核電廠安全級DCS系統響應時間自動測試方法研究

文 景，賀先建，陳 釗

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

圖1 測試原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of testing principle

1 核電廠安全級DCS系統響應時間

核電廠安全級DCS 系統響應時間主要包括緊急停堆功能響應時間和專設安全設施驅動功能響應時間。核電廠安全級DCS 系統執行停堆（或專設安全設施驅動）功能時，需要實時監測反應堆工況信號，并將采集的工況數據進行閾值比較、邏輯運算，最終輸出停堆（或專設安全設施驅動）指令，這個過程所需要的時間稱為緊急停堆（或專設安全設施驅動）功能響應時間。

2 核電廠安全級DCS系統響應時間測試

2.1 響應時間測試原理

如圖1 所示，安全級DCS 系統初始狀態處于輸入和輸出狀態均無變化的穩態時，當系統輸入發生變化（此時刻記為T0），該輸入經系統處理引起系統輸出狀態發生相應變化（此時刻記為T1），T1-T0 的值即為該系統的響應時間。因此，測試該系統的響應時間關鍵在于記錄系統輸出變化時刻T1 和引起該輸出變化的系統輸入變化時刻T0，T1 與T0 的差值（T1-T0）即為系統的響應時間。

2.2 常規響應時間測試方法

2.2.1 測試環境

典型安全級DCS 系統采用4 個保護組以及2 個邏輯系列冗余設計，每個保護組和邏輯系列相對于其它通道和邏輯系列獨立工作。安全級DCS 系統響應時間測試環境如圖2 所示（單保護組和單邏輯系列），主要包括安全級DCS系統、測試裝置和高精度示波器（或記錄儀）3 部分。

1）安全級DCS 系統

圖2 測試環境示意圖Fig.2 Test environment schematic diagram

接收測試裝置輸出的工況模擬信號，將信號進行閾值比較、邏輯運算后，輸出相應的停堆控制信號以及專設安全設施驅動控制信號。

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2）測試裝置

測試裝置包括工況模擬、設備模擬兩部分功能。

① 工況模擬

模擬現場傳感器的輸出信號以及盤臺的控制信號，用于根據不同工況需要輸出相應的模擬量值以及開關量值。

② 設備模擬

模擬停堆斷路器以及Level0 層設備模型，用于接收被測系統的停堆信號以及專設安全設施驅動信號。

3）高精度示波器（或記錄儀）

采集被測系統輸入與輸出信號的波形，用于測量T1 與T0 時刻的差以得到響應時間測試數據。

2.2.2 測試程序

1）將測試裝置接入被測系統的信號輸入和輸出端子，通過測試裝置向DCS 系統注入信號，建立非停堆以及專設安全設施未啟動工況。

2）根據所選的緊急停堆功能（或專設安全設施驅動功能）改變測試裝置對應的輸出值，用高精度示波器（或記錄儀）記錄此時刻T0，被測系統因輸入的改變導致輸出停堆信號（或專設安全設施驅動信號），用高精度示波器（記錄儀）記錄此時刻T1。

圖3 測試裝置結構示意圖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

核電廠安全級DCS 系統緊急停堆功能和專設安全設施驅動功能往往有幾十上百個，工廠測試中每一個緊急停堆和專設安全設施驅動功能響應時間均要覆蓋，與之相關的測量點可達數百個。而示波器（或記錄儀）的通道有限，不能同時監測所有輸入輸出信號。因此，測試時需要人工拆接測試線纜，并且每次測試時需要人工操作示波器（或記錄儀）光標來讀取T1 和T0 的差值。最終導致系統響應時間測試周期較長、出現人因差錯以及很難得到具有統計學意義的大量數據。

2.3 響應時間自動測試方法

為解決常規測試方法的缺點，利用計算機技術、微處理器技術、網絡通訊技術以及時鐘同步等技術，實現測試裝置自動記錄被測系統輸入信號變化時刻T0 以及被測系統輸出信號變化時刻T1，并自動計算時間差（T1-T0），得到被測系統的響應時間，從而避免了測試周期長、出現人因差錯以及很難得到具有統計學意義的大量數據的情況。

2.3.1 總體結構

測試裝置主要由測試柜、網絡交換機、上位機組成，其中測試柜中包含主控模塊、I/O 模塊、信號轉接模塊、信號調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）、開關量輸入/輸出（24V/48V 有源或無源）。測試柜以及上位機間的網絡結構采用星型拓撲結構并支持TCP/IP 協議，以交換機作為中心節點，各個測試柜以及上位機均通過以太網線與之連接。測試裝置結構示意圖如圖3 所示。

2.3.2 實現方式

1）軟硬件配置

硬件采用美國國家儀器（NI）公司開發的PXI 硬件平臺，軟件采用美國國家儀器（NI）公司推出的LabVIEW 虛擬儀器開發平臺。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，眾多的源碼級的設備驅動程序，多種多樣的分析和表達功能使LabVIEW 能連接超過1500 種PXI 產品，為用戶快捷地構建自己在實際生產中所需要的儀器系統創造了基礎條件。PXI 和LabVIEW 無縫結合，形成了一個完整的自動化測試平臺[2-5]。通過選擇PXI 硬件平臺中滿足技術要求的主控模塊和輸入輸出模塊，并結合相應的調理板卡、轉接板卡以及LabVIEW 程序以實現信號的輸出、采集、響應時間自動測試等功能。

2）軟件主程序

采用LabVIEW 圖形化編輯語言完成主程序的設計，程序根據響應時間測試用例中的步驟依次向安全級DCS 系統注入信號，并采集安全級DCS 系統的輸出信號，然后將采集的DCS 系統輸出信號與用例中的預期值進行比較。用例執行過程中，程序自動讀取測試裝置輸出信號由初始值變為觸發值的時刻T0 以及安全級DCS 系統輸出信號變化時刻T1，然后計算T1 與T0 的差值得到系統的響應時間。用例執行完成后自動保存測試結果、生成測試報告。自動測試界面如圖4 所示。

2.3.3 關鍵性能指標驗證

圖4 自動測試界面Fig.4 Automatic test interface

圖5 示波器測試圖Fig.5 Oscilloscope test chart

響應時間測試的誤差是該裝置的關鍵性能指標，驗證方法是采用響應時間測試裝置與高精度示波器同時測量DCS 系統響應時間，然后計算裝置測量值與高精度示波器測量值的差，以驗證響應時間測試裝置測試結果的誤差是否滿足要求。示波器測試如圖5 所示，驗證過程執行了1000 次響應時間測試，因篇幅過大本文不逐一列出，部分結果見表1。

對比自動測試與示波器測試結果數據，響應時間偏差均為正偏差且小于0.5ms，誤差滿足響應時間測試要求。由于采用示波器直接接入測試裝置輸出信號線和采集信號線來測量其信號變化時刻，而自動測試方法采用軟件程序的方式讀取裝置輸出信號和采集信號的變化時刻，軟件程序執行時間以及硬件信號建立時間會導致其測量值始終會大于示波器測量值，即出現正偏差的現象。

表1 測試數據Table1 Test data

表1 測試數據（續） Table1 Test data（continue）

2.4 響應時間測試方法對比分析

根據2.2 節和2.3 節對兩種響應時間測試方法的原理及實現方式的分析，整理得到效果對比表（見表2）。

從表2 可以看出，在精度方面，自動測試方法和常規測試方法均較高，但常規測試方法比自動測試方法精度更高；在測試效率方面，自動測試方法比常規測試方法有很大的優勢；在人力成本方面，常規測試方法人力投入更多，成本更高；在設備成本方面，自動測試方法成本更高，但是自動測試方法可通過升級軟件程序實現安全級DCS 系統緊急停堆功能和專設安全設施驅動功能邏輯測試，可以取代常規的測試裝置。另一方面，常規的自動化測試裝置若硬件具備響應時間自動測試方法的硬件條件，那么對軟件進行升級并對硬件進行較小的改動就能實現響應時間自動測試方法。因此綜合分析，自動測試方法設備成本并不會有大幅地增加，響應時間自動測試方法較常規測試方法有較大的優勢。

表2 兩種測試方法效果對比表Table 2 Comparison of effects between the two methods

3 總結

本文分析了常規核電廠安全級DCS 系統響應時間測試方法及原理，得出了常規測試方法的缺點。針對常規測試方法的不足，提出了一種自動測試方法，詳細介紹了方法原理及實現方式，并對其關鍵性能指標進行了試驗驗證。通過對比分析可以看出，該方法能夠彌補傳統測試方法的不足，能夠大幅度地提高測試效率和減少人因差錯率。在自動測試方法的基礎上，通過對軟件程序的進一步開發，可實現大量響應時間數據的存儲與分析，生成系統響應時間概率密度圖。通過對具有統計學意義的響應時間數據的分析處理，更深入地挖掘出系統響應時間的特性。