劉朋波 周 韋 張淑慧
(上海核工程研究設(shè)計(jì)院,上海 200233)
儀控系統(tǒng)負(fù)責(zé)核電廠的檢測、顯示、控制和保護(hù)等功能[1],是核電廠的重要組成部分。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和控制理論、控制技術(shù)的快速發(fā)展,核電廠儀控系統(tǒng)已經(jīng)可以完全數(shù)字化,且其自動(dòng)化程度越來越高。核電廠儀控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:模擬階段、部分?jǐn)?shù)字化階段和全數(shù)字化階段[2]。目前正在我國建造的AP1000和EPR采用的都是全數(shù)字化分布式儀控系統(tǒng),其安全性和可靠性得到很大提升[3-4]。
核電作為特殊領(lǐng)域,對(duì)儀控系統(tǒng)的性能和可靠性要求特別高,國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)、美國核管會(huì)(NRC)和國際電工委員會(huì)(IEEE)都制定了有關(guān)核電廠儀控系統(tǒng)的法規(guī)、導(dǎo)則和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]。
核電廠儀控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造、現(xiàn)場安裝和調(diào)試過程中都要經(jīng)過嚴(yán)格的測試,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、改進(jìn)設(shè)計(jì),保證最終產(chǎn)品滿足核電廠特殊要求,達(dá)到提高核電廠可靠性和經(jīng)濟(jì)性的目的。
I&C測試是I&C驗(yàn)證和確認(rèn)的重要組成部分,伴隨著I&C驗(yàn)證和確認(rèn)的全過程。在核電廠儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、現(xiàn)場安裝和調(diào)試過程中,I&C用于檢測每個(gè)階段的儀控產(chǎn)品是否滿足用戶要求;證明儀控系統(tǒng)或者設(shè)備是否可以進(jìn)行整個(gè)電廠測試且能夠支持電廠運(yùn)行,最終為軟硬件的集成系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能并具有足夠的可靠度提供依據(jù);減少后期的設(shè)計(jì)缺陷和制造、安裝、調(diào)試問題;縮短儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造周期,減少資源浪費(fèi),降低成本。
核電廠儀控系統(tǒng)測試項(xiàng)目包括新建電廠項(xiàng)目和改造項(xiàng)目。測試范圍以系統(tǒng)界定,可以是整個(gè)電廠儀控系統(tǒng),也可以按照是否是安全級(jí)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)來分,或以子系統(tǒng)、機(jī)柜進(jìn)行劃分,甚至以更低層次(如電源模塊、處理器、I&O模塊)劃分。測試對(duì)象是每個(gè)項(xiàng)目中儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、現(xiàn)場安裝和調(diào)試各階段的產(chǎn)品,包括設(shè)計(jì)規(guī)范、要求文件、軟件、硬件和軟硬件集成設(shè)備或者系統(tǒng)。
整個(gè)測試過程包括多個(gè)等級(jí)的測試,不同等級(jí)的測試從低到高依次進(jìn)行。高一級(jí)的測試均基于低一級(jí)的測試結(jié)果,測試等級(jí)隨著軟硬件集成度和系統(tǒng)接口集成度的增加而增加。每一級(jí)的測試都只關(guān)注與本級(jí)相關(guān)的要求。一些細(xì)節(jié)要求會(huì)在較低等級(jí)的測試中完成,一般不在更高級(jí)的測試中再次進(jìn)行。
測試等級(jí)總共有9級(jí),其中0~4級(jí)測試在工廠環(huán)境內(nèi)完成(供貨商的場地),5~8級(jí)測試在現(xiàn)場完成。1~3級(jí)測試由產(chǎn)品組負(fù)責(zé),第4級(jí)測試由來自于產(chǎn)品組的測試人員依據(jù)集成活動(dòng)的要求進(jìn)行測試,5~8級(jí)由電廠調(diào)試和測試小組負(fù)責(zé)。與測試分級(jí)對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中的部件集成分級(jí)。表1給出了測試分級(jí)和集成分級(jí)(IEEE-1220,《IEEE系統(tǒng)工程程序應(yīng)用和管理標(biāo)準(zhǔn)》)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[6]。
表1 測試分級(jí)Tab.1 Leveling of tests
整個(gè)測試過程有三個(gè)可能的測試地點(diǎn):分包供貨商的生產(chǎn)廠、工廠和現(xiàn)場。測試地點(diǎn)不是強(qiáng)制規(guī)定的,在選擇測試地點(diǎn)時(shí),必須考慮測試的目的,以便證明系統(tǒng)或設(shè)備在現(xiàn)場安裝后能夠執(zhí)行相關(guān)功能。測試過程中還應(yīng)考慮到產(chǎn)品封裝以及系統(tǒng)或者設(shè)備從測試地點(diǎn)運(yùn)到下一個(gè)地點(diǎn)可能受到的影響。如果運(yùn)輸會(huì)使測試失效,且必須在下一個(gè)地點(diǎn)再測一次,就有必要延后這一測試。當(dāng)然,是否做出延后的決定還需要同時(shí)考慮是否在早期發(fā)現(xiàn)并解決問題更為有利(很多問題都可以較容易地在工廠或供貨商處解決)。風(fēng)險(xiǎn)管理能夠在延后或重復(fù)測試之間作出權(quán)衡。
1.3.1 測試獨(dú)立性要求
在確定測試計(jì)劃時(shí),為了更有效地在設(shè)計(jì)和制造的過程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,測試大綱必須獨(dú)立于發(fā)生這些錯(cuò)誤的源頭。在測試計(jì)劃中引入獨(dú)立性可能會(huì)導(dǎo)致測試計(jì)劃忽略設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)而沒有探測到潛在的錯(cuò)誤。為降低這個(gè)幾率,測試者應(yīng)該基于設(shè)計(jì)要求來編寫測試規(guī)程,而不是基于設(shè)計(jì)執(zhí)行文件。對(duì)于功能測試,測試規(guī)程的基礎(chǔ)是功能要求,設(shè)計(jì)文件的輸入應(yīng)盡可能地少。對(duì)于制造測試,由于該測試的目的是證明將設(shè)計(jì)文檔轉(zhuǎn)化到所制造的系統(tǒng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤,所以設(shè)計(jì)文檔應(yīng)作為測試規(guī)程的基礎(chǔ)。
編寫測試說明和規(guī)范的工程師不應(yīng)是系統(tǒng)或設(shè)備的設(shè)計(jì)者或系統(tǒng)和部件的測試者,從而避免設(shè)計(jì)和測試規(guī)程中都出現(xiàn)對(duì)于特定功能的錯(cuò)誤理解。由于測試說明對(duì)測試程序規(guī)定了總的方向和范圍,包括明確了具體測試實(shí)例,所以在整個(gè)開發(fā)過程中保證測試組與設(shè)計(jì)組相互獨(dú)立是十分重要的。
1.3.2 質(zhì)量控制要求
測試作為儀控系統(tǒng)壽期內(nèi)的主要活動(dòng),測試質(zhì)量管理系統(tǒng)(quality management system,QMS)中《檢查和測試》和《檢查和測試狀態(tài)》有相應(yīng)的規(guī)程描述。表2列舉了部分規(guī)程。其他可能影響到測試的策略和規(guī)程應(yīng)當(dāng)被列入具體項(xiàng)目的項(xiàng)目質(zhì)量計(jì)劃(project quality plan,PQP)中,這包括測試使用的相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(如IEEE-829,1008)和導(dǎo)則 (如 RG 1.170,1.171)[6-8]。
表2 相關(guān)測試規(guī)程Tab.2 Associated test policies and procedures
1.3.3 測試人員資質(zhì)要求
測試人員應(yīng)由接受過與本測試工作相關(guān)資質(zhì)的教育(通過培養(yǎng)和培訓(xùn))或由具有同等的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)的人員擔(dān)任。這些測試人員按照 ANSI N45.2.6,“Qualifications of Inspection,Examination,and Testing Personnel for the Construction Phase of Nuclear Power Plants”進(jìn)行測試活動(dòng),并通過相關(guān)的資質(zhì)認(rèn)證[9]。
1.3.4 測試文件體系要求
測試文件體系要求包括:測試前要制定相應(yīng)的測試方案和測試規(guī)程;測試過程中應(yīng)仔細(xì)記錄方案實(shí)施情況以及測試數(shù)據(jù),受測設(shè)備(或者系統(tǒng)配置數(shù)據(jù))和測試過程中遇到的問題;測試結(jié)束后要對(duì)測試過程和測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,形成測試報(bào)告。這些記錄文件和報(bào)告組成相應(yīng)的測試文件體系,如圖1所示。
基本測試文件包括:①通用性頂層集成I&C確認(rèn)和測試策略;②通用性具體平臺(tái)測試策略和測試程序;③項(xiàng)目集成測試方案;④系統(tǒng)/子系統(tǒng)測試計(jì)劃;⑤系統(tǒng)/子系統(tǒng)測試說明;⑥通用性測試規(guī)程;⑦系統(tǒng)/子系統(tǒng)測試規(guī)程;⑧系統(tǒng)/子系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)表;⑨系統(tǒng)/子系統(tǒng)測試記錄;⑩系統(tǒng)/子系統(tǒng)測試報(bào)告。
圖1 測試文件體系Fig.1 Architecture of the testing documentation
1.3.5 測試原則
測試過程中,遵循的原則主要有以下八條。
①測試應(yīng)該有條理地從底層模塊或組件開始,然后逐步擴(kuò)展到更大的設(shè)備或子系統(tǒng),最后證明儀控系統(tǒng)所有部分能夠一起正常工作。測試應(yīng)該盡量在集成度最低的層次上實(shí)施,這樣在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期的早期就能夠發(fā)現(xiàn)缺陷并更改,代價(jià)就越低。
②若高等級(jí)的測試內(nèi)容包含低等級(jí)的測試內(nèi)容,應(yīng)盡量避免在高等級(jí)重復(fù)低等級(jí)測試。除非集成流程改變了系統(tǒng),使其不能滿足給定要求,否則之前的測試憑證仍然被接受。每個(gè)集成等級(jí)都會(huì)有新的錯(cuò)誤出現(xiàn),在給定等級(jí)上進(jìn)行的測試應(yīng)該只關(guān)注該給定等級(jí)上可能引進(jìn)的錯(cuò)誤,而不是較低等級(jí)引進(jìn)的潛在失誤。
③如果能充分證明集成度低的要求,同時(shí)在集成度較高的測試中與高層次的要求一致(并且導(dǎo)致低層次要求無法滿足的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)盡可能低),則可以省去低層測試。例如,輸入模塊現(xiàn)場接線端的連通性測試可以在低層(通過“檢測”接線)進(jìn)行。然而,經(jīng)驗(yàn)表明制造階段會(huì)出現(xiàn)少數(shù)錯(cuò)誤,連通性的低層次要求可以在高層次輸入通道要求測試時(shí)得到證明。因此,輸入模塊機(jī)柜線詳細(xì)的“檢測”可省去。
④沒有必要在工廠測試中復(fù)制實(shí)際的安裝環(huán)境或支持系統(tǒng)接口,但是應(yīng)該說明工廠測試環(huán)境和現(xiàn)場測試環(huán)境的不同之處。例如,如果電廠失電不是測試關(guān)注點(diǎn),則不要求供電冗余,測試使用單一供電。
⑤儀控系統(tǒng)和測試執(zhí)行系統(tǒng)工具可以提供診斷信息,測試中應(yīng)該根據(jù)這些診斷信息合理縮減測試范圍。在測試中,使用診斷信息之前要確保診斷能夠提供測試所需要的信息,且上一步的測試能夠保證診斷的正確實(shí)施。
⑥測試大綱中每項(xiàng)測試與明確定義的驗(yàn)收準(zhǔn)則應(yīng)能證實(shí)一個(gè)具體的目標(biāo)和功能可以實(shí)現(xiàn)或特定的要求得到滿足。測試應(yīng)該通過最簡單易懂的方式證明其目標(biāo)。同樣地,排除目標(biāo)設(shè)計(jì)或制造錯(cuò)誤的影響,應(yīng)該評(píng)估測試的有效性。另外測試大綱開發(fā)者應(yīng)該考慮影響系統(tǒng)的錯(cuò)誤類型。
⑦測試并不一定是確認(rèn)滿足要求的最佳途徑。在一些情況下,分析和檢查可作為測試的補(bǔ)充,合理縮小測試范圍。分析和檢查(包括設(shè)計(jì)報(bào)告檢查,如資料庫列表)可以提高目標(biāo)證實(shí)過程的效率,減少執(zhí)行測試所需要的時(shí)間,以便安排測試時(shí)間。用分析和檢查來完成目標(biāo)測試證明時(shí),在測試說明中應(yīng)清楚描述,并且需要記錄分析和檢查結(jié)果,以便形成一個(gè)完整的、系統(tǒng)可接受的證明記錄。
⑧為改善標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、執(zhí)行、測試流程,建議制定和使用格式化的信息(如出處、原因、號(hào)碼、影響)來跟蹤項(xiàng)目偏差影響。這些信息有助于項(xiàng)目經(jīng)理選擇最好的測試流程和資源分配。每個(gè)測試階段都應(yīng)明確受測設(shè)備的確切配置,這樣測試結(jié)果才有意義。受測軟件和設(shè)備的試驗(yàn)配置應(yīng)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)檔案中按照一定的要求記錄。由于修改會(huì)經(jīng)常出現(xiàn),知道更改的影響會(huì)為后期決定先前測試是否有效提供依據(jù)。所以應(yīng)該記錄設(shè)備在測試過程中的所有更改。
測試規(guī)范是測試的設(shè)計(jì)文件,它提供了充足的信息,可以讓用戶在測試規(guī)程出版前了解其意圖并同意測試方法。因此,應(yīng)為每一個(gè)測試過程編寫一份測試規(guī)范。測試規(guī)范書確定了測試的目的、目標(biāo)、范圍、適用標(biāo)準(zhǔn)、約束條件以及測試結(jié)果的使用。測試規(guī)程是測試規(guī)范書的具體執(zhí)行,一份測試規(guī)范書可以用于創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)測試規(guī)程。
測試規(guī)范書是質(zhì)量文件,應(yīng)放入電子文檔管理系統(tǒng)中。雖然測試規(guī)范可以與測試規(guī)程合并為一份文件,但一般推薦將測試規(guī)范作為獨(dú)立的文件出版。這是因?yàn)闇y試規(guī)范書需要在相關(guān)測試規(guī)程前準(zhǔn)備好,以得到足夠的用戶審查和反饋意見。如果測試規(guī)范書與測試規(guī)程并為一份文件,則用于滿足測試規(guī)范要求的信息必須清晰,且區(qū)別于滿足測試規(guī)程要求的信息。
測試計(jì)劃提供了測試項(xiàng)目的具體環(huán)節(jié)。對(duì)具體平臺(tái)編制的測試計(jì)劃可以用于完整的集成儀控系統(tǒng)、獨(dú)立系統(tǒng)及其子系統(tǒng)測試。它列出了標(biāo)準(zhǔn)測試方法與經(jīng)用戶同意的測試方法的不同之處。測試計(jì)劃應(yīng)包含足夠的細(xì)節(jié)信息(測試的地點(diǎn)、系統(tǒng)范圍和測試范圍等),以便用戶能夠進(jìn)行資源規(guī)劃。測試計(jì)劃應(yīng)明確用戶參加的測試項(xiàng)目和合同里程碑事件。測試計(jì)劃還應(yīng)該特別定義測試文件樹狀圖,以顯示后續(xù)生成的測試文件。盡管這個(gè)階段不需要特殊的文件編號(hào),但預(yù)留編號(hào)和測試方案記錄可減輕整個(gè)項(xiàng)目的跟蹤難度。用戶審查和批準(zhǔn)的要求、質(zhì)量規(guī)程、測試策略、標(biāo)準(zhǔn)過程、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章指南等也應(yīng)寫入測試計(jì)劃中。
儀控系統(tǒng)測試伴隨著整個(gè)儀控系統(tǒng)的驗(yàn)證和確認(rèn),儀控系統(tǒng)驗(yàn)證和確認(rèn)的流程如圖2所示。
圖2 儀控系統(tǒng)驗(yàn)證和確認(rèn)流程圖Fig.2 Verification and validation process of I&C
依據(jù)測試項(xiàng)目的目的和時(shí)間安排,測試方法可能多種多樣[10]。按時(shí)間順序測試可分為以下幾個(gè)階段。
①原型測試階段,這個(gè)階段的測試用于證明和估量設(shè)計(jì)理念的關(guān)鍵特性,測試結(jié)果用于指導(dǎo)進(jìn)一步的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和確定最終要求。
②設(shè)計(jì)測試階段,這個(gè)階段的測試用于證明部件、組件或系統(tǒng)的既定設(shè)計(jì)要求能夠得到滿足,在這個(gè)意義上測試目標(biāo)接口可以被仿真。這些測試可在設(shè)備上進(jìn)行,而不是在目標(biāo)系統(tǒng)上進(jìn)行。如控制邏輯可以在仿真控制器環(huán)境中進(jìn)行。
③制造測試階段,這個(gè)階段的測試用于證明產(chǎn)品能根據(jù)組裝圖和其他的設(shè)計(jì)文件正確組裝。
④集成式測試階段,這個(gè)階段的測試應(yīng)在系統(tǒng)驗(yàn)證和確認(rèn)前進(jìn)行,以檢查計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件的兼容性和一致性。
⑤接口測試階段,這個(gè)階段的測試主要是在目標(biāo)設(shè)備所在的主要子系統(tǒng)(安全系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運(yùn)行控制和檢測系統(tǒng)等)或模擬機(jī)上進(jìn)行。該測試同時(shí)包含系統(tǒng)之間的接口測試。
⑥安裝測試階段,這個(gè)階段的測試用于證明設(shè)備在從工廠運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場過程中未被損壞以及系統(tǒng)間的電纜接線(包括供電、傳感器信號(hào)和網(wǎng)絡(luò))正確。
⑦運(yùn)行測試階段,這個(gè)階段的測試用于證明儀控系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求,在各種工況下能夠使核電廠安全可靠運(yùn)行,包括電廠運(yùn)行前流體系統(tǒng)功能測試以及電廠運(yùn)行時(shí)瞬態(tài)性能證明。
有效的測試是“自下而上”、有條理地進(jìn)行的。首先測試獨(dú)立組件,然后測試構(gòu)成子系統(tǒng)或者機(jī)柜的相互聯(lián)系組件,最后測試整體直至整個(gè)電廠儀控系統(tǒng)測試完成。不同的集成等級(jí)使用不同的術(shù)語標(biāo)記(如部件、設(shè)備、單元、模塊、組件)。各項(xiàng)測試隨著集成度的增加依次進(jìn)行,I&C測試流程如圖3所示。
圖3 I&C測試流程圖Fig.3 I&C testing flowchart
測試記錄文件記錄了測試執(zhí)行過程中的原始數(shù)據(jù)。完整的測試數(shù)據(jù)表和電子版的數(shù)據(jù)記錄表也是測試記錄文件的重要組成部分。如果測試日志被保留下來,那么日志也屬于測試記錄文件。測試記錄文件還應(yīng)包括測試中被變更的測試規(guī)程頁面的拷貝。
測試報(bào)告用于測試完成后對(duì)測試和結(jié)果的描述和總結(jié),由測試者或者指定的人員在測試后盡快完成。測試中的任何異常問題都被記錄在測試報(bào)告中,任何列出的異常問題都應(yīng)同時(shí)被真實(shí)地記錄到異常報(bào)告中并被跟蹤直到問題關(guān)閉。異常報(bào)告包括由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供的解決方案。每個(gè)測試過程應(yīng)撰寫一份測試報(bào)告,相關(guān)的測試過程也可以撰寫一份合并的測試報(bào)告。
問題報(bào)告和處理對(duì)結(jié)束測試及對(duì)測試結(jié)果的確認(rèn)是十分重要的。因此,應(yīng)提供關(guān)于問題報(bào)告和跟蹤的通用要求,通用要求應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目寫入測試計(jì)劃中。當(dāng)產(chǎn)品與規(guī)定的設(shè)計(jì)、特性、文件說明、規(guī)程不一致,項(xiàng)目質(zhì)量或活動(dòng)不能令人滿意或不確定時(shí),認(rèn)為該產(chǎn)品不合格。測試中記錄下與預(yù)期測試結(jié)果不一致的部分,并且根據(jù)需要在狀態(tài)審查會(huì)議中與設(shè)計(jì)和測試小組進(jìn)行討論。這些不一致項(xiàng)會(huì)變成問題并由合適的解決方案跟蹤處理。
當(dāng)相關(guān)問題記錄進(jìn)跟蹤系統(tǒng)并且已確定問題負(fù)責(zé)人員時(shí),項(xiàng)目經(jīng)理可以根據(jù)現(xiàn)有資源和相應(yīng)數(shù)據(jù)來處理問題。如果出現(xiàn)的問題妨礙了測試進(jìn)行或之后的測試階段,則應(yīng)盡快解決;僅在問題妨礙測試進(jìn)行或之后的測試階段時(shí)才需要進(jìn)行臨時(shí)變更,臨時(shí)進(jìn)行變更必須遵循項(xiàng)目配置管理計(jì)劃。解決問題的具體計(jì)劃應(yīng)該包含在項(xiàng)目日程中,回歸測試證明問題已被解決并且沒有新的問題產(chǎn)生。這樣完整的測試才算結(jié)束。
在整個(gè)核電廠I&C系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試過程中進(jìn)行相應(yīng)的測試,可以盡早地發(fā)現(xiàn)問題或者缺陷并改進(jìn),提高核電廠儀控系統(tǒng)的可靠性;同時(shí),也可最大限度地避免返工,促進(jìn)儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試進(jìn)度;節(jié)約資源,降低整個(gè)工程的成本。
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