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毛春彬，王 赫，王彦博
（国核自仪系统工程有限公司 电站控制中心，上海 200241）
随着分散控制系统DCS在各行各业的应用越来越普及，由于DCS控制器故障所引起的运行事件时有发生。而DCS在越来越多的核电厂中应用，其控制器的正常运行理应得到更多的重视[1-3]。
核电厂非安全级集散控制系统简称（DCS）是核电厂的大脑，主要实现电厂控制系统（PLS）、数据处理和显示系统（DDS）等功能，同时与安全级仪控系统存在接口。整个核电厂的核岛和常规岛采用统一的非安全级集散控制系统平台，为核电厂操纵员提供统一的人机接口。
集散控制系统中包含分散布置的控制器（CU），接收、处理、输出各种信号，用以执行各工艺系统与设备的控制逻辑，以及工艺系统参数超限、设备故障等报警逻辑。即核电厂不同区域、不同工艺系统的相关逻辑存储运行在不同的控制器中，各控制器一道正常运行，确保了核电厂各工艺系统按照设计要求及操纵员执行指令进行正常运行。
为了系统状态监视及报警等信息的及时传递，以及保证操纵员动作执行得到及时的响应，DCS系统应有足够的计算速度和容量，以保证在核电厂异常或应急情况下，不会丢失任何实时信息、报警信息及其历史数据，以及自动控制和手动控制的处理信息。所以，对系统中分散布置的控制器（CU）的性能参数有较高要求。
1.1 控制器负荷率的定义
控制器CU负荷率是指在规定时间内的平均负荷与最大负荷之比的百分数，是用于测量规定时间内控制器负荷的变动情况，以及考核控制器的繁忙程度[4]。过高的负荷率会导致其计算速度变慢，数据传输延时，引起工艺系统及设备控制方面的延迟，甚至高负荷率将引发控制器故障死机导致控制系统瘫痪。所以，从性能的角度来说，控制器负荷率越低越好。但从经济性的角度来看，正常工况下控制器负荷率越低也意味着控制器算力利用越低，未必是最优选择。所以在设计选型时，需要考虑正常工况和繁忙工况下，控制器负荷率分别在一定合理区间内，以保证DCS系统的安全稳定运行。
1.2 控制器负荷率的要求
DL/T 774-2015《火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程》中4.2.1.5.2负荷率测试方法与要求提到，所有控制站的中央处理单元的负荷率应不大于60%[5]。负荷率测试应在不同工况下测试5次，每次测试时间10s，取平均值，具体的测试方法可以是系统工具或其他由制造厂提供。
某核电项目DCS技术规格书中要求系统中的各控制器负荷率，正常工况应不大于40%，峰值工况应不大于50%。
1.3 控制器负荷率的影响因素
控制器在正常运行时，周期性地从输入模块中读取数据，根据逻辑组态执行运算，将计算结果输出至输出模块、发送上传实时数据网，从而实现系统设备控制及状态监测。所以，控制器负荷率的高低受其本身的性能、控制器内组态量、逻辑组态实施方式等因素影响。
1）控制器自身性能。DCS设计阶段，处理器的主频、二级缓存、内存等参数选取决定了控制器自身的计算能力。考虑项目投产后可能的设计变更，一般都会保守选择。某项目中要求正常工况下负荷不超过40%，而有关行业标准要求该指标不超过60%即可。
2）控制器内组态量。每个控制器中对应系统I/O模块数量、逻辑页数量，以及它们的扫描周期设置都会影响控制器负荷率。DCS系统中控制器是分散布置的，需要整体考虑，根据控制功能的重要性来设置扫描周期的长短。
3）逻辑组态实施方式。应确保控制器中的逻辑组态都是正确、有用、高效的。如完成特定的逻辑控制功能，组态所使用的功能块越少，控制器负荷越低。此外若存在一些错误或者无用的逻辑组态，也将消耗控制器一定的算力，导致控制器负荷率增高。
DL/T 774-2015《火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程》给出了控制器负荷的测试方法指导：负荷率测试应在不同工况下测试5次，每次测试时间10s，取平均值。在某项目的控制器负荷率测试中，做了一些变化。在一个假定的繁忙工况下，控制器负荷率持续15min，分别记录或计算负荷率趋势、最大值和平均值。
2.1 测试工况
控制器根据开关量和模拟量输入进行逻辑运算。一般情况下，所有开关量和模拟量输入不会每时每刻全部变化。现假定有一个繁忙工况，正常运行工况下控制器中的开关量和模拟量输入数值发生变化的通道数量均不超过该繁忙工况。也就是说，正常运行工况下控制器负荷率均不超过繁忙工况下的数值。若繁忙工况下，控制器平均负荷率不超过技术规格书要求的40%，最大负荷率不超过50%，则认为正常工况不大于40%，峰值工况不大于50%。
基于保守考虑，若控制器下三分之二的开关量输入和全部模拟量输入时刻变化，则认为该工况是繁忙工况。
2.2 测试回路
如图1所示，分别通过一个非门块和一个三角波信号块搭建一个简单的开关量输入和模拟量输入的辅助回路。模拟的通道范围选取被测控制器下三分之二的开关量输入通道和全部的模拟量输入点。
图1 开关量输入和模拟量输入的辅助回路Fig.1 Auxiliary circuit of digital input and analog input
控制器负荷率测试的辅助回路如图2。通过一个平台特殊功能块，分别计算或记录控制器负荷的最大值、平均值以及实时趋势。测试时间选取15min，更能全面、客观地反映控制器负荷率及其变化。
图2 CPU负荷率监测回路Fig.2 CPU Load rate monitoring loop
由于核电厂控制器一般为冗余配置，故同时测试主、备控制器负荷率。主备控制器完成切换后，再次测试其负荷率。通过这种方法，分别测试同一控制器分别在主用、备用状态，繁忙工况下的控制器负荷率。
3.1 测试数据
总计对43对主备控制器进行了负荷率测试。典型的控制器负荷率趋势图如图3，可以看出主备控制器的负荷率趋势基本一致，主用控制器的负荷率略高于备用控制器。经过对43对控制器在主备用状态下的平均负荷率和最大负荷率的测试数据整理，得到表1。
图3 主、备用控制器负荷率趋势图Fig.3 Trend chart of load rate of primary and backup controllers
表1 43对控制器负荷率统计结果Table 1 Statistical results of 43 pairs of controller load rate
3.2 数据分析
43对控制器的主用控制器平均负荷率最大值为31.4%、平均值为19.10%、中位数为19.67%，峰值负荷率最大值为41%、平均值为26.31%、中位数为27%；
备用控制器的相应数值均小于主用控制器，与典型主、备用控制器负荷率趋势图一致。主备用控制器负荷率之比最大值为1.29，平均值和中位数均为1.14。即这些控制器中主用控制器负荷率一般比备用高14%左右。
3.3 测试结论
对上述测试数据的整理分析，容易得出：
1） 正常工况下，43对控制器负荷率均不超过40%。
2） 峰值工况下，43对控制器负荷率均不超过50%。
3） 正常工况及峰值工况下，备用控制器负荷率均小于主用控制器。
故43对控制器的测试结果均满足技术规范书要求。
控制器负荷率高低是表征控制器是否正常运行的重要参数之一。在DCS工厂测试中，应验证控制器负荷率处于规范及技术规格书要求的正常范围之内。相关测试数据是日后核电厂DCS运行维护活动的重要参数依据。
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