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★ 北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司楊廣振，郄永學(xué)，武方杰，馬維

摘要：本文研究對象是核電廠應(yīng)急柴油機數(shù)字化控制系統(tǒng)廠內(nèi)測試驗證方案。核電廠應(yīng)急柴油機系統(tǒng)作為核電廠的應(yīng)急電源，為核電廠重要設(shè)備和系統(tǒng)提供應(yīng)急電源，其系統(tǒng)質(zhì)量直接影響著核電廠的安全穩(wěn)定運行，因此對于應(yīng)急柴油機系統(tǒng)質(zhì)量要求很高。當(dāng)核電廠出現(xiàn)緊急工況（如廠內(nèi)常用電源和備用電源突然失去的緊急事件）時，應(yīng)急柴油機系統(tǒng)必須立即啟動，為核電廠中關(guān)乎核安全的重要設(shè)備和系統(tǒng)提供可靠穩(wěn)定電源。在應(yīng)急柴油機系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)是一個非常重要的環(huán)節(jié)，其質(zhì)量高低直接決定著應(yīng)急柴油機是否正常啟動，進而保障核電廠安全穩(wěn)定運行，所以對于核電應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)質(zhì)量要求更高，絕不能出現(xiàn)任何異常。通過分析多個柴油機系統(tǒng)的工藝特點及結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗，（主語）提出一套基于模塊化方法的通用用例庫的驗證方案。經(jīng)過多個項目機組的實施驗證，此方案能夠全面高效的驗證柴油機控制系統(tǒng)，并能確保應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)的質(zhì)量，同時也為其他系統(tǒng)的質(zhì)量驗證提供了很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化控制系統(tǒng)；模塊化；用例庫

1 概述

在核電廠眾多控制系統(tǒng)中，有一個很特殊的系統(tǒng)——應(yīng)急柴油機系統(tǒng)。與核電廠中工藝控制系統(tǒng)和反應(yīng)堆保護系統(tǒng)不同，它不直接控制現(xiàn)場設(shè)備（如閥門、泵等），一般狀況下不會被使用，一旦被啟用，表明核電廠已經(jīng)出現(xiàn)了影響核安全運行的非常緊急狀況，必須確保其能夠正常啟動并為核電廠提供可靠穩(wěn)定的電源，否則會造成非常嚴重的核安全事件。核電廠應(yīng)急柴油機系統(tǒng)是為了在核電廠運行期間工作電源和輔助電源都發(fā)生故障時，為核電機組反應(yīng)堆運行重要設(shè)備和關(guān)鍵設(shè)備提供可靠穩(wěn)定電源，從而保護燃料元件不受損壞和保證核電廠安全可靠停堆。應(yīng)急柴油機系統(tǒng)作為核電廠的應(yīng)急電源而存在，絕對不允許出現(xiàn)無法正常啟動的狀況，故對其質(zhì)量要求非常高，尤其是對其控制系統(tǒng)的質(zhì)量要求更高。

目前我國現(xiàn)有的核電應(yīng)急柴油機系統(tǒng)主要為法國ALSTOM、德國MTU/AREVE等廠家的，其配套的控制系統(tǒng)也均為模擬控制系統(tǒng)（其內(nèi)部由大量繼電器和硬接線搭建而成）。經(jīng)過核電廠長時間的運行，其模擬控制系統(tǒng)逐漸暴露出來了很多弊端，問題頻發(fā)，直接影響了核電廠安全穩(wěn)定運行，如由于元器件老化，其繼電器出現(xiàn)接觸觸點表面氧化，接觸電阻過大，導(dǎo)致控制信號時有時無；由于控制線纜老化及線纜松動，需要更換線纜等問題，急需新的技術(shù)方案進行更新或者替換原有的控制系統(tǒng)，減小甚至避免上述風(fēng)險，保障應(yīng)急柴油機系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。鑒于上述狀況，國內(nèi)核電廠家對于現(xiàn)有的應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)改造已經(jīng)迫不及待。鑒于當(dāng)前國內(nèi)數(shù)字化儀控技術(shù)快速發(fā)展，并且已經(jīng)有眾多核電基地的應(yīng)用案例，尤其是安全級系統(tǒng)的成功應(yīng)用，故核電廠家傾向數(shù)字化控制系統(tǒng)的改造，減少由于大量內(nèi)部線纜和元器件老化暴露出的問題，進而確保應(yīng)急柴油機系統(tǒng)正常運行，保障核電廠的核安全穩(wěn)定運行。

2 面臨的問題

當(dāng)前國內(nèi)核電廠中的應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)均為模擬控制系統(tǒng)且為國外廠家生產(chǎn)的，而對于國內(nèi)核電儀控廠家來說，此領(lǐng)域還沒有踏足過或者介入非常少，對核電應(yīng)急柴油機系統(tǒng)的工藝特點和控制特性了解不足，怎樣確保核電應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)質(zhì)量是一個比較棘手的問題，怎樣保障在儀控廠家內(nèi)部的調(diào)試或工廠測試驗證質(zhì)量也是急需解決的問題。因此，尋找或建立一套有效的、可實施的、高質(zhì)量的應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)的工廠測試驗證方案，已成為當(dāng)前國內(nèi)核電儀控廠商首要解決的問題。

目前面臨問題如下：

2.1 缺少一套核電應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)的廠內(nèi)驗證方案

對于國內(nèi)核電儀控廠商來說，由于首次介入應(yīng)急柴油機領(lǐng)域及首次應(yīng)用數(shù)字化控制方案，對核電應(yīng)急柴油機系統(tǒng)的工藝特點了解不足，對其控制系統(tǒng)關(guān)鍵特性挖掘不深，對核電應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)的工廠測試經(jīng)驗不足，對首次使用數(shù)字化系統(tǒng)潛在風(fēng)險識別不太充分，并且對核電應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)的驗證策略，在國內(nèi)還是一片空白。目前急缺一套完善的應(yīng)急柴油機驗證方案，來指導(dǎo)核電儀控廠商開展廠內(nèi)測試驗證，充分驗證數(shù)字化儀控系統(tǒng)的質(zhì)量，并能及時發(fā)現(xiàn)其存在的潛在風(fēng)險，保障應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)的質(zhì)量，為現(xiàn)場核電機組安全穩(wěn)定運行保駕護航。

2.2 如何確保驗證方案的高質(zhì)可行

對于應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)的廠內(nèi)測試驗證方案，不僅要驗證柴油機控制系統(tǒng)功能的正確性，也要能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的潛在隱患，同時要確保其方案具體可實施，也是新方案要解決的問題。

2.3 怎樣保障測試設(shè)計質(zhì)量，進而保障系統(tǒng)驗證質(zhì)量

基于當(dāng)前國內(nèi)核電儀控廠商現(xiàn)狀，核電儀控驗證領(lǐng)域的驗證專家人力資源緊張，尤其是具有豐富經(jīng)驗的高級測試設(shè)計人員更為稀缺，怎樣在有限資源下提高測試方案的設(shè)計質(zhì)量，也是一個急需解決的問題。

2.4 機組類型多樣，怎樣在確保驗證質(zhì)量的前提下，提高驗證效率也是要考慮的問題

基于當(dāng)前核電應(yīng)急柴油機廠家多樣，機組類型眾多的特點，新方案也應(yīng)考慮其驗證方案的效率。即在保障系統(tǒng)的驗證質(zhì)量前提下，其新方案應(yīng)盡可能地提高測試驗證效率，盡可能地縮短廠內(nèi)驗證周期，為后續(xù)核電現(xiàn)場應(yīng)急柴油機調(diào)試及核電機組聯(lián)調(diào)做出盡可能大的貢獻。

3 問題分析

鑒于以上狀況，核電應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)的廠內(nèi)測試驗證方案，應(yīng)能緩解甚至解決上述問題，故其廠內(nèi)新測試驗證方案應(yīng)解決如下問題：

問題1：需要建立一套通用的、標(biāo)準(zhǔn)的廠內(nèi)驗證體系，以確保廠內(nèi)控制系統(tǒng)驗證質(zhì)量，進而保障應(yīng)急柴油機控制的質(zhì)量。

問題2：新方案應(yīng)能確保高質(zhì)量，并且在實施中有效可用。

針對此問題，新方案應(yīng)盡可能地多次驗證確認，以確保測試驗證方案高質(zhì)量，并且能夠可靠有效實施推進，全面、有效地驗證控制系統(tǒng)的質(zhì)量。

問題3：新方案應(yīng)能保障測試設(shè)計正確性、可靠性，并能提高測試設(shè)計質(zhì)量。

針對此問題，新方案的測試設(shè)計應(yīng)能實現(xiàn)驗證設(shè)計原則固化，并減弱測試難度，減弱對人員能力的要求，進而提高測試設(shè)計質(zhì)量。

問題4：新方案應(yīng)考慮驗證效率，盡可能縮短驗證周期，為核電應(yīng)急柴油機現(xiàn)場調(diào)試和核電機組調(diào)試留出盡可能多的時間窗口。

針對此問題，新的方案也應(yīng)考慮測試方案的測試設(shè)計和執(zhí)行效率，特別是考慮多機組的整體驗證效率，盡可能提高效率，為整個核電應(yīng)急柴油機的改造周期提供最大的共享。

4 新方案

經(jīng)總結(jié)分析應(yīng)急柴油機機組類型和工藝特性，以及結(jié)合之前核電儀控機組的廠內(nèi)驗證經(jīng)驗，提出了一種基于模塊化技術(shù)的通用測試驗證方案：

通用標(biāo)準(zhǔn)工藝工況庫→驗證類型集合→功能單元→細胞功能單元→固化的驗證原則→細化的驗證步驟設(shè)計。

其具體方案思路如下：

4.1 提出一套通用工藝工況庫測試驗證方案

根據(jù)應(yīng)急柴油機機組類型和工藝特點以及現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗，對柴油機系統(tǒng)工藝工況和重要功能進行梳理分類，并進行歸納提煉，形成一套通用應(yīng)急柴油機系統(tǒng)的測試驗證工藝工況庫，依據(jù)此通用工藝工況庫開展后續(xù)廠內(nèi)測試驗證工作。此通用工藝工況庫的內(nèi)容不是固定不變的，而是動態(tài)變化不斷更新的，是隨著機組類型不同而及時更新的。當(dāng)識別到新工藝工況時，就需要更新工況庫（表1）。此通用工況庫，需經(jīng)過儀控廠商內(nèi)部測試專家、工程設(shè)計人員、應(yīng)急柴油機廠商和核電現(xiàn)場用戶多角度、多方位的評審討論，確保其方案的覆蓋全面性、可靠性和高質(zhì)量，同時也為其他機組的使用奠定了很好的基礎(chǔ)，并提高了多機組的測試效率。

4.2 各種應(yīng)用場景工況的驗證類型集合

針對每類工藝工況庫，結(jié)合現(xiàn)場運行維護經(jīng)驗、柴油機廠商建議和儀控廠商的測試經(jīng)驗，設(shè)計出涵蓋各種場景和現(xiàn)場工況的測試驗證類型集合，包含現(xiàn)場各類型模型的功能單元，如極限邊緣驗證的功能單元、正常工況驗證功能單元、事故工況驗證功能單元、瞬變工況驗證單元、漸變工況驗證單元和故障工況驗證功能單元等，形成全范圍覆蓋的場景工況的功能單元驗證集合。

4.3 固化的細胞單元設(shè)計原則，提高測試質(zhì)量和效率

每個驗證功能單元被進一步細化為多個細胞功能單元（如啟動功能細胞單元、停機功能細胞單元等）。對每個細胞子單元實施固化測試設(shè)計原則的策略（如“與”邏輯驗證原則，“或”測試設(shè)計邏輯，復(fù)雜邏輯測試設(shè)計原則等），并給出預(yù)期輸出，形成固化測試原則，使后續(xù)測試人員明確細胞單元的設(shè)計及驗證原則，提高了測試設(shè)計質(zhì)量和測試效率(表2)。

4.4 建立一對一的模塊化通用功能單元庫的使用導(dǎo)則，指導(dǎo)后續(xù)測試人員正確使用通用用例庫，提高測試設(shè)計效率和測試執(zhí)行效率（表3）。

4.5 為了保障測試方案高質(zhì)量，對測試方案驗證實施全面系統(tǒng)一體化的驗證思路（測試專家實施驗證方案設(shè)計→多方會議評審→方案優(yōu)化改進→最小化模擬推演驗證→小范圍適用→多項目推廣），進而確保測試驗證方案的高質(zhì)全面可靠。

5 新方案的優(yōu)勢

新方案采用通用工藝工況用例庫，既保障了測試方案的質(zhì)量，又提高了測試方案復(fù)用性，大大提高了測試效率；新方案采用模塊化通用用例庫，其測試設(shè)計的難度大大降低；新方案采用基于模塊化用例庫，經(jīng)過專家評審（測試專家、設(shè)計專家、廠家和現(xiàn)場調(diào)試人員），其保障了用例庫高質(zhì)量；新方案采用基于模塊化功能用例，降低了對測試設(shè)計人員能力的要求；新方案采用通用用例庫，測試設(shè)計效率得到了大大提高。基于模塊化的通用用例庫的測試方案，還具有如下優(yōu)勢：

（1）首次提出標(biāo)準(zhǔn)化的柴油機控制系統(tǒng)廠內(nèi)驗證方案，提高了測試方案復(fù)用性，提高了測試效率和測試質(zhì)量。

通過分析測試對象特點，在柴油機領(lǐng)域中首次提出基于模塊化的通用測試驗證方案，既保障了測試方案的質(zhì)量，又提高了測試方案的復(fù)用性，大大提高了測試效率。

（2）首次提出工藝工況庫通用測試驗證方案，提高了多個機組測試方案質(zhì)量，進而確保了系統(tǒng)驗證質(zhì)量。

通過分析測試對象特點，在柴油機數(shù)字化控制系統(tǒng)中首次提出基于模塊化的工藝工況庫、驗證類型集合庫和功能單元庫及子細胞單元設(shè)計思路，固化了測試設(shè)計和使用原則，提高了驗證方案的質(zhì)量，降低了測試設(shè)計難度。通用測試驗證用例庫，固化了測試設(shè)計經(jīng)驗，在保證通用庫的質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高了測試效率，降低了測試設(shè)計難度，減少了人因失誤，提高了測試驗證方案的驗證效率。

（3）形成功能單元庫的“全類型集合+子細胞單元+使用導(dǎo)則”的通用設(shè)計原則，解決了測試設(shè)計如何開展及如何使用用例庫的問題。

根據(jù)不同現(xiàn)場應(yīng)用場景和工藝控制特點，確定每類工況下的驗證類型集合，針對驗證類型又劃分為多個功能單元及子細胞單元；結(jié)合覆蓋率設(shè)計原則，確定子細胞功能單元輸入邏輯組合，并給出預(yù)期判斷輸出；設(shè)計出涵蓋各種功能場景和工況的子細胞功能單元輸入邏輯組合全集，形成模塊化功能單元設(shè)計原則的通用用例庫，同時形成通用使用導(dǎo)則，解決了測試設(shè)計人員如何編制通用的用例庫和選用用例庫的問題。

（4）形成通用用例庫的質(zhì)量控制方法，保障了測試設(shè)計質(zhì)量高。

保證用例庫的質(zhì)量措施：專家分析及提煉、技術(shù)評審、模擬推演、小范圍適用及項目應(yīng)用推廣，解決了用例要求質(zhì)量高的問題。

（5）建立一組核電柴油機控制系統(tǒng)的廠內(nèi)測試驗證數(shù)據(jù)庫，填補了核電應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)的廠內(nèi)驗證數(shù)據(jù)空白的問題。

基于多個核電廠柴油機項目實踐，建立了一組核電應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)工廠測試驗證數(shù)據(jù)庫，提高了后續(xù)柴油機數(shù)字化控制系統(tǒng)的測試效率和質(zhì)量，對其他項目具有一定的借鑒意義。

6 新方案的意義

此新測試方案已經(jīng)在多個核電柴油機數(shù)字化控制系統(tǒng)中進行了實施應(yīng)用，并取得了很好效果：減弱了對測試設(shè)計人員能力的需求，降低了測試設(shè)計難度，減少了高級專業(yè)人員的資源投入，提高了測試效率，同時也為后續(xù)項目的工程實施提供了很好的借鑒意義。

作者簡介：

楊廣振（1981-），男，河北保定人，工程師，本科，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電DCS儀控系統(tǒng)的設(shè)計與驗證工作。

郄永學(xué)（1973-），男，河北石家莊人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電DCS儀控系統(tǒng)的設(shè)計與驗證工作。

武方杰（1984-），男，江蘇連云港人，工程師，本科，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電DCS儀控系統(tǒng)的設(shè)計與驗證工作。

馬維（1978-），男，北京人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電DCS儀控系統(tǒng)的設(shè)計與驗證工作。

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摘自《自動化博覽》2022年12月刊