CARR保护系统数字化测试分析平台的研制

罗忠 王一石 贾月光

中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所 北京 102413

引言

中国先进研究堆保护系统采用数字化技术有三个通道站，每个通道站包含安全计算机（AP）和通道监测计算机（TP）[1]。对保护系统的测试，特别是对软件测试是一项复杂而费事的工作，需要大量重复测试﹑人工记录测试数据并进行分析判断[2]。随着数字化测试技术的不断发展，在测试过程中引入自动化工具进行自动化测试是一种非常高效实用的方法，自动化测试具备测试可重复性, 保证测试工作的可追溯性[3]。研制开发基于数字化控制系统技术的反应堆模拟保护系统测试装置是非常必要的[4]，能够提高测试效率，降低测试成本，提高测试质量，进一步保证了保护系统的可靠性和安全性。

1 CARR保护系统测试策略

在对CARR保护系统进行测试时，把保护系统看作一个黑盒，测试平台产生模拟反应堆输入保护信号，对每个保护变量按照预先设计好的测试用例一步步进行测试，测试平台将接收到的实际结果与期望结果进行比较分析，判断保护系统的数据和逻辑动作是否正确，并将测试数据和判断结果进行记录和显示。

2 系统结构

CARR保护系统数字化测试分析平台由上位机﹑PLC和反应堆信号模拟器等组成，完成对CARR保护系统输入保护变量的模拟﹑检测和数据的采集和分析。

上位机的作用是运行检测策略软件，对CARR保护系统输入保护变量的模拟﹑检测等有关的操作﹑模拟检测流程图显示﹑报警监视﹑趋势监视等功能。通过以太网获取CARR保护系统检测数据，对这些检测数据进行分析，给出CARR保护系统的检测结果。

PLC功能是给出数字化的反应堆模拟信号。

3 非标准信号模拟器研制

保护系统数字化测试平台对保护系统进行检查和测试时，需要模拟保护变量的输入信号，这些信号有些是可以用计算机控制PLC模块的标准化信号，有些则没有这种标准化模块，需要自行研制开发。

CARR保护系统保护变量的输入信号可以分为标准信号和非标准信号，标准信号可以直接由PLC模块输出，如：电压信号（0～5V ﹑0～10V﹑1～5V）﹑电流信号（有源和无源4/20mA信号）和开关量信号；非标准信号需要经过PLC控制非标信号模拟器来模拟输出，如：K型热电偶信号﹑铂电阻信号和频率信号。

3.1 数字化K型热电偶信号的实现

CARR保护系统保护变量的输入信号是K型热电偶信号类型的共18个，测量范围是0～110℃，对应K型热电偶信号是0～4.508mV，实现方法是采用PLC模拟量输出模块（输出量程0～5mA，计数4000），加外围电路来模拟此类信号，输出精度是0.00125mV。

3.2 数字化铂电阻温度信号的实现

CARR保护系统保护变量的输入信号是铂电阻温度信号类型的共9个，测量范围是0～110℃，对应铂电阻温度信号阻值是100～139.99Ω。实现方法是采用PLC的离散I/O输出模块和高精密电阻排等外围电路来实现。

电路中引入的开关触点阻值可认为是固定的，通过调节前端阻值（在100Ω左右），可以消除这部分的阻值。每个铂电阻温度信号需要控制34个开关控制，可以组合出100～139.99Ω任意阻值的电阻，分辨率是0.01Ω。

3.3 数字化频率信号的实现

CARR保护系统保护变量的输入信号是频率信号类型的共6个。测量范围1～100Hz，实现方法是采用PLC模拟量输出模块（输出量程0～5V，分辨率12位）和高频精密的函数发生器MAX038芯片来实现。

高频精密的函数发生器MAX038芯片管脚10电流Lin范围在10～400μA时电路获得最佳工作性能。输出波形的选择由逻辑地址引脚组合为10或11时，输出正弦波；频率控制电压由PLC的模拟量输出模块给出。

取输入电阻为50kΩ，PLC的电压输出范围在0.05V到5V之间，电容取1pF，频率输出范围是1～100Hz，精度是0.0244Hz，用于检查0.1Hz保护定值，满足要求。

4 软件设计与实现

在软件功能分配上，将测试参数﹑测试方式设定﹑工程量的计算和测试策略功能的实现安排在上位机上，这样可以提高程序开发速度，PLC程序功能主要是非标模拟器的驱动和数字化反应堆模拟信号的输出。

4.1 人机界面

人机界面采用工控组态软件进行开发。人机界面力求简洁直观，扁平化设计，所有保护变量的测量量和工程量在一个画面中显示，显示方式与CARR保护系统界面变量布置相同，方便测试人员对应查看。测试平台的参数设置平铺界面上，方便测试时的选择。在对某个变量进行检查和测试时，可以同时观察相关变量的变化。

人机界面分为四个区，分别是菜单区﹑测试参数区﹑监视区和辅助区。菜单区设有常用的功能按键。测试参数区可进行测试参数设定﹑测试方式设定和测试输出显示。监视区可以显示所有保护变量三个保护通道的电压值和工程值。辅助区内容显示一些辅助信息的提示，如：当前测试变量名﹑测试进程﹑测试方式﹑测试记录和异常报告保存位置等信息。

4.2 保护系统数据接收驱动程序的开发

CARR保护系统运行实时数据以广播方式向外发布的，通信协议是非标准的，需要在上位机中开发驱动程序来接收保护系统各变量的实时数据。

网卡传输的报文会临时存在计算机内存中，采用专用工具软件从内存中取得报文进行解析，得到传输协议，解析出了保护系统的广播数据，开发的接收保护系统数据的驱动可以从网卡上读取数据包，然后将解析的数据送入组态软件过程数据库中。

4.3 PLC程序的开发

为了简化PLC的程序，PLC程序功能设计为只输出数字化反应堆模拟量，PLC程序可简化为输出电压信号﹑电流信号和开关量信号。K型热电偶信号可以通过PLC输出的电流信号来控制生成﹑铂电阻信号可以通过PLC输出的开关信号来控制生成，频率信号可以通过PLC输出的电压信号来控制生成。

4.4 上位机软件的开发

上位机软件根据设定的检测初始值和测试方式，完成对保护系统的测试。

在测试参数设定界面，可以对测试参数进行初始值﹑测试目标值﹑测试步长和每步测试的间隔时间的设定。可以以电压值进行参数设定，以工程值进行参数设定。设定后测量量和工程量自动进行转换。

在测试方式界面可以对保护系统的测试通道﹑测试区间﹑测试方向﹑测试后变量状态﹑反应堆功率台阶的变化等进行设定。

全量程测试范围覆盖了保护变量从最小值到最大值的整个量程的变化。设定值测试是预先设定好的，范围覆盖的是正常值﹑报警值和保护值。自定义值测试可以按照需要设定测试范围。

保护系统有些保护变量的整定值在不同的反应堆功率运行工况下，整定值是不同的，测试时若选择自动，则测试平台自动向保护系统下送功率定值，按照不同的运行工况，对保护变量的所有整定值进行测试。

测试输出界面输出当前测试变量的测量值和工程值，有测试输出值﹑AP和TP计算机参数值和状态值﹑对AP和TP计算机测试结果的判断。

测试输出值是根据设定的测试参数和测试方式，计算出每一次输出的测量值大小，根据测量值的类型不同，计算出送到PLC的数值，输出相应的测量值。如输出0～20mA电流信号，对于PLC值范围是0～20000。输出0～5V的电压信号，对于PLC值范围是0～4096，输出铂电阻信号，程序要根据温度值查表得到对应的电阻值，按照电阻值百位﹑十位﹑个位﹑十分位和百分位值的大小，驱动相应开关动作。

测试结果是根据保护系统反馈的实际结果与期望结果进行比较分析，判断保护系统的数据和逻辑动作是否正确。

每一次测试都会生成相应的记录条，测试完成时汇总为该保护变量的测试记录，对于测试结果不正常的，会同时汇总到异常情况测试报告中，便于测试人员查询。

CARR保护系统数字化测试分析平台在设计时，充分考虑检测人员操作的方便性，设置了暂停﹑查看测试记录﹑帮助﹑工作记录和RPS测试记录等功能键。这些功能的设置，提高了测试平台友好性，也提高检测工作的效率。

5 关键技术点

通过软硬件的自主研发，CARR保护系统数字化测试分析平台实现了反应堆保护变量模拟信号的全数字化输出，特别是铂电阻温度模拟信号，精度达到0.01Ω。

在上位机组态软件中，成功开发保护系统数据接收驱动，使保护系统与上位机组态软件平滑连接，可以利用上位机组态软件的丰富资源高效的对保护系统的运行数据进行深度开发和充分利用。

CARR保护系统数字化测试分析平台可以完成正常保护功能测试﹑异常保护和故障功能测试和保护功能的性能测试中的大部分测试内容，有些测试项目，还需要人工完成，如界面数值显示，颜色变化，测试报告的深度分析等，能够自动完成的测试功能有：①正常保护功能测试，如：所有保护变量值计算正确性（由读数值到保护变量值）﹑所有保护变量保护/报警定值正确性核对﹑所有保护变量超定值保护正确性﹑所有保护变量超定值报警正确性﹑所有保护变量连锁条件/投入条件正确性﹑所有变量级保护信号到计算机级保护信号逻辑正确性。②异常保护和故障功能测试，如：硬件故障读数值异常（超出合理范围）识别﹑Ai故障识别﹑所有保护（类型）变量（超出合理范围）识别等。③保护功能的性能测试，如：所有（类型）测量量读数值精度﹑所有（类型）测量量读数值稳定性和重复性﹑所有非固定型定值保护变量（即与工况有关定值）计算正确性等。

6 结束语

CARR数字化保护系统测试分析平台采用数字化设计，实现了对CARR保护系统软硬件自动测试和检查工作，提高了检测效率和检测的正确性。在CARR运行初期，CARR保护系统软件需要进一步修改完善，该测试平台发挥了重要作用，经过测试的CARR保护系统AP和AT计算机安全级软件在反应堆运行5年来，未出现异常，证明该平台测试策略和方法是正确的﹑可靠的和安全的。