核电站数字化仪控系统SOE的分辨率测试设计与实现

(北京广利核系统工程有限公司，北京 100094)

核电站运行因其燃料的特殊性，它的安全稳定运行要求很高。电站一旦发生主要设备跳闸事件或者停堆事件，都需要精确地分析出其触发的原因，从而制定措施，举一反三，最大可能地避免类似事件或事故再次发生。但是设备跳闸后，往往会引起一系列的连锁动作，相关系统设备会在很短时间内发生状态改变，核电站内DCS画面会发出大量报警信号，并且信息滚动会很快覆盖原画面。核电站均会使用SOE系统专门用于事件记录和分析使用，该系统能够非常精确地将设备跳闸动作按照时间序列储存下来，以供分析人员进行分析研究。SOE分辨率的高低直接影响到事件顺序记录的质量，它是该系统的一个关键性指标。

DCS作为工业过程控制的中枢系统，其本身的性能对工业生产过程的安全性、可靠性和经济性具有重要的影响。 DCS的性能测试还可以作为DCS定期维护的一个重要方法，对各制造商以及各类型DCS测试的数据积累，还可以为今后DCS的设备选型、评价提供科学、客观的依据[1]。当前我国核电站的SOE系统大都划入DCS系统供货包中，属于DCS的一个子系统，从而SOE的分辨率也是核电站DCS非常重要的一项性能指标。

SOE是一种带时间戳的DI采集模块，即SOE模块不仅要采集DI的状态，还要同步记录DI状态变位发生的时刻，一并报给主控制器处理后，再保存在DCS系统服务器或操作员站中。SOE的主要作用是用于分析事故的原因，即事故之间的因果关系。SOE的分辨率指的是，SOE模块计时计数器增加1所代表的时间计量，一般设计为1 ms。[2]一台核电机组中存在较多SOE设备，因此对于核电站SOE的多通道、不同模块、不同站间的同时验证存在困难。本文论述的方法可解决目前的问题且精度更高、操作更便捷。

1 核电站数字化仪控系统SOE的分辨率测试设计与分析

1.1 SOE的基本实现原理

由于SOE的主要作用是用于分析事故原因，即事故之间的因果关系，所以，严格来说SOE关心的不是事件的绝对时刻，而是事件之间的先后顺序。为此，需要系统内所有的SOE模块都保持严格的及时同步，这要靠所有SOE模块统一由一个共同时钟源作为标准发同步信号，同步地将模块内部的计数器清零，来保持各SOE模块的同步。一般情况下，SOE时钟源是通过单独的硬件接口用硬接线发送同步脉冲信号。而时钟源也分为两种，一种是GPS(全球卫星定位系统)接收机，另一种是DCS系统内自己维持的时钟源[2]，由于各DCS系统厂商的内部校时方案不同，因此本文不进行详细描述，以下是GPS接收机的方式实现SOE时钟同步的原理。

一般的GPS接收机通过串口将时间信息输出，GPS接收机输出的时间信息中，包含秒脉冲串电平信号，同时也通过数据通讯的形式将某一秒脉冲对应的当前绝对时刻输出。这两个信息都被用于DCS系统的SOE同步和时间拼接，SOE同步和时间拼接的过程如下：

首先，GPS秒脉冲经过DCS对时硬件分频后变为分脉冲，然后该分脉冲直接连接到系统各个SOE模块。当分脉冲到来时，各SOE模块将自身计时器清零，即采用一般的晶体振荡器，各模块1 min同步1次，是完全能够将各模块的时间累积误差控制在0.1 ms内的。

其次，分钟以上的时间信息同步，只需要一个CPU通过网络广播接收时间信息包刷新班底时间，就完全保证各站的分钟同步了。

1.2 SOE在核电站数字化仪控系统中的实现方式

在基于HOLLiAS-N平台的某核电站项目一期工程中，使用的是一种专用SOE模块，此种设备自身带有精确的时钟；SOE事件分辨率为1 ms，其内部时钟为了保持与系统时间一致；通常采用与上位机对时或者通过GPS对时。标记的过程一般为：每一个通道对应一个时间计数器和多组时间寄存器；当通道的状态发生改变时，通过硬接线将时间计数器的值赋给时间寄存器；当多个通道同时发生状态改变时可以同时处理；上位机通过其设定的扫描周期定期的从SOE模块中读取这些打有时标的状态改变量。

图1 数字控制系统SOE的分辨率原理分析示意图Fig.1 The analysis for the SOE resolution in the digital I&C system

1.3 SOE的分辨率测试方法设计

SOE的分辨率测试工作过程是：按一定的时间间隔(通常为1 ms)，对连接到它的输入通道的接点状态进行判断，一旦有事件发生(通道被触发)，系统能够按此间隔时间顺序记录此后发生的其他连锁事件。因此，需要使用一种装置对SOE系统各通道顺序触发，并保证这种顺序触发在时间间隔上足够精确的前提下，通过比对SOE系统记录，查看记录和实际触发顺序是否吻合来达到验证SOE系统的目的。

1.4 SOE的分辨率测试方法分析

本方法使用的核电站测试装置发送SOE信号。测试装置在硬件指标上完全满足SOE的分辨率测试的要求，并且可通过软件灵活设置信号的发送时间间隔、脉冲宽度以及通道数量，能够满足不同工况下的测试需求，并且还可用于DI事件、报警事件分辨率等其他测试内容。

在实际测试中，由于SOE通道被分配在不同模块和控制站之中，因此需要同时验证同一模块内不同通道间、同站不同模块间和不同站间的SOE信号分辨率。

具体测试方法如下：

(1)选择三台带有SOE信号的现场控制站(分别以a：中间站号;b：最小站号;c：最大站号表示)，使用测试装置顺次接以下7个通道：

1)在现场控制站a选择同一SOE模块的3个通道。

2)在现场控制站a其他2个SOE模块分别选择一个通道。

3)在现场控制站b选择任意1个SOE通道。

4)在现场控制站c选择任意1个SOE通道。

(2)使用测试装置加信号，使被测SOE通道依次发生SOE事件，间隔时间等于1 ms。在操作员站上查看SOE日志，事件顺序按实际发生顺序排列。

图2 SOE的分辨率测试示意图Fig.2 The SOE resolution test

2 基于labVIEW的测试装置简介

核电站DCS供应商在进行系统测试时，需要测试DCS与现场设备之间的控制逻辑是否正确，但是只有在核电站运行时才能得到实际现场设备的信号，因此需要使用核电站DCS测试装置。该装置能够模拟现场设备，并且拥有足够的容量，以满足系统的I/O点数量。测试装置的结构见图3。

图3 测试装置结构图Fig.3 The structure of the test device

通过PC机中labVIEW程序编写相应的脚本并配合NI调理板卡，可模拟核电站现场设备的各种工况，通过对频率控制、相位控制、占空比控制、控制字计算和信号的调制等综合设计信号的发生，即使用测试装置模拟产生测试所需的SOE事件。本测试装置包含PC机、labVIEW程序、调理板、DAO卡及存放设备的机箱(不含现场控制站及其与调理板之间的硬接线)。

3 核电站数字化仪控系统SOE的分辨率测试实现与结果

3.1 SOE的分辨率测试实现前提条件

1)测试现场服务器已与DCS对时硬件相连。

2)所有SOE模块已与DCS对时硬件分脉冲端子相连，无超时故障。

3)所有实际运行的软件已正确、完整地下装至计算机内部，操作员站、服务器和被测控制站无故障。

3.2 SOE的分辨率测试实现过程

1)测点选择

表1 SOE的分辨率测试选点Table 1 Selection of resolution test points for SOE

将测试装置SOE测试板卡的前7个通道，依次接入上表中的测点。

2)在测试装置加信号，使被测SOE通道依次发生SOE事件，时间间隔为1 ms。在操纵员站的SOE日志上查看事件顺序。测试装置发送信号时，可通过示波器测量两个通道间变位的时间差，来验证时间间隔是否准确。测试装置的精度必须是小于1 ms。

3.3 SOE的分辨率测试实现结果

SOE事件时间间隔1 ms。示波器捕捉的通道间变位波形如图4所示。

图4 间隔1 ms的示波器波形Fig.4 The waveform of oscilloscope with 1 ms interval

可以看出，两个通道变位的时间差ΔX为1 ms。

此时SOE日志上记录的信息如下：

图5 间隔1 ms的SOE日志Fig.5 The log of SOE with 1 ms interval

日志中7个事件的时间信息正确，顺序正确，因此当时间间隔等于1 ms时，事件顺序能够分辨。

4 结论

通过对校时信号传输路径的分析，合理选择SOE事件点类型和覆盖方式并通过使用智能测试装置进行SOE分辨率测试设计与实现。经过实际试验验证，使用测试装置测试SOE的分辨率准确性高，测试方法灵活，完全满足了核电站数字控制系统SOE的分辨率的测试要求，能够准确判断出核电站DCS的SOE系统是否能够满足1 ms的分辨率指标，为后续不同DCS平台中SOE分辨率的测试提供重要参考，此方法经过大量实际应用可推广使用。