安全級DCS響應時間測試專用工具研發

彭沛星，洪詩鑫，邱炳賢，吳晨露，何 程

(中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

安全級DCS作為反應堆保護系統的承載，主要任務是保護三大核安全屏障(即燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼)的完整性，當運行參數達到危及三大屏障完整性的閾值時，緊急停閉反應堆和啟動專設安全設施。由于其功能的重要性，因此一直是核安全監管的關注重點。緊急停堆子系統(RTS)和專設安全設施驅動子系統(ESF)的響應時間是反應堆保護系統的重要性能指標之一，在核電廠的《安全相關系統和設備定期試驗監督大綱》中，明確規定了反應堆保護系統響應時間的監督要求，“每四個循環執行一次反應堆保護系統響應時間測試”。

以福清核電1～4號機組為代表的M310核電機組，反應堆保護系統的響應時間測試采用“每個循環選取一個通道內1～2個典型的停堆和專設驅動最長信號路徑進行測量”的方式。由于其采用“選點”(只選幾個典型通道)方式，因此僅需使用信號發生器和示波器進行測試，每次大修在RCD模式下進行，耗費工期約8～10 h。

核安全監管要求三代核電安全級DCS響應時間測試不再允許采用“選點”方式，而是必須嚴格執行“每四個循環執行一次安全級DCS所有通道的響應時間測試”的監督要求，如果繼續采用傳統的信號發生器和示波器組合配置進行測試，測試效率會非常低，方家山核電每次大修的安全級DCS響應時間測試在RCD模式需要連續工作144 h才能完成(由于此時機柜均未斷電，下游設備只能分批隔離，無法采用“人海戰術”，只能按功能進行測試)，一旦中間出現團隊配合不佳或接線錯誤而導致返工，將極有可能導致“安全級DCS響應時間測試”成為關鍵主線路徑。

由于漳州核電1、2號機組的安全級DCS采用的是核動力院研制的“龍鱗”平臺，沒有商業運行經驗，且設備設計與同行電廠的安全級DCS也有較大差別。針對漳州核電1、2號機組設備實際情況，研發一套適用于漳州安全級DCS“龍鱗”平臺的智能化響應時間和邏輯測試裝置，通過信號線纜的集成及操作裝置的自動化、智能化，大幅度減少現場拆接線用時，減少安全級DCS“龍鱗平臺”響應時間測試大修期間工時，避免其成為大修期間主線工作；同時，利用裝置的邏輯測試功能，在安全級DCS“龍鱗”平臺故障時，提供故障診斷工具，大幅度減少故障處理工時。

1 必要性、可行性及研究現狀

(1)必要性

安全級DCS響應時間測試為QSR定期試驗，受到安全監管部門重點關注和監督[2]。根據同行經驗，目前三代核電對安全級DCS響應時間測試，已不再允許選點測試，而要求完整覆蓋，這樣將使得此項工作工時大幅度增加，甚至成為大修期間主線工作。漳州核電安全級DCS采用核動力院自主研發的龍鱗平臺，尚未有商運經驗。特別是針對“響應時間測試”，核動力院在初始設計中，并未重點考慮試驗工時，試驗的執行仍考慮采用信號發生器及示波器，逐個信號進行測試，因此對漳州核電1、2號機組來說，大修期間“響應時間測試”成為主線工作的可能性大幅度增加。除此外，目前“龍鱗”平臺缺乏一套邏輯測試裝置，用以模擬就地設備信號，驗證邏輯功能的正確性，同時快速實現龍鱗平臺故障診斷。

通過“智能化安全級DCS響應時間和邏輯試驗專用測試裝置研發”，研發一套集成響應時間測試、邏輯功能測試專用裝置，消除響應時間測試成為大修期間主線工作的可能性，為安全級DCS故障診斷及定期試驗提供更多手段，減少故障處理工時。

(2)可行性

通過調研，同行三代核電機組針對“安全級DCS響應時間測試”，均自主研發了相應的“響應時間測試專用裝置”。AP1000核電機組通過研發一套響應時間測試工具，將響應時間測試工期控制在連續96 h(4天)[3]。作為國產三代核電的“華龍一號”，全球首堆的福清核電5號機組也已研發一套安全級DCS響應時間測試裝置，調試階段首次執行響應時間測試也只需連續84 h(3.5天)?？梢?，研制一套智能化響應時間測試工具將極大的提高響應時間測試效率、降低大修人工負荷、確保響應時間測試不占用大修關鍵路徑。

(3)國內外研究情況、現有成果

國內三門核電、海陽核電AP1000機組，其安全級DCS采用西屋公司Common Q平臺，三門及海陽核電業主，針對Common Q平臺特性，與105所合作，研制了針對Common Q平臺響應時間測試裝置。福清“華龍一號”，其安全級DCS采用阿?，mTXS平臺，福清業主針對阿?，mTXS平臺特性，研制了針對TXS平臺的響應時間測試裝置。

漳州核電1、2號機組，安全級DCS采用動力院自主研發的龍鱗平臺，其采用的硬件，主要通訊方式等，與上述兩個平臺完全不一致，且廠家針對“響應時間測試”，采用傳統信號發生器及示波器進行，未設計響應時間測試專用裝置。

2 工作目標

安全級DCS響應時間測試定期試驗，工作耗時主要集中在以下兩個方面：1)拆接線工作時間；2)邏輯信號產生到響應時間的測量。

研發的專用裝置，主要對以上兩個工作步驟進行研究，實現試驗效率的提升。針對拆接線工作，提前考慮優化保護組、專設列及工程師站之間的電纜布置，研究通過大容量信號電纜、信號切換器，實現柜間電纜簡化，同時考慮采用與機柜T1試驗端子相配套的接線裝置，研究僅通過信號通道切換進行響應時間測試，減少拆接線階段的工作耗時。針對響應時間的測量，考慮集成的自動測試裝置，在接線完成后，通過預先編制的測試程序，自動實現信號的產生、自動進行響應時間測試。通過以上兩種手段，大幅度減少響應時間測試的工期。

同時，考慮裝置信號自動產生，自動測試響應時間的功能，通過軟件、硬件的配合，實現邏輯功能的測試。

3 初步技術方案

研發的主要技術工作，是機柜間響應時間專用電纜的綜合設計、配套端子排的研發設計、信號發生裝置及信號采集卡件選型、軟件研發設計等。通過以上關鍵技術難點問題的研究，解決安全級DCS響應時間專用裝置的研發難點。

針對在機柜側的大量線纜拆接線工作，研發與龍鱗平臺T1試驗端子配套的線纜連接器，以及集線裝置，實現機柜側信號輸入/輸出端子排快速拆接線操作；同時，在安全級DCS機柜所在的保護通道、專設列廠房內，提前布置集成化電纜，保證機柜間電纜快速連接，方便布置試驗裝置。針對邏輯測試裝置，考慮采用信號輸出卡及高精度信號采集卡，同時設計一套操作軟件，實現信號自動注入及響應時間自動測量。

本項目提出的一種DCS系統的動作響應時間測量方法簡要架構圖如圖1所示，其主要部件組成包括：1)機柜側測試裝置;2)時間同步裝置;3)主控上位機;4)DCS工程師站。

圖1 DCS系統的動作響應時間測量方法簡要架構圖Fig.1 The schematic architecture of the action response time measurement method for the DCS system

(1)機柜側測試裝置

機柜側測試裝置由主控模塊、時間同步模塊、通訊模塊、輸出模塊、高速采集模塊、快速連接端子板等部件組成，其簡要架構圖如圖2所示。

圖2 機柜側測試裝置簡要架構圖Fig.2 The shematic architecture of the test device at the cabinet side

主控模塊用于接收主控上位機下發的指令，生成對應輸出模塊輸出指令，采集高速采集模塊采集的信號并發送到主控上位機；時間同步模塊用于從時間同步裝置獲取時間同步信號，并傳遞給主控模塊和高速采集模塊，時間同步精度不低于1 ms。

通訊模塊用于將機柜側測試裝置與主控上位機連接起來；輸出模塊用于接收主控模塊下發的輸出指令，根據通道名在指定的輸出通道上輸出指定的輸出值。根據通道的不同，這些輸出值可以是0～20 mA、0～10 V、PT100(Ω)、頻率、開關量觸點；高速采集模塊用于采集DCS控制站的輸出值并從時間同步模塊獲取時間同步信號，在特定通道采集到輸出信號時賦予時間標簽并發送到主控模塊，時間同步精度不低于1 ms。

輸出模塊的每一個輸出通道上都串接了一個固態繼電器開關觸點，這些開關觸點同時并接到高速采集模塊。響應時間的測量從輸出通道上的固態繼電器開關觸點閉合開始，直至高速采集模塊采集到DCS控制站的輸出值；快速連接端子板用于將機柜側測試裝置與被測DCS控制站的IO通道連接起來?？焖龠B接端子板上的每一個端子都被賦予了一個或多個通道名。根據被測保護功能的通道定義，將每一個快速連接端子板的端子、被測DCS控制站的IO端子和測試腳本進行匹配。

機柜側測試裝置在進行響應時間測量時布置于DCS機柜邊，根據被測保護功能所在的DCS控制站分布情況，在每個房間布置1臺。機柜側測試裝置通過預留在各個房間之間的通訊電纜與時間同步裝置連接起來，以使跨控制站的保護功能的響應時間可以同步測量。

(2)時間同步裝置

時間同步裝置由主控模塊、時鐘同步模塊、時鐘信號模塊、通訊模塊和交換機等部件組成，其簡要架構圖如圖3所示。

圖3 時間同步裝置簡要架構圖Fig.3 The schematic architecture of the time synchronization device

時鐘信號模塊用于生成時鐘同步信號。時鐘信號模塊可以通過外接天線獲取GPS或北斗時鐘信號，在外部時鐘信號(GPS或北斗)不可用時，可以通過內置的時鐘源生成時鐘同步信號。時鐘信號模塊生成的時鐘同步信號的時鐘精度不低于1 ms；時鐘同步模塊用于將時鐘同步信號發送到機柜側測試裝置，確保機柜側測試裝置的時鐘精度不低于1 ms。

通訊模塊和交換機將主控上位機和機柜側測試裝置連接起來，將主控上位機的控制指令下發到機柜側測試裝置并將機柜側測試裝置采集到信號和時間標簽上傳到主控上位機。

(3)主控上位機

主控上位機實質是一臺電腦，其內部安裝有DCS系統的響應時間測量主控軟件、測試腳本編輯軟件、DCS系統工程師站接口軟件、機柜側測試裝置接口軟件，其軟件簡要接口架構圖如圖4所示。

圖4 主控上位機軟件簡要接口架構Fig.4 The schematic of interface architecture of the main control host computer software

測試腳本編輯軟件用于生成測試腳本，包含通道定義表和腳本編輯器兩個部分。

通道定義表用于將機柜側測試裝置的輸入、輸出通道和DCS控制站的輸入、輸出通道對應起來，機柜側測試裝置的每一個輸入、輸出通道可以對應一個或多個DCS控制站的輸入、輸出通道；通道定義表包含機柜側測試裝置IP地址、機柜側測試裝置快速連接端子板端子號、被測DCS控制站IO通道名稱、被測DCS控制站IO通道端子號。

腳本編輯器用于編輯測試腳本，測試腳本的格式是嚴格規范的。測試腳本編輯器可以調取通道定義表、DCS工程師站組態的數據。腳本編輯器可以定義每一個測試步序的機柜側測試裝置的輸出通道和輸出值、機柜側測試裝置的采集通道、DCS工程師站組態中點名及需求狀態、步序間隔時間、響應時間測量的通道名等內容。

通過新增測試腳本，整套測試裝置還可以用于DCS系統的通道測試、系統測試和邏輯功能測試；DCS工程師站接口軟件用于將測試腳本規定的DCS工程師站組態中點名及需求狀態發送到DCS工程師站并在DCS組態中實現強制，以將DCS系統的邏輯狀態置為保護功能測試時的需求狀態。

機柜側測試裝置接口軟件用于將測試腳本規定的機柜側測試裝置的輸出通道和輸出值發送到制定的機柜側測試裝置，以啟動響應時間的測量。

DCS系統的動作響應時間測量主控軟件用于批量選取測試腳本并根據測試腳本的步序將機柜側測試裝置的輸出通道和輸出值發送到機柜側測試裝置接口軟件，將DCS工程師站組態中點名及需求狀態發送到DCS工程師站接口軟件。

DCS系統的動作響應時間測量主控軟件可以識別測試腳本中每一個測試步驟的機柜側測試裝置的輸出通道和輸出值、機柜側測試裝置的采集通道。當批量選取的測試腳本中，不同腳本的同一個機柜側測試裝置的輸出通道或采集通道所對應的被測DCS控制站IO通道名稱不同時，可以給出提示，并禁止軟件的繼續運行。帶重新選擇批量的測試腳本并使IO通道的定義保持一致時，才允許軟件的繼續運行。

DCS系統的動作響應時間測量主控軟件可以通過通道定義表自動生成批量測試腳本的通道對應關系和接線關系表。

(4)DCS工程師站

DCS工程師站是被測DCS系統的專用設備，用于對被測DCS系統進行配置管理；

DCS工程師站開放接口給主控上位機，允許主控上位機調用DCS工程師站的配置軟件對被測DCS進行置狀態和讀取IO通道的輸入/輸出狀態。

4 效果

通過時鐘同步裝置和機柜側測試裝置中的時鐘同步模塊，將各個機柜側測試裝置和主控上位機的時鐘同步，確保響應時間測量的時間精度不低于1 ms；通過主控上位機與DCS工程師站的接口，利用DCS工程師站為響應時間測量置狀態，簡化了機柜側測試裝置的IO通道配置，節約了制造成本；通過通道定義表明確了機柜側測試裝置和被測DCS控制站的IO通道對應關系，并根據測試腳本自動生成通道對應關系和接線關系表，以用于批量化進行測試接線和響應時間測量；通過測試腳本編輯器，生成嚴格規范的測試腳本，擴展了本方案的用途，可用于DCS系統的通道測試、系統測試、邏輯功能測試。通過分散于各個DCS控制站所在房間的機柜側測試裝置和預留的通訊電纜，將整套測試裝置連成整體。在不需要進行系統性的功能測試時，也可以拆分為單一的測試裝置，實現對單DCS控制站的測試。

5 項目意義及推廣應用價值

通過對“智能化安全級DCS響應時間和邏輯試驗專用測試裝置研發”，能將大修期間安全級DCS響應時間測試工期大幅度減少，避免其成為主線工作，同時具備邏輯測試功能，增加安全級DCS故障診斷功能。提高電廠的安全性和經濟性。同時，對于后續使用龍鱗安全級DCS的漳州核電后續機組及同行電廠，均具有很強的推廣價值。