核電廠非安全級DCS驗證系統(tǒng)測試方法

王晉　王慶峰　曹迎鋒　張嘉斌　劉祖?zhèn)?/p>

摘要：文章介紹了基于NicSys2000的1∶1核電廠非安全級DCS仿真樣機控制系統(tǒng)的測試方法，測試內(nèi)容包括功能測試、性能測試、單體測試和設(shè)備和控制邏輯測試。通過對仿真樣機驗證系統(tǒng)的測試，可驗證自主研發(fā)的DCS控制系統(tǒng)-NicSys2000的功能、性能、測量精度、可靠性、穩(wěn)定性等指標，為后續(xù)研發(fā)積累寶貴資料，并為今后系統(tǒng)在核電廠可靠、穩(wěn)定的運行提供保障。

關(guān)鍵詞：非安全級DCS；驗證系統(tǒng)測試；NicSys2000；核電廠；仿真樣機 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2017）05-0194-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.094

核電廠非安全級（NC）DCS驗證系統(tǒng)總體技術(shù)方案以實際百萬千瓦壓水堆核電廠全廠DCS系統(tǒng)設(shè)計為依托，通過“模擬”核電廠控制系統(tǒng)實際工程實施流程，建立核電廠全范圍DCS系統(tǒng)驗證系統(tǒng)，可實現(xiàn)測試DCS系統(tǒng)性能指標、核島和常規(guī)島等重要系統(tǒng)實施單步或關(guān)聯(lián)運行功能、邏輯預(yù)演以及定性分析等功能。本文提出了一種對于上述DCS系統(tǒng)的整體測試方法，通過優(yōu)化的測試架構(gòu)和全面的測試內(nèi)容，在保障測試結(jié)果的嚴謹性、科學(xué)性和有效性的基礎(chǔ)上，顯著地減小了系統(tǒng)測試的周期，并提升了該項目管理上的高效性和簡潔性。

1 測試框架

系統(tǒng)測試框架包括測試計劃、測試大綱、測試用例和測試程序，如圖1所示。測試計劃描述了測試流程的范圍、實施途徑、進度節(jié)點；測試大綱根據(jù)測試計劃，以設(shè)計輸入文檔、項目相關(guān)文檔作為輸入文件，依據(jù)相關(guān)標準，詳細說明核電廠非安全級DCS驗證系統(tǒng)中各項測試執(zhí)行時所需的步驟和判斷標準，指導(dǎo)測試工程師進行實際的測試活動。測試用例則是針對測試程序進行步序性的邏輯驗證，并將邏輯驗證結(jié)果與期望進行比對，隨時記錄邏輯異常。

2 測試內(nèi)容

根據(jù)不同的測試目的，測試分為功能測試、性能測試、單體測試和設(shè)備控制邏輯測試。在普通項目中我們僅做單體測試及設(shè)備控制邏輯測試，由于NicSys2000系統(tǒng)是自主研發(fā)的DCS，是專為核電站研制的全廠非安全級分布式控制系統(tǒng)產(chǎn)品，是全廠核電運行控制系統(tǒng)專用平臺，故在測試工作中加入功能測試及性能測試，以驗證Nicsys2000系統(tǒng)的各項指標，為今后系統(tǒng)在核電廠可靠、穩(wěn)定的運行提供保障以及為后續(xù)研發(fā)積累寶貴資料，以下為對功能測試和性能測試進行重點介紹。

2.1 功能測試

功能測試的目的是測試系統(tǒng)各項功能是否完備、是否符合要求。功能測試主要包括故障診斷測試、模塊熱插拔測試和冗余測試。

2.1.1 故障診斷測試。故障診斷測試包括控制器故障診斷測試、控制器網(wǎng)絡(luò)故障診斷測試和模塊故障診斷測試。實際操作如圖2所示，將控制器A拔掉，在操作員站檢查報警日志和設(shè)備故障列表，并打開系統(tǒng)狀態(tài)圖，找到對應(yīng)控制站狀態(tài)圖，檢查相應(yīng)控制器的變化。重新插上控制器A，在操作員站檢查報警日志和設(shè)備故障列表，檢查狀態(tài)圖中控制器A的變化。對控制器B重復(fù)以上操作。

2.1.2 模塊熱插拔測試。模塊熱插拔測試包括DI模塊熱插拔測試、DO模塊熱插拔測試、AI模塊熱插拔測試、AO模塊熱插拔測試。目的是測試IO模塊帶電拔出后再插上是否可以恢復(fù)正常工作。因為篇幅限制，不對IO模塊的熱插拔測試方法進行詳述。

2.1.3 冗余測試。冗余測試包括控制器冗余測試、電源模塊冗余測試、控制柜電源冗余測試、控制站網(wǎng)絡(luò)冗余測試、服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)冗余測試。如圖3所示，選擇一個AI通道和AO通道作為驗證通道，在MULTIPROG中編程，使該AI點的值賦給AO點。在被測現(xiàn)場控制站，用多功能過程校驗儀給該AI通道發(fā)送三角波信號，用示波器監(jiān)測AO通道的輸出信號。拔掉主控制器，檢查AO點輸出波形是否正常，此時另一臺控制器切換到主運行狀態(tài)，恢復(fù)拔掉的控制器，等待其正常運行后，拔掉另一臺為主的控制器，檢查AO點輸出波形是否正常。

2.2 性能測試

性能測試的目的是驗證系統(tǒng)各項性能指標是否符合要求。性能測試主要包括CPU負荷測試、內(nèi)存裕量測試、網(wǎng)絡(luò)負荷測試、分辨率測試、時間相關(guān)性能測試和雪崩測試。

2.2.1 硬件負荷類測試。硬件負荷類測試包含CPU負荷、內(nèi)存裕量及網(wǎng)絡(luò)負荷測試，其測試方法均通過監(jiān)控器以及設(shè)備的運行軟件來讀取設(shè)備的CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)的負荷數(shù)據(jù)，CPU負荷平均值小于40%為合格。

2.2.2 分辨率測試。分辨率測試包括報警分辨率測試和SOE分辨率測試。報警分辨率測試是通過制造幾個間隔時間分別為小于1s、等于1s、大于1s的報警，在報警日志中查看系統(tǒng)是否能夠分辨。SOE分辨率測試如圖4所示。在SOE（事件順序記錄）模塊的任意通道發(fā)送間隔時間分別為小于1ms、等于1ms、大于1ms的信號，在日志中查看系統(tǒng)日志，當間隔小于1ms時，系統(tǒng)不一定能夠分辨，間隔大于或等于1ms時，系統(tǒng)應(yīng)當能夠分辨，且事件信息不丟失，發(fā)生順序排列與實際相符。

2.2.3 時間相關(guān)性能測試。時間相關(guān)性能測試包括畫面響應(yīng)時間測試、數(shù)據(jù)采集顯示時間測試、控制功能響應(yīng)時間測試和設(shè)備啟動響應(yīng)時間測試。例如在現(xiàn)場控制站，用示波器查看開關(guān)量輸入信號和輸出信號波形變化的時間間隔，選擇任意開關(guān)量控制回路，在現(xiàn)場控制站將被測開關(guān)量控制回路的輸出端子和輸入端子分別連接示波器的兩個通道，在輸入通道加信號，在示波器查看輸入信號和輸出信號變位的時間差，響應(yīng)時間小于500ms為合格。

2.2.4 雪崩測試。使用測試工裝連接幾個控制站，在工程師站、操作員站及服務(wù)器上，查看CPU負荷和網(wǎng)絡(luò)負荷。使用測試工裝制造雪崩工況：10s內(nèi)6000個開關(guān)量狀態(tài)發(fā)生變化，峰值1200個開關(guān)量發(fā)生變化，60s后峰值每秒300個開關(guān)量狀態(tài)發(fā)生變化，模擬量每秒200個信號發(fā)生變化，模擬量和開關(guān)量變化峰值疊加。檢查雪崩工況期間的各負荷，控制器CPU負荷不大于50%，網(wǎng)絡(luò)負荷不大于20%；操作站、服務(wù)器CPU負荷不大于40%，網(wǎng)絡(luò)負荷值不大于20%。

2.3 單體測試

單體測試的目的是驗證系統(tǒng)硬件配置的完整性和有效性，驗證系統(tǒng)AI/AO模塊信號的精度是否達標和驗證DI/DO模塊通道是否正常。單體測試包括AI/AO模塊的精度測試和DI/DO模塊的通道測試。驗證系統(tǒng)單體測試與其他項目相同，因篇幅限制，此處不做詳述。

2.4 設(shè)備控制邏輯測試

設(shè)備控制邏輯測試的目的是驗證DCS系統(tǒng)軟硬件配置、邏輯組態(tài)的完整性和正確性。設(shè)備控制邏輯測試包括單點報警測試、邏輯顯示及報警測試，設(shè)備邏輯和連鎖測試。

3 測試效果

為驗證測試方案的效果，根據(jù)實施進度及DCS子系統(tǒng)的代表性，選取KSN系統(tǒng)作為測試對象進行上述測試。KSN系統(tǒng)作為核輔助廠房就地控制屏和控制盤，設(shè)有單獨的電子機柜間和輔助控制室。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含控制器、服務(wù)器、時鐘同步、環(huán)網(wǎng)等，具有很強的DCS系統(tǒng)代表性，符合驗證測試對象的條件。

3.1 功能測試

測試對全部14塊控制器、124塊IO模塊都進行了故障診斷和熱插拔的測試；對全部14塊控制器進行了冗余測試；對全部38塊電源模塊進行了冗余測試；對7臺功能柜的供電電源進行了冗余測試。功能測試共計76項，其中合格項46項、不合格30項。

測試發(fā)現(xiàn)的問題有三類：（1）故障診斷功能沒有實現(xiàn)；（2）LEVEL2軟件沒有趨勢圖功能，控制站和服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)冗余無法測試；（3）8KSN901AR中有2塊DI211模塊熱插拔功能不完善，模塊拔掉后變量無法保持。

3.2 性能測試

在進行的51項性能測試中，合格項49項、不合格2項。測試發(fā)現(xiàn)的問題有2類：（1）開關(guān)量控制回路響應(yīng)時間超過要求時間。要求響應(yīng)時間小于500ms，部分回路在7次實測中有4次超過500ms；（2）雪崩時要求操作員站CPU負荷小于40%，而實測中部分CPU最大負荷為42.93%。

3.3 單體測試

KSN系統(tǒng)的首輪單體測試已完成。共完成124塊IO模塊的測試，測試結(jié)果全部合格。

3.4 設(shè)備控制邏輯測試

KSN系統(tǒng)的首輪設(shè)備控制邏輯測試已完成，共完成506項測試用例的測試，將全部邏輯組態(tài)都進行了演算和認證，其測試合格率為87.75%。

4 結(jié)語

通過上述方法對基于NicSys2000控制系統(tǒng)的核電廠仿真樣機驗證系統(tǒng)的KSN系統(tǒng)進行測試，從硬件、軟件和組態(tài)邏輯，全方面詳細地檢測出了當時系統(tǒng)尚存在的問題，其結(jié)果不但有助于工程師精準地消除系統(tǒng)故障和問題，保障系統(tǒng)正常運行，同時各項設(shè)備性能指標等測試數(shù)據(jù)，也為研發(fā)人員在今后NicSys2000產(chǎn)品的改進工作中提供了工作方向和數(shù)據(jù)，其對于完成核電廠全廠非安全級DCS控制系統(tǒng)的開發(fā)，在核電領(lǐng)域主控非安全級DCS自主化行程提供了有效的幫助和促進。

參考文獻

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作者簡介：王晉（1979-），男，山東煙臺人，中核控制系統(tǒng)工程有限公司高級工程師，研究方向：DCS儀控系統(tǒng)設(shè)計及工程實施。

（責任編輯：小 燕）