袁佳煌

【摘 要】灰盒測試是在監(jiān)測設(shè)備輸入輸出的基礎(chǔ)上，選取了設(shè)備的部分重要元器件或參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)視，通過對采集到的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而評估設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)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(yuǎn)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(guān)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(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2019）03-0188-04

1 研究背景

核電廠有數(shù)百個系統(tǒng)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(guān)閉來自電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)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(yè)統(tǒng)稱為電動頭。智能型電動頭是閥門控制機(jī)構(gòu)中產(chǎn)量大、使用面廣的主要設(shè)備之一，其應(yīng)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(guī)島應(yīng)用廣泛，平均每臺機(jī)組有190臺智能型電動頭，是各汽水油回路系統(tǒng)的重要控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，其重要性不言而喻。電動頭分為機(jī)械式和智能式。其中，智能型電動頭是將機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)與集成電路（PCB板）結(jié)合在一起，其控制更為靈活、智能，可適應(yīng)各種控制需求，收到各類發(fā)電站、石油開采平臺、潛艇、輪船等廣泛運(yùn)用。但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜；具有高度集成的電路，故障的預(yù)見性低，難以被發(fā)現(xiàn)和查找。電動頭在正常運(yùn)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(chǎn)生化學(xué)或物理的變化，導(dǎo)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(fā)現(xiàn)；同時核電站對電動頭的要求非常嚴(yán)格，電動頭的故障可能給機(jī)組帶來極大影響，將降低功率乃至停機(jī)停堆。陽江核電某機(jī)組就經(jīng)歷了由于電動頭控制板件無法響應(yīng)控制導(dǎo)致定期試驗(yàn)失敗的故障；大亞灣核電、寧德核電等也發(fā)生過由于電動頭信號故障，導(dǎo)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(yù)防測試、故障修復(fù)等方向轉(zhuǎn)換。然而智能型電動頭由于其內(nèi)部板件復(fù)雜，廠家的技術(shù)保密及通訊的多樣化，導(dǎo)致現(xiàn)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(nèi)部板件的可靠性，無法準(zhǔn)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(fèi)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

智能型電動頭的測試目前國內(nèi)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(yīng)，判斷電動頭的可靠性，進(jìn)而判斷板件的可靠性。這種測試方式針對電動頭與系統(tǒng)、用戶的聯(lián)系，不考慮內(nèi)部元器件結(jié)構(gòu)，不考慮內(nèi)部的運(yùn)行邏輯，只是根據(jù)設(shè)計說明書的功能，對設(shè)備的輸入輸出端進(jìn)行檢測。如果內(nèi)部有元件異常且不至于影響輸出的潛在異?；蛟瓉磔斎胼敵鰧?yīng)關(guān)系未考慮的邏輯異常都是無法發(fā)現(xiàn)的。

無論從電站的角度還是智能型電動頭自身發(fā)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(jié)合白盒檢查和黑盒檢查的灰盒檢查技術(shù)，同時通過實(shí)際的應(yīng)用及效果，評價其可行性，以豐富檢修手段，為設(shè)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(guān)注輸出、輸入的正確性，同時也關(guān)注設(shè)備內(nèi)部的情況；既關(guān)心設(shè)備與系統(tǒng)的聯(lián)系，又關(guān)心設(shè)備部分元器件的運(yùn)行情況和運(yùn)行邏輯?；液袦y試不像白盒那樣詳細(xì)、完整，但又比黑盒測試更關(guān)注設(shè)備的內(nèi)部邏輯及元器件，常常是通過一些表征性的現(xiàn)象、事件、標(biāo)志來判斷內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)。

灰盒測試，是基于對設(shè)備內(nèi)部細(xì)節(jié)有限認(rèn)知的設(shè)備檢查方法。測試者可能知道系統(tǒng)組件之間是如何互相作用的，但缺乏對內(nèi)部功能和運(yùn)作的詳細(xì)了解。對于內(nèi)部過程，灰盒測試把設(shè)備看作一個必須從外面進(jìn)行分析的黑盒。雖然灰盒測試相對白盒測試較難發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備潛在問題，尤其在一個單一的應(yīng)用中，白盒測試的內(nèi)部細(xì)節(jié)可以完全掌握，灰盒需要檢修人員了解設(shè)備內(nèi)部元件關(guān)鍵點(diǎn)，并對關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)督，但是灰盒測試結(jié)合了白盒測試和黑盒測試的優(yōu)點(diǎn)，一旦準(zhǔn)確確認(rèn)了系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)，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(fā)現(xiàn)和錯誤分析的效率。

灰盒的測試重點(diǎn)在于內(nèi)部元器件的分析，掌握內(nèi)部關(guān)鍵的元器件，并對其進(jìn)行測試，就可在黑盒的基礎(chǔ)上更為精確地監(jiān)視設(shè)備。對于工程檢修人員，憑借其豐富的檢修經(jīng)驗(yàn)及不斷的分析嘗試，能夠準(zhǔn)確地確認(rèn)設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)。因而灰盒測試能夠在工程檢修活動中起到重要作用?；液袦y試原理見圖1。

灰盒測試是在對設(shè)備有一定了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在監(jiān)視輸入輸出的同時，對其內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。在采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷，從而對設(shè)備進(jìn)行分析處理。其試驗(yàn)的流程如圖2。

4 灰盒在電動頭控制板件測試試驗(yàn)的應(yīng)用案例

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

將該故障遠(yuǎn)控輸入板拿到灰盒試驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)，過程如下：

樣品為雙面焊接雙層PCB板，應(yīng)用于L2ABP002VL設(shè)備上。該樣品在現(xiàn)場年檢時發(fā)現(xiàn)，切至遠(yuǎn)控位置時會自動關(guān)閥，現(xiàn)場不存在遠(yuǎn)方開關(guān)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(jìn)行離線測量，容值及阻值均正常，沒有損壞跡象。具體數(shù)據(jù)如表1。

對該樣品進(jìn)行3天的拷機(jī)實(shí)驗(yàn)，檢查其各端口電壓及6個電容，未發(fā)現(xiàn)異常。對樣品進(jìn)行仿真檢查，模擬各類輸入信號，檢查其各端口對應(yīng)動作及電容電壓。結(jié)果如圖4，可以看出：

①SK2-15端口未響應(yīng)對應(yīng)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(yīng)光耦輸入端穩(wěn)壓電容C4電壓正確響應(yīng)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(jìn)行開封，其內(nèi)部采用白色塑封料作為透光材料。對三極管的內(nèi)部芯片進(jìn)行放大觀察，如圖7，可見其內(nèi)部采用金絲鍵合。鍵合點(diǎn)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(jìn)行測試，漏電現(xiàn)象消失，三極管恢復(fù)正常，說明漏電現(xiàn)象在芯片表面。

通過對樣品進(jìn)行檢查，其表現(xiàn)為遠(yuǎn)控?zé)oESD信號輸入時，電動頭測試到有ESD信號輸入，并自動關(guān)閥。根據(jù)機(jī)柜的拷機(jī)及仿真數(shù)據(jù)分析故障原因?yàn)楦綦x光耦失效。通過對樣品進(jìn)行開封檢查，發(fā)現(xiàn)光耦U2D端口對應(yīng)的三極管存在漏電流，導(dǎo)致光耦輸出端一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，主板一直監(jiān)測到ESD信號，分析認(rèn)為該漏電流為光耦內(nèi)部電化學(xué)遷移導(dǎo)致，為老化失效表征。

樣品由于光耦存在漏電流，導(dǎo)致ESD對應(yīng)光耦一直為導(dǎo)通狀態(tài)?，F(xiàn)場ESD設(shè)置為關(guān)閥，所以電動頭將會自動關(guān)閥。漏電流為光耦內(nèi)部電化學(xué)遷移導(dǎo)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(diǎn)，從而進(jìn)行針對性的試驗(yàn)。

5 結(jié)論

智慧電廠的發(fā)展是國內(nèi)各個電廠的發(fā)展方向，電動頭的智能化程度也越來越高。智能化設(shè)備在帶來高效便捷的同時，其結(jié)構(gòu)、原理的復(fù)雜度也大大增加；廠家的技術(shù)保護(hù)，也注定設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)合了黑盒測試和白盒測試優(yōu)點(diǎn)的灰盒測試是一種新的檢修思路。據(jù)了解，在國內(nèi)其他核電站還沒有提出同類的檢修思路，仍采用較為傳統(tǒng)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(tǒng)做法既耗費(fèi)人力物力，同時又無法實(shí)現(xiàn)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(fēng)險；缺乏系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)記錄，不能做出準(zhǔn)備老化評估。

灰盒測試可以實(shí)現(xiàn)自動烤機(jī)、仿真、環(huán)境模擬和故障診斷等功能，節(jié)省大量人力物力的同時能夠采集全方位數(shù)據(jù)，同時又兼顧電動頭控制板件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)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(xù)監(jiān)視，比白盒測試更高效地監(jiān)視了設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)行情況；在故障再現(xiàn)分析方面，通過原來的失效模式的初步分析，對失效點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)視，對比黑盒測試可以更精確地確定故障原因?；液袦y試的關(guān)鍵點(diǎn)在于測試參數(shù)的選取，參數(shù)的選擇可以通過原理分析、經(jīng)驗(yàn)反饋或?qū)＜医ㄗh，并在大量的試驗(yàn)過程中逐步完善。