核電站控制系統(tǒng)“黑匣子模塊”故障分析方法研究

楊曉奇

（中廣核研究院 北京分院，北京 100086）

控制系統(tǒng)是核電機(jī)組的神經(jīng)中樞，其重要性不言而喻，其穩(wěn)定可靠是保證電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。為了提高設(shè)備可靠性，需要對控制系統(tǒng)中存在的大量“黑匣子模塊”進(jìn)行故障分析研究，一旦發(fā)生故障，能夠準(zhǔn)確地找出故障原因，制定有效的應(yīng)對措施，確保類似問題不再重發(fā)。

1 控制系統(tǒng)黑匣子模塊

國內(nèi)核電機(jī)組很多重要的控制系統(tǒng)由國外廠商供貨，這些系統(tǒng)中存在著大量原廠商未提供詳細(xì)技術(shù)資料的控制模塊，這些模塊大多屬于關(guān)鍵控制設(shè)備，一旦發(fā)生故障，將直接導(dǎo)致相關(guān)控制系統(tǒng)無法正常穩(wěn)定運(yùn)行，此類設(shè)備被稱為“黑匣子模塊”。

圖1 核電站控制系統(tǒng)黑匣子模塊Fig.1 Nuclear power plant control system black box module

圖2 黑匣子模塊故障分析總體方案Fig.2 Master plan for fault analysis of the black box module

上述兩種類型的控制系統(tǒng)“黑匣子模塊”對于電站而言并無明顯差別，因為不掌握其實現(xiàn)原理、控制邏輯、核心算法等詳細(xì)技術(shù)資料，此類設(shè)備一旦發(fā)生故障，電站技術(shù)人員很難進(jìn)行故障原因分析。

2 黑匣子模塊故障分析總體方案

要對控制系統(tǒng)黑匣子模塊進(jìn)行故障分析，需要依據(jù)實物繪制原理圖，對其運(yùn)行原理、實現(xiàn)方式、控制邏輯等技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行深入研究，搭建黑匣子模塊的數(shù)學(xué)模型；開發(fā)測試平臺進(jìn)行全面地測試驗證，復(fù)現(xiàn)其故障現(xiàn)象；依據(jù)搭建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行逐級分析，最終定位故障位置，找到故障原因。如圖2所示，為了完成黑匣子模塊故障分析，需要依次完成如下工作：

◇ 原理圖繪制

依據(jù)黑匣子模塊實物，繪制其電路原理圖。

◇ 圖紙分析及電路仿真

對繪制的黑匣子模塊原理圖進(jìn)行電路分析和軟件仿真，搭建數(shù)學(xué)模型。

◇ 測試平臺搭建

主體是支撐力，必須以主體明主責(zé)，樹立“責(zé)無旁貸”的擔(dān)當(dāng)意識。農(nóng)民是鄉(xiāng)村的主人，沒有主體的積極參與，鄉(xiāng)風(fēng)文明終將是空中樓閣。政府既要充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，也要強(qiáng)化農(nóng)民主體地位，把農(nóng)民的文化需求作為要求，把農(nóng)民的文化向往作為方向；提高農(nóng)民責(zé)任意識，鼓勵農(nóng)民主動參與建設(shè)，要讓農(nóng)民明白建設(shè)鄉(xiāng)村就是建設(shè)家園，培育鄉(xiāng)風(fēng)文明就是傳承優(yōu)良家風(fēng)。

梳理黑匣子模塊輸入/輸出信號，搭建全功能測試平臺。

◇ 故障復(fù)現(xiàn)及定位

在搭建的測試平臺上對黑匣子模塊進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，依據(jù)前期搭建的數(shù)學(xué)模型，對黑匣子模塊進(jìn)行逐級分析和故障定位，找到故障根本原因。

3 黑匣子模塊故障分析具體實施步驟

3.1 原理圖繪制

原理圖繪制是黑匣子模塊故障分析的第一步，也是數(shù)學(xué)模型搭建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如圖3所示，原理圖繪制主要分為如下兩個步驟：

1）依據(jù)實物繪制黑匣子模塊PCB印制板圖

對黑匣子模塊使用的元器件進(jìn)行調(diào)研，獲取元器件名稱、型號、封裝等信息，編制元器件清單；使用專用設(shè)備，對黑匣子模塊PCB印制板進(jìn)行掃描及數(shù)據(jù)處理，獲得PCB印制板掃描圖（包含：PCB外形尺寸、元器件封裝及定位、走線寬度及定位等信息）；根據(jù)編制的元器件清單，使用Altium軟件，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出相應(yīng)元器件的PCB封裝，放置在掃描圖對應(yīng)位置，并完成元器件之間的相互連線（獲得實際網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系）。使用測試設(shè)備將獲得的實際網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系與黑匣子模塊實物進(jìn)行反復(fù)比對，確保二者元器件編碼、管腳定義、連接關(guān)系完全一致。

2）將繪制的PCB印制板圖轉(zhuǎn)化為電路原理圖

依據(jù)實物繪制的PCB印制板圖僅能反映黑匣子模塊各元器件之間的實際連接關(guān)系，無法用于原理分析，需要將其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電路原理圖，這個步驟是黑匣子模塊原理圖繪制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。使用Altium軟件，依據(jù)編制的元器件清單，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出相應(yīng)元器件的原理圖封裝，依據(jù)前期繪制的PCB印制板圖進(jìn)行元器件布置和連線；元器件連接確認(rèn)無誤后，開始依據(jù)功能模塊、信號走向、電路特性等進(jìn)行圖紙調(diào)整，經(jīng)過調(diào)整后的原理圖可以清晰地反映出黑匣子模塊各個功能模塊之間的信號走向及傳遞關(guān)系，為后期的功能和原理分析奠定基礎(chǔ)。

3.2 圖紙分析及電路仿真

為了掌握黑匣子模塊的運(yùn)行原理、實現(xiàn)方式、控制邏輯等技術(shù)細(xì)節(jié)，需要對繪制的原理圖進(jìn)行電路分析和軟件仿真，建立黑匣子模塊的數(shù)學(xué)模型。如圖4所示，該步驟主要由如下兩個環(huán)節(jié)構(gòu)成：

1）依據(jù)原理圖進(jìn)行電路分析

對繪制的黑匣子模塊原理圖進(jìn)行電路分析，確定各功能模塊輸入/輸出信號范圍、邏輯關(guān)系、傳遞函數(shù)等信息。

2）軟件仿真

使用MULTISIM等仿真軟件對相關(guān)電路進(jìn)行仿真驗證，并將仿真結(jié)果與電路分析結(jié)果進(jìn)行對比，如果仿真結(jié)果與分析結(jié)果出現(xiàn)偏差，仔細(xì)分析差異產(chǎn)生的原因，直至電路分析結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

在完成電路分析和軟件仿真的基礎(chǔ)上搭建黑匣子模塊的數(shù)學(xué)模型，為故障分析提供理論依據(jù)。

3.3 開發(fā)全功能測試平臺

圖3 黑匣子模塊原理圖繪制Fig.3 Map of the black box module schematic

圖5 測試平臺架構(gòu)圖Fig.5 Test platform architecture diagram

為了對黑匣子模塊進(jìn)行故障分析，需要開發(fā)可以滿足其測試需求的全功能測試平臺。該平臺可為黑匣子模塊提供各種工況下的控制信號，并對其輸出信號及關(guān)鍵中間量信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。如圖5所示，測試平臺主要由控制設(shè)備、配電設(shè)備、適配設(shè)備、程控負(fù)載和顯示設(shè)備構(gòu)成。

控制設(shè)備是測試平臺的核心設(shè)備，其硬件部分采用NI設(shè)備構(gòu)成[1]（主要包括：PXIe-8840型高性能控制器模塊、PXI-6509型多通道數(shù)字I/O模塊、PXIe-4322型高精度模擬輸出模塊、PXIe-4300型高精度電壓采集模塊、PXI-5421型16位任意波形發(fā)生器模塊、PXIe-1085型高性能控制機(jī)箱等），其軟件部分使用LabWIEW作為軟件開發(fā)平臺[2]（技術(shù)人員可以通過人機(jī)界面方便快捷地完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、報表生成等工作）；控制設(shè)備借助顯示設(shè)備和適配設(shè)備，可以為被測的黑匣子模塊提供多種類型的控制信號（包括數(shù)字量信號及多種類型的模擬量信號）并可對數(shù)字量輸出信號及各種類型的模擬量輸出信號進(jìn)行采集及數(shù)據(jù)處理。

圖4 黑匣子模塊電路分析和軟件仿真Fig.4 Black box module circuit analysis and software simulation

3.4 故障復(fù)現(xiàn)及定位

使用測試平臺為黑匣子模塊提供模擬現(xiàn)場實際工況的控制信號，復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象，并對其故障狀態(tài)下的輸出信號及關(guān)鍵中間量信號進(jìn)行采集，依據(jù)前期搭建的數(shù)學(xué)模型，對黑匣子模塊進(jìn)行逐級分析和排查，直至定位故障位置。

對故障位置處的電路和元器件進(jìn)行重點(diǎn)分析，確定故障產(chǎn)生的根本原因，并制定有效的應(yīng)對措施，確保類似問題不再重發(fā)，提高控制系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種核電站控制系統(tǒng)“黑匣子模塊”故障分析的實用方法，并對其實施方案及具體操作步驟進(jìn)行了詳細(xì)說明；運(yùn)用該方法，可有效解決困擾電站的“黑匣子模塊”故障分析難題，準(zhǔn)確定位故障原因，制定有效的應(yīng)對措施，確保類似問題不再重發(fā)。保證核電站控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。