CARR保護系統數字化測試分析平臺的研制

羅忠 王一石 賈月光

中國原子能科學研究院反應堆工程技術研究所 北京 102413

引言

中國先進研究堆保護系統采用數字化技術有三個通道站，每個通道站包含安全計算機（AP）和通道監測計算機（TP）[1]。對保護系統的測試，特別是對軟件測試是一項復雜而費事的工作，需要大量重復測試﹑人工記錄測試數據并進行分析判斷[2]。隨著數字化測試技術的不斷發展，在測試過程中引入自動化工具進行自動化測試是一種非常高效實用的方法，自動化測試具備測試可重復性, 保證測試工作的可追溯性[3]。研制開發基于數字化控制系統技術的反應堆模擬保護系統測試裝置是非常必要的[4]，能夠提高測試效率，降低測試成本，提高測試質量，進一步保證了保護系統的可靠性和安全性。

1 CARR保護系統測試策略

在對CARR保護系統進行測試時，把保護系統看作一個黑盒，測試平臺產生模擬反應堆輸入保護信號，對每個保護變量按照預先設計好的測試用例一步步進行測試，測試平臺將接收到的實際結果與期望結果進行比較分析，判斷保護系統的數據和邏輯動作是否正確，并將測試數據和判斷結果進行記錄和顯示。

2 系統結構

CARR保護系統數字化測試分析平臺由上位機﹑PLC和反應堆信號模擬器等組成，完成對CARR保護系統輸入保護變量的模擬﹑檢測和數據的采集和分析。

上位機的作用是運行檢測策略軟件，對CARR保護系統輸入保護變量的模擬﹑檢測等有關的操作﹑模擬檢測流程圖顯示﹑報警監視﹑趨勢監視等功能。通過以太網獲取CARR保護系統檢測數據，對這些檢測數據進行分析，給出CARR保護系統的檢測結果。

PLC功能是給出數字化的反應堆模擬信號。

3 非標準信號模擬器研制

保護系統數字化測試平臺對保護系統進行檢查和測試時，需要模擬保護變量的輸入信號，這些信號有些是可以用計算機控制PLC模塊的標準化信號，有些則沒有這種標準化模塊，需要自行研制開發。

CARR保護系統保護變量的輸入信號可以分為標準信號和非標準信號，標準信號可以直接由PLC模塊輸出，如：電壓信號（0～5V ﹑0～10V﹑1～5V）﹑電流信號（有源和無源4/20mA信號）和開關量信號；非標準信號需要經過PLC控制非標信號模擬器來模擬輸出，如：K型熱電偶信號﹑鉑電阻信號和頻率信號。

3.1 數字化K型熱電偶信號的實現

CARR保護系統保護變量的輸入信號是K型熱電偶信號類型的共18個，測量范圍是0～110℃，對應K型熱電偶信號是0～4.508mV，實現方法是采用PLC模擬量輸出模塊（輸出量程0～5mA，計數4000），加外圍電路來模擬此類信號，輸出精度是0.00125mV。

3.2 數字化鉑電阻溫度信號的實現

CARR保護系統保護變量的輸入信號是鉑電阻溫度信號類型的共9個，測量范圍是0～110℃，對應鉑電阻溫度信號阻值是100～139.99Ω。實現方法是采用PLC的離散I/O輸出模塊和高精密電阻排等外圍電路來實現。

電路中引入的開關觸點阻值可認為是固定的，通過調節前端阻值（在100Ω左右），可以消除這部分的阻值。每個鉑電阻溫度信號需要控制34個開關控制，可以組合出100～139.99Ω任意阻值的電阻，分辨率是0.01Ω。

3.3 數字化頻率信號的實現

CARR保護系統保護變量的輸入信號是頻率信號類型的共6個。測量范圍1～100Hz，實現方法是采用PLC模擬量輸出模塊（輸出量程0～5V，分辨率12位）和高頻精密的函數發生器MAX038芯片來實現。

高頻精密的函數發生器MAX038芯片管腳10電流Lin范圍在10～400μA時電路獲得最佳工作性能。輸出波形的選擇由邏輯地址引腳組合為10或11時，輸出正弦波；頻率控制電壓由PLC的模擬量輸出模塊給出。

取輸入電阻為50kΩ，PLC的電壓輸出范圍在0.05V到5V之間，電容取1pF，頻率輸出范圍是1～100Hz，精度是0.0244Hz，用于檢查0.1Hz保護定值，滿足要求。

4 軟件設計與實現

在軟件功能分配上，將測試參數﹑測試方式設定﹑工程量的計算和測試策略功能的實現安排在上位機上，這樣可以提高程序開發速度，PLC程序功能主要是非標模擬器的驅動和數字化反應堆模擬信號的輸出。

4.1 人機界面

人機界面采用工控組態軟件進行開發。人機界面力求簡潔直觀，扁平化設計，所有保護變量的測量量和工程量在一個畫面中顯示，顯示方式與CARR保護系統界面變量布置相同，方便測試人員對應查看。測試平臺的參數設置平鋪界面上，方便測試時的選擇。在對某個變量進行檢查和測試時，可以同時觀察相關變量的變化。

人機界面分為四個區，分別是菜單區﹑測試參數區﹑監視區和輔助區。菜單區設有常用的功能按鍵。測試參數區可進行測試參數設定﹑測試方式設定和測試輸出顯示。監視區可以顯示所有保護變量三個保護通道的電壓值和工程值。輔助區內容顯示一些輔助信息的提示，如：當前測試變量名﹑測試進程﹑測試方式﹑測試記錄和異常報告保存位置等信息。

4.2 保護系統數據接收驅動程序的開發

CARR保護系統運行實時數據以廣播方式向外發布的，通信協議是非標準的，需要在上位機中開發驅動程序來接收保護系統各變量的實時數據。

網卡傳輸的報文會臨時存在計算機內存中，采用專用工具軟件從內存中取得報文進行解析，得到傳輸協議，解析出了保護系統的廣播數據，開發的接收保護系統數據的驅動可以從網卡上讀取數據包，然后將解析的數據送入組態軟件過程數據庫中。

4.3 PLC程序的開發

為了簡化PLC的程序，PLC程序功能設計為只輸出數字化反應堆模擬量，PLC程序可簡化為輸出電壓信號﹑電流信號和開關量信號。K型熱電偶信號可以通過PLC輸出的電流信號來控制生成﹑鉑電阻信號可以通過PLC輸出的開關信號來控制生成，頻率信號可以通過PLC輸出的電壓信號來控制生成。

4.4 上位機軟件的開發

上位機軟件根據設定的檢測初始值和測試方式，完成對保護系統的測試。

在測試參數設定界面，可以對測試參數進行初始值﹑測試目標值﹑測試步長和每步測試的間隔時間的設定。可以以電壓值進行參數設定，以工程值進行參數設定。設定后測量量和工程量自動進行轉換。

在測試方式界面可以對保護系統的測試通道﹑測試區間﹑測試方向﹑測試后變量狀態﹑反應堆功率臺階的變化等進行設定。

全量程測試范圍覆蓋了保護變量從最小值到最大值的整個量程的變化。設定值測試是預先設定好的，范圍覆蓋的是正常值﹑報警值和保護值。自定義值測試可以按照需要設定測試范圍。

保護系統有些保護變量的整定值在不同的反應堆功率運行工況下，整定值是不同的，測試時若選擇自動，則測試平臺自動向保護系統下送功率定值，按照不同的運行工況，對保護變量的所有整定值進行測試。

測試輸出界面輸出當前測試變量的測量值和工程值，有測試輸出值﹑AP和TP計算機參數值和狀態值﹑對AP和TP計算機測試結果的判斷。

測試輸出值是根據設定的測試參數和測試方式，計算出每一次輸出的測量值大小，根據測量值的類型不同，計算出送到PLC的數值，輸出相應的測量值。如輸出0～20mA電流信號，對于PLC值范圍是0～20000。輸出0～5V的電壓信號，對于PLC值范圍是0～4096，輸出鉑電阻信號，程序要根據溫度值查表得到對應的電阻值，按照電阻值百位﹑十位﹑個位﹑十分位和百分位值的大小，驅動相應開關動作。

測試結果是根據保護系統反饋的實際結果與期望結果進行比較分析，判斷保護系統的數據和邏輯動作是否正確。

每一次測試都會生成相應的記錄條，測試完成時匯總為該保護變量的測試記錄，對于測試結果不正常的，會同時匯總到異常情況測試報告中，便于測試人員查詢。

CARR保護系統數字化測試分析平臺在設計時，充分考慮檢測人員操作的方便性，設置了暫停﹑查看測試記錄﹑幫助﹑工作記錄和RPS測試記錄等功能鍵。這些功能的設置，提高了測試平臺友好性，也提高檢測工作的效率。

5 關鍵技術點

通過軟硬件的自主研發，CARR保護系統數字化測試分析平臺實現了反應堆保護變量模擬信號的全數字化輸出，特別是鉑電阻溫度模擬信號，精度達到0.01Ω。

在上位機組態軟件中，成功開發保護系統數據接收驅動，使保護系統與上位機組態軟件平滑連接，可以利用上位機組態軟件的豐富資源高效的對保護系統的運行數據進行深度開發和充分利用。

CARR保護系統數字化測試分析平臺可以完成正常保護功能測試﹑異常保護和故障功能測試和保護功能的性能測試中的大部分測試內容，有些測試項目，還需要人工完成，如界面數值顯示，顏色變化，測試報告的深度分析等，能夠自動完成的測試功能有：①正常保護功能測試，如：所有保護變量值計算正確性（由讀數值到保護變量值）﹑所有保護變量保護/報警定值正確性核對﹑所有保護變量超定值保護正確性﹑所有保護變量超定值報警正確性﹑所有保護變量連鎖條件/投入條件正確性﹑所有變量級保護信號到計算機級保護信號邏輯正確性。②異常保護和故障功能測試，如：硬件故障讀數值異常（超出合理范圍）識別﹑Ai故障識別﹑所有保護（類型）變量（超出合理范圍）識別等。③保護功能的性能測試，如：所有（類型）測量量讀數值精度﹑所有（類型）測量量讀數值穩定性和重復性﹑所有非固定型定值保護變量（即與工況有關定值）計算正確性等。

6 結束語

CARR數字化保護系統測試分析平臺采用數字化設計，實現了對CARR保護系統軟硬件自動測試和檢查工作，提高了檢測效率和檢測的正確性。在CARR運行初期，CARR保護系統軟件需要進一步修改完善，該測試平臺發揮了重要作用，經過測試的CARR保護系統AP和AT計算機安全級軟件在反應堆運行5年來，未出現異常，證明該平臺測試策略和方法是正確的﹑可靠的和安全的。