安全级DCS响应时间测试专用工具研发

彭沛星，洪诗鑫，邱炳贤，吴晨露，何 程

(中核国电漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

安全级DCS作为反应堆保护系统的承载，主要任务是保护三大核安全屏障(即燃料包壳、一回路压力边界和安全壳)的完整性，当运行参数达到危及三大屏障完整性的阈值时，紧急停闭反应堆和启动专设安全设施。由于其功能的重要性，因此一直是核安全监管的关注重点。紧急停堆子系统(RTS)和专设安全设施驱动子系统(ESF)的响应时间是反应堆保护系统的重要性能指标之一，在核电厂的《安全相关系统和设备定期试验监督大纲》中，明确规定了反应堆保护系统响应时间的监督要求，“每四个循环执行一次反应堆保护系统响应时间测试”。

以福清核电1～4号机组为代表的M310核电机组，反应堆保护系统的响应时间测试采用“每个循环选取一个通道内1～2个典型的停堆和专设驱动最长信号路径进行测量”的方式。由于其采用“选点”(只选几个典型通道)方式，因此仅需使用信号发生器和示波器进行测试，每次大修在RCD模式下进行，耗费工期约8～10 h。

核安全监管要求三代核电安全级DCS响应时间测试不再允许采用“选点”方式，而是必须严格执行“每四个循环执行一次安全级DCS所有通道的响应时间测试”的监督要求，如果继续采用传统的信号发生器和示波器组合配置进行测试，测试效率会非常低，方家山核电每次大修的安全级DCS响应时间测试在RCD模式需要连续工作144 h才能完成(由于此时机柜均未断电，下游设备只能分批隔离，无法采用“人海战术”，只能按功能进行测试)，一旦中间出现团队配合不佳或接线错误而导致返工，将极有可能导致“安全级DCS响应时间测试”成为关键主线路径。

由于漳州核电1、2号机组的安全级DCS采用的是核动力院研制的“龙鳞”平台，没有商业运行经验，且设备设计与同行电厂的安全级DCS也有较大差别。针对漳州核电1、2号机组设备实际情况，研发一套适用于漳州安全级DCS“龙鳞”平台的智能化响应时间和逻辑测试装置，通过信号线缆的集成及操作装置的自动化、智能化，大幅度减少现场拆接线用时，减少安全级DCS“龙鳞平台”响应时间测试大修期间工时，避免其成为大修期间主线工作；同时，利用装置的逻辑测试功能，在安全级DCS“龙鳞”平台故障时，提供故障诊断工具，大幅度减少故障处理工时。

1 必要性、可行性及研究现状

(1)必要性

安全级DCS响应时间测试为QSR定期试验，受到安全监管部门重点关注和监督[2]。根据同行经验，目前三代核电对安全级DCS响应时间测试，已不再允许选点测试，而要求完整覆盖，这样将使得此项工作工时大幅度增加，甚至成为大修期间主线工作。漳州核电安全级DCS采用核动力院自主研发的龙鳞平台，尚未有商运经验。特别是针对“响应时间测试”，核动力院在初始设计中，并未重点考虑试验工时，试验的执行仍考虑采用信号发生器及示波器，逐个信号进行测试，因此对漳州核电1、2号机组来说，大修期间“响应时间测试”成为主线工作的可能性大幅度增加。除此外，目前“龙鳞”平台缺乏一套逻辑测试装置，用以模拟就地设备信号，验证逻辑功能的正确性，同时快速实现龙鳞平台故障诊断。

通过“智能化安全级DCS响应时间和逻辑试验专用测试装置研发”，研发一套集成响应时间测试、逻辑功能测试专用装置，消除响应时间测试成为大修期间主线工作的可能性，为安全级DCS故障诊断及定期试验提供更多手段，减少故障处理工时。

(2)可行性

通过调研，同行三代核电机组针对“安全级DCS响应时间测试”，均自主研发了相应的“响应时间测试专用装置”。AP1000核电机组通过研发一套响应时间测试工具，将响应时间测试工期控制在连续96 h(4天)[3]。作为国产三代核电的“华龙一号”，全球首堆的福清核电5号机组也已研发一套安全级DCS响应时间测试装置，调试阶段首次执行响应时间测试也只需连续84 h(3.5天)。可见，研制一套智能化响应时间测试工具将极大的提高响应时间测试效率、降低大修人工负荷、确保响应时间测试不占用大修关键路径。

(3)国内外研究情况、现有成果

国内三门核电、海阳核电AP1000机组，其安全级DCS采用西屋公司Common Q平台，三门及海阳核电业主，针对Common Q平台特性，与105所合作，研制了针对Common Q平台响应时间测试装置。福清“华龙一号”，其安全级DCS采用阿海珐TXS平台，福清业主针对阿海珐TXS平台特性，研制了针对TXS平台的响应时间测试装置。

漳州核电1、2号机组，安全级DCS采用动力院自主研发的龙鳞平台，其采用的硬件，主要通讯方式等，与上述两个平台完全不一致，且厂家针对“响应时间测试”，采用传统信号发生器及示波器进行，未设计响应时间测试专用装置。

2 工作目标

安全级DCS响应时间测试定期试验，工作耗时主要集中在以下两个方面：1)拆接线工作时间；2)逻辑信号产生到响应时间的测量。

研发的专用装置，主要对以上两个工作步骤进行研究，实现试验效率的提升。针对拆接线工作，提前考虑优化保护组、专设列及工程师站之间的电缆布置，研究通过大容量信号电缆、信号切换器，实现柜间电缆简化，同时考虑采用与机柜T1试验端子相配套的接线装置，研究仅通过信号通道切换进行响应时间测试，减少拆接线阶段的工作耗时。针对响应时间的测量，考虑集成的自动测试装置，在接线完成后，通过预先编制的测试程序，自动实现信号的产生、自动进行响应时间测试。通过以上两种手段，大幅度减少响应时间测试的工期。

同时，考虑装置信号自动产生，自动测试响应时间的功能，通过软件、硬件的配合，实现逻辑功能的测试。

3 初步技术方案

研发的主要技术工作，是机柜间响应时间专用电缆的综合设计、配套端子排的研发设计、信号发生装置及信号采集卡件选型、软件研发设计等。通过以上关键技术难点问题的研究，解决安全级DCS响应时间专用装置的研发难点。

针对在机柜侧的大量线缆拆接线工作，研发与龙鳞平台T1试验端子配套的线缆连接器，以及集线装置，实现机柜侧信号输入/输出端子排快速拆接线操作；同时，在安全级DCS机柜所在的保护通道、专设列厂房内，提前布置集成化电缆，保证机柜间电缆快速连接，方便布置试验装置。针对逻辑测试装置，考虑采用信号输出卡及高精度信号采集卡，同时设计一套操作软件，实现信号自动注入及响应时间自动测量。

本项目提出的一种DCS系统的动作响应时间测量方法简要架构图如图1所示，其主要部件组成包括：1)机柜侧测试装置;2)时间同步装置;3)主控上位机;4)DCS工程师站。

图1 DCS系统的动作响应时间测量方法简要架构图Fig.1 The schematic architecture of the action response time measurement method for the DCS system

(1)机柜侧测试装置

机柜侧测试装置由主控模块、时间同步模块、通讯模块、输出模块、高速采集模块、快速连接端子板等部件组成，其简要架构图如图2所示。

图2 机柜侧测试装置简要架构图Fig.2 The shematic architecture of the test device at the cabinet side

主控模块用于接收主控上位机下发的指令，生成对应输出模块输出指令，采集高速采集模块采集的信号并发送到主控上位机；时间同步模块用于从时间同步装置获取时间同步信号，并传递给主控模块和高速采集模块，时间同步精度不低于1 ms。

通讯模块用于将机柜侧测试装置与主控上位机连接起来；输出模块用于接收主控模块下发的输出指令，根据通道名在指定的输出通道上输出指定的输出值。根据通道的不同，这些输出值可以是0～20 mA、0～10 V、PT100(Ω)、频率、开关量触点；高速采集模块用于采集DCS控制站的输出值并从时间同步模块获取时间同步信号，在特定通道采集到输出信号时赋予时间标签并发送到主控模块，时间同步精度不低于1 ms。

输出模块的每一个输出通道上都串接了一个固态继电器开关触点，这些开关触点同时并接到高速采集模块。响应时间的测量从输出通道上的固态继电器开关触点闭合开始，直至高速采集模块采集到DCS控制站的输出值；快速连接端子板用于将机柜侧测试装置与被测DCS控制站的IO通道连接起来。快速连接端子板上的每一个端子都被赋予了一个或多个通道名。根据被测保护功能的通道定义，将每一个快速连接端子板的端子、被测DCS控制站的IO端子和测试脚本进行匹配。

机柜侧测试装置在进行响应时间测量时布置于DCS机柜边，根据被测保护功能所在的DCS控制站分布情况，在每个房间布置1台。机柜侧测试装置通过预留在各个房间之间的通讯电缆与时间同步装置连接起来，以使跨控制站的保护功能的响应时间可以同步测量。

(2)时间同步装置

时间同步装置由主控模块、时钟同步模块、时钟信号模块、通讯模块和交换机等部件组成，其简要架构图如图3所示。

图3 时间同步装置简要架构图Fig.3 The schematic architecture of the time synchronization device

时钟信号模块用于生成时钟同步信号。时钟信号模块可以通过外接天线获取GPS或北斗时钟信号，在外部时钟信号(GPS或北斗)不可用时，可以通过内置的时钟源生成时钟同步信号。时钟信号模块生成的时钟同步信号的时钟精度不低于1 ms；时钟同步模块用于将时钟同步信号发送到机柜侧测试装置，确保机柜侧测试装置的时钟精度不低于1 ms。

通讯模块和交换机将主控上位机和机柜侧测试装置连接起来，将主控上位机的控制指令下发到机柜侧测试装置并将机柜侧测试装置采集到信号和时间标签上传到主控上位机。

(3)主控上位机

主控上位机实质是一台电脑，其内部安装有DCS系统的响应时间测量主控软件、测试脚本编辑软件、DCS系统工程师站接口软件、机柜侧测试装置接口软件，其软件简要接口架构图如图4所示。

图4 主控上位机软件简要接口架构Fig.4 The schematic of interface architecture of the main control host computer software

测试脚本编辑软件用于生成测试脚本，包含通道定义表和脚本编辑器两个部分。

通道定义表用于将机柜侧测试装置的输入、输出通道和DCS控制站的输入、输出通道对应起来，机柜侧测试装置的每一个输入、输出通道可以对应一个或多个DCS控制站的输入、输出通道；通道定义表包含机柜侧测试装置IP地址、机柜侧测试装置快速连接端子板端子号、被测DCS控制站IO通道名称、被测DCS控制站IO通道端子号。

脚本编辑器用于编辑测试脚本，测试脚本的格式是严格规范的。测试脚本编辑器可以调取通道定义表、DCS工程师站组态的数据。脚本编辑器可以定义每一个测试步序的机柜侧测试装置的输出通道和输出值、机柜侧测试装置的采集通道、DCS工程师站组态中点名及需求状态、步序间隔时间、响应时间测量的通道名等内容。

通过新增测试脚本，整套测试装置还可以用于DCS系统的通道测试、系统测试和逻辑功能测试；DCS工程师站接口软件用于将测试脚本规定的DCS工程师站组态中点名及需求状态发送到DCS工程师站并在DCS组态中实现强制，以将DCS系统的逻辑状态置为保护功能测试时的需求状态。

机柜侧测试装置接口软件用于将测试脚本规定的机柜侧测试装置的输出通道和输出值发送到制定的机柜侧测试装置，以启动响应时间的测量。

DCS系统的动作响应时间测量主控软件用于批量选取测试脚本并根据测试脚本的步序将机柜侧测试装置的输出通道和输出值发送到机柜侧测试装置接口软件，将DCS工程师站组态中点名及需求状态发送到DCS工程师站接口软件。

DCS系统的动作响应时间测量主控软件可以识别测试脚本中每一个测试步骤的机柜侧测试装置的输出通道和输出值、机柜侧测试装置的采集通道。当批量选取的测试脚本中，不同脚本的同一个机柜侧测试装置的输出通道或采集通道所对应的被测DCS控制站IO通道名称不同时，可以给出提示，并禁止软件的继续运行。带重新选择批量的测试脚本并使IO通道的定义保持一致时，才允许软件的继续运行。

DCS系统的动作响应时间测量主控软件可以通过通道定义表自动生成批量测试脚本的通道对应关系和接线关系表。

(4)DCS工程师站

DCS工程师站是被测DCS系统的专用设备，用于对被测DCS系统进行配置管理；

DCS工程师站开放接口给主控上位机，允许主控上位机调用DCS工程师站的配置软件对被测DCS进行置状态和读取IO通道的输入/输出状态。

4 效果

通过时钟同步装置和机柜侧测试装置中的时钟同步模块，将各个机柜侧测试装置和主控上位机的时钟同步，确保响应时间测量的时间精度不低于1 ms；通过主控上位机与DCS工程师站的接口，利用DCS工程师站为响应时间测量置状态，简化了机柜侧测试装置的IO通道配置，节约了制造成本；通过通道定义表明确了机柜侧测试装置和被测DCS控制站的IO通道对应关系，并根据测试脚本自动生成通道对应关系和接线关系表，以用于批量化进行测试接线和响应时间测量；通过测试脚本编辑器，生成严格规范的测试脚本，扩展了本方案的用途，可用于DCS系统的通道测试、系统测试、逻辑功能测试。通过分散于各个DCS控制站所在房间的机柜侧测试装置和预留的通讯电缆，将整套测试装置连成整体。在不需要进行系统性的功能测试时，也可以拆分为单一的测试装置，实现对单DCS控制站的测试。

5 项目意义及推广应用价值

通过对“智能化安全级DCS响应时间和逻辑试验专用测试装置研发”，能将大修期间安全级DCS响应时间测试工期大幅度减少，避免其成为主线工作，同时具备逻辑测试功能，增加安全级DCS故障诊断功能。提高电厂的安全性和经济性。同时，对于后续使用龙鳞安全级DCS的漳州核电后续机组及同行电厂，均具有很强的推广价值。