核电厂DCS系统现场控制站SOE信号测试方法研究

核电厂DCS系统现场控制站SOE信号测试方法研究
赵爽;王鹏
【摘要】为确保核电厂安全经济运行，核电厂分散控制系统（DCS系统）稳定、高速的采集功能在机组调试和运行过程中起着至关重要的作用。

SOE信号高速采集速率，给系统验证提出了很高的要求。

本文在对被测对象进行全面分析后提出了一套测试方法。

此套测试方法适用于核电厂DCS开发设计、系统集成、出厂验收测试等环节。

%In order to ensure safe and economic operation of nuclear power plants, stable and high speed data-acquisition function plays an essential part in Nuclear Power DCS system. DCS control station is a key component of the Nuclear Power DCS system. Owing to high real time demands, communities on field bus puts forward higher requirement for system verification. A set of test methods are proposed after comprehensive analysis of the measured object. These sets of test methods are applicable to the DCS development and design, system integration, factory acceptance testing session.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】4页(P87-89,94)
【关键词】核电厂DCS系统;现场控制站;SOE信号;测试方法
【作者】赵爽;王鹏
【作者单位】中核控制系统工程有限公司，北京 100176;中核控制系统工程有限
公司，北京 100176
【正文语种】中文
【中图分类】TP23
核电厂分散控制系统(Distribute Control System, 简称DCS) 现场控制站可以处
理开关量信号、模拟量信号、脉冲量信号等。

SOE（Sequence of Event）信号是一种特殊的开关量信号，在设备状态发生变化时，不仅要表现出设备改变后的状态，还要记录状态出现改变的准确时间[1]，一般精确到毫秒。

由于SOE信号的高速采集速率，采用一般的信号发生器虽然可以发送小于1ms的脉冲信号，但是最多发
送2个，而且无法实现特殊功能要求，如发送多通道间隔为1ms的非脉冲跳变信号，所以必须采用一种可以编程实现特殊功能的高速信号发送设备。

本论文采用基于虚拟仪器NI设备的，使用LabVIEW软件搭建的试验装置，进行SOE信号功能、性能测试。

1.1 SOE信号在核电厂DCS系统中应用
SOE信号一般用于核电厂全厂DCS系统中和核电厂专用DCS系统中即实验数据
采集系统/试验仪表系统，主要用于事故分析及在电厂运行期间执行位置标记和试验，位置标记设备用来长期监视需记录的核岛参数[2]。

在实验数据采集系统/试验仪表系统中利用被监视和记录的变量表示机组的状态，该系统在全厂调试期间，即从热试验到正式运营期间，用于分析试验的结果和瞬间现象。

同时可用于分析各种瞬态过程，如：降功率、孤岛运行、紧急停堆、汽机跳闸、甩负荷等[3]。

在工程
应用设计中SOE信号尽量集中在同一个现场控制站内，同时SOE站的通讯量要留有余地，在事件集中爆发时才能满足要求。

1.2 SOE信号设计原理
DCS系统内部所有的SOE模块都保持严格的计时同步，由同一个时钟源发送同步信息，本被测对象采用GPS作为标准时钟源，通过硬接线的形式接收信号源的PPS（秒脉冲）信号，通过报文的形式接收控制器发送的年月日时分秒，组成完整的时间格式。

SOE事件分辨率指的是SOE模块计时计数器增加1所代表的时间增量。

对时精度指的是相对时间精度，而非绝对时间，即SOE主要关心事件发生的先后顺序，即
系统对标准时间事件序列之间相对时刻值测量的误差精度，分为2种典型情况：• SOE信号站内精度：1ms
• SOE信号站间精度：2ms
SOE容量是SOE信号测试方法设计所要考虑的地方，由于主控制器是以一定的时间周期循环运行的，所以，不可能在每个SOE事件发生时，主控制器都能及时将
事件信息采集上来，这就需要在SOE模块本地设计一定容量的存储空间，来临时
保存一个主控制器采集周期内可能发生的事件。

该容量要求2个条件，一个是主
控制器采集处理周期，另一个是SOE时间分辨率。

某项目实际设计为：控制器的
扫描周期为25ms，控制器对IO板卡的扫描速率为0.625ms，所以一个控制器最多带40块SOE板卡。

由于控制器的存储空间限制和SOE信号处理及显示要求，一个16通道的SOE板卡的设计为一组SOE信号占用3个字节，一个字节为时间信息、一个字节为变位通道标识符，一个字节为变位通道值，同时处理20组信号。

2.1 测试工装设计
根据对被测对象的研究，测试工装需要提供多通道间隔小于1ms的开关输出信号，并且可以实现信号的变位控制，通过对目前国内外比较流行的测试工具的研究，决定采用基于NI虚拟仪器+LabVIEW图形化编程语言方案搭建测试工装，LabVIEW软件是美国国家仪器公司推出的创新软件产品，也是目前发展最快、功
能最强大的图形化软件开发集成环境，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件
[4,5]。

此测试工装具有以下特点：
• 高性能的控制单元和高精度的I/O单元：控制单元具备高速运算能力，I/O单元也应具备高精度、高速输入输出能力。

• 模块化的结构和灵活的扩展性：采用控制单元+I/O单元的结构，可以在一个控制单元下，根据I/O点类型、数量和性能的需要，灵活配置I/O单元的型号和数量。

• 输入输出端口符合或支持国内国际标准信号。

• 硬件结构设计稳定可靠，具备过压/过流保护措施。

• 高性能上位机，使用LabVIEW软件可以快速执行人机界面交互信息，快速执行软件逻辑运算。

2.2 测试工装硬件设计
根据测试工装性能指标和功能需求，测试工装采用以下硬件：
• 主控制单元
主控制单元是测试工装的一个关键设计，它集成NI数据采集板卡以及LabVIEW 软件，通过编程Labview操作NI采集卡，实现与现场DCS控制机柜的通信，完成数据采集与发送。

主控制器拟采用NI PXI-8108，2.16 GHz双核PXI嵌入式控制器, Windows XP 操作系统。

具体指标参见其技术手册，主控模块如图1所示。

• PXI机箱
1）18槽PXI机箱。

2）高精度，低抖动的10MHz基准时钟。

3）基准时钟带有小于250皮秒的槽至槽相位偏移以完成设备同步。

• 硬件板卡
多功能数据采集发送卡NI6229，具体参数见表一：
2.3 测试系统软件设计
由于 LabVIEW软件引入了一种新的可重用代码类型，称为功能块，大大提高了软件开发效率，缩短开发周期。

这些功能块遵守工业控制系统的IEC 61131-3国际
标准，是一种实时的应用程序设计，具有在内存表（共享变量）中发布参数的能力。

用户可以便捷地与其它LabVIEW代码一起使用这些功能块[6,7]。

为了验证一个带有40块SOE卡（每个SOE卡16通道）的现场控制站， SOE信号的采样率是否能够达到1ms，设计软件为：以一定的顺序同时给4～6个通道加间隔小于1ms、等于1ms、小于1ms的脉冲信号，脉冲宽度可以设置，默认为
10s，在工程师软件中查看输入信号的先后顺序。

用LabVIEW软件进行测试设计是整个测试工装设计的重要环节，软件设计主要包括2大部分，一部分为DAQ驱动，一部分为生成信号算法，基本设计和程序框图见图2：
1）使用NI6229的一个模拟量输入信号作为时钟源。

2）使用NI6229的4～6个DO通道输出，设置为单通道多采样率，根据设置的
通道数和脉冲间隔自动计算得出发送数组，具体算法如下：
• 设置AI采样率2kHz，脉冲间隔为0.5ms，同时发送5个通道，所有通道在
0ms时发送全部0，在0.5ms时第一个通道发送1，其余通道发送0，以此类推。

数组值和波形见图3：
• 设置AI采样率1kHz、脉冲间隔为1ms，同时发送5个通道，数组值和波形见
图4：
• 设置AI采样率0.5kHz、脉冲间隔为2ms，同时发送4个通道，数组值和波形
见图5：
根据测试要求，软件包括用户管理功能、使用初始值自动测试模式、手动配置模式、
波形显示几个部分，测试程序操作流程见图6。

测试环境搭建如图7所示：被测对象包括2个现场控制站，配备冗余控制器，每个控制站40个SOE板卡及端子板，一层工程师站通过串口获取抓包数据，服务器与操作员站用来监视SOE信号产生的事件及报警信息。

根据接线表进行接线，如：测试工装PXI6229板卡通过线缆到接线端子盒，然后通过硬接线连接到SOE 板卡相应的端子板上。

搭建测试环境后，先进行接地检查和电源电压检查，然后进行通道测试，在完成基本检查及测试项后，启动LabVIEW测试脚本，根据测试流程进行测试，以手动配置测试为例，发送间隔时间为0.5ms、4通道、脉冲宽度为1s的信号，波形如图8所示。

使用工程师站获取测试结果：在工程师站上使用串口线和控制站进行连接，然后启动超级终端，输入用户名和密码后连接现场控制站，查看到总线上抓到的对应数据包如图9所示。

通过数值转换后可以得出抓包数据与输入数据的差异，测试结果为：
1）发送数据小于1ms时，现场控制站分辨不出SOE信号。

2）发送数据等于1ms时，现场控制站不一定分辨出SOE信号。

3）发送数据大于1ms时，现场控制站可以分辨出SOE信号。

在某核电厂DCS系统的研发阶段、测试阶段，需要验证DCS系统中SOE信号的设计满足功能及性能要求，本论文设计了一种SOE信号的测试方案，搭建了一个基于NI硬件的测试工装，开发了测试软件，最后实施了DCS系统SOE信号的相关测试，得出相应的测试结果。

【相关文献】
[1]王常力,罗安.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例（第2版）[M].北京:电子工业出版
社,2010:205-269.
[2]刘国发,郭文琪.核电厂仪表与控制[M].北京:原子能出版社,2010:215-267.
[3]中国广东核电集团: 900MW压水堆核电站系统与设备 [M].北京:原子能出版社, 2005:117-119.
[4]陈锡辉,张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通.北京:清华大学出版社,2007,7.
[5]古丹,杨广振,赵爽.用于安全级专设功能测试的网络化测试系统设计[J].2012年核电厂数字化仪控系统研讨会会议论文集, 2012,670-671.
[6]朱立志.核电站数字化仪控系统的仿真测试与验证研究[D].上海:上海交通大学,2010.
[7]卢万里,李萍.工程测试技术中虚拟仪器的应用[J].机械工程师, 2004: 31-32.。