核電站數字化儀控系統SOE的分辨率測試設計與實現

(北京廣利核系統工程有限公司，北京 100094)

核電站運行因其燃料的特殊性，它的安全穩定運行要求很高。電站一旦發生主要設備跳閘事件或者停堆事件，都需要精確地分析出其觸發的原因，從而制定措施，舉一反三，最大可能地避免類似事件或事故再次發生。但是設備跳閘后，往往會引起一系列的連鎖動作，相關系統設備會在很短時間內發生狀態改變，核電站內DCS畫面會發出大量報警信號，并且信息滾動會很快覆蓋原畫面。核電站均會使用SOE系統專門用于事件記錄和分析使用，該系統能夠非常精確地將設備跳閘動作按照時間序列儲存下來，以供分析人員進行分析研究。SOE分辨率的高低直接影響到事件順序記錄的質量，它是該系統的一個關鍵性指標。

DCS作為工業過程控制的中樞系統，其本身的性能對工業生產過程的安全性、可靠性和經濟性具有重要的影響。 DCS的性能測試還可以作為DCS定期維護的一個重要方法，對各制造商以及各類型DCS測試的數據積累，還可以為今后DCS的設備選型、評價提供科學、客觀的依據[1]。當前我國核電站的SOE系統大都劃入DCS系統供貨包中，屬于DCS的一個子系統，從而SOE的分辨率也是核電站DCS非常重要的一項性能指標。

SOE是一種帶時間戳的DI采集模塊，即SOE模塊不僅要采集DI的狀態，還要同步記錄DI狀態變位發生的時刻，一并報給主控制器處理后，再保存在DCS系統服務器或操作員站中。SOE的主要作用是用于分析事故的原因，即事故之間的因果關系。SOE的分辨率指的是，SOE模塊計時計數器增加1所代表的時間計量，一般設計為1 ms。[2]一臺核電機組中存在較多SOE設備，因此對于核電站SOE的多通道、不同模塊、不同站間的同時驗證存在困難。本文論述的方法可解決目前的問題且精度更高、操作更便捷。

1 核電站數字化儀控系統SOE的分辨率測試設計與分析

1.1 SOE的基本實現原理

由于SOE的主要作用是用于分析事故原因，即事故之間的因果關系，所以，嚴格來說SOE關心的不是事件的絕對時刻，而是事件之間的先后順序。為此，需要系統內所有的SOE模塊都保持嚴格的及時同步，這要靠所有SOE模塊統一由一個共同時鐘源作為標準發同步信號，同步地將模塊內部的計數器清零，來保持各SOE模塊的同步。一般情況下，SOE時鐘源是通過單獨的硬件接口用硬接線發送同步脈沖信號。而時鐘源也分為兩種，一種是GPS(全球衛星定位系統)接收機，另一種是DCS系統內自己維持的時鐘源[2]，由于各DCS系統廠商的內部校時方案不同，因此本文不進行詳細描述，以下是GPS接收機的方式實現SOE時鐘同步的原理。

一般的GPS接收機通過串口將時間信息輸出，GPS接收機輸出的時間信息中，包含秒脈沖串電平信號，同時也通過數據通訊的形式將某一秒脈沖對應的當前絕對時刻輸出。這兩個信息都被用于DCS系統的SOE同步和時間拼接，SOE同步和時間拼接的過程如下：

首先，GPS秒脈沖經過DCS對時硬件分頻后變為分脈沖，然后該分脈沖直接連接到系統各個SOE模塊。當分脈沖到來時，各SOE模塊將自身計時器清零，即采用一般的晶體振蕩器，各模塊1 min同步1次，是完全能夠將各模塊的時間累積誤差控制在0.1 ms內的。

其次，分鐘以上的時間信息同步，只需要一個CPU通過網絡廣播接收時間信息包刷新班底時間，就完全保證各站的分鐘同步了。

1.2 SOE在核電站數字化儀控系統中的實現方式

在基于HOLLiAS-N平臺的某核電站項目一期工程中，使用的是一種專用SOE模塊，此種設備自身帶有精確的時鐘；SOE事件分辨率為1 ms，其內部時鐘為了保持與系統時間一致；通常采用與上位機對時或者通過GPS對時。標記的過程一般為：每一個通道對應一個時間計數器和多組時間寄存器；當通道的狀態發生改變時，通過硬接線將時間計數器的值賦給時間寄存器；當多個通道同時發生狀態改變時可以同時處理；上位機通過其設定的掃描周期定期的從SOE模塊中讀取這些打有時標的狀態改變量。

圖1 數字控制系統SOE的分辨率原理分析示意圖Fig.1 The analysis for the SOE resolution in the digital I&C system

1.3 SOE的分辨率測試方法設計

SOE的分辨率測試工作過程是：按一定的時間間隔(通常為1 ms)，對連接到它的輸入通道的接點狀態進行判斷，一旦有事件發生(通道被觸發)，系統能夠按此間隔時間順序記錄此后發生的其他連鎖事件。因此，需要使用一種裝置對SOE系統各通道順序觸發，并保證這種順序觸發在時間間隔上足夠精確的前提下，通過比對SOE系統記錄，查看記錄和實際觸發順序是否吻合來達到驗證SOE系統的目的。

1.4 SOE的分辨率測試方法分析

本方法使用的核電站測試裝置發送SOE信號。測試裝置在硬件指標上完全滿足SOE的分辨率測試的要求，并且可通過軟件靈活設置信號的發送時間間隔、脈沖寬度以及通道數量，能夠滿足不同工況下的測試需求，并且還可用于DI事件、報警事件分辨率等其他測試內容。

在實際測試中，由于SOE通道被分配在不同模塊和控制站之中，因此需要同時驗證同一模塊內不同通道間、同站不同模塊間和不同站間的SOE信號分辨率。

具體測試方法如下：

(1)選擇三臺帶有SOE信號的現場控制站(分別以a：中間站號;b：最小站號;c：最大站號表示)，使用測試裝置順次接以下7個通道：

1)在現場控制站a選擇同一SOE模塊的3個通道。

2)在現場控制站a其他2個SOE模塊分別選擇一個通道。

3)在現場控制站b選擇任意1個SOE通道。

4)在現場控制站c選擇任意1個SOE通道。

(2)使用測試裝置加信號，使被測SOE通道依次發生SOE事件，間隔時間等于1 ms。在操作員站上查看SOE日志，事件順序按實際發生順序排列。

圖2 SOE的分辨率測試示意圖Fig.2 The SOE resolution test

2 基于labVIEW的測試裝置簡介

核電站DCS供應商在進行系統測試時，需要測試DCS與現場設備之間的控制邏輯是否正確，但是只有在核電站運行時才能得到實際現場設備的信號，因此需要使用核電站DCS測試裝置。該裝置能夠模擬現場設備，并且擁有足夠的容量，以滿足系統的I/O點數量。測試裝置的結構見圖3。

圖3 測試裝置結構圖Fig.3 The structure of the test device

通過PC機中labVIEW程序編寫相應的腳本并配合NI調理板卡，可模擬核電站現場設備的各種工況，通過對頻率控制、相位控制、占空比控制、控制字計算和信號的調制等綜合設計信號的發生，即使用測試裝置模擬產生測試所需的SOE事件。本測試裝置包含PC機、labVIEW程序、調理板、DAO卡及存放設備的機箱(不含現場控制站及其與調理板之間的硬接線)。

3 核電站數字化儀控系統SOE的分辨率測試實現與結果

3.1 SOE的分辨率測試實現前提條件

1)測試現場服務器已與DCS對時硬件相連。

2)所有SOE模塊已與DCS對時硬件分脈沖端子相連，無超時故障。

3)所有實際運行的軟件已正確、完整地下裝至計算機內部，操作員站、服務器和被測控制站無故障。

3.2 SOE的分辨率測試實現過程

1)測點選擇

表1 SOE的分辨率測試選點Table 1 Selection of resolution test points for SOE

將測試裝置SOE測試板卡的前7個通道，依次接入上表中的測點。

2)在測試裝置加信號，使被測SOE通道依次發生SOE事件，時間間隔為1 ms。在操縱員站的SOE日志上查看事件順序。測試裝置發送信號時，可通過示波器測量兩個通道間變位的時間差，來驗證時間間隔是否準確。測試裝置的精度必須是小于1 ms。

3.3 SOE的分辨率測試實現結果

SOE事件時間間隔1 ms。示波器捕捉的通道間變位波形如圖4所示。

圖4 間隔1 ms的示波器波形Fig.4 The waveform of oscilloscope with 1 ms interval

可以看出，兩個通道變位的時間差ΔX為1 ms。

此時SOE日志上記錄的信息如下：

圖5 間隔1 ms的SOE日志Fig.5 The log of SOE with 1 ms interval

日志中7個事件的時間信息正確，順序正確，因此當時間間隔等于1 ms時，事件順序能夠分辨。

4 結論

通過對校時信號傳輸路徑的分析，合理選擇SOE事件點類型和覆蓋方式并通過使用智能測試裝置進行SOE分辨率測試設計與實現。經過實際試驗驗證，使用測試裝置測試SOE的分辨率準確性高，測試方法靈活，完全滿足了核電站數字控制系統SOE的分辨率的測試要求，能夠準確判斷出核電站DCS的SOE系統是否能夠滿足1 ms的分辨率指標，為后續不同DCS平臺中SOE分辨率的測試提供重要參考，此方法經過大量實際應用可推廣使用。