安全級DCS響應(yīng)時間測試專用工具研發(fā)

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(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的承載，主要任務(wù)是保護(hù)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(dāng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到危及三大屏障完整性的閾值時，緊急停閉反應(yīng)堆和啟動專設(shè)安全設(shè)施。由于其功能的重要性，因此一直是核安全監(jiān)管的關(guān)注重點(diǎn)。緊急停堆子系統(tǒng)(RTS)和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動子系統(tǒng)(ESF)的響應(yīng)時間是反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)之一，在核電廠的《安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備定期試驗(yàn)監(jiān)督大綱》中，明確規(guī)定了反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時間的監(jiān)督要求，“每四個循環(huán)執(zhí)行一次反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時間測試”。

以福清核電1～4號機(jī)組為代表的M310核電機(jī)組，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間測試采用“每個循環(huán)選取一個通道內(nèi)1～2個典型的停堆和專設(shè)驅(qū)動最長信號路徑進(jìn)行測量”的方式。由于其采用“選點(diǎn)”(只選幾個典型通道)方式，因此僅需使用信號發(fā)生器和示波器進(jìn)行測試，每次大修在RCD模式下進(jìn)行，耗費(fèi)工期約8～10 h。

核安全監(jiān)管要求三代核電安全級DCS響應(yīng)時間測試不再允許采用“選點(diǎn)”方式，而是必須嚴(yán)格執(zhí)行“每四個循環(huán)執(zhí)行一次安全級DCS所有通道的響應(yīng)時間測試”的監(jiān)督要求，如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的信號發(fā)生器和示波器組合配置進(jìn)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(yīng)時間測試在RCD模式需要連續(xù)工作144 h才能完成(由于此時機(jī)柜均未斷電，下游設(shè)備只能分批隔離，無法采用“人海戰(zhàn)術(shù)”，只能按功能進(jìn)行測試)，一旦中間出現(xiàn)團(tuán)隊(duì)配合不佳或接線錯誤而導(dǎo)致返工，將極有可能導(dǎo)致“安全級DCS響應(yīng)時間測試”成為關(guān)鍵主線路徑。

由于漳州核電1、2號機(jī)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(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，且設(shè)備設(shè)計(jì)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(jī)組設(shè)備實(shí)際情況，研發(fā)一套適用于漳州安全級DCS“龍鱗”平臺的智能化響應(yīng)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(xiàn)場拆接線用時，減少安全級DCS“龍鱗平臺”響應(yīng)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(xiàn)狀

(1)必要性

安全級DCS響應(yīng)時間測試為QSR定期試驗(yàn)，受到安全監(jiān)管部門重點(diǎn)關(guān)注和監(jiān)督[2]。根據(jù)同行經(jīng)驗(yàn)，目前三代核電對安全級DCS響應(yīng)時間測試，已不再允許選點(diǎn)測試，而要求完整覆蓋，這樣將使得此項(xiàng)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(fā)的龍鱗平臺，尚未有商運(yùn)經(jīng)驗(yàn)。特別是針對“響應(yīng)時間測試”，核動力院在初始設(shè)計(jì)中，并未重點(diǎn)考慮試驗(yàn)工時，試驗(yàn)的執(zhí)行仍考慮采用信號發(fā)生器及示波器，逐個信號進(jìn)行測試，因此對漳州核電1、2號機(jī)組來說，大修期間“響應(yīng)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(shè)備信號，驗(yàn)證邏輯功能的正確性，同時快速實(shí)現(xiàn)龍鱗平臺故障診斷。

通過“智能化安全級DCS響應(yīng)時間和邏輯試驗(yàn)專用測試裝置研發(fā)”，研發(fā)一套集成響應(yīng)時間測試、邏輯功能測試專用裝置，消除響應(yīng)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(yàn)提供更多手段，減少故障處理工時。

(2)可行性

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

(3)國內(nèi)外研究情況、現(xiàn)有成果

國內(nèi)三門核電、海陽核電AP1000機(jī)組，其安全級DCS采用西屋公司Common Q平臺，三門及海陽核電業(yè)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(yīng)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(yè)主針對阿?，mTXS平臺特性，研制了針對TXS平臺的響應(yīng)時間測試裝置。

漳州核電1、2號機(jī)組，安全級DCS采用動力院自主研發(fā)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(yīng)時間測試”，采用傳統(tǒng)信號發(fā)生器及示波器進(jìn)行，未設(shè)計(jì)響應(yīng)時間測試專用裝置。

2 工作目標(biāo)

安全級DCS響應(yīng)時間測試定期試驗(yàn)，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(chǎn)生到響應(yīng)時間的測量。

研發(fā)的專用裝置，主要對以上兩個工作步驟進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)效率的提升。針對拆接線工作，提前考慮優(yōu)化保護(hù)組、專設(shè)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(shí)現(xiàn)柜間電纜簡化，同時考慮采用與機(jī)柜T1試驗(yàn)端子相配套的接線裝置，研究僅通過信號通道切換進(jìn)行響應(yīng)時間測試，減少拆接線階段的工作耗時。針對響應(yīng)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(yù)先編制的測試程序，自動實(shí)現(xiàn)信號的產(chǎn)生、自動進(jìn)行響應(yīng)時間測試。通過以上兩種手段，大幅度減少響應(yīng)時間測試的工期。

同時，考慮裝置信號自動產(chǎn)生，自動測試響應(yīng)時間的功能，通過軟件、硬件的配合，實(shí)現(xiàn)邏輯功能的測試。

3 初步技術(shù)方案

研發(fā)的主要技術(shù)工作，是機(jī)柜間響應(yīng)時間專用電纜的綜合設(shè)計(jì)、配套端子排的研發(fā)設(shè)計(jì)、信號發(fā)生裝置及信號采集卡件選型、軟件研發(fā)設(shè)計(jì)等。通過以上關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)問題的研究，解決安全級DCS響應(yīng)時間專用裝置的研發(fā)難點(diǎn)。

針對在機(jī)柜側(cè)的大量線纜拆接線工作，研發(fā)與龍鱗平臺T1試驗(yàn)端子配套的線纜連接器，以及集線裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜側(cè)信號輸入/輸出端子排快速拆接線操作；同時，在安全級DCS機(jī)柜所在的保護(hù)通道、專設(shè)列廠房內(nèi)，提前布置集成化電纜，保證機(jī)柜間電纜快速連接，方便布置試驗(yàn)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(shè)計(jì)一套操作軟件，實(shí)現(xiàn)信號自動注入及響應(yīng)時間自動測量。

本項(xiàng)目提出的一種DCS系統(tǒng)的動作響應(yīng)時間測量方法簡要架構(gòu)圖如圖1所示，其主要部件組成包括：1)機(jī)柜側(cè)測試裝置;2)時間同步裝置;3)主控上位機(jī);4)DCS工程師站。

圖1 DCS系統(tǒng)的動作響應(yīng)時間測量方法簡要架構(gòu)圖Fig.1 The schematic architecture of the action response time measurement method for the DCS system

(1)機(jī)柜側(cè)測試裝置

機(jī)柜側(cè)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(gòu)圖如圖2所示。

圖2 機(jī)柜側(cè)測試裝置簡要架構(gòu)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(jī)下發(fā)的指令，生成對應(yīng)輸出模塊輸出指令，采集高速采集模塊采集的信號并發(fā)送到主控上位機(jī)；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(jī)柜側(cè)測試裝置與主控上位機(jī)連接起來；輸出模塊用于接收主控模塊下發(fā)的輸出指令，根據(jù)通道名在指定的輸出通道上輸出指定的輸出值。根據(jù)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(guān)量觸點(diǎn)；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(biāo)簽并發(fā)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(tài)繼電器開關(guān)觸點(diǎn)，這些開關(guān)觸點(diǎn)同時并接到高速采集模塊。響應(yīng)時間的測量從輸出通道上的固態(tài)繼電器開關(guān)觸點(diǎn)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(jī)柜側(cè)測試裝置與被測DCS控制站的IO通道連接起來。快速連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(jù)被測保護(hù)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(jìn)行匹配。

機(jī)柜側(cè)測試裝置在進(jìn)行響應(yīng)時間測量時布置于DCS機(jī)柜邊，根據(jù)被測保護(hù)功能所在的DCS控制站分布情況，在每個房間布置1臺。機(jī)柜側(cè)測試裝置通過預(yù)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(hù)功能的響應(yīng)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(jī)等部件組成，其簡要架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 時間同步裝置簡要架構(gòu)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(nèi)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(fā)送到機(jī)柜側(cè)測試裝置，確保機(jī)柜側(cè)測試裝置的時鐘精度不低于1 ms。

通訊模塊和交換機(jī)將主控上位機(jī)和機(jī)柜側(cè)測試裝置連接起來，將主控上位機(jī)的控制指令下發(fā)到機(jī)柜側(cè)測試裝置并將機(jī)柜側(cè)測試裝置采集到信號和時間標(biāo)簽上傳到主控上位機(jī)。

(3)主控上位機(jī)

主控上位機(jī)實(shí)質(zhì)是一臺電腦，其內(nèi)部安裝有DCS系統(tǒng)的響應(yīng)時間測量主控軟件、測試腳本編輯軟件、DCS系統(tǒng)工程師站接口軟件、機(jī)柜側(cè)測試裝置接口軟件，其軟件簡要接口架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 主控上位機(jī)軟件簡要接口架構(gòu)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(jī)柜側(cè)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(yīng)起來，機(jī)柜側(cè)測試裝置的每一個輸入、輸出通道可以對應(yīng)一個或多個DCS控制站的輸入、輸出通道；通道定義表包含機(jī)柜側(cè)測試裝置IP地址、機(jī)柜側(cè)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(yán)格規(guī)范的。測試腳本編輯器可以調(diào)取通道定義表、DCS工程師站組態(tài)的數(shù)據(jù)。腳本編輯器可以定義每一個測試步序的機(jī)柜側(cè)測試裝置的輸出通道和輸出值、機(jī)柜側(cè)測試裝置的采集通道、DCS工程師站組態(tài)中點(diǎn)名及需求狀態(tài)、步序間隔時間、響應(yīng)時間測量的通道名等內(nèi)容。

通過新增測試腳本，整套測試裝置還可以用于DCS系統(tǒng)的通道測試、系統(tǒng)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(guī)定的DCS工程師站組態(tài)中點(diǎn)名及需求狀態(tài)發(fā)送到DCS工程師站并在DCS組態(tài)中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制，以將DCS系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)置為保護(hù)功能測試時的需求狀態(tài)。

機(jī)柜側(cè)測試裝置接口軟件用于將測試腳本規(guī)定的機(jī)柜側(cè)測試裝置的輸出通道和輸出值發(fā)送到制定的機(jī)柜側(cè)測試裝置，以啟動響應(yīng)時間的測量。

DCS系統(tǒng)的動作響應(yīng)時間測量主控軟件用于批量選取測試腳本并根據(jù)測試腳本的步序?qū)C(jī)柜側(cè)測試裝置的輸出通道和輸出值發(fā)送到機(jī)柜側(cè)測試裝置接口軟件，將DCS工程師站組態(tài)中點(diǎn)名及需求狀態(tài)發(fā)送到DCS工程師站接口軟件。

DCS系統(tǒng)的動作響應(yīng)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(jī)柜側(cè)測試裝置的輸出通道和輸出值、機(jī)柜側(cè)測試裝置的采集通道。當(dāng)批量選取的測試腳本中，不同腳本的同一個機(jī)柜側(cè)測試裝置的輸出通道或采集通道所對應(yīng)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(xù)運(yùn)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(xù)運(yùn)行。

DCS系統(tǒng)的動作響應(yīng)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(yīng)關(guān)系和接線關(guān)系表。

(4)DCS工程師站

DCS工程師站是被測DCS系統(tǒng)的專用設(shè)備，用于對被測DCS系統(tǒng)進(jìn)行配置管理；

DCS工程師站開放接口給主控上位機(jī)，允許主控上位機(jī)調(diào)用DCS工程師站的配置軟件對被測DCS進(jìn)行置狀態(tài)和讀取IO通道的輸入/輸出狀態(tài)。

4 效果

通過時鐘同步裝置和機(jī)柜側(cè)測試裝置中的時鐘同步模塊，將各個機(jī)柜側(cè)測試裝置和主控上位機(jī)的時鐘同步，確保響應(yīng)時間測量的時間精度不低于1 ms；通過主控上位機(jī)與DCS工程師站的接口，利用DCS工程師站為響應(yīng)時間測量置狀態(tài)，簡化了機(jī)柜側(cè)測試裝置的IO通道配置，節(jié)約了制造成本；通過通道定義表明確了機(jī)柜側(cè)測試裝置和被測DCS控制站的IO通道對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)測試腳本自動生成通道對應(yīng)關(guān)系和接線關(guān)系表，以用于批量化進(jìn)行測試接線和響應(yīng)時間測量；通過測試腳本編輯器，生成嚴(yán)格規(guī)范的測試腳本，擴(kuò)展了本方案的用途，可用于DCS系統(tǒng)的通道測試、系統(tǒng)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(jī)柜側(cè)測試裝置和預(yù)留的通訊電纜，將整套測試裝置連成整體。在不需要進(jìn)行系統(tǒng)性的功能測試時，也可以拆分為單一的測試裝置，實(shí)現(xiàn)對單DCS控制站的測試。

5 項(xiàng)目意義及推廣應(yīng)用價值

通過對“智能化安全級DCS響應(yīng)時間和邏輯試驗(yàn)專用測試裝置研發(fā)”，能將大修期間安全級DCS響應(yīng)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(jīng)濟(jì)性。同時，對于后續(xù)使用龍鱗安全級DCS的漳州核電后續(xù)機(jī)組及同行電廠，均具有很強(qiáng)的推廣價值。