楊曉奇

（中廣核研究院 北京分院，北京 100086）

控制系統(tǒng)是核電機(jī)組的神經(jīng)中樞，其重要性不言而喻，其穩(wěn)定可靠是保證電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。為了提高設(shè)備可靠性，需要對(duì)控制系統(tǒng)中存在的大量“黑匣子模塊”進(jìn)行故障分析研究，一旦發(fā)生故障，能夠準(zhǔn)確地找出故障原因，制定有效的應(yīng)對(duì)措施，確保類似問(wèn)題不再重發(fā)。

1 控制系統(tǒng)黑匣子模塊

國(guó)內(nèi)核電機(jī)組很多重要的控制系統(tǒng)由國(guó)外廠商供貨，這些系統(tǒng)中存在著大量原廠商未提供詳細(xì)技術(shù)資料的控制模塊，這些模塊大多屬于關(guān)鍵控制設(shè)備，一旦發(fā)生故障，將直接導(dǎo)致相關(guān)控制系統(tǒng)無(wú)法正常穩(wěn)定運(yùn)行，此類設(shè)備被稱為“黑匣子模塊”。

圖1 核電站控制系統(tǒng)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(tǒng)“黑匣子模塊”對(duì)于電站而言并無(wú)明顯差別，因?yàn)椴徽莆掌鋵?shí)現(xiàn)原理、控制邏輯、核心算法等詳細(xì)技術(shù)資料，此類設(shè)備一旦發(fā)生故障，電站技術(shù)人員很難進(jìn)行故障原因分析。

2 黑匣子模塊故障分析總體方案

要對(duì)控制系統(tǒng)黑匣子模塊進(jìn)行故障分析，需要依據(jù)實(shí)物繪制原理圖，對(duì)其運(yùn)行原理、實(shí)現(xiàn)方式、控制邏輯等技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行深入研究，搭建黑匣子模塊的數(shù)學(xué)模型；開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行全面地測(cè)試驗(yàn)證，復(fù)現(xiàn)其故障現(xiàn)象；依據(jù)搭建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行逐級(jí)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(jù)黑匣子模塊實(shí)物，繪制其電路原理圖。

◇ 圖紙分析及電路仿真

對(duì)繪制的黑匣子模塊原理圖進(jìn)行電路分析和軟件仿真，搭建數(shù)學(xué)模型。

◇ 測(cè)試平臺(tái)搭建

主體是支撐力，必須以主體明主責(zé)，樹(shù)立“責(zé)無(wú)旁貸”的擔(dān)當(dāng)意識(shí)。農(nóng)民是鄉(xiāng)村的主人，沒(méi)有主體的積極參與，鄉(xiāng)風(fēng)文明終將是空中樓閣。政府既要充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，也要強(qiáng)化農(nóng)民主體地位，把農(nóng)民的文化需求作為要求，把農(nóng)民的文化向往作為方向；提高農(nóng)民責(zé)任意識(shí)，鼓勵(lì)農(nóng)民主動(dòng)參與建設(shè)，要讓農(nóng)民明白建設(shè)鄉(xiāng)村就是建設(shè)家園，培育鄉(xiāng)風(fēng)文明就是傳承優(yōu)良家風(fēng)。

梳理黑匣子模塊輸入/輸出信號(hào)，搭建全功能測(cè)試平臺(tái)。

◇ 故障復(fù)現(xiàn)及定位

在搭建的測(cè)試平臺(tái)上對(duì)黑匣子模塊進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，依據(jù)前期搭建的數(shù)學(xué)模型，對(duì)黑匣子模塊進(jìn)行逐級(jí)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(shí)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(shù)學(xué)模型搭建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如圖3所示，原理圖繪制主要分為如下兩個(gè)步驟：

1）依據(jù)實(shí)物繪制黑匣子模塊PCB印制板圖

對(duì)黑匣子模塊使用的元器件進(jìn)行調(diào)研，獲取元器件名稱、型號(hào)、封裝等信息，編制元器件清單；使用專用設(shè)備，對(duì)黑匣子模塊PCB印制板進(jìn)行掃描及數(shù)據(jù)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(jù)編制的元器件清單，使用Altium軟件，從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出相應(yīng)元器件的PCB封裝，放置在掃描圖對(duì)應(yīng)位置，并完成元器件之間的相互連線（獲得實(shí)際網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系）。使用測(cè)試設(shè)備將獲得的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系與黑匣子模塊實(shí)物進(jìn)行反復(fù)比對(duì)，確保二者元器件編碼、管腳定義、連接關(guān)系完全一致。

2）將繪制的PCB印制板圖轉(zhuǎn)化為電路原理圖

依據(jù)實(shí)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(shí)際連接關(guān)系，無(wú)法用于原理分析，需要將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電路原理圖，這個(gè)步驟是黑匣子模塊原理圖繪制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。使用Altium軟件，依據(jù)編制的元器件清單，從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出相應(yīng)元器件的原理圖封裝，依據(jù)前期繪制的PCB印制板圖進(jìn)行元器件布置和連線；元器件連接確認(rèn)無(wú)誤后，開(kāi)始依據(jù)功能模塊、信號(hào)走向、電路特性等進(jìn)行圖紙調(diào)整，經(jīng)過(guò)調(diào)整后的原理圖可以清晰地反映出黑匣子模塊各個(gè)功能模塊之間的信號(hào)走向及傳遞關(guān)系，為后期的功能和原理分析奠定基礎(chǔ)。

3.2 圖紙分析及電路仿真

為了掌握黑匣子模塊的運(yùn)行原理、實(shí)現(xiàn)方式、控制邏輯等技術(shù)細(xì)節(jié)，需要對(duì)繪制的原理圖進(jìn)行電路分析和軟件仿真，建立黑匣子模塊的數(shù)學(xué)模型。如圖4所示，該步驟主要由如下兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：

1）依據(jù)原理圖進(jìn)行電路分析

對(duì)繪制的黑匣子模塊原理圖進(jìn)行電路分析，確定各功能模塊輸入/輸出信號(hào)范圍、邏輯關(guān)系、傳遞函數(shù)等信息。

2）軟件仿真

使用MULTISIM等仿真軟件對(duì)相關(guān)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并將仿真結(jié)果與電路分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如果仿真結(jié)果與分析結(jié)果出現(xiàn)偏差，仔細(xì)分析差異產(chǎn)生的原因，直至電路分析結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

在完成電路分析和軟件仿真的基礎(chǔ)上搭建黑匣子模塊的數(shù)學(xué)模型，為故障分析提供理論依據(jù)。

3.3 開(kāi)發(fā)全功能測(cè)試平臺(tái)

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

圖5 測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.5 Test platform architecture diagram

為了對(duì)黑匣子模塊進(jìn)行故障分析，需要開(kāi)發(fā)可以滿足其測(cè)試需求的全功能測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)可為黑匣子模塊提供各種工況下的控制信號(hào)，并對(duì)其輸出信號(hào)及關(guān)鍵中間量信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。如圖5所示，測(cè)試平臺(tái)主要由控制設(shè)備、配電設(shè)備、適配設(shè)備、程控負(fù)載和顯示設(shè)備構(gòu)成。

控制設(shè)備是測(cè)試平臺(tái)的核心設(shè)備，其硬件部分采用NI設(shè)備構(gòu)成[1]（主要包括：PXIe-8840型高性能控制器模塊、PXI-6509型多通道數(shù)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(fā)生器模塊、PXIe-1085型高性能控制機(jī)箱等），其軟件部分使用LabWIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)[2]（技術(shù)人員可以通過(guò)人機(jī)界面方便快捷地完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、報(bào)表生成等工作）；控制設(shè)備借助顯示設(shè)備和適配設(shè)備，可以為被測(cè)的黑匣子模塊提供多種類型的控制信號(hào)（包括數(shù)字量信號(hào)及多種類型的模擬量信號(hào)）并可對(duì)數(shù)字量輸出信號(hào)及各種類型的模擬量輸出信號(hào)進(jìn)行采集及數(shù)據(jù)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(fù)現(xiàn)及定位

使用測(cè)試平臺(tái)為黑匣子模塊提供模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的控制信號(hào)，復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象，并對(duì)其故障狀態(tài)下的輸出信號(hào)及關(guān)鍵中間量信號(hào)進(jìn)行采集，依據(jù)前期搭建的數(shù)學(xué)模型，對(duì)黑匣子模塊進(jìn)行逐級(jí)分析和排查，直至定位故障位置。

對(duì)故障位置處的電路和元器件進(jìn)行重點(diǎn)分析，確定故障產(chǎn)生的根本原因，并制定有效的應(yīng)對(duì)措施，確保類似問(wèn)題不再重發(fā)，提高控制系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種核電站控制系統(tǒng)“黑匣子模塊”故障分析的實(shí)用方法，并對(duì)其實(shí)施方案及具體操作步驟進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明；運(yùn)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(zhǔn)確定位故障原因，制定有效的應(yīng)對(duì)措施，確保類似問(wèn)題不再重發(fā)。保證核電站控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。