟量输出增幅的平均值。

用上述控制器的实测平均周期代表控制器的实际处理周期；

(4)计算出控制器实时性能指标：建立用于评估控制器实时性能的指标体系：

设β₁为处理周期稳态指标，用于评估实际处理周期与处理周期设计值T_S的偏差，该偏差的计算如下述式(3)：

${\mathrm{\β}}_1=\frac{\stackrel{\‾}{T}}{T_S}---\left(3\right)$

式(3)中，表示控制器的实测平均周期。

设β₂为控制器实时精度稳态指标，用于评估步骤(3)中控制器的实测模拟量输出增幅的平均值与步骤(1)中的累加值C的偏差，该偏差的计算如下述式(4)：

${\mathrm{\β}}_2=\frac{\stackrel{\‾}{C}}{C}---\left(4\right)$

设β₃为处理周期动态指标，用于评估实际处理周期的变化，该变化的计算如下述式(5)：

${\mathrm{\β}}_3=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{T_i}{T_S}-1)}^2}---\left(5\right)$

式(5)中，T_i表示步骤(2)中的阶梯曲线上通过实际测试得到的控制器的第i个处理周期；N表示步骤(2)所得阶梯上升曲线包含的阶梯级数之和。

设β₄为控制器实时精度动态指标，用于评估变化过程中控制输出的精度变化，该变化的计算如下述式(6)：

${\mathrm{\β}}_4=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{C_i}{C}-1)}^2}---\left(6\right)$

式(6)中，C_i表示步骤(2)中的阶梯曲线上通过实际测试得到的第i级阶梯对应的控制器模拟量输出增幅。

依次按照上述式(3)、式(4)、式(5)、式(6)分别计算出β₁、β₂、β₃、β₄的值。

当步骤(4)所得β₁的值和β₂的值越是分别接近1，而β₃的值和β₄的值越是分别接近0时，表明所测试的分散控制系统控制器的实时性能越好；反之，则表明所测试的分散控制系统控制器的实时性能越差。

实施例2：

(1)测试组态：在待测试分散控制系统的控制器中，利用该分散控制系统所配备的专用组态软件，配置一个累加器。使分散控制系统的输出，在经过每一控制器处理周期之时，按累加值C进行迭加。设定累加值C设在10％物理量程。当累加值C调整至大于设定累加值C时，所述累加器输出的变化趋势明显，测得的控制器处理周期数减少。使用常规方法，通过上述组态软件将所述累加器的输出通道转换为待测试控制器的模拟量输出通道；

(2)处理周期实际测试：在上述待测试分散控制系统的控制器中，利用该分散控制系统所配备的专用组态软件，配置一台高速数据采样装置。将该装置与步骤(1)所配置的待测试控制器的模拟量输出通道联接。利用待测分散控制系统所配备的专用组态软件启动步骤(1)所配置的累加器，所述所配置之高速数据采样装置记录所述待测试控制器的模拟量输出通道的电流值的变化，得到所述待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电流值变化阶梯曲线；

(3)计算出实际处理周期：依据步骤(2)所得待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电流值变化阶梯曲线，得到每一级阶梯所对应的宽度T_i和高度C_i。所述宽度T_i代表步骤(2)中的阶梯曲线上，通过实际测试得到的控制器的第i个处理周期。所述高度C_i代表步骤(2)中所述的待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电流值变化阶梯曲线上，通过实际测试得到的第i级阶梯对应的控制器模拟量输出增幅。

运用下述式(1)计算上述控制器的实测平均处理周期：

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i---\left(1\right)$

式(1)中，表示控制器的实测平均周期；N表示步骤(2)中阶梯上升曲线所包含的阶梯级数。

运用下述式(2)计算控制器的实测模拟量输出增幅的平均值：

$\stackrel{\‾}{C}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i---\left(2\right)$

式(2)中，表示控制器的实测模拟量输出增幅的平均值。

用上述控制器的实测平均周期代表控制器的实际处理周期；

(4)计算出控制器实时性能指标：建立用于评估控制器实时性能的指标体系：

设β₁为处理周期稳态指标，用于评估实际处理周期与处理周期设计值T_S的偏差，该偏差的计算如下述式(3)：

${\mathrm{\β}}_1=\frac{\stackrel{\‾}{T}}{T_S}---\left(3\right)$

式(3)中，表示控制器的实测平均周期。

设β₂为控制器实时精度稳态指标，用于评估步骤(3)中控制器的实测模拟量输出增幅的平均值与步骤(1)中的累加值C的偏差，该偏差的计算如下述式(4)：

${\mathrm{\β}}_2=\frac{\stackrel{\‾}{C}}{C}---\left(4\right)$

设β₃为处理周期动态指标，用于评估实际处理周期的变化，该变化的计算如下述式(5)：

${\mathrm{\β}}_3=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{T_i}{T_S}-1)}^2}---\left(5\right)$

式(5)中，T_i表示步骤(2)中的阶梯曲线上通过实际测试得到的控制器的第i个处理周期；N表示步骤(2)所得阶梯上升曲线包含的阶梯级数之和。

设β₄为控制器实时精度动态指标，用于评估变化过程中控制输出的精度变化，该变化的计算如下述式(6)：

${\mathrm{\β}}_4=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{C_i}{C}-1)}^2}---\left(6\right)$

式(6)中，C_i表示步骤(2)中的阶梯曲线上通过实际测试得到的第i级阶梯对应的控制器模拟量输出增幅。

依次按照上述式(3)、式(4)、式(5)、式(6)分别计算出β₁、β₂、β₃、β₄的值。

当步骤(4)所得β₁的值和β₂的值越是分别接近1，而β₃的值和β₄的值越是分别接近0时，表明所测试的分散控制系统控制器的实时性能越好；反之，则表明所测试的分散控制系统控制器的实时性能越差。

Claims (1)

1.一种分散控制系统控制器实时性能测试方法，该方法包括以下步骤：

（1）测试组态：在待测试分散控制系统的控制器中，利用该分散控制系统所配备的专用组态软件，配置一个累加器，使分散控制系统的输出，在经过每一控制器处理周期之时，按累加值C进行迭加，根据实际需要调整累加值C，累加值C的设定调整范围设在5～10%物理量程之间，当累加值C调整至小于设定累加值C的最小值时，所述累加器输出的变化趋势不明显，测得的控制器处理周期数增加；当累加值C调整至大于设定累加值C的最大值时，所述累加器输出的变化趋势明显，测得的控制器处理周期数减少，使用常规方法，通过上述组态软件将所述累加器的输出通道转换为待测试控制器的模拟量输出通道；

（2）处理周期实际测试：在上述待测试分散控制系统的控制器中，利用该分散控制系统所配备的专用组态软件，配置一台高速数据采样装置，将该装置与步骤（1）所配置的待测试控制器的模拟量输出通道联接，利用待测分散控制系统所配备的专用组态软件启动步骤（1）所配置的累加器，所述所配置之高速数据采样装置记录所述待测试控制器的模拟量输出通道的电压值的变化或电流值的变化，得到所述待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电压值变化阶梯曲线，或所述待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电流值变化阶梯曲线；

（3）计算出实际处理周期：依据步骤（2）所得待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电压值变化阶梯曲线，或待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电流值变化阶梯曲线，得到每一级阶梯所对应的宽度T_i和高度C_i，所述宽度T_i代表步骤（2）中的阶梯曲线上，通过实际测试得到的控制器的第i个处理周期，所述高度C_i代表步骤（2）中所述的待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电压值变化阶梯曲线上，或所述待测试分散控制系统的控制器的模拟量输出通道的电流值变化阶梯曲线上，通过实际测试得到的第i级阶梯对应的控制器模拟量输出增幅，

运用下述式(1)计算上述控制器的实测平均处理周期：

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i---\left(1\right)$

式（1）中，表示控制器的实测平均周期；N表示步骤（2）中阶梯上升曲线所包含的阶梯级数，

运用下述式(2)计算控制器的实测模拟量输出增幅的平均值：

$\stackrel{\‾}{C}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i---\left(2\right)$

式（2）中，表示控制器的实测模拟量输出增幅的平均值，

用上述控制器的实测平均周期代表控制器的实际处理周期；

（4）计算出控制器实时性能指标：建立用于评估控制器实时性能的指标体系：

设β₁为处理周期稳态指标，用于评估实际处理周期与处理周期设计值T_S的偏差，该偏差的计算如下述式(3)：

${\mathrm{\β}}_1=\frac{\stackrel{\‾}{T}}{T_s}---\left(3\right)$

式（3）中，表示控制器的实测平均周期，

设β₂为控制器实时精度稳态指标，用于评估步骤（3）中控制器的实测模拟量输出增幅的平均值与步骤（1）中的累加值C的偏差，该偏差的计算如下述式(4)：

${\mathrm{\β}}_2=\frac{\stackrel{\‾}{C}}{C}---\left(4\right)$

设β₃为处理周期动态指标，用于评估实际处理周期的变化，该变化的计算如下述式(5)：

${\mathrm{\β}}_3=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{T_i}{T_s}-1)}^2}---\left(5\right)$

式（5）中，T_i表示步骤（2）中的阶梯曲线上通过实际测试得到的控制器的第i个处理周期；N表示步骤（2）所得阶梯上升曲线包含的阶梯级数之和，

设β₄为控制器实时精度动态指标，用于评估变化过程中控制输出的精度变化，该变化的计算如下述式(6)：

${\mathrm{\β}}_4=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{C_i}{C}-1)}^2}---\left(6\right)$

式（6）中，C_i表示步骤（2）中的阶梯曲线上通过实际测试得到的第i级阶梯对应的控制器模拟量输出增幅，

依次按照上述式（3）、式（4）、式（5）、式（6）分别计算出β₁、β₂、β₃、β₄的值，

当步骤（4）所得β₁的值和β₂的值越是分别接近1，而β₃的值和β₄的值越是分别接近0时，表明所测试的分散控制系统控制器的实时性能越好；反之，则表明所测试的分散控制系统控制器的实时性能越差。