灰盒測試在核電站智能型電動頭控制板件分析的應用

袁佳煌

【摘 要】灰盒測試是在監測設備輸入輸出的基礎上，選取了設備的部分重要元器件或參數進行重點監視，通過對采集到的大數據進行分析，從而評估設備內部運行狀態及設備的可靠性。通過灰盒測試成功地解決了某電廠低壓給水加熱器3號電動頭遠控輸入模塊光耦故障問題。

【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.

【關鍵詞】灰盒測試；智能型電動頭；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】TM623 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2019）03-0188-04

1 研究背景

核電廠有數百個系統使用各種管道，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閉來自電動執行機構的驅動，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，專業統稱為電動頭。智能型電動頭是閥門控制機構中產量大、使用面廣的主要設備之一，其應用涉及潛艇、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島應用廣泛，平均每臺機組有190臺智能型電動頭，是各汽水油回路系統的重要控制設備，實現系統的自動控制，其重要性不言而喻。電動頭分為機械式和智能式。其中，智能型電動頭是將機械驅動機構與集成電路（PCB板）結合在一起，其控制更為靈活、智能，可適應各種控制需求，收到各類發電站、石油開采平臺、潛艇、輪船等廣泛運用。但是其內部結構更為復雜；具有高度集成的電路，故障的預見性低，難以被發現和查找。電動頭在正常運行時，會受到溫度、濕度、振動、鹽霧腐蝕等的影響。其元器件可能產生化學或物理的變化，導致性能可靠性下降，這些下降日積月累，普通的測試手段無法發現；同時核電站對電動頭的要求非常嚴格，電動頭的故障可能給機組帶來極大影響，將降低功率乃至停機停堆。陽江核電某機組就經歷了由于電動頭控制板件無法響應控制導致定期試驗失敗的故障；大亞灣核電、寧德核電等也發生過由于電動頭信號故障，導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，逐漸向預防測試、故障修復等方向轉換。然而智能型電動頭由于其內部板件復雜，廠家的技術保密及通訊的多樣化，導致現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部板件的可靠性，無法準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。

2 國內外研究現狀

智能型電動頭的測試目前國內外僅采用整體測試，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，判斷電動頭的可靠性，進而判斷板件的可靠性。這種測試方式針對電動頭與系統、用戶的聯系，不考慮內部元器件結構，不考慮內部的運行邏輯，只是根據設計說明書的功能，對設備的輸入輸出端進行檢測。如果內部有元件異常且不至于影響輸出的潛在異常或原來輸入輸出對應關系未考慮的邏輯異常都是無法發現的。

無論從電站的角度還是智能型電動頭自身發展的角度，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合白盒檢查和黑盒檢查的灰盒檢查技術，同時通過實際的應用及效果，評價其可行性，以豐富檢修手段，為設備測試、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，關注輸出、輸入的正確性，同時也關注設備內部的情況；既關心設備與系統的聯系，又關心設備部分元器件的運行情況和運行邏輯。灰盒測試不像白盒那樣詳細、完整，但又比黑盒測試更關注設備的內部邏輯及元器件，常常是通過一些表征性的現象、事件、標志來判斷內部的運行狀態。

灰盒測試，是基于對設備內部細節有限認知的設備檢查方法。測試者可能知道系統組件之間是如何互相作用的，但缺乏對內部功能和運作的詳細了解。對于內部過程，灰盒測試把設備看作一個必須從外面進行分析的黑盒。雖然灰盒測試相對白盒測試較難發現并解決設備潛在問題，尤其在一個單一的應用中，白盒測試的內部細節可以完全掌握，灰盒需要檢修人員了解設備內部元件關鍵點，并對關鍵點進行監督，但是灰盒測試結合了白盒測試和黑盒測試的優點，一旦準確確認了系統內部關鍵點，就兼顧了黑盒的簡單和白盒的精確，提升了測試效率、錯誤發現和錯誤分析的效率。

灰盒的測試重點在于內部元器件的分析，掌握內部關鍵的元器件，并對其進行測試，就可在黑盒的基礎上更為精確地監視設備。對于工程檢修人員，憑借其豐富的檢修經驗及不斷的分析嘗試，能夠準確地確認設備關鍵點。因而灰盒測試能夠在工程檢修活動中起到重要作用。灰盒測試原理見圖1。

灰盒測試是在對設備有一定了解的基礎上進行的。在監視輸入輸出的同時，對其內部關鍵參數進行監視。在采集數據后進行判斷，從而對設備進行分析處理。其試驗的流程如圖2。

4 灰盒在電動頭控制板件測試試驗的應用案例

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

將該故障遠控輸入板拿到灰盒試驗平臺進行試驗，過程如下：

樣品為雙面焊接雙層PCB板，應用于L2ABP002VL設備上。該樣品在現場年檢時發現，切至遠控位置時會自動關閥，現場不存在遠方開關閥信號和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。

對各電容及電阻使用萬用表進行離線測量，容值及阻值均正常，沒有損壞跡象。具體數據如表1。

對該樣品進行3天的拷機實驗，檢查其各端口電壓及6個電容，未發現異常。對樣品進行仿真檢查，模擬各類輸入信號，檢查其各端口對應動作及電容電壓。結果如圖4，可以看出：

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

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

對樣品失效光耦進行開封，其內部采用白色塑封料作為透光材料。對三極管的內部芯片進行放大觀察，如圖7，可見其內部采用金絲鍵合。鍵合點良好，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。對三極管進行測試，漏電現象消失，三極管恢復正常，說明漏電現象在芯片表面。

通過對樣品進行檢查，其表現為遠控無ESD信號輸入時，電動頭測試到有ESD信號輸入，并自動關閥。根據機柜的拷機及仿真數據分析故障原因為隔離光耦失效。通過對樣品進行開封檢查，發現光耦U2D端口對應的三極管存在漏電流，導致光耦輸出端一直處于導通狀態，主板一直監測到ESD信號，分析認為該漏電流為光耦內部電化學遷移導致，為老化失效表征。

樣品由于光耦存在漏電流，導致ESD對應光耦一直為導通狀態。現場ESD設置為關閥，所以電動頭將會自動關閥。漏電流為光耦內部電化學遷移導致，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，從而進行針對性的試驗。

5 結論

智慧電廠的發展是國內各個電廠的發展方向，電動頭的智能化程度也越來越高。智能化設備在帶來高效便捷的同時，其結構、原理的復雜度也大大增加；廠家的技術保護，也注定設備內部結構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。結合了黑盒測試和白盒測試優點的灰盒測試是一種新的檢修思路。據了解，在國內其他核電站還沒有提出同類的檢修思路，仍采用較為傳統的手動加量測量的手段來檢查板件可靠性及老化程度。傳統做法既耗費人力物力，同時又無法實現長時間且多量檢查，對于高壓或大電流檢查存在人員安全風險；缺乏系統性的數據記錄，不能做出準備老化評估。

灰盒測試可以實現自動烤機、仿真、環境模擬和故障診斷等功能，節省大量人力物力的同時能夠采集全方位數據，同時又兼顧電動頭控制板件內部結構和運行邏輯。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監視，比白盒測試更高效地監視了設備內部的運行情況；在故障再現分析方面，通過原來的失效模式的初步分析，對失效點進行重點監視，對比黑盒測試可以更精確地確定故障原因。灰盒測試的關鍵點在于測試參數的選取，參數的選擇可以通過原理分析、經驗反饋或專家建議，并在大量的試驗過程中逐步完善。