核電廠安全級(jí)DCS系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間自動(dòng)測(cè)試方法研究

文 景，賀先建，陳 釗

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

0 引言

圖1 測(cè)試原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of testing principle

1 核電廠安全級(jí)DCS系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

核電廠安全級(jí)DCS 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間主要包括緊急停堆功能響應(yīng)時(shí)間和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)功能響應(yīng)時(shí)間。核電廠安全級(jí)DCS 系統(tǒng)執(zhí)行停堆（或?qū)ＴO(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)）功能時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆工況信號(hào)，并將采集的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值比較、邏輯運(yùn)算，最終輸出停堆（或?qū)ＴO(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)）指令，這個(gè)過程所需要的時(shí)間稱為緊急停堆（或?qū)ＴO(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)）功能響應(yīng)時(shí)間。

2 核電廠安全級(jí)DCS系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

2.1 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試原理

如圖1 所示，安全級(jí)DCS 系統(tǒng)初始狀態(tài)處于輸入和輸出狀態(tài)均無變化的穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)輸入發(fā)生變化（此時(shí)刻記為T0），該輸入經(jīng)系統(tǒng)處理引起系統(tǒng)輸出狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化（此時(shí)刻記為T1），T1-T0 的值即為該系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。因此，測(cè)試該系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間關(guān)鍵在于記錄系統(tǒng)輸出變化時(shí)刻T1 和引起該輸出變化的系統(tǒng)輸入變化時(shí)刻T0，T1 與T0 的差值（T1-T0）即為系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

2.2 常規(guī)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法

2.2.1 測(cè)試環(huán)境

典型安全級(jí)DCS 系統(tǒng)采用4 個(gè)保護(hù)組以及2 個(gè)邏輯系列冗余設(shè)計(jì)，每個(gè)保護(hù)組和邏輯系列相對(duì)于其它通道和邏輯系列獨(dú)立工作。安全級(jí)DCS 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試環(huán)境如圖2 所示（單保護(hù)組和單邏輯系列），主要包括安全級(jí)DCS系統(tǒng)、測(cè)試裝置和高精度示波器（或記錄儀）3 部分。

1）安全級(jí)DCS 系統(tǒng)

圖2 測(cè)試環(huán)境示意圖Fig.2 Test environment schematic diagram

接收測(cè)試裝置輸出的工況模擬信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行閾值比較、邏輯運(yùn)算后，輸出相應(yīng)的停堆控制信號(hào)以及專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。

現(xiàn)在的專業(yè)課課程教學(xué)，講究理論和實(shí)踐一體化教學(xué)，課堂的理論教學(xué)和校內(nèi)外實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)穿插進(jìn)行，現(xiàn)在有了任務(wù)發(fā)布和通知功能，可以更好的在課上和課下與學(xué)生互動(dòng)起來，做到全方位、全時(shí)間、全地域的教學(xué)和學(xué)習(xí)。圖6展示的是課程通知與任務(wù)發(fā)布示例。

2）測(cè)試裝置

測(cè)試裝置包括工況模擬、設(shè)備模擬兩部分功能。

① 工況模擬

模擬現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸出信號(hào)以及盤臺(tái)的控制信號(hào)，用于根據(jù)不同工況需要輸出相應(yīng)的模擬量值以及開關(guān)量值。

② 設(shè)備模擬

模擬停堆斷路器以及Level0 層設(shè)備模型，用于接收被測(cè)系統(tǒng)的停堆信號(hào)以及專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3）高精度示波器（或記錄儀）

采集被測(cè)系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)的波形，用于測(cè)量T1 與T0 時(shí)刻的差以得到響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.2.2 測(cè)試程序

1）將測(cè)試裝置接入被測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)輸入和輸出端子，通過測(cè)試裝置向DCS 系統(tǒng)注入信號(hào)，建立非停堆以及專設(shè)安全設(shè)施未啟動(dòng)工況。

2）根據(jù)所選的緊急停堆功能（或?qū)ＴO(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)功能）改變測(cè)試裝置對(duì)應(yīng)的輸出值，用高精度示波器（或記錄儀）記錄此時(shí)刻T0，被測(cè)系統(tǒng)因輸入的改變導(dǎo)致輸出停堆信號(hào)（或?qū)ＴO(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)信號(hào)），用高精度示波器（記錄儀）記錄此時(shí)刻T1。

圖3 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test device structure

3）在示波器上讀取T1 與T0 的差值并記錄。

2.2.3 方法缺點(diǎn)

核電廠安全級(jí)DCS 系統(tǒng)緊急停堆功能和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)功能往往有幾十上百個(gè)，工廠測(cè)試中每一個(gè)緊急停堆和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)功能響應(yīng)時(shí)間均要覆蓋，與之相關(guān)的測(cè)量點(diǎn)可達(dá)數(shù)百個(gè)。而示波器（或記錄儀）的通道有限，不能同時(shí)監(jiān)測(cè)所有輸入輸出信號(hào)。因此，測(cè)試時(shí)需要人工拆接測(cè)試線纜，并且每次測(cè)試時(shí)需要人工操作示波器（或記錄儀）光標(biāo)來讀取T1 和T0 的差值。最終導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試周期較長、出現(xiàn)人因差錯(cuò)以及很難得到具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的大量數(shù)據(jù)。

2.3 響應(yīng)時(shí)間自動(dòng)測(cè)試方法

為解決常規(guī)測(cè)試方法的缺點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以及時(shí)鐘同步等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置自動(dòng)記錄被測(cè)系統(tǒng)輸入信號(hào)變化時(shí)刻T0 以及被測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)變化時(shí)刻T1，并自動(dòng)計(jì)算時(shí)間差（T1-T0），得到被測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，從而避免了測(cè)試周期長、出現(xiàn)人因差錯(cuò)以及很難得到具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的大量數(shù)據(jù)的情況。

2.3.1 總體結(jié)構(gòu)

測(cè)試裝置主要由測(cè)試柜、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、上位機(jī)組成，其中測(cè)試柜中包含主控模塊、I/O 模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)接模塊、信號(hào)調(diào)理模塊以及電源等模塊。裝置支持模擬量輸入（4mA ～20mA 有源或無源）、模擬量輸出（4mA ～20mA有源或無源，-5mV ～55mV，Pt100 熱電阻）、開關(guān)量輸入/輸出（24V/48V 有源或無源）。測(cè)試柜以及上位機(jī)間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并支持TCP/IP 協(xié)議，以交換機(jī)作為中心節(jié)點(diǎn)，各個(gè)測(cè)試柜以及上位機(jī)均通過以太網(wǎng)線與之連接。測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

2.3.2 實(shí)現(xiàn)方式

1）軟硬件配置

硬件采用美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的PXI 硬件平臺(tái)，軟件采用美國國家儀器（NI）公司推出的LabVIEW 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW 采用圖形化的編輯語言（G 語言），具有直觀、簡便的編程方式，眾多的源碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，多種多樣的分析和表達(dá)功能使LabVIEW 能連接超過1500 種PXI 產(chǎn)品，為用戶快捷地構(gòu)建自己在實(shí)際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。PXI 和LabVIEW 無縫結(jié)合，形成了一個(gè)完整的自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)[2-5]。通過選擇PXI 硬件平臺(tái)中滿足技術(shù)要求的主控模塊和輸入輸出模塊，并結(jié)合相應(yīng)的調(diào)理板卡、轉(zhuǎn)接板卡以及LabVIEW 程序以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出、采集、響應(yīng)時(shí)間自動(dòng)測(cè)試等功能。

2）軟件主程序

采用LabVIEW 圖形化編輯語言完成主程序的設(shè)計(jì)，程序根據(jù)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試用例中的步驟依次向安全級(jí)DCS 系統(tǒng)注入信號(hào)，并采集安全級(jí)DCS 系統(tǒng)的輸出信號(hào)，然后將采集的DCS 系統(tǒng)輸出信號(hào)與用例中的預(yù)期值進(jìn)行比較。用例執(zhí)行過程中，程序自動(dòng)讀取測(cè)試裝置輸出信號(hào)由初始值變?yōu)橛|發(fā)值的時(shí)刻T0 以及安全級(jí)DCS 系統(tǒng)輸出信號(hào)變化時(shí)刻T1，然后計(jì)算T1 與T0 的差值得到系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。用例執(zhí)行完成后自動(dòng)保存測(cè)試結(jié)果、生成測(cè)試報(bào)告。自動(dòng)測(cè)試界面如圖4 所示。

2.3.3 關(guān)鍵性能指標(biāo)驗(yàn)證

圖4 自動(dòng)測(cè)試界面Fig.4 Automatic test interface

圖5 示波器測(cè)試圖Fig.5 Oscilloscope test chart

響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的誤差是該裝置的關(guān)鍵性能指標(biāo)，驗(yàn)證方法是采用響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置與高精度示波器同時(shí)測(cè)量DCS 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，然后計(jì)算裝置測(cè)量值與高精度示波器測(cè)量值的差，以驗(yàn)證響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置測(cè)試結(jié)果的誤差是否滿足要求。示波器測(cè)試如圖5 所示，驗(yàn)證過程執(zhí)行了1000 次響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，因篇幅過大本文不逐一列出，部分結(jié)果見表1。

對(duì)比自動(dòng)測(cè)試與示波器測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，響應(yīng)時(shí)間偏差均為正偏差且小于0.5ms，誤差滿足響應(yīng)時(shí)間測(cè)試要求。由于采用示波器直接接入測(cè)試裝置輸出信號(hào)線和采集信號(hào)線來測(cè)量其信號(hào)變化時(shí)刻，而自動(dòng)測(cè)試方法采用軟件程序的方式讀取裝置輸出信號(hào)和采集信號(hào)的變化時(shí)刻，軟件程序執(zhí)行時(shí)間以及硬件信號(hào)建立時(shí)間會(huì)導(dǎo)致其測(cè)量值始終會(huì)大于示波器測(cè)量值，即出現(xiàn)正偏差的現(xiàn)象。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)Table1 Test data

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)（續(xù)） Table1 Test data（continue）

2.4 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法對(duì)比分析

根據(jù)2.2 節(jié)和2.3 節(jié)對(duì)兩種響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法的原理及實(shí)現(xiàn)方式的分析，整理得到效果對(duì)比表（見表2）。

從表2 可以看出，在精度方面，自動(dòng)測(cè)試方法和常規(guī)測(cè)試方法均較高，但常規(guī)測(cè)試方法比自動(dòng)測(cè)試方法精度更高；在測(cè)試效率方面，自動(dòng)測(cè)試方法比常規(guī)測(cè)試方法有很大的優(yōu)勢(shì)；在人力成本方面，常規(guī)測(cè)試方法人力投入更多，成本更高；在設(shè)備成本方面，自動(dòng)測(cè)試方法成本更高，但是自動(dòng)測(cè)試方法可通過升級(jí)軟件程序?qū)崿F(xiàn)安全級(jí)DCS 系統(tǒng)緊急停堆功能和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)功能邏輯測(cè)試，可以取代常規(guī)的測(cè)試裝置。另一方面，常規(guī)的自動(dòng)化測(cè)試裝置若硬件具備響應(yīng)時(shí)間自動(dòng)測(cè)試方法的硬件條件，那么對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)并對(duì)硬件進(jìn)行較小的改動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間自動(dòng)測(cè)試方法。因此綜合分析，自動(dòng)測(cè)試方法設(shè)備成本并不會(huì)有大幅地增加，響應(yīng)時(shí)間自動(dòng)測(cè)試方法較常規(guī)測(cè)試方法有較大的優(yōu)勢(shì)。

表2 兩種測(cè)試方法效果對(duì)比表Table 2 Comparison of effects between the two methods

3 總結(jié)

本文分析了常規(guī)核電廠安全級(jí)DCS 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法及原理，得出了常規(guī)測(cè)試方法的缺點(diǎn)。針對(duì)常規(guī)測(cè)試方法的不足，提出了一種自動(dòng)測(cè)試方法，詳細(xì)介紹了方法原理及實(shí)現(xiàn)方式，并對(duì)其關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。通過對(duì)比分析可以看出，該方法能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)試方法的不足，能夠大幅度地提高測(cè)試效率和減少人因差錯(cuò)率。在自動(dòng)測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，通過對(duì)軟件程序的進(jìn)一步開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)大量響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析，生成系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間概率密度圖。通過對(duì)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的分析處理，更深入地挖掘出系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的特性。