灰盒測試在核電站智能型電動頭控制板件分析的應(yīng)用

袁佳煌

（中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東 深圳 518124）

1 研究背景

核電廠有數(shù)百個系統(tǒng)使用各種管道，管道上的閥門一般有手動閥門、氣動閥門、液動閥門、電動閥門。其中，電動閥門的開啟和關(guān)閉來自電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動，在核電廠一般俗稱為電動頭，部分火電廠稱之為電動門、電動裝置（簡稱電裝），為敘述方便，專業(yè)統(tǒng)稱為電動頭。智能型電動頭是閥門控制機(jī)構(gòu)中產(chǎn)量大、使用面廣的主要設(shè)備之一，其應(yīng)用涉及潛艇、輪船、油井平臺、火電站、核電站等各個方面。智能型電動頭在核電站常規(guī)島應(yīng)用廣泛，平均每臺機(jī)組有190臺智能型電動頭，是各汽水油回路系統(tǒng)的重要控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，其重要性不言而喻。電動頭分為機(jī)械式和智能式。其中，智能型電動頭是將機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)與集成電路（PCB板）結(jié)合在一起，其控制更為靈活、智能，可適應(yīng)各種控制需求，收到各類發(fā)電站、石油開采平臺、潛艇、輪船等廣泛運(yùn)用。但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜；具有高度集成的電路，故障的預(yù)見性低，難以被發(fā)現(xiàn)和查找。電動頭在正常運(yùn)行時，會受到溫度、濕度、振動、鹽霧腐蝕等的影響。其元器件可能產(chǎn)生化學(xué)或物理的變化，導(dǎo)致性能可靠性下降，這些下降日積月累，普通的測試手段無法發(fā)現(xiàn)；同時核電站對電動頭的要求非常嚴(yán)格，電動頭的故障可能給機(jī)組帶來極大影響，將降低功率乃至停機(jī)停堆。陽江核電某機(jī)組就經(jīng)歷了由于電動頭控制板件無法響應(yīng)控制導(dǎo)致定期試驗(yàn)失敗的故障；大亞灣核電、寧德核電等也發(fā)生過由于電動頭信號故障，導(dǎo)致功率無法提升的故障。

隨著核電站對成本效益的控制，核電站的檢修策略從以往單一的定期更換、故障保守更換，逐漸向預(yù)防測試、故障修復(fù)等方向轉(zhuǎn)換。然而智能型電動頭由于其內(nèi)部板件復(fù)雜，廠家的技術(shù)保密及通訊的多樣化，導(dǎo)致現(xiàn)場測試或維修存在較大的局限性。一般采用目視檢查或簡單的測量來判斷內(nèi)部板件的可靠性，無法準(zhǔn)確判斷元器件級的故障，檢修手段往往采用整體更換，帶來大量的資源浪費(fèi)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

智能型電動頭的測試目前國內(nèi)外僅采用整體測試，類似于黑盒測試的方式。以電動頭為整體，通過給出電動頭輸入信號，觀察測量電動頭的反應(yīng)，判斷電動頭的可靠性，進(jìn)而判斷板件的可靠性。這種測試方式針對電動頭與系統(tǒng)、用戶的聯(lián)系，不考慮內(nèi)部元器件結(jié)構(gòu)，不考慮內(nèi)部的運(yùn)行邏輯，只是根據(jù)設(shè)計說明書的功能，對設(shè)備的輸入輸出端進(jìn)行檢測。如果內(nèi)部有元件異常且不至于影響輸出的潛在異?；蛟瓉磔斎胼敵鰧?yīng)關(guān)系未考慮的邏輯異常都是無法發(fā)現(xiàn)的。

無論從電站的角度還是智能型電動頭自身發(fā)展的角度，智能型電動頭控制板件的測試分析都顯得尤為重要。本文主要探討一種結(jié)合白盒檢查和黑盒檢查的灰盒檢查技術(shù)，同時通過實(shí)際的應(yīng)用及效果，評價其可行性，以豐富檢修手段，為設(shè)備測試、故障處理提供一種新的思路與方法。

3 灰盒測試

灰盒測試是介于白盒測試與黑盒測試之間的一種測試，關(guān)注輸出、輸入的正確性，同時也關(guān)注設(shè)備內(nèi)部的情況；既關(guān)心設(shè)備與系統(tǒng)的聯(lián)系，又關(guān)心設(shè)備部分元器件的運(yùn)行情況和運(yùn)行邏輯?；液袦y試不像白盒那樣詳細(xì)、完整，但又比黑盒測試更關(guān)注設(shè)備的內(nèi)部邏輯及元器件，常常是通過一些表征性的現(xiàn)象、事件、標(biāo)志來判斷內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)。

灰盒測試，是基于對設(shè)備內(nèi)部細(xì)節(jié)有限認(rèn)知的設(shè)備檢查方法。測試者可能知道系統(tǒng)組件之間是如何互相作用的，但缺乏對內(nèi)部功能和運(yùn)作的詳細(xì)了解。對于內(nèi)部過程，灰盒測試把設(shè)備看作一個必須從外面進(jìn)行分析的黑盒。雖然灰盒測試相對白盒測試較難發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備潛在問題，尤其在一個單一的應(yīng)用中，白盒測試的內(nèi)部細(xì)節(jié)可以完全掌握，灰盒需要檢修人員了解設(shè)備內(nèi)部元件關(guān)鍵點(diǎn)，并對關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)督，但是灰盒測試結(jié)合了白盒測試和黑盒測試的優(yōu)點(diǎn)，一旦準(zhǔn)確確認(rèn)了系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)，就兼顧了黑盒的簡單和白盒的精確，提升了測試效率、錯誤發(fā)現(xiàn)和錯誤分析的效率。

圖1 灰盒原理

灰盒的測試重點(diǎn)在于內(nèi)部元器件的分析，掌握內(nèi)部關(guān)鍵的元器件，并對其進(jìn)行測試，就可在黑盒的基礎(chǔ)上更為精確地監(jiān)視設(shè)備。對于工程檢修人員，憑借其豐富的檢修經(jīng)驗(yàn)及不斷的分析嘗試，能夠準(zhǔn)確地確認(rèn)設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)。因而灰盒測試能夠在工程檢修活動中起到重要作用?；液袦y試原理見圖1。

灰盒測試是在對設(shè)備有一定了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在監(jiān)視輸入輸出的同時，對其內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。在采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷，從而對設(shè)備進(jìn)行分析處理。其試驗(yàn)的流程如圖2。

圖2 灰盒測試思路

4 灰盒在電動頭控制板件測試試驗(yàn)的應(yīng)用案例

某電站ABP002VL（低壓給水加熱器系統(tǒng)002閥門）在現(xiàn)場年檢時發(fā)現(xiàn)，切至遠(yuǎn)控位置時會自動關(guān)閥。但現(xiàn)場電動頭并無關(guān)閥信號或接線。更換遠(yuǎn)控輸入板后將電動頭置于遠(yuǎn)方位置，電動頭未自動關(guān)閥。

將該故障遠(yuǎn)控輸入板拿到灰盒試驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)，過程如下：

樣品為雙面焊接雙層PCB板，應(yīng)用于L2ABP002VL設(shè)備上。該樣品在現(xiàn)場年檢時發(fā)現(xiàn)，切至遠(yuǎn)控位置時會自動關(guān)閥，現(xiàn)場不存在遠(yuǎn)方開關(guān)閥信號和ESD信號。電路板為雙面焊接雙層PCB板，其中正面如圖3所示，反面為3*16端口。非集成電路，外觀整潔，各元器件均未見明顯損傷，各焊接端子未見異常，各對外端子良好。

圖3 遠(yuǎn)控輸入板正面

對各電容及電阻使用萬用表進(jìn)行離線測量，容值及阻值均正常，沒有損壞跡象。具體數(shù)據(jù)如表1。

對該樣品進(jìn)行3天的拷機(jī)實(shí)驗(yàn)，檢查其各端口電壓及6個電容，未發(fā)現(xiàn)異常。對樣品進(jìn)行仿真檢查，模擬各類輸入信號，檢查其各端口對應(yīng)動作及電容電壓。結(jié)果如圖4，可以看出：

①SK2-15端口未響應(yīng)對應(yīng)輸入端SK1-10的信號（該信號為ESD信號），懷疑該通道有問題；

②SK2-15對應(yīng)光耦輸入端穩(wěn)壓電容C4電壓正確響應(yīng)了SK1-10信號，可以判斷，光耦輸出端存在異常。

表1 一代電動頭遠(yuǎn)控輸入板重要元器件測試記錄表

圖4 仿真波形

確定光耦故障后，采用X-RAY觀察對樣品失效元件進(jìn)行分析，未見結(jié)構(gòu)異常。如下圖4所示。

圖5 X-RAY圖片

對樣品失效元件進(jìn)行I-V特性測量發(fā)現(xiàn)U2D光耦管腳存在明顯的電流泄露。如圖6。

對樣品失效光耦進(jìn)行開封，其內(nèi)部采用白色塑封料作為透光材料。對三極管的內(nèi)部芯片進(jìn)行放大觀察，如圖7，可見其內(nèi)部采用金絲鍵合。鍵合點(diǎn)良好，芯片表面鈍化層未見缺損、裂紋或劃傷線，芯片未見明顯臟污、腐蝕或者過熱損傷。對三極管進(jìn)行測試，漏電現(xiàn)象消失，三極管恢復(fù)正常，說明漏電現(xiàn)象在芯片表面。

圖6 I-V特性測量

圖7 光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通過對樣品進(jìn)行檢查，其表現(xiàn)為遠(yuǎn)控?zé)oESD信號輸入時，電動頭測試到有ESD信號輸入，并自動關(guān)閥。根據(jù)機(jī)柜的拷機(jī)及仿真數(shù)據(jù)分析故障原因?yàn)楦綦x光耦失效。通過對樣品進(jìn)行開封檢查，發(fā)現(xiàn)光耦U2D端口對應(yīng)的三極管存在漏電流，導(dǎo)致光耦輸出端一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，主板一直監(jiān)測到ESD信號，分析認(rèn)為該漏電流為光耦內(nèi)部電化學(xué)遷移導(dǎo)致，為老化失效表征。

樣品由于光耦存在漏電流，導(dǎo)致ESD對應(yīng)光耦一直為導(dǎo)通狀態(tài)。現(xiàn)場ESD設(shè)置為關(guān)閥，所以電動頭將會自動關(guān)閥。漏電流為光耦內(nèi)部電化學(xué)遷移導(dǎo)致，為老化失效表征。

由上述分析可以看出，灰盒測試能夠快速定位故障點(diǎn)，從而進(jìn)行針對性的試驗(yàn)。

5 結(jié)論

智慧電廠的發(fā)展是國內(nèi)各個電廠的發(fā)展方向，電動頭的智能化程度也越來越高。智能化設(shè)備在帶來高效便捷的同時，其結(jié)構(gòu)、原理的復(fù)雜度也大大增加；廠家的技術(shù)保護(hù)，也注定設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不能透明地公布給檢修人員，這些都給檢修帶來不便，因而探索一種兼具簡單與精確的電動頭測試檢修思路勢在必行。結(jié)合了黑盒測試和白盒測試優(yōu)點(diǎn)的灰盒測試是一種新的檢修思路。據(jù)了解，在國內(nèi)其他核電站還沒有提出同類的檢修思路，仍采用較為傳統(tǒng)的手動加量測量的手段來檢查板件可靠性及老化程度。傳統(tǒng)做法既耗費(fèi)人力物力，同時又無法實(shí)現(xiàn)長時間且多量檢查，對于高壓或大電流檢查存在人員安全風(fēng)險；缺乏系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)記錄，不能做出準(zhǔn)備老化評估。

灰盒測試可以實(shí)現(xiàn)自動烤機(jī)、仿真、環(huán)境模擬和故障診斷等功能，節(jié)省大量人力物力的同時能夠采集全方位數(shù)據(jù)，同時又兼顧電動頭控制板件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行邏輯。在電動頭的控制板件上，通過對輸入輸出和重要敏感元器件的持續(xù)監(jiān)視，比白盒測試更高效地監(jiān)視了設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)行情況；在故障再現(xiàn)分析方面，通過原來的失效模式的初步分析，對失效點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)視，對比黑盒測試可以更精確地確定故障原因。灰盒測試的關(guān)鍵點(diǎn)在于測試參數(shù)的選取，參數(shù)的選擇可以通過原理分析、經(jīng)驗(yàn)反饋或?qū)＜医ㄗh，并在大量的試驗(yàn)過程中逐步完善。