核电站控制系统“黑匣子模块”故障分析方法研究

杨晓奇

（中广核研究院 北京分院，北京 100086）

控制系统是核电机组的神经中枢，其重要性不言而喻，其稳定可靠是保证电站安全经济运行的基础和前提。为了提高设备可靠性，需要对控制系统中存在的大量“黑匣子模块”进行故障分析研究，一旦发生故障，能够准确地找出故障原因，制定有效的应对措施，确保类似问题不再重发。

1 控制系统黑匣子模块

国内核电机组很多重要的控制系统由国外厂商供货，这些系统中存在着大量原厂商未提供详细技术资料的控制模块，这些模块大多属于关键控制设备，一旦发生故障，将直接导致相关控制系统无法正常稳定运行，此类设备被称为“黑匣子模块”。

图1 核电站控制系统黑匣子模块Fig.1 Nuclear power plant control system black box module

图2 黑匣子模块故障分析总体方案Fig.2 Master plan for fault analysis of the black box module

上述两种类型的控制系统“黑匣子模块”对于电站而言并无明显差别，因为不掌握其实现原理、控制逻辑、核心算法等详细技术资料，此类设备一旦发生故障，电站技术人员很难进行故障原因分析。

2 黑匣子模块故障分析总体方案

要对控制系统黑匣子模块进行故障分析，需要依据实物绘制原理图，对其运行原理、实现方式、控制逻辑等技术细节进行深入研究，搭建黑匣子模块的数学模型；开发测试平台进行全面地测试验证，复现其故障现象；依据搭建的数学模型进行逐级分析，最终定位故障位置，找到故障原因。如图2所示，为了完成黑匣子模块故障分析，需要依次完成如下工作：

◇ 原理图绘制

依据黑匣子模块实物，绘制其电路原理图。

◇ 图纸分析及电路仿真

对绘制的黑匣子模块原理图进行电路分析和软件仿真，搭建数学模型。

◇ 测试平台搭建

主体是支撑力，必须以主体明主责，树立“责无旁贷”的担当意识。农民是乡村的主人，没有主体的积极参与，乡风文明终将是空中楼阁。政府既要充分发挥主导作用，也要强化农民主体地位，把农民的文化需求作为要求，把农民的文化向往作为方向；提高农民责任意识，鼓励农民主动参与建设，要让农民明白建设乡村就是建设家园，培育乡风文明就是传承优良家风。

梳理黑匣子模块输入/输出信号，搭建全功能测试平台。

◇ 故障复现及定位

在搭建的测试平台上对黑匣子模块进行故障复现，依据前期搭建的数学模型，对黑匣子模块进行逐级分析和故障定位，找到故障根本原因。

3 黑匣子模块故障分析具体实施步骤

3.1 原理图绘制

原理图绘制是黑匣子模块故障分析的第一步，也是数学模型搭建的关键环节。如图3所示，原理图绘制主要分为如下两个步骤：

1）依据实物绘制黑匣子模块PCB印制板图

对黑匣子模块使用的元器件进行调研，获取元器件名称、型号、封装等信息，编制元器件清单；使用专用设备，对黑匣子模块PCB印制板进行扫描及数据处理，获得PCB印制板扫描图（包含：PCB外形尺寸、元器件封装及定位、走线宽度及定位等信息）；根据编制的元器件清单，使用Altium软件，从数据库中调出相应元器件的PCB封装，放置在扫描图对应位置，并完成元器件之间的相互连线（获得实际网络连接关系）。使用测试设备将获得的实际网络连接关系与黑匣子模块实物进行反复比对，确保二者元器件编码、管脚定义、连接关系完全一致。

2）将绘制的PCB印制板图转化为电路原理图

依据实物绘制的PCB印制板图仅能反映黑匣子模块各元器件之间的实际连接关系，无法用于原理分析，需要将其转化为对应的电路原理图，这个步骤是黑匣子模块原理图绘制的关键环节。使用Altium软件，依据编制的元器件清单，从数据库中调出相应元器件的原理图封装，依据前期绘制的PCB印制板图进行元器件布置和连线；元器件连接确认无误后，开始依据功能模块、信号走向、电路特性等进行图纸调整，经过调整后的原理图可以清晰地反映出黑匣子模块各个功能模块之间的信号走向及传递关系，为后期的功能和原理分析奠定基础。

3.2 图纸分析及电路仿真

为了掌握黑匣子模块的运行原理、实现方式、控制逻辑等技术细节，需要对绘制的原理图进行电路分析和软件仿真，建立黑匣子模块的数学模型。如图4所示，该步骤主要由如下两个环节构成：

1）依据原理图进行电路分析

对绘制的黑匣子模块原理图进行电路分析，确定各功能模块输入/输出信号范围、逻辑关系、传递函数等信息。

2）软件仿真

使用MULTISIM等仿真软件对相关电路进行仿真验证，并将仿真结果与电路分析结果进行对比，如果仿真结果与分析结果出现偏差，仔细分析差异产生的原因，直至电路分析结果与仿真结果一致。

在完成电路分析和软件仿真的基础上搭建黑匣子模块的数学模型，为故障分析提供理论依据。

3.3 开发全功能测试平台

图3 黑匣子模块原理图绘制Fig.3 Map of the black box module schematic

图5 测试平台架构图Fig.5 Test platform architecture diagram

为了对黑匣子模块进行故障分析，需要开发可以满足其测试需求的全功能测试平台。该平台可为黑匣子模块提供各种工况下的控制信号，并对其输出信号及关键中间量信号进行数据采集和处理。如图5所示，测试平台主要由控制设备、配电设备、适配设备、程控负载和显示设备构成。

控制设备是测试平台的核心设备，其硬件部分采用NI设备构成[1]（主要包括：PXIe-8840型高性能控制器模块、PXI-6509型多通道数字I/O模块、PXIe-4322型高精度模拟输出模块、PXIe-4300型高精度电压采集模块、PXI-5421型16位任意波形发生器模块、PXIe-1085型高性能控制机箱等），其软件部分使用LabWIEW作为软件开发平台[2]（技术人员可以通过人机界面方便快捷地完成参数设置、数据处理、报表生成等工作）；控制设备借助显示设备和适配设备，可以为被测的黑匣子模块提供多种类型的控制信号（包括数字量信号及多种类型的模拟量信号）并可对数字量输出信号及各种类型的模拟量输出信号进行采集及数据处理。

图4 黑匣子模块电路分析和软件仿真Fig.4 Black box module circuit analysis and software simulation

3.4 故障复现及定位

使用测试平台为黑匣子模块提供模拟现场实际工况的控制信号，复现故障现象，并对其故障状态下的输出信号及关键中间量信号进行采集，依据前期搭建的数学模型，对黑匣子模块进行逐级分析和排查，直至定位故障位置。

对故障位置处的电路和元器件进行重点分析，确定故障产生的根本原因，并制定有效的应对措施，确保类似问题不再重发，提高控制系统的可靠性。

4 结束语

本文介绍了一种核电站控制系统“黑匣子模块”故障分析的实用方法，并对其实施方案及具体操作步骤进行了详细说明；运用该方法，可有效解决困扰电站的“黑匣子模块”故障分析难题，准确定位故障原因，制定有效的应对措施，确保类似问题不再重发。保证核电站控制系统的安全稳定运行。