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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(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)廠內(nèi)測試驗(yàn)證方案。核電廠應(yīng)急柴油機(jī)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(yùn)行，因此對于應(yīng)急柴油機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)是否正常啟動，進(jìn)而保障核電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以對于核電應(yīng)急柴油機(jī)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(jī)系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)及結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，（主語）提出一套基于模塊化方法的通用用例庫的驗(yàn)證方案。經(jīng)過多個項(xiàng)目機(jī)組的實(shí)施驗(yàn)證，此方案能夠全面高效的驗(yàn)證柴油機(jī)控制系統(tǒng)，并能確保應(yīng)急柴油機(jī)控制系統(tǒng)的質(zhì)量，同時也為其他系統(tǒng)的質(zhì)量驗(yàn)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(jī)系統(tǒng)。與核電廠中工藝控制系統(tǒng)和反應(yīng)堆保護(hù)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(yùn)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(yán)重的核安全事件。核電廠應(yīng)急柴油機(jī)系統(tǒng)是為了在核電廠運(yùn)行期間工作電源和輔助電源都發(fā)生故障時，為核電機(jī)組反應(yīng)堆運(yùn)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(hù)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(jī)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(jī)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(yùn)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(yùn)行，如由于元器件老化，其繼電器出現(xiàn)接觸觸點(diǎn)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(jìn)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(jī)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)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(jī)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(jìn)而確保應(yīng)急柴油機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行，保障核電廠的核安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 面臨的問題

當(dāng)前國內(nèi)核電廠中的應(yīng)急柴油機(jī)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(jī)系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)和控制特性了解不足，怎樣確保核電應(yīng)急柴油機(jī)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(yàn)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(shí)施的、高質(zhì)量的應(yīng)急柴油機(jī)控制系統(tǒng)的工廠測試驗(yàn)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(jī)控制系統(tǒng)的廠內(nèi)驗(yàn)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(jī)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(jī)系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)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(jī)控制系統(tǒng)的工廠測試經(jīng)驗(yàn)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(jī)控制系統(tǒng)的驗(yàn)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(jī)驗(yàn)證方案，來指導(dǎo)核電儀控廠商開展廠內(nèi)測試驗(yàn)證，充分驗(yàn)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(jī)控制系統(tǒng)的質(zhì)量，為現(xiàn)場核電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

2.2 如何確保驗(yàn)證方案的高質(zhì)可行

對于應(yīng)急柴油機(jī)控制系統(tǒng)的廠內(nèi)測試驗(yàn)證方案，不僅要驗(yàn)證柴油機(jī)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(shí)施，也是新方案要解決的問題。

2.3 怎樣保障測試設(shè)計(jì)質(zhì)量，進(jìn)而保障系統(tǒng)驗(yàn)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(yàn)證領(lǐng)域的驗(yàn)證專家人力資源緊張，尤其是具有豐富經(jīng)驗(yàn)的高級測試設(shè)計(jì)人員更為稀缺，怎樣在有限資源下提高測試方案的設(shè)計(jì)質(zhì)量，也是一個急需解決的問題。

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

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

3 問題分析

鑒于以上狀況，核電應(yīng)急柴油機(jī)控制系統(tǒng)的廠內(nèi)測試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)證體系，以確保廠內(nèi)控制系統(tǒng)驗(yàn)證質(zhì)量，進(jìn)而保障應(yīng)急柴油機(jī)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(shí)施中有效可用。

針對此問題，新方案應(yīng)盡可能地多次驗(yàn)證確認(rèn)，以確保測試驗(yàn)證方案高質(zhì)量，并且能夠可靠有效實(shí)施推進(jìn)，全面、有效地驗(yàn)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(jì)正確性、可靠性，并能提高測試設(shè)計(jì)質(zhì)量。

針對此問題，新方案的測試設(shè)計(jì)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)原則固化，并減弱測試難度，減弱對人員能力的要求，進(jìn)而提高測試設(shè)計(jì)質(zhì)量。

問題4：新方案應(yīng)考慮驗(yàn)證效率，盡可能縮短驗(yàn)證周期，為核電應(yīng)急柴油機(jī)現(xiàn)場調(diào)試和核電機(jī)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(jì)和執(zhí)行效率，特別是考慮多機(jī)組的整體驗(yàn)證效率，盡可能提高效率，為整個核電應(yīng)急柴油機(jī)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(jī)機(jī)組類型和工藝特性，以及結(jié)合之前核電儀控機(jī)組的廠內(nèi)驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，提出了一種基于模塊化技術(shù)的通用測試驗(yàn)證方案：

通用標(biāo)準(zhǔn)工藝工況庫→驗(yàn)證類型集合→功能單元→細(xì)胞功能單元→固化的驗(yàn)證原則→細(xì)化的驗(yàn)證步驟設(shè)計(jì)。

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(yàn)證方案

根據(jù)應(yīng)急柴油機(jī)機(jī)組類型和工藝特點(diǎn)以及現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，對柴油機(jī)系統(tǒng)工藝工況和重要功能進(jìn)行梳理分類，并進(jìn)行歸納提煉，形成一套通用應(yīng)急柴油機(jī)系統(tǒng)的測試驗(yàn)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(yàn)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(jī)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(jì)人員、應(yīng)急柴油機(jī)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(jī)組的使用奠定了很好的基礎(chǔ)，并提高了多機(jī)組的測試效率。

4.2 各種應(yīng)用場景工況的驗(yàn)證類型集合

針對每類工藝工況庫，結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)、柴油機(jī)廠商建議和儀控廠商的測試經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出涵蓋各種場景和現(xiàn)場工況的測試驗(yàn)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(yàn)證的功能單元、正常工況驗(yàn)證功能單元、事故工況驗(yàn)證功能單元、瞬變工況驗(yàn)證單元、漸變工況驗(yàn)證單元和故障工況驗(yàn)證功能單元等，形成全范圍覆蓋的場景工況的功能單元驗(yàn)證集合。

4.3 固化的細(xì)胞單元設(shè)計(jì)原則，提高測試質(zhì)量和效率

每個驗(yàn)證功能單元被進(jìn)一步細(xì)化為多個細(xì)胞功能單元（如啟動功能細(xì)胞單元、停機(jī)功能細(xì)胞單元等）。對每個細(xì)胞子單元實(shí)施固化測試設(shè)計(jì)原則的策略（如“與”邏輯驗(yàn)證原則，“或”測試設(shè)計(jì)邏輯，復(fù)雜邏輯測試設(shè)計(jì)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(xì)胞單元的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證原則，提高了測試設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)證實(shí)施全面系統(tǒng)一體化的驗(yàn)證思路（測試專家實(shí)施驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)→多方會議評審→方案優(yōu)化改進(jìn)→最小化模擬推演驗(yàn)證→小范圍適用→多項(xiàng)目推廣），進(jìn)而確保測試驗(yàn)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(jì)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(jì)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(jì)人員能力的要求；新方案采用通用用例庫，測試設(shè)計(jì)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(jī)控制系統(tǒng)廠內(nèi)驗(yàn)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(diǎn)，在柴油機(jī)領(lǐng)域中首次提出基于模塊化的通用測試驗(yàn)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(yàn)證方案，提高了多個機(jī)組測試方案質(zhì)量，進(jìn)而確保了系統(tǒng)驗(yàn)證質(zhì)量。

通過分析測試對象特點(diǎn)，在柴油機(jī)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(yàn)證類型集合庫和功能單元庫及子細(xì)胞單元設(shè)計(jì)思路，固化了測試設(shè)計(jì)和使用原則，提高了驗(yàn)證方案的質(zhì)量，降低了測試設(shè)計(jì)難度。通用測試驗(yàn)證用例庫，固化了測試設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，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(jì)難度，減少了人因失誤，提高了測試驗(yàn)證方案的驗(yàn)證效率。

（3）形成功能單元庫的“全類型集合+子細(xì)胞單元+使用導(dǎo)則”的通用設(shè)計(jì)原則，解決了測試設(shè)計(jì)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(diǎn)，確定每類工況下的驗(yàn)證類型集合，針對驗(yàn)證類型又劃分為多個功能單元及子細(xì)胞單元；結(jié)合覆蓋率設(shè)計(jì)原則，確定子細(xì)胞功能單元輸入邏輯組合，并給出預(yù)期判斷輸出；設(shè)計(jì)出涵蓋各種功能場景和工況的子細(xì)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(jì)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(jì)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(jì)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(xiàng)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(jī)控制系統(tǒng)的廠內(nèi)測試驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫，填補(bǔ)了核電應(yīng)急柴油機(jī)控制系統(tǒng)的廠內(nèi)驗(yàn)證數(shù)據(jù)空白的問題。

基于多個核電廠柴油機(jī)項(xiàng)目實(shí)踐，建立了一組核電應(yīng)急柴油機(jī)控制系統(tǒng)工廠測試驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫，提高了后續(xù)柴油機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)的測試效率和質(zhì)量，對其他項(xiàng)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(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)施應(yīng)用，并取得了很好效果：減弱了對測試設(shè)計(jì)人員能力的需求，降低了測試設(shè)計(jì)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(xiàng)目的工程實(shí)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(jì)與驗(yàn)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(jì)與驗(yàn)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(jì)與驗(yàn)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(jì)與驗(yàn)證工作。

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摘自《自動化博覽》2022年12月刊