核電站控制系統“黑匣子模塊”故障分析方法研究

楊曉奇

（中廣核研究院 北京分院，北京 100086）

控制系統是核電機組的神經中樞，其重要性不言而喻，其穩定可靠是保證電站安全經濟運行的基礎和前提。為了提高設備可靠性，需要對控制系統中存在的大量“黑匣子模塊”進行故障分析研究，一旦發生故障，能夠準確地找出故障原因，制定有效的應對措施，確保類似問題不再重發。

1 控制系統黑匣子模塊

國內核電機組很多重要的控制系統由國外廠商供貨，這些系統中存在著大量原廠商未提供詳細技術資料的控制模塊，這些模塊大多屬于關鍵控制設備，一旦發生故障，將直接導致相關控制系統無法正常穩定運行，此類設備被稱為“黑匣子模塊”。

圖1 核電站控制系統黑匣子模塊Fig.1 Nuclear power plant control system black box module

圖2 黑匣子模塊故障分析總體方案Fig.2 Master plan for fault analysis of the black box module

上述兩種類型的控制系統“黑匣子模塊”對于電站而言并無明顯差別，因為不掌握其實現原理、控制邏輯、核心算法等詳細技術資料，此類設備一旦發生故障，電站技術人員很難進行故障原因分析。

2 黑匣子模塊故障分析總體方案

要對控制系統黑匣子模塊進行故障分析，需要依據實物繪制原理圖，對其運行原理、實現方式、控制邏輯等技術細節進行深入研究，搭建黑匣子模塊的數學模型；開發測試平臺進行全面地測試驗證，復現其故障現象；依據搭建的數學模型進行逐級分析，最終定位故障位置，找到故障原因。如圖2所示，為了完成黑匣子模塊故障分析，需要依次完成如下工作：

◇ 原理圖繪制

依據黑匣子模塊實物，繪制其電路原理圖。

◇ 圖紙分析及電路仿真

對繪制的黑匣子模塊原理圖進行電路分析和軟件仿真，搭建數學模型。

◇ 測試平臺搭建

主體是支撐力，必須以主體明主責，樹立“責無旁貸”的擔當意識。農民是鄉村的主人，沒有主體的積極參與，鄉風文明終將是空中樓閣。政府既要充分發揮主導作用，也要強化農民主體地位，把農民的文化需求作為要求，把農民的文化向往作為方向；提高農民責任意識，鼓勵農民主動參與建設，要讓農民明白建設鄉村就是建設家園，培育鄉風文明就是傳承優良家風。

梳理黑匣子模塊輸入/輸出信號，搭建全功能測試平臺。

◇ 故障復現及定位

在搭建的測試平臺上對黑匣子模塊進行故障復現，依據前期搭建的數學模型，對黑匣子模塊進行逐級分析和故障定位，找到故障根本原因。

3 黑匣子模塊故障分析具體實施步驟

3.1 原理圖繪制

原理圖繪制是黑匣子模塊故障分析的第一步，也是數學模型搭建的關鍵環節。如圖3所示，原理圖繪制主要分為如下兩個步驟：

1）依據實物繪制黑匣子模塊PCB印制板圖

對黑匣子模塊使用的元器件進行調研，獲取元器件名稱、型號、封裝等信息，編制元器件清單；使用專用設備，對黑匣子模塊PCB印制板進行掃描及數據處理，獲得PCB印制板掃描圖（包含：PCB外形尺寸、元器件封裝及定位、走線寬度及定位等信息）；根據編制的元器件清單，使用Altium軟件，從數據庫中調出相應元器件的PCB封裝，放置在掃描圖對應位置，并完成元器件之間的相互連線（獲得實際網絡連接關系）。使用測試設備將獲得的實際網絡連接關系與黑匣子模塊實物進行反復比對，確保二者元器件編碼、管腳定義、連接關系完全一致。

2）將繪制的PCB印制板圖轉化為電路原理圖

依據實物繪制的PCB印制板圖僅能反映黑匣子模塊各元器件之間的實際連接關系，無法用于原理分析，需要將其轉化為對應的電路原理圖，這個步驟是黑匣子模塊原理圖繪制的關鍵環節。使用Altium軟件，依據編制的元器件清單，從數據庫中調出相應元器件的原理圖封裝，依據前期繪制的PCB印制板圖進行元器件布置和連線；元器件連接確認無誤后，開始依據功能模塊、信號走向、電路特性等進行圖紙調整，經過調整后的原理圖可以清晰地反映出黑匣子模塊各個功能模塊之間的信號走向及傳遞關系，為后期的功能和原理分析奠定基礎。

3.2 圖紙分析及電路仿真

為了掌握黑匣子模塊的運行原理、實現方式、控制邏輯等技術細節，需要對繪制的原理圖進行電路分析和軟件仿真，建立黑匣子模塊的數學模型。如圖4所示，該步驟主要由如下兩個環節構成：

1）依據原理圖進行電路分析

對繪制的黑匣子模塊原理圖進行電路分析，確定各功能模塊輸入/輸出信號范圍、邏輯關系、傳遞函數等信息。

2）軟件仿真

使用MULTISIM等仿真軟件對相關電路進行仿真驗證，并將仿真結果與電路分析結果進行對比，如果仿真結果與分析結果出現偏差，仔細分析差異產生的原因，直至電路分析結果與仿真結果一致。

在完成電路分析和軟件仿真的基礎上搭建黑匣子模塊的數學模型，為故障分析提供理論依據。

3.3 開發全功能測試平臺

圖3 黑匣子模塊原理圖繪制Fig.3 Map of the black box module schematic

圖5 測試平臺架構圖Fig.5 Test platform architecture diagram

為了對黑匣子模塊進行故障分析，需要開發可以滿足其測試需求的全功能測試平臺。該平臺可為黑匣子模塊提供各種工況下的控制信號，并對其輸出信號及關鍵中間量信號進行數據采集和處理。如圖5所示，測試平臺主要由控制設備、配電設備、適配設備、程控負載和顯示設備構成。

控制設備是測試平臺的核心設備，其硬件部分采用NI設備構成[1]（主要包括：PXIe-8840型高性能控制器模塊、PXI-6509型多通道數字I/O模塊、PXIe-4322型高精度模擬輸出模塊、PXIe-4300型高精度電壓采集模塊、PXI-5421型16位任意波形發生器模塊、PXIe-1085型高性能控制機箱等），其軟件部分使用LabWIEW作為軟件開發平臺[2]（技術人員可以通過人機界面方便快捷地完成參數設置、數據處理、報表生成等工作）；控制設備借助顯示設備和適配設備，可以為被測的黑匣子模塊提供多種類型的控制信號（包括數字量信號及多種類型的模擬量信號）并可對數字量輸出信號及各種類型的模擬量輸出信號進行采集及數據處理。

圖4 黑匣子模塊電路分析和軟件仿真Fig.4 Black box module circuit analysis and software simulation

3.4 故障復現及定位

使用測試平臺為黑匣子模塊提供模擬現場實際工況的控制信號，復現故障現象，并對其故障狀態下的輸出信號及關鍵中間量信號進行采集，依據前期搭建的數學模型，對黑匣子模塊進行逐級分析和排查，直至定位故障位置。

對故障位置處的電路和元器件進行重點分析，確定故障產生的根本原因，并制定有效的應對措施，確保類似問題不再重發，提高控制系統的可靠性。

4 結束語

本文介紹了一種核電站控制系統“黑匣子模塊”故障分析的實用方法，并對其實施方案及具體操作步驟進行了詳細說明；運用該方法，可有效解決困擾電站的“黑匣子模塊”故障分析難題，準確定位故障原因，制定有效的應對措施，確保類似問題不再重發。保證核電站控制系統的安全穩定運行。