灰盒測(cè)試在核電站智能型電動(dòng)頭控制板件分析的應(yīng)用

袁佳煌

【摘 要】灰盒測(cè)試是在監(jiān)測(cè)設(shè)備輸入輸出的基礎(chǔ)上，選取了設(shè)備的部分重要元器件或參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)視，通過(guò)對(duì)采集到的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而評(píng)估設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)備的可靠性。通過(guò)灰盒測(cè)試成功地解決了某電廠低壓給水加熱器3號(hào)電動(dòng)頭遠(yuǎn)控輸入模塊光耦故障問(wèn)題。

【Abstract】Based on the input and output of the monitoring equipment， the gray box testing selects some important components or parameters of the equipment for key monitoring. It analyzes the collected big data to evaluate the internal operating status and the reliability of the device. Through the gray box testing， The problem of optocoupler failure of the remote control input module of No. 3 electric head lever of low pressure feed water heater in a power plant has been successfully solved.

【關(guān)鍵詞】灰盒測(cè)試；智能型電動(dòng)頭；控制板件；故障分析

【Keywords】gray box testing； intelligent electric head lever； control panel； failure analysis

【中圖分類號(hào)】TM623 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）03-0188-04

1 研究背景

核電廠有數(shù)百個(gè)系統(tǒng)使用各種管道，管道上的閥門一般有手動(dòng)閥門、氣動(dòng)閥門、液動(dòng)閥門、電動(dòng)閥門。其中，電動(dòng)閥門的開啟和關(guān)閉來(lái)自電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)，在核電廠一般俗稱為電動(dòng)頭，部分火電廠稱之為電動(dòng)門、電動(dòng)裝置（簡(jiǎn)稱電裝），為敘述方便，專業(yè)統(tǒng)稱為電動(dòng)頭。智能型電動(dòng)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(tái)、火電站、核電站等各個(gè)方面。智能型電動(dòng)頭在核電站常規(guī)島應(yīng)用廣泛，平均每臺(tái)機(jī)組有190臺(tái)智能型電動(dòng)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(dòng)控制，其重要性不言而喻。電動(dòng)頭分為機(jī)械式和智能式。其中，智能型電動(dòng)頭是將機(jī)械驅(qū)動(dòng)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(tái)、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(jiàn)性低，難以被發(fā)現(xiàn)和查找。電動(dòng)頭在正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)受到溫度、濕度、振動(dòng)、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(cè)試手段無(wú)法發(fā)現(xiàn)；同時(shí)核電站對(duì)電動(dòng)頭的要求非常嚴(yán)格，電動(dòng)頭的故障可能給機(jī)組帶來(lái)極大影響，將降低功率乃至停機(jī)停堆。陽(yáng)江核電某機(jī)組就經(jīng)歷了由于電動(dòng)頭控制板件無(wú)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(guò)由于電動(dòng)頭信號(hào)故障，導(dǎo)致功率無(wú)法提升的故障。

隨著核電站對(duì)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(cè)試、故障修復(fù)等方向轉(zhuǎn)換。然而智能型電動(dòng)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(chǎng)測(cè)試或維修存在較大的局限性。一般采用目視檢查或簡(jiǎn)單的測(cè)量來(lái)判斷內(nèi)部板件的可靠性，無(wú)法準(zhǔn)確判斷元器件級(jí)的故障，檢修手段往往采用整體更換，帶來(lái)大量的資源浪費(fèi)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

智能型電動(dòng)頭的測(cè)試目前國(guó)內(nèi)外僅采用整體測(cè)試，類似于黑盒測(cè)試的方式。以電動(dòng)頭為整體，通過(guò)給出電動(dòng)頭輸入信號(hào)，觀察測(cè)量電動(dòng)頭的反應(yīng)，判斷電動(dòng)頭的可靠性，進(jìn)而判斷板件的可靠性。這種測(cè)試方式針對(duì)電動(dòng)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(jì)說(shuō)明書的功能，對(duì)設(shè)備的輸入輸出端進(jìn)行檢測(cè)。如果內(nèi)部有元件異常且不至于影響輸出的潛在異常或原來(lái)輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系未考慮的邏輯異常都是無(wú)法發(fā)現(xiàn)的。

無(wú)論從電站的角度還是智能型電動(dòng)頭自身發(fā)展的角度，智能型電動(dòng)頭控制板件的測(cè)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(shí)通過(guò)實(shí)際的應(yīng)用及效果，評(píng)價(jià)其可行性，以豐富檢修手段，為設(shè)備測(cè)試、故障處理提供一種新的思路與方法。

3 灰盒測(cè)試

灰盒測(cè)試是介于白盒測(cè)試與黑盒測(cè)試之間的一種測(cè)試，關(guān)注輸出、輸入的正確性，同時(shí)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(cè)試不像白盒那樣詳細(xì)、完整，但又比黑盒測(cè)試更關(guān)注設(shè)備的內(nèi)部邏輯及元器件，常常是通過(guò)一些表征性的現(xiàn)象、事件、標(biāo)志來(lái)判斷內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)。

灰盒測(cè)試，是基于對(duì)設(shè)備內(nèi)部細(xì)節(jié)有限認(rèn)知的設(shè)備檢查方法。測(cè)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(duì)內(nèi)部功能和運(yùn)作的詳細(xì)了解。對(duì)于內(nèi)部過(guò)程，灰盒測(cè)試把設(shè)備看作一個(gè)必須從外面進(jìn)行分析的黑盒。雖然灰盒測(cè)試相對(duì)白盒測(cè)試較難發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備潛在問(wèn)題，尤其在一個(gè)單一的應(yīng)用中，白盒測(cè)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(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)督，但是灰盒測(cè)試結(jié)合了白盒測(cè)試和黑盒測(cè)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(jiǎn)單和白盒的精確，提升了測(cè)試效率、錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)和錯(cuò)誤分析的效率。

灰盒的測(cè)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(duì)其進(jìn)行測(cè)試，就可在黑盒的基礎(chǔ)上更為精確地監(jiān)視設(shè)備。對(duì)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(cè)試能夠在工程檢修活動(dòng)中起到重要作用。灰盒測(cè)試原理見(jiàn)圖1。

灰盒測(cè)試是在對(duì)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(shí)，對(duì)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(duì)設(shè)備進(jìn)行分析處理。其試驗(yàn)的流程如圖2。

4 灰盒在電動(dòng)頭控制板件測(cè)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(chǎng)年檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，切至遠(yuǎn)控位置時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閥。但現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)頭并無(wú)關(guān)閥信號(hào)或接線。更換遠(yuǎn)控輸入板后將電動(dòng)頭置于遠(yuǎn)方位置，電動(dòng)頭未自動(dòng)關(guān)閥。

將該故障遠(yuǎn)控輸入板拿到灰盒試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，過(guò)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(chǎng)年檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，切至遠(yuǎn)控位置時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閥，現(xiàn)場(chǎng)不存在遠(yuǎn)方開關(guān)閥信號(hào)和ESD信號(hào)。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(jiàn)明顯損傷，各焊接端子未見(jiàn)異常，各對(duì)外端子良好。

對(duì)各電容及電阻使用萬(wàn)用表進(jìn)行離線測(cè)量，容值及阻值均正常，沒(méi)有損壞跡象。具體數(shù)據(jù)如表1。

對(duì)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(gè)電容，未發(fā)現(xiàn)異常。對(duì)樣品進(jìn)行仿真檢查，模擬各類輸入信號(hào)，檢查其各端口對(duì)應(yīng)動(dòng)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(duì)應(yīng)輸入端SK1-10的信號(hào)（該信號(hào)為ESD信號(hào)），懷疑該通道有問(wèn)題；

②SK2-15對(duì)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(hào)，可以判斷，光耦輸出端存在異常。

對(duì)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(duì)三極管的內(nèi)部芯片進(jìn)行放大觀察，如圖7，可見(jiàn)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(jiàn)缺損、裂紋或劃傷線，芯片未見(jiàn)明顯臟污、腐蝕或者過(guò)熱損傷。對(duì)三極管進(jìn)行測(cè)試，漏電現(xiàn)象消失，三極管恢復(fù)正常，說(shuō)明漏電現(xiàn)象在芯片表面。

通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行檢查，其表現(xiàn)為遠(yuǎn)控?zé)oESD信號(hào)輸入時(shí)，電動(dòng)頭測(cè)試到有ESD信號(hào)輸入，并自動(dòng)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(guò)對(duì)樣品進(jìn)行開封檢查，發(fā)現(xiàn)光耦U2D端口對(duì)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(cè)到ESD信號(hào)，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(duì)應(yīng)光耦一直為導(dǎo)通狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)ESD設(shè)置為關(guān)閥，所以電動(dòng)頭將會(huì)自動(dòng)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(cè)試能夠快速定位故障點(diǎn)，從而進(jìn)行針對(duì)性的試驗(yàn)。

5 結(jié)論

智慧電廠的發(fā)展是國(guó)內(nèi)各個(gè)電廠的發(fā)展方向，電動(dòng)頭的智能化程度也越來(lái)越高。智能化設(shè)備在帶來(lái)高效便捷的同時(shí)，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(lái)不便，因而探索一種兼具簡(jiǎn)單與精確的電動(dòng)頭測(cè)試檢修思路勢(shì)在必行。結(jié)合了黑盒測(cè)試和白盒測(cè)試優(yōu)點(diǎn)的灰盒測(cè)試是一種新的檢修思路。據(jù)了解，在國(guó)內(nèi)其他核電站還沒(méi)有提出同類的檢修思路，仍采用較為傳統(tǒng)的手動(dòng)加量測(cè)量的手段來(lái)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(shí)又無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間且多量檢查，對(duì)于高壓或大電流檢查存在人員安全風(fēng)險(xiǎn)；缺乏系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)記錄，不能做出準(zhǔn)備老化評(píng)估。

灰盒測(cè)試可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)能夠采集全方位數(shù)據(jù)，同時(shí)又兼顧電動(dòng)頭控制板件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行邏輯。在電動(dòng)頭的控制板件上，通過(guò)對(duì)輸入輸出和重要敏感元器件的持續(xù)監(jiān)視，比白盒測(cè)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(guò)原來(lái)的失效模式的初步分析，對(duì)失效點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)視，對(duì)比黑盒測(cè)試可以更精確地確定故障原因。灰盒測(cè)試的關(guān)鍵點(diǎn)在于測(cè)試參數(shù)的選取，參數(shù)的選擇可以通過(guò)原理分析、經(jīng)驗(yàn)反饋或?qū)＜医ㄗh，并在大量的試驗(yàn)過(guò)程中逐步完善。