核電廠安全級DCS系統功能測試方案研究及改進

文 景，賀先建，陳 釗，劉明明

（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

數字化控制系統（DCS）是核電廠的“中樞神經”，核電廠安全級DCS作為其關鍵組成部分對核電廠的安全運行起著至關重要的作用[1]。核電廠安全級DCS對反應堆工況參數進行實時監測，當出現事故工況時，系統將自動觸發緊急停堆、專設安全設施驅動等功能以保證核電廠的安全[2]。在安全級DCS工廠測試中，需要對停堆、專設安全設施驅動、旁通等功能進行嚴格的測試，以保證安全級DCS系統功能的完整性、正確性和可靠性。

安全級DCS工廠測試分為單體測試、集成測試以及系統測試3個階段。系統功能測試包括停堆功能測試、專設安全設施驅動功能測試、旁通功能測試、定期試驗功能測試、報警功能測試等內容，其中停堆功能測試以及專設安全設施驅動功能測試是系統測試中的主要內容[3]。其目的是驗證安全級DCS系統停堆以及專設安全設施驅動是否滿足技術規格書、邏輯圖、模擬圖、系統方案等上游文件的要求。

1 系統功能測試方案

1.1 測試方案

目前安全級DCS系統功能測試主要采用自動化測試裝置仿真Level0層傳感器和執行機構進行測試[4]。以基于中國核動力研究設計院研發的核電廠安全級DCS平臺（NASPIC）的某核電供貨項目為例，測試環境如圖1所示。主要包括安全級DCS（被測設備）和測試裝置兩大部分。其中，安全級DCS主要包括4個保護組（IP～IVP）和兩個邏輯系列，測試裝置主要包括工況模擬、設備模擬以及上位機3部分。

圖1 測試環境圖Fig.1 Test environment diagram

1）安全級DCS

測試時安全級DCS接收測試裝置輸出的工況模擬信號和盤臺控制信號，將信號進行預處理、閾值比較、邏輯運算后，輸出相應的停堆信號、專設安全設施驅動控制信號以及相關的網絡信號。

2）工況模擬裝置

模擬現場傳感器的輸出信號以及盤臺控制信號，按照上位機軟件解析后的測試用例中輸入/輸出（I/O）信號名、信號值和變化步序等信息，輸出相應的模擬量值和開關量值。

3）設備模擬裝置

模擬停堆斷路器、Level0層設備模型以及非安全級DCS網關，用于接收被測DCS輸出的硬接線信號以及網關（GW）送出的網絡信號，并上傳上位機。

4）上位機

執行測試用例，解析測試用例中的I/O信號名、信號值和變化步序等信息，并按照解析結果控制工況模擬裝置輸出信號；接收設備模擬裝置上傳的被測DCS的輸出信號值，并與用例中預期值進行比較。

測試執行過程中，測試裝置上位機軟件解析用例中被測DCS的輸入與輸出信號名稱、輸出信號預期值、輸入信號值及其變化順序等信息，然后根據用例解析結果控制工況模擬裝置輸出變化的信號，信號經被測DCS運算處理后輸出相應的停堆信號、專設控制信號以及相關報警信號。停堆、專設控制信號以及相關報警信號被設備模擬裝置采集并上傳上位機，上位機將上傳的信號值與測試用例中的預期值進行比較得到測試結果并保存。測試用例執行界面如圖2所示，界面上半區域是測試裝置向被測DCS注入的信號名稱、信號值、信號變化步驟、每步變化時間等信息；下半區域是測試裝置采集的被測DCS輸出的信號名稱、信號值、預期值、實測值等信息，其中綠色填充表格表示實測值與預期值一致，紅色填充表格表示實測值與預期值不一致。

圖2 測試用例執行界面Fig.2 Test case execution interface

1.2 測試執行

測試環境搭建并調試完成后，即可操作測試裝置上位機自動完成測試，測試執行流程如圖3所示，主要操作步驟如下：

圖3 測試執行流程圖Fig.3 Test execution flow chart

1）在上位機軟件中新建測試工程。

2）導入I/O信號配置表。

3）導入測試用例。

4）選擇導入的用例。

5）點擊“連續執行”按鈕，執行用例。

6）用例執行完成后，導出測試結果。

1.3 方案不足

該方案在實施時，測試用例能夠在測試裝置上批量自動執行，該執行過程占用時間較少。但是，在測試環境準備階段需要將DCS所有I/O信號接入測試裝置，而DCS通常有幾千個I/O信號點，接線過程將占用大量的時間，并且在接線時機柜不能上電，無法執行其它測試項。因此，該方案的靈活性較差，測試效率較低。

2 系統功能測試方案改進

目前的系統功能測試方案在環境準備階段占用時間較長，其關鍵原因在于該測試方案需要依賴DCS的I/O硬件通道，向DCS注入信號和采集DCS輸出信號必須通過I/O硬件。而在工廠測試中的單體測試階段已經將I/O通道信號鏈路驗證完成，在系統測試階段主要驗證DCS主控模塊中軟件組態的正確性。那么，可以改進優化目前的系統功能測試方案，實現在系統功能測試時直接強制DCS主控模塊中軟件組態的輸入變量值以及讀取其輸出變量值，以達到不依賴I/O硬件而驗證DCS軟件組態正確性的目的。

將DCS機柜中主控機箱通過維護網絡與DCS工程師站（MTS）連接，工程師站通過測試網交換機接入測試網，工程師站對測試裝置上位機開放接口。在測試過程中，裝置上位機通過DCS工程師站實現對被測DCS組態程序中輸入/輸出變量值及質量位的強制和讀取。方案改進原理如圖4所示。方案改進后DCS的輸入/輸出信號路徑不僅有硬接線路徑，還增加了網絡路徑，信號路徑類型如下：

圖4 方案改進原理圖Fig.4 Schematic diagram of scheme improvement

1）DCS輸入信號路徑

硬接線路徑：測試裝置上位機控制測試裝置機柜輸出信號，信號經DCS采集卡進入到主控模塊中進行處理。

網絡路徑：測試裝置上位機向被測DCS工程師站發送含強制變量名和變量值及質量位的數據包，被測DCS工程師站解析數據包后，強制對應地輸入變量和網絡變量的值及質量位。

2）DCS輸出信號路徑

硬接線路徑：被測DCS輸入信號經運算和邏輯處理后，控制對應I/O模塊輸出相應的信號值，信號經硬接線注入到測試裝置機柜的采集模塊，測試裝置機柜將采集的信號值上傳至裝置上位機。

網絡路徑：測試裝置上位機向被測DCS工程師站發送請求變量數據包，DCS工程師站解析請求變量數據包后，將變量名和變量值及質量位經交換機送往裝置上位機。

測試執行過程中，測試裝置根據用例向DCS注入信號，該信號可通過硬接線或網絡路徑注入到DCS；DCS將注入信號進行運算和邏輯處理后輸出信號，該信號可通過硬接線或網絡路徑輸入測試裝置。最后，測試裝置上位機將采集的硬接線信號值或網絡信號值與用例中的預期值進行比較，得到測試報告。

3 對比分析

方案改進后，測試裝置與DCS之間的信號路徑不僅有硬接線路徑還具有網絡路徑，信號路徑更加豐富，有效彌補了目前測試方案的不足，降低了對DCS的I/O模塊的依賴度，提高了測試的靈活性，擴大了應用范圍。并且，在測試執行層面，改進后的方案對測試人員的操作步驟沒有影響，操作步驟與1.2節中改進前的測試方案操作步驟一致。

3.1 硬件依賴度

采用改進前的測試方案，需要在所有I/O信號點接線完成后才能開始測試，而改進后的方案能夠完全不通過I/O模塊向DCS注入信號和采集DCS輸出信號。因此，僅使用每個控制站的主控機箱就可完成DCS軟件組態的驗證。

3.2 配置靈活性

采用改進前的測試方案，只能針對所有控制站集成完成后的工程進行測試，而改進后的方案能夠根據實際情況對單個控制站、部分控制站或者全部控制站進行系統功能測試，并且可以根據實際情況，將信號路徑配置為全硬接線路徑、部分硬接線路徑或全網絡路徑，進行系統功能測試。

3.3 應用范圍

3.3.1 工廠測試

1）單體測試階段

改進前的測試方案無法在單體測試階段應用，對于單體測試中的I/O通道測試，目前的方法是采用過程校驗儀、電阻箱、萬用表等工具，人工向DCS注入信號以及測量DCS輸出信號。而采用改進后的方案，則可以實現I/O通道自動測試，明顯地提高測試效率。

2）集成測試階段

改進前的測試方案無法在集成測試階段應用。對于集成測試中的站間通信測試，目前的方法是使用DCS的工程師站強制發送站的網絡變量值和質量位，同時在接收站查看對應的接收網絡變量的值和質量位。而采用改進后的方案，則可以實現站間通信自動測試，明顯提高了測試效率。

3）系統測試階段

采用改進前的測試方案只能在測試環境搭建完成后進行測試，而采用改進后的方案在測試環境搭建過程中，可以僅對含有控制站的機柜上電，而信號預處理機柜以及優選驅動機柜可釋放出來進行接線工作。因此，在環境搭建過程中就能夠對控制站中的邏輯進行一次測試和驗證，當環境搭建完成后，再進行第二次測試和驗證。經過兩次驗證，可以充分發掘出DCS軟件組態的異常，保證DCS工程軟件組態的正確性，同時提高測試效率。

3.3.2 軟件組態驗證

在系統功能測試中，不可避免地會發現工程應用軟件異常，設計人員需要修改并升版發布工程應用軟件。由于軟件組態修改后，可能產生潛在異常，因而在修改后的工程軟件組態發布前，采用改進后的方案快速搭建一個驗證環境，能夠在不占用實際被測設備情況下，對修改后的工程軟件組態進行發布前的自動化驗證。這樣就能保證升版軟件組態的正確性，避免升版的軟件組態下裝后，雖然解決了之前的異常，卻產生了新的異常。

4 結論

通過分析和研究目前的安全級DCS系統功能測試方案，發現目前方案對DCS的I/O硬件依賴性較大，且影響工廠測試效率。針對目前測試方案的不足，對其進行優化改進，改進后能夠有效彌補目前測試方案的缺點，有效地提高了測試效率和準確性。最后，在硬件規模、配置靈活性、應用范圍3個方面進行對比分析，說明了改進后方案優于目前的系統功能測試方案，同時為工程應用軟件的驗證方法和工廠測試方法的改進及優化提供了參考。