DCS逻辑组态中时序问题的分析

(国电重庆恒泰发电有限公司，重庆 400805)

分散控制系统(distributed control system，DCS)是以微处理器及微型计算机为基础，融合计算机技术、数据通信技术、CRT屏幕显示技术和自动控制技术于一体的计算机控制系统。由于其具有分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便等特点，使其成为火力发电行业控制系统的标配而得到了全面、广泛的应用。

笔者一直从事电厂DCS的维护工作。在工作中发现，工程师在进行DCS逻辑组态时，对逻辑时序的处理问题通常考虑得比较少，这无形中对DCS逻辑的正确执行埋下了隐患，最终可能导致事故发生。本文对DCS时序问题进行细致探讨。

1 控制周期和时序

DCS的控制循环通常是指把DCS完成一次从信号输入到控制运算再到控制信号输出这个过程，称之为一个控制循环。而完成一个控制循环所需要的时间，就是DCS的控制周期。在一个控制周期内，DCS将完成输入数据采集、控制策略运算、控制信号输出这一过程。

当然，较短的控制周期可以提高系统的可控性和控制精度，但这会增加控制器的硬件成本，同时也会加重硬件的运行负担，不利于系统的稳定。所以，工业生产控制领域在满足生产过程控制对象要求的同时，会兼顾以上两者，以得到最佳效果。

DCS控制器运行在实时操作系统上，控制器内的调度系统完成对任务的定时调度，可以认为DCS中控制器的控制过程是串行完成的，即在一个固定控制周期内，按顺序完成数据采集、控制策略运算、控制信号输出等过程。所以，时序也就是在DCS一个控制周期内完成一个控制循环时，各个环节执行的先后顺序。虽说DCS的这个工作顺序是固定不变的，但工程师在DCS中进行逻辑组态时，如果不考虑这个时序问题，任何情况下都用同样的逻辑算法块，最终得到的结果将会相去甚远。

2 基础算法

图1所示的算法块是一个模拟量切换算法。该算法块有模拟量A、模拟量B两个输入端，一个开关量D输入端，一个模拟量C输出端。模拟量切换算法块的功能是：当D=“1”时，C=B；当D=“0” 时，C=A。

图1 模拟量切换算法块

图2所示的算法块是一个模拟量加法算法块。该算法块有模拟量A、模拟量B两个输入端，一个模拟量C输出端。模拟量加法算法块的功能是：A+B=C。

图2 模拟量加法算法块

3 时序分析

3.1 开关量时序分析

图3是一个由T1，T2，T3三个切换算法块组成的模拟量选择保持算法。为简化分析，假设D1和D2始终等于“1”。

图3 模拟量选择保持算法块

1)DCS由上往下按照正常时序，依次对T1→T2→T3切换算法块进行运算，当D1=D2=D3=“1”时，则各切换算法块T1，T2，T3的输出分别为：

C1=C3′(T1当前时刻的输出等于T3前一个时刻的输出)；

C2=C1(T2当前时刻的输出等于T1当前时刻的输出)；

C3=C2(T3当前时刻的输出等于T2当前时刻的输出)。

由此得出C1=C2=C3=C3′，即切换器T3的输出等于T3上个控制周期运算所得结果。

2)DCS按照T1→T3→T2的顺序，对切换算法块进行扫描运算，当D1=D2=D3=“1”，则各切换算法块T1，T2，T3的输出分别为：

C2=C1(T2当前时刻的输出等于T1当前时刻的输出)；

C3=C2′(T3当前时刻的输出等于T2前一时刻的输出)；

C1=C3′(T1当前时刻的输出等于T3前一个时刻的输出)。

由此可以得出，切换器T3的输出等于T2上个控制周期运算所得结果，而切换器T1，T2的输出相等，且等于切换器T3上个控制周期的运算结果。

3)由以上关系式，列出图3逻辑组态中T1，T2，T3各切换算法块的输入/输出关系表(假设DCS开始执行运算时，输入信号A由0变为100，D1置“1”，保持该数值)，见表1。

表1 各切换算法块输入/输出关系表

由T1，T2，T3切换算法块的输入/输出关系表不难看出，当时序为T1→T2→T3，所需要的输出结果C3保持了输入信号A的值；而当时序顺序为T1→T3→T2时，输出结果C3不仅没有保持A=100这一数值，反而在0～100不断跳变，致使输出呈现等幅震荡。

3.2 模拟量时序分析

图4所示为一个常用的，由3个加法算法块组成的升速率算法。同样，为简化分析，假定给定值A=100。

1)DCS由上往下按照正常时序，依次对 ADD1→ADD2→ADD3各加法算法块进行运算，则各加法块的输出分别为：

图4 升速率算法块

ADD1=ADD3′+A(ADD1的当前输出等于ADD3前一时刻的输出加上给定值A)；

ADD2=ADD1(ADD2的当前输出等于ADD1的当前输出)；

ADD3=ADD2(ADD3的当前输出等于ADD2的当前输出)。

由此得出ADD1=ADD2=ADD3=ADD3′+A，即加法块ADD3的输出等于ADD3上个控制周期的运算结果加上给定值A。

2)DCS按照ADD1→ADD3→ADD2的顺序，对加法算法块进行运算，则各加法算法块的输出分别为：

ADD1=ADD3′+A(ADD1的当前输出等于ADD3前一时刻的输出加上给定值A)；

ADD2=ADD1(ADD2的当前输出等于ADD1的当前输出)；

ADD3=ADD2′(ADD3的当前输出等于ADD2前一时刻的输出)。

3)由以上关系式，列出图4逻辑组态中ADD1，ADD3，ADD2各加法算法块输入/输出关系表(假设DCS开始执行运算时，给定值A同时由0变为100)，见表2。

表2 各加法算法块输入/输出关系表

由ADD1，ADD3，ADD2各加法算法块输入/输出关系表容易看出，当时序为ADD1→ADD2→ADD3，输出信号C是按照给定值A=100的速率递增；当时序为ADD1→ADD3→ADD2时，输出结果ADD3虽然也在增加，但其输出速率远没有达到给定速率的要求，在第7个控制周期时，其输出速率仅有设定速率的43%左右。

3.3 工程案例

某电厂2#机组装机容量300 MW， DCS采用了国电智深NT系统，该系统通常情况下控制周期默认为1 s。2#机组自2006年投产发电后一直处于正常运行状态，但4年后出现了一次故障。当时2#机组满负荷，处于协调控制方式，所有运行参数均正常。约在15：28：21时，其中1台送风机跳闸，导致送风机RB动作，随后锅炉主控由自动切为手动方式，汽机阀门总指令则在15：28：21到15：28：22这1 s内从83.6%关至53.9%，最终导致锅炉超压，安全门动作，2#机组跳闸。当时的历史曲线记录见图5。

正常情况下，送风机RB动作后，控制方式应由协调方式自动切换为汽机跟随方式，即锅炉主控手动，汽机主控自动，以期达到由锅炉调节功率，汽机调节主汽压力的目的，使负荷快速平稳地由300 MW减至RB目标负荷150 MW。

图5 历史曲线记录

从图5中的历史趋势看出，15：28：21送风机RB动作，锅炉主控及时切为手动，15：28：22协调方式的已切除信号才发出，从而实现汽机跟随运行方式。也就是说协调方式延迟了1 s才切除，而此时汽机阀门总指令是送风机RB动作后，目标负荷自动给定150 MW，经汽机主控PID输出的结果。就是这1 s，导致汽机跟随运行方式延后了1 s才实现，最终造成了锅炉超压，机组保护跳闸。

事后通过进一步分析发现，这次2#机组非停正是在2#机组DCS逻辑组态时，相关逻辑时序问题没有做过多考虑而造成的一个严重后果。

4 结论

由此可见， DCS逻辑组态中时序问题至关重要。很多人认为DCS控制周期足够快，从而忽视了在DCS逻辑组态中对时序问题的细致考虑。通过以上分析发现，同样的算法块,如果采用不同的时序会得到完全不同的运算结果。这样造成的后果，轻者会使DCS的输出信号滞后一个控制周期，重者则会导致DCS逻辑保护误动、拒动，进而直接影响发电机组的安全运行。

为此，在进行DCS逻辑组态中，一定要对算法的时序问题引起足够的重视。要清楚被控系统的运行方式和运行要求，并结合控制逻辑图，知晓逻辑要实现的功能以及要达到的目的；同时，在DCS中进行逻辑组态时，同一逻辑图中不同算法块执行的先后顺序要合理排列，不同逻辑图的位号在DCS中按照执行流程要合理排序。尤其是在逻辑异动，需要在已有算法块中新增算法时，更需谨慎。最后，就是要尽量创造条件，模拟被控系统或设备的实际运行状况，做好相关试验，以此验证逻辑组态时序的正确性。

参考文献：

[1] 国家能源局.火力发电厂分散控制系统验收测试规程:DL/T 659—2016[S].北京：中国电力出版社，2016.

[2] 国家能源局.火力发电厂分散控制系统故障应急处理导则：DL/T 1340—2014[S]. 北京：中国电力出版社，2016.

[3] 何衍庆.集散控制系统原理及应用[M].2版.北京：化学工业出版社，2009.