核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)SOE的分辨率測(cè)試設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094)

核電站運(yùn)行因其燃料的特殊性，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求很高。電站一旦發(fā)生主要設(shè)備跳閘事件或者停堆事件，都需要精確地分析出其觸發(fā)的原因，從而制定措施，舉一反三，最大可能地避免類似事件或事故再次發(fā)生。但是設(shè)備跳閘后，往往會(huì)引起一系列的連鎖動(dòng)作，相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生狀態(tài)改變，核電站內(nèi)DCS畫面會(huì)發(fā)出大量報(bào)警信號(hào)，并且信息滾動(dòng)會(huì)很快覆蓋原畫面。核電站均會(huì)使用SOE系統(tǒng)專門用于事件記錄和分析使用，該系統(tǒng)能夠非常精確地將設(shè)備跳閘動(dòng)作按照時(shí)間序列儲(chǔ)存下來，以供分析人員進(jìn)行分析研究。SOE分辨率的高低直接影響到事件順序記錄的質(zhì)量，它是該系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)。

DCS作為工業(yè)過程控制的中樞系統(tǒng)，其本身的性能對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的影響。 DCS的性能測(cè)試還可以作為DCS定期維護(hù)的一個(gè)重要方法，對(duì)各制造商以及各類型DCS測(cè)試的數(shù)據(jù)積累，還可以為今后DCS的設(shè)備選型、評(píng)價(jià)提供科學(xué)、客觀的依據(jù)[1]。當(dāng)前我國(guó)核電站的SOE系統(tǒng)大都劃入DCS系統(tǒng)供貨包中，屬于DCS的一個(gè)子系統(tǒng)，從而SOE的分辨率也是核電站DCS非常重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)。

SOE是一種帶時(shí)間戳的DI采集模塊，即SOE模塊不僅要采集DI的狀態(tài)，還要同步記錄DI狀態(tài)變位發(fā)生的時(shí)刻，一并報(bào)給主控制器處理后，再保存在DCS系統(tǒng)服務(wù)器或操作員站中。SOE的主要作用是用于分析事故的原因，即事故之間的因果關(guān)系。SOE的分辨率指的是，SOE模塊計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器增加1所代表的時(shí)間計(jì)量，一般設(shè)計(jì)為1 ms。[2]一臺(tái)核電機(jī)組中存在較多SOE設(shè)備，因此對(duì)于核電站SOE的多通道、不同模塊、不同站間的同時(shí)驗(yàn)證存在困難。本文論述的方法可解決目前的問題且精度更高、操作更便捷。

1 核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)SOE的分辨率測(cè)試設(shè)計(jì)與分析

1.1 SOE的基本實(shí)現(xiàn)原理

由于SOE的主要作用是用于分析事故原因，即事故之間的因果關(guān)系，所以，嚴(yán)格來說SOE關(guān)心的不是事件的絕對(duì)時(shí)刻，而是事件之間的先后順序。為此，需要系統(tǒng)內(nèi)所有的SOE模塊都保持嚴(yán)格的及時(shí)同步，這要靠所有SOE模塊統(tǒng)一由一個(gè)共同時(shí)鐘源作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)同步信號(hào)，同步地將模塊內(nèi)部的計(jì)數(shù)器清零，來保持各SOE模塊的同步。一般情況下，SOE時(shí)鐘源是通過單獨(dú)的硬件接口用硬接線發(fā)送同步脈沖信號(hào)。而時(shí)鐘源也分為兩種，一種是GPS(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))接收機(jī)，另一種是DCS系統(tǒng)內(nèi)自己維持的時(shí)鐘源[2]，由于各DCS系統(tǒng)廠商的內(nèi)部校時(shí)方案不同，因此本文不進(jìn)行詳細(xì)描述，以下是GPS接收機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)SOE時(shí)鐘同步的原理。

一般的GPS接收機(jī)通過串口將時(shí)間信息輸出，GPS接收機(jī)輸出的時(shí)間信息中，包含秒脈沖串電平信號(hào)，同時(shí)也通過數(shù)據(jù)通訊的形式將某一秒脈沖對(duì)應(yīng)的當(dāng)前絕對(duì)時(shí)刻輸出。這兩個(gè)信息都被用于DCS系統(tǒng)的SOE同步和時(shí)間拼接，SOE同步和時(shí)間拼接的過程如下：

首先，GPS秒脈沖經(jīng)過DCS對(duì)時(shí)硬件分頻后變?yōu)榉置}沖，然后該分脈沖直接連接到系統(tǒng)各個(gè)SOE模塊。當(dāng)分脈沖到來時(shí)，各SOE模塊將自身計(jì)時(shí)器清零，即采用一般的晶體振蕩器，各模塊1 min同步1次，是完全能夠?qū)⒏髂K的時(shí)間累積誤差控制在0.1 ms內(nèi)的。

其次，分鐘以上的時(shí)間信息同步，只需要一個(gè)CPU通過網(wǎng)絡(luò)廣播接收時(shí)間信息包刷新班底時(shí)間，就完全保證各站的分鐘同步了。

1.2 SOE在核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方式

在基于HOLLiAS-N平臺(tái)的某核電站項(xiàng)目一期工程中，使用的是一種專用SOE模塊，此種設(shè)備自身帶有精確的時(shí)鐘；SOE事件分辨率為1 ms，其內(nèi)部時(shí)鐘為了保持與系統(tǒng)時(shí)間一致；通常采用與上位機(jī)對(duì)時(shí)或者通過GPS對(duì)時(shí)。標(biāo)記的過程一般為：每一個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)器和多組時(shí)間寄存器；當(dāng)通道的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，通過硬接線將時(shí)間計(jì)數(shù)器的值賦給時(shí)間寄存器；當(dāng)多個(gè)通道同時(shí)發(fā)生狀態(tài)改變時(shí)可以同時(shí)處理；上位機(jī)通過其設(shè)定的掃描周期定期的從SOE模塊中讀取這些打有時(shí)標(biāo)的狀態(tài)改變量。

圖1 數(shù)字控制系統(tǒng)SOE的分辨率原理分析示意圖Fig.1 The analysis for the SOE resolution in the digital I&C system

1.3 SOE的分辨率測(cè)試方法設(shè)計(jì)

SOE的分辨率測(cè)試工作過程是：按一定的時(shí)間間隔(通常為1 ms)，對(duì)連接到它的輸入通道的接點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行判斷，一旦有事件發(fā)生(通道被觸發(fā))，系統(tǒng)能夠按此間隔時(shí)間順序記錄此后發(fā)生的其他連鎖事件。因此，需要使用一種裝置對(duì)SOE系統(tǒng)各通道順序觸發(fā)，并保證這種順序觸發(fā)在時(shí)間間隔上足夠精確的前提下，通過比對(duì)SOE系統(tǒng)記錄，查看記錄和實(shí)際觸發(fā)順序是否吻合來達(dá)到驗(yàn)證SOE系統(tǒng)的目的。

1.4 SOE的分辨率測(cè)試方法分析

本方法使用的核電站測(cè)試裝置發(fā)送SOE信號(hào)。測(cè)試裝置在硬件指標(biāo)上完全滿足SOE的分辨率測(cè)試的要求，并且可通過軟件靈活設(shè)置信號(hào)的發(fā)送時(shí)間間隔、脈沖寬度以及通道數(shù)量，能夠滿足不同工況下的測(cè)試需求，并且還可用于DI事件、報(bào)警事件分辨率等其他測(cè)試內(nèi)容。

在實(shí)際測(cè)試中，由于SOE通道被分配在不同模塊和控制站之中，因此需要同時(shí)驗(yàn)證同一模塊內(nèi)不同通道間、同站不同模塊間和不同站間的SOE信號(hào)分辨率。

具體測(cè)試方法如下：

(1)選擇三臺(tái)帶有SOE信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)控制站(分別以a：中間站號(hào);b：最小站號(hào);c：最大站號(hào)表示)，使用測(cè)試裝置順次接以下7個(gè)通道：

1)在現(xiàn)場(chǎng)控制站a選擇同一SOE模塊的3個(gè)通道。

2)在現(xiàn)場(chǎng)控制站a其他2個(gè)SOE模塊分別選擇一個(gè)通道。

3)在現(xiàn)場(chǎng)控制站b選擇任意1個(gè)SOE通道。

4)在現(xiàn)場(chǎng)控制站c選擇任意1個(gè)SOE通道。

(2)使用測(cè)試裝置加信號(hào)，使被測(cè)SOE通道依次發(fā)生SOE事件，間隔時(shí)間等于1 ms。在操作員站上查看SOE日志，事件順序按實(shí)際發(fā)生順序排列。

圖2 SOE的分辨率測(cè)試示意圖Fig.2 The SOE resolution test

2 基于labVIEW的測(cè)試裝置簡(jiǎn)介

核電站DCS供應(yīng)商在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，需要測(cè)試DCS與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的控制邏輯是否正確，但是只有在核電站運(yùn)行時(shí)才能得到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)，因此需要使用核電站DCS測(cè)試裝置。該裝置能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并且擁有足夠的容量，以滿足系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)量。測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of the test device

通過PC機(jī)中l(wèi)abVIEW程序編寫相應(yīng)的腳本并配合NI調(diào)理板卡，可模擬核電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種工況，通過對(duì)頻率控制、相位控制、占空比控制、控制字計(jì)算和信號(hào)的調(diào)制等綜合設(shè)計(jì)信號(hào)的發(fā)生，即使用測(cè)試裝置模擬產(chǎn)生測(cè)試所需的SOE事件。本測(cè)試裝置包含PC機(jī)、labVIEW程序、調(diào)理板、DAO卡及存放設(shè)備的機(jī)箱(不含現(xiàn)場(chǎng)控制站及其與調(diào)理板之間的硬接線)。

3 核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)SOE的分辨率測(cè)試實(shí)現(xiàn)與結(jié)果

3.1 SOE的分辨率測(cè)試實(shí)現(xiàn)前提條件

1)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器已與DCS對(duì)時(shí)硬件相連。

2)所有SOE模塊已與DCS對(duì)時(shí)硬件分脈沖端子相連，無超時(shí)故障。

3)所有實(shí)際運(yùn)行的軟件已正確、完整地下裝至計(jì)算機(jī)內(nèi)部，操作員站、服務(wù)器和被測(cè)控制站無故障。

3.2 SOE的分辨率測(cè)試實(shí)現(xiàn)過程

1)測(cè)點(diǎn)選擇

表1 SOE的分辨率測(cè)試選點(diǎn)Table 1 Selection of resolution test points for SOE

將測(cè)試裝置SOE測(cè)試板卡的前7個(gè)通道，依次接入上表中的測(cè)點(diǎn)。

2)在測(cè)試裝置加信號(hào)，使被測(cè)SOE通道依次發(fā)生SOE事件，時(shí)間間隔為1 ms。在操縱員站的SOE日志上查看事件順序。測(cè)試裝置發(fā)送信號(hào)時(shí)，可通過示波器測(cè)量?jī)蓚€(gè)通道間變位的時(shí)間差，來驗(yàn)證時(shí)間間隔是否準(zhǔn)確。測(cè)試裝置的精度必須是小于1 ms。

3.3 SOE的分辨率測(cè)試實(shí)現(xiàn)結(jié)果

SOE事件時(shí)間間隔1 ms。示波器捕捉的通道間變位波形如圖4所示。

圖4 間隔1 ms的示波器波形Fig.4 The waveform of oscilloscope with 1 ms interval

可以看出，兩個(gè)通道變位的時(shí)間差ΔX為1 ms。

此時(shí)SOE日志上記錄的信息如下：

圖5 間隔1 ms的SOE日志Fig.5 The log of SOE with 1 ms interval

日志中7個(gè)事件的時(shí)間信息正確，順序正確，因此當(dāng)時(shí)間間隔等于1 ms時(shí)，事件順序能夠分辨。

4 結(jié)論

通過對(duì)校時(shí)信號(hào)傳輸路徑的分析，合理選擇SOE事件點(diǎn)類型和覆蓋方式并通過使用智能測(cè)試裝置進(jìn)行SOE分辨率測(cè)試設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，使用測(cè)試裝置測(cè)試SOE的分辨率準(zhǔn)確性高，測(cè)試方法靈活，完全滿足了核電站數(shù)字控制系統(tǒng)SOE的分辨率的測(cè)試要求，能夠準(zhǔn)確判斷出核電站DCS的SOE系統(tǒng)是否能夠滿足1 ms的分辨率指標(biāo)，為后續(xù)不同DCS平臺(tái)中SOE分辨率的測(cè)試提供重要參考，此方法經(jīng)過大量實(shí)際應(yīng)用可推廣使用。