核电厂非安全级DCS验证系统测试方法

王晋　王庆峰　曹迎锋　张嘉斌　刘祖伦

摘要：文章介绍了基于NicSys2000的1∶1核电厂非安全级DCS仿真样机控制系统的测试方法，测试内容包括功能测试、性能测试、单体测试和设备和控制逻辑测试。通过对仿真样机验证系统的测试，可验证自主研发的DCS控制系统-NicSys2000的功能、性能、测量精度、可靠性、稳定性等指标，为后续研发积累宝贵资料，并为今后系统在核电厂可靠、稳定的运行提供保障。

关键词：非安全级DCS；验证系统测试；NicSys2000；核电厂；仿真样机 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2017）05-0194-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.094

核电厂非安全級（NC）DCS验证系统总体技术方案以实际百万千瓦压水堆核电厂全厂DCS系统设计为依托，通过“模拟”核电厂控制系统实际工程实施流程，建立核电厂全范围DCS系统验证系统，可实现测试DCS系统性能指标、核岛和常规岛等重要系统实施单步或关联运行功能、逻辑预演以及定性分析等功能。本文提出了一种对于上述DCS系统的整体测试方法，通过优化的测试架构和全面的测试内容，在保障测试结果的严谨性、科学性和有效性的基础上，显著地减小了系统测试的周期，并提升了该项目管理上的高效性和简洁性。

1 测试框架

系统测试框架包括测试计划、测试大纲、测试用例和测试程序，如图1所示。测试计划描述了测试流程的范围、实施途径、进度节点；测试大纲根据测试计划，以设计输入文档、项目相关文档作为输入文件，依据相关标准，详细说明核电厂非安全级DCS验证系统中各项测试执行时所需的步骤和判断标准，指导测试工程师进行实际的测试活动。测试用例则是针对测试程序进行步序性的逻辑验证，并将逻辑验证结果与期望进行比对，随时记录逻辑异常。

2 测试内容

根据不同的测试目的，测试分为功能测试、性能测试、单体测试和设备控制逻辑测试。在普通项目中我们仅做单体测试及设备控制逻辑测试，由于NicSys2000系统是自主研发的DCS，是专为核电站研制的全厂非安全级分布式控制系统产品，是全厂核电运行控制系统专用平台，故在测试工作中加入功能测试及性能测试，以验证Nicsys2000系统的各项指标，为今后系统在核电厂可靠、稳定的运行提供保障以及为后续研发积累宝贵资料，以下为对功能测试和性能测试进行重点介绍。

2.1 功能测试

功能测试的目的是测试系统各项功能是否完备、是否符合要求。功能测试主要包括故障诊断测试、模块热插拔测试和冗余测试。

2.1.1 故障诊断测试。故障诊断测试包括控制器故障诊断测试、控制器网络故障诊断测试和模块故障诊断测试。实际操作如图2所示，将控制器A拔掉，在操作员站检查报警日志和设备故障列表，并打开系统状态图，找到对应控制站状态图，检查相应控制器的变化。重新插上控制器A，在操作员站检查报警日志和设备故障列表，检查状态图中控制器A的变化。对控制器B重复以上操作。

2.1.2 模块热插拔测试。模块热插拔测试包括DI模块热插拔测试、DO模块热插拔测试、AI模块热插拔测试、AO模块热插拔测试。目的是测试IO模块带电拔出后再插上是否可以恢复正常工作。因为篇幅限制，不对IO模块的热插拔测试方法进行详述。

2.1.3 冗余测试。冗余测试包括控制器冗余测试、电源模块冗余测试、控制柜电源冗余测试、控制站网络冗余测试、服务器网络冗余测试。如图3所示，选择一个AI通道和AO通道作为验证通道，在MULTIPROG中编程，使该AI点的值赋给AO点。在被测现场控制站，用多功能过程校验仪给该AI通道发送三角波信号，用示波器监测AO通道的输出信号。拔掉主控制器，检查AO点输出波形是否正常，此时另一台控制器切换到主运行状态，恢复拔掉的控制器，等待其正常运行后，拔掉另一台为主的控制器，检查AO点输出波形是否正常。

2.2 性能测试

性能测试的目的是验证系统各项性能指标是否符合要求。性能测试主要包括CPU负荷测试、内存裕量测试、网络负荷测试、分辨率测试、时间相关性能测试和雪崩测试。

2.2.1 硬件负荷类测试。硬件负荷类测试包含CPU负荷、内存裕量及网络负荷测试，其测试方法均通过监控器以及设备的运行软件来读取设备的CPU、内存、网络的负荷数据，CPU负荷平均值小于40%为合格。

2.2.2 分辨率测试。分辨率测试包括报警分辨率测试和SOE分辨率测试。报警分辨率测试是通过制造几个间隔时间分别为小于1s、等于1s、大于1s的报警，在报警日志中查看系统是否能够分辨。SOE分辨率测试如图4所示。在SOE（事件顺序记录）模块的任意通道发送间隔时间分别为小于1ms、等于1ms、大于1ms的信号，在日志中查看系统日志，当间隔小于1ms时，系统不一定能够分辨，间隔大于或等于1ms时，系统应当能够分辨，且事件信息不丢失，发生顺序排列与实际相符。

2.2.3 时间相关性能测试。时间相关性能测试包括画面响应时间测试、数据采集显示时间测试、控制功能响应时间测试和设备启动响应时间测试。例如在现场控制站，用示波器查看开关量输入信号和输出信号波形变化的时间间隔，选择任意开关量控制回路，在现场控制站将被测开关量控制回路的输出端子和输入端子分别连接示波器的两个通道，在输入通道加信号，在示波器查看输入信号和输出信号变位的时间差，响应时间小于500ms为合格。

2.2.4 雪崩测试。使用测试工装连接几个控制站，在工程师站、操作员站及服务器上，查看CPU负荷和网络负荷。使用测试工装制造雪崩工况：10s内6000个开关量状态发生变化，峰值1200个开关量发生变化，60s后峰值每秒300个开关量状态发生变化，模拟量每秒200个信号发生变化，模拟量和开关量变化峰值叠加。检查雪崩工况期间的各负荷，控制器CPU负荷不大于50%，网络负荷不大于20%；操作站、服务器CPU负荷不大于40%，网络负荷值不大于20%。

2.3 单体测试

单体测试的目的是验证系统硬件配置的完整性和有效性，验证系统AI/AO模块信号的精度是否达标和验证DI/DO模块通道是否正常。单体测试包括AI/AO模块的精度测试和DI/DO模块的通道测试。验证系统单体测试与其他项目相同，因篇幅限制，此处不做详述。

2.4 设备控制逻辑测试

设备控制逻辑测试的目的是验证DCS系统软硬件配置、逻辑组态的完整性和正确性。设备控制逻辑测试包括单点报警测试、逻辑显示及报警测试，设备逻辑和连锁测试。

3 测试效果

为验证测试方案的效果，根据实施进度及DCS子系统的代表性，选取KSN系统作为测试对象进行上述测试。KSN系统作为核辅助厂房就地控制屏和控制盘，设有单独的电子机柜间和辅助控制室。系统结构包含控制器、服务器、时钟同步、环网等，具有很强的DCS系统代表性，符合验证测试对象的条件。

3.1 功能测试

测试对全部14块控制器、124块IO模块都进行了故障诊断和热插拔的测试；对全部14块控制器进行了冗余测试；对全部38块电源模块进行了冗余测试；对7台功能柜的供电电源进行了冗余测试。功能测试共计76项，其中合格项46项、不合格30项。

测试发现的问题有三类：（1）故障诊断功能没有实现；（2）LEVEL2软件没有趋势图功能，控制站和服务器网络冗余无法测试；（3）8KSN901AR中有2块DI211模块热插拔功能不完善，模块拔掉后变量无法保持。

3.2 性能测试

在进行的51项性能测试中，合格项49项、不合格2项。测试发现的问题有2类：（1）开关量控制回路响应时间超过要求时间。要求响应时间小于500ms，部分回路在7次实测中有4次超过500ms；（2）雪崩时要求操作员站CPU负荷小于40%，而实测中部分CPU最大负荷为42.93%。

3.3 单体测试

KSN系统的首轮单体测试已完成。共完成124块IO模块的测试，测试结果全部合格。

3.4 设备控制逻辑测试

KSN系统的首轮设备控制逻辑测试已完成，共完成506项测试用例的测试，将全部逻辑组态都进行了演算和认证，其测试合格率为87.75%。

4 结语

通过上述方法对基于NicSys2000控制系统的核电厂仿真样机验证系统的KSN系统进行测试，从硬件、软件和组态逻辑，全方面详细地检测出了当时系统尚存在的问题，其结果不但有助于工程师精准地消除系统故障和问题，保障系统正常运行，同时各项设备性能指标等测试数据，也为研发人员在今后NicSys2000产品的改进工作中提供了工作方向和数据，其对于完成核电厂全厂非安全级DCS控制系统的开发，在核电领域主控非安全级DCS自主化行程提供了有效的帮助和促进。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家质量监督检疫总局，中国国家标准化管理委员会.工业过程测量和控制 系统评估中系统特性的评定 第1部分：总则和方法学（GB/T18272.1-2000）[S].北京：中国标准出版社，2000.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检疫总局，中国国家标准化管理委员会.工业过程测量和控制 系统评估中系统特性的评定 第2部分：评估方法学（GB/T 18272.2-2000）[S].北京：中国标准出版社，2000.

[3] 丁士昭.工程项目管理[M].北京：中国建筑工业出版杜，2007.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检疫总局，中国国家标准化管理委员会.工业过程测量和控制 系统评估中系统特性的评定 第4部分：系统性能评估（GB/T 18272.4-2006）[S].北京：中国标准出版社，2006.

作者简介：王晋（1979-），男，山东烟台人，中核控制系统工程有限公司高級工程师，研究方向：DCS仪控系统设计及工程实施。

（责任编辑：小 燕）