核安全級DCS系統SVDU上下行響應時間分析與測試

陳 釗，文 景，周 青，劉明明，章 雨（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

SVDU簡稱是安全顯示控制單元，主要為核電站提供保護參數監視、重要設備控制、保護系統設備狀態信息和日志記錄等功能，是安全級DCS系統的一個重要組成部分，在核電站中起著至關重要的作用，其上下行響應時間是安全級DCS系統最重要的性能指標之一。

美國核管理委員會（NUREG-0800）標準評審大綱規定：DCS系統相關時間的指標需要分配到DCS的各個部分，同時要求在DCS的詳細設計時考慮系統的響應時間，在DCS的性能確認階段測試系統的響應時間[1]。HAD102/16中也有關于響應時間測試的建議性要求[2]。因此，對DCS系統響應時間的理論分析和實際測試是非常有必要的。本文通過分析SVDU上下行鏈路響應時間，并設計測試方案以實現SVDU上下響應時間測試，最后對測試數據進行統計學分析。

圖1 A系列1/2系統架構圖Fig.1 A series 1/2 system architecture diagram

圖2 信號輸入變化到SVDU屏幕顯示信號鏈路Fig.2 Path of signal input changes to SVDU display

圖3 信號輸入變化到SVDU屏幕顯示響應時間計算Fig.3 Calculation of the response time of signal input changes to SVDU screen display

1 SVDU上/下響應時間理論分析

1.1 最長鏈路選取

依托中國核動力研究設計院研發的核電廠安全級DCS平臺（NASPIC）搭建的華龍工程樣機為例，其1/2系統架構圖如圖1所示。通過架構圖可以看出，SVDU僅與專設TU存在接口關系，經信號傳輸路徑分析，SVDU上行監視最長鏈路為：傳感器→PIPS→RPC→保護TU→專設TU→SVDU；SVDU下行控制最長鏈路為：SVDU→專設TU→保護TU→RPC→斷路器。

1.2 響應時間最大值理論計算

1）SVDU上行響應時間

信號輸入變化到屏幕顯示時間。以邏輯系列A的IP保護組為例，信號輸入變化到屏幕顯示時間的最長鏈路為：傳感器信號→調理模塊→RPC→保護組TU→專設TU→SVDU。響應時間范圍如圖2、圖3所示。

RPS需求規格書中主控模塊的最大負荷要求不超過60%。結合NASPIC平臺主控模塊的運行周期可配，并考慮安全級DCS系統中的各模塊可能出現異步運行，所以主控模塊運行周期從開始接收數據到發出數據的最差響應時間為主控模塊運行周期的1.6倍。在最壞情況下，信號輸入變化到屏幕顯示時間為：

將NASPIC平臺模塊響應時間數據以及主控模塊運行周期數據代入公式，計算出最壞情況下，得出信號輸入變化到屏幕顯示時間，響應時間為425.0ms。其中，TIS為調理模塊響應時間；TI為輸入模塊響應時間；TMPU為主控模塊響應時間；TCOM為通訊模塊響應時間；TLCD為液晶屏響應時間。

圖5 SVDU命令下達到安全級DCS信號輸出響應時間計算Fig.5 Calculation of the response time of SVDU command sending to safety DCS signal output

圖4 SVDU命令下達到安全級DCS信號輸出信號鏈路Fig.4 Path of SVDU command sending to safety DCS signal output

圖6 SVDU上行響應時間測試原理Fig.6 Principle of SVDU uplink response time test

2）SVDU下行響應時間

從操縱員的操作動作執行到安全級DCS信號輸出時間。以邏輯系列A的I保護組為例，從操縱員的操作動作執行到安全級DCS信號輸出時間的最長鏈路為：控制指令動作→SVDU-A→TU-A→TU-1→RPC。響應時間的信號輸出走向以及響應時間范圍分別如圖4、圖5所示。

RPS需求規格書中主控模塊的最大負荷要求不超過60%。結合NASPIC平臺主控模塊的運行周期可配，并考慮安全級DCS系統中的各模塊可能出現異步運行，所以主控模塊運行周期從開始接收數據到發出數據的最差響應時間為主控模塊運行周期的1.6倍。在最壞情況下，從操縱員的操作動作執行到安全級DCS信號輸出時間為：

將NASPIC平臺模塊響應時間數據以及主控模塊運行周期數據代入公式，計算出最壞情況下，得出從操縱員的操作動作執行到安全級DCS信號輸出時間，響應時間為420.0ms。其中，TO為輸出模塊響應時間；TMPU為主控模塊響應時間；TCOM為通訊模塊響應時間；TLCD為液晶屏響應時間。

2 響應時間測試設計

2.1 測試策略

根據RPS需求規格書，從信號輸入變化到屏幕顯示時間≤1.0s和從操縱員的操作動作執行到安全級DCS信號輸出≤1.0s的性能指標要求。通常在工廠測試期間，針對SVDU上下行響應時間驗證，主要采用“分析法和試驗法”相結合的方法進行驗證，證明其性能指標是否符合技術規格書要求。本文以華龍工程樣機工廠測試為例，在SVDU上下行響應時間測試設計時，主要遵循以下3個策略：

1）根據系統架構分析信號傳輸路徑，梳理出SVDU上下行最長信號鏈路，并計算得出最長鏈路的最大理論值。

2）分析鏈路中邏輯的復雜度，選取邏輯塊最多的鏈路進行測試。

3）結合1）、2）策略，測試最長鏈路響應時間數次，得出SVDU上下行最長鏈路的實測值。

2.2 響應時間測試原理

1）SVDU上行響應時間測試原理

使用多通道記錄儀連接DCS控制柜輸入端子，并采集現場信號，將采集到現場信號變化時刻作為多通道記錄儀T1；再使用多通道記錄儀連接光電倍增管，通過光電倍增管捕捉畫面。當信號有變化時，畫面顏色或是亮度的變化會使光電倍增管采集信號電壓值發生變化，此光電倍增管輸出電壓信號階躍變化點記為T2，即SVDU上行時間為T2-T1。測試原理圖如圖6所示。

圖7 SVDU下行響應時間測試原理Fig.7 Principle of SVDU downlink response time test

圖8 上行響應時間波形變化圖Fig.8 Waveform variation of uplink response time

2）SVDU下行響應時間測試原理

使用多通道記錄儀連接光電倍增管，通過光電倍增管采集手動操作SVDU上設備圖符發生變化（當圖符有變化時，畫面顏色或是亮度的變化會使光電倍增管輸出信號電壓值發生變化），此電壓信號變化時刻作為多通道記錄儀的T1，同時使用多通道記錄儀采集由SVDU操作產生的DCS設備控制輸出信號，此輸出信號的電壓變化時刻作為T2，即SVDU下行響應時間為T2-T1。測試原理圖如圖7所示。

3 響應時間測試及結果分析

3.1 響應時間測試

響應時間測試主要包括測試準備、測試執行以及測試數據3個方面。

3.1.1 測試準備

根據SVDU響應時間原理以及測試裝置設計研究，響應時間測試準備主要包括兩個方面：一方面是選取試驗過程中安全級DCS的SVDU上行/下行響應時間最長鏈路；另一方面是光電倍增管靈敏度的調整。

根據2.1節測試策略，選取試驗中SVDU上行響應時間最長鏈路為：輸入傳感器信號（具體為開關量信號H0CLA011JA）→調理模塊→保護組RPC→保護組TU→專設TU→SVDU畫面IP停堆斷路器復位（具體為RPC-A停堆斷路器CLA011JA合閘）；選取SVDU下行響應時間最長鏈路為：操作員操作SVDU畫面IP停堆斷路器按鈕（具體為發出CLA101KC命令并按下二次確認按鈕）→專設TU→保護組TU→保護組RPC（具體為IP停堆斷路器動作信號開關量H0CLA10EY012）。

3.1.2 測試執行

1）SVDU上行響應時間測試

根據所選SVDU上行響應時間最長鏈路進行測試，通過存儲記錄儀來記錄波形變化：使用存儲記錄儀CH5通道來采集輸入開關量信號H0CLA011JA跳變前后的變化波形（試驗過程中該信號測量值由24V跳變至0V）；使用存儲記錄儀CH7通道來采集RPC-A停堆斷路器CLA011JA合閘前后波形變化信號（試驗過程中，該信號通過光電倍增管進行采集，信號測量值在1.6V～2.0V之間變化），其上行響應時間選取為圖8中的T2-T1的時間差。但在實際測試過程中，光電倍增管采集的SVDU畫面狀態產生的階躍信號不是很明顯。為了保證減小其讀數誤差，往往在記錄讀取時，采用保守讀取方式進行讀取，以圖9中的T3作為SVDU采集時間，所以SVDU保守的上行響應時間為：T3-T1。SVDU上行響應時間波形變化如圖8所示。

2）SVDU下行響應時間測試

根據所選SVDU下行響應時間最長鏈路進行執行測試，通過存儲記錄儀來記錄波形變化：使用存儲記錄儀CH7通道來采集操作員操作CLA101KC命令，并按下二次確認按鈕前后模擬量的波形變化（試驗過程中，該模擬量信號通過光電倍增管進行采集，信號測量值在0.1V～0.4V之間變化）；使用存儲記錄儀的CH10通道來采集輸出開關量信號H0CLA10EY012的變化波形（試驗過程中，該信號測量值由0V跳變至24V），其下行響應時間為T2-T1的時間差。SVDU下行響應時間波形變化如圖9所示。

3.1.3 測試數據

根據所選SVDU的上行/下行響應時間最長鏈路，本試驗進行了1000次連續不定時的試驗測試，并對1000組SVDU上行/下行響應時間進行數據分析，部分SVDU上行/下行響應時間測試數據分別見表1、表2。

表1 SVDU上行響應時間部分測試數據（單位：ms）Table 1 Partial test data of SVDU uplink response time (unit: ms)

表2 SVDU下行響應時間部分測試數據（單位：ms）Table 2 Partial test data of SVDU downlink response time (unit: ms)

圖9 下行響應時間波形變化圖Fig.9 Waveform variation of downlink response time

3.2 試驗數據分析

本試驗采用連續的不定時試驗方式，通過存儲記錄儀來存儲SVDU上下行響應時間波形變化。本文各選取其中連續的不定時試驗的1000組數據進行數據分析。針對SVDU上下行響應時間進行數據分析，兩者均符合正態分布規律[3]，正態分布N(μ, σ2)公式為：

其中，μ為平均值；σ為標準差。

圖10 SVDU上行響應時間直方圖與正態分布密度函數圖Fig.10 Histogram and normal distribution of SVDU uplink response time

圖11 SVDU下行響應時間直方圖與正態分布密度函數圖Fig.11 Histogram and normal distribution of SVDU downlink response time

根據SVDU上行響應時間測試數據進行正態分布統計，連續不定時的1000組試驗數據的平均值為353.16 ms，標準差為23.62，上行響應時間95%的概率落在區間為[306.86，399.46]上，測試數據最大值為399.5ms，與理論分析最大值425ms較吻合。連續不定時測試1000組SVDU上行響應時間直方圖與正態分布密度函數圖如圖10所示。

根據SVDU下行響應時間測試數據進行正態分布統計，連續不定時的1000組試驗數據的平均值為347.87ms，標準差為24.50，下行響應時間95%的概率落在區間為[299.85,395.89]上，測試數據最大值為396.0ms，與理論分析最大值420.0ms較吻合。連續不定時測試1000組SVDU下行響應時間直方圖與正態分布密度函數圖如圖11所示。

4 結論

通過對SVDU上下行響應時間理論及測試數據分析，根據MPU接收數據的隨機性，采用連續不定時的方式進行上下行響應時間測試，確保在不同時序下MPU接收實時數據所需要的響應時間的真實性和可靠性；在不影響MPU負荷的前提下，提升SVDU的主控模塊性能可以直接減少SVDU上下行響應時間；經過1000次重復測試試驗，SVDU上下行響應時間測試數據符合正態分布規律，且與理論分析結果一致；試驗過程中，光電倍增管對光的敏感性很強，應保證只有SVDU屏幕這一種光源，保證試驗的準確度，減少試驗誤差。