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★北京廣利核系統工程有限公司時建綱，武方杰，曹宗生

★遼寧紅沿河核電有限公司張天元

關鍵詞：DCS系統；步進電機；設備鑒定；自動測試裝置

DCS系統中人機接口的控制設備包括：按鍵、開關、鍵盤、觸摸屏等，起到緊急停堆及專設等安全控制重要作用。對其進行測試，是核電廠安全級DCS實現過程中不可缺少的質量環節。

依據設備鑒定的主要標準《核電廠安全級電氣設備鑒定》（GB/T 12727-2017），新設計和選型的產品應用于核電中需要進行型式試驗，試驗中需要滿足規定的運行條件和環境。對于人機接口的控制設備的鑒定試驗，需要在規定的運行條件和環境下驗證其功能和性能。

1　問題提出及分析

吸取日本福島核事故的教訓，在地震等異常工況造成的高溫、強電磁輻射等嚴酷環境下，驗證人機設備的控制功能及性能是十分重要的。

在核電廠安全級設備鑒定中，型式試驗所要求的“規定的運行條件和環境”包括極端嚴酷條件（例如：高溫、高濕、低溫、電磁輻射、地震及機械振動等）。在上述條件下，目前的通用做法是：對于個別安全重要設備，例如緊急停堆和安全專設盤中的按鈕、開關，由測試人員在嚴酷的高溫及高濕環境下對設備進行操作。在高溫高濕的測試環境下由測試人員操作設備，除了容易對人員的皮膚、眼睛造成灼傷外，由于高溫使被測對象中的有機物更易揮發，也容易對人員的呼吸道造成傷害，甚至中毒。此外，在抗震試驗、機械振動試驗、電磁兼容（EMC）試驗中，是不允許人員靠近設備的。按照以往的測試方法，很難驗證人機控制設備在試驗應力下是否正常，只能在試驗前后驗證一下試驗應力是否破壞設備；或者對個別重要的按鍵、開關，采用電磁鐵固定在被測設備臺面上進行遠程控制，如圖1所示。

圖1 用于抗震試驗中測試盤臺按鍵的原始方案

2　型式試驗的環境特性

GB/T 12727中規定的型式試驗應力包括：“環境溫度和壓力、相對濕度、輻照水平、運行基準地震和非地震性振動、運行周期、電負荷和信號、凝露、化學噴淋和浸沒、電磁兼容（EMC）”等條件。儀控設備在安全殼外的環境下運行，不涉及“輻照”“化學噴淋和浸沒”“鹽霧”等試驗條件。在GB/T 12727的基礎上，國內核電DCS行業綜合考慮了美國標準體系及歐洲標準體系對設備鑒定的要求，由國家核安全局頒布了《核電廠安全級電子設備鑒定規程》（NB/T 20344-2015）。該標準將鑒定試驗條件分為“老化”“極限運行條件”和“事故工況”三類。根據實際執行特點，這三類試驗歸納為“基準試驗”“環境試驗”“EMC試驗”“抗震試驗”，除基準試驗外，其它試驗項需要在嚴酷環境下執行測試。依據上述標準，對測試裝置在鑒定試驗中的應力進行分析：

（1）環境試驗

由于測試設備需要與被測對象一起在試驗應力下進行試驗，因此測試設備需要滿足防護要求綜合考慮環境試驗的高/低、溫運行，以及環境濕熱試驗，其極限環境包括：

高溫/高濕：65℃，95%RH；

低溫：-5℃；

機械振動：頻率10~500Hz，加速度0.1g。

（2）電磁兼容

在EMC試驗中，用于驗證人機設備的測試裝置不受電源線和信號線傳導應力的影響，但需要考慮其與被測設備共同暴露的電磁環境部分，包括：

輻射抗擾度試驗：幅值10V/m；頻率80MHz~6GHz；

工頻磁場抗擾度試驗：頻率50Hz，執行5次；穩定磁場30A/m，持續時間30s；短時磁場300A/m，持續時間3s；

脈沖磁場抗擾度試驗：脈沖磁場300A/m，脈沖間隔10s；

阻尼磁場抗擾度試驗：頻率100kHz和1MHz；阻尼磁場30A/m，持續時間2s。

（3）抗震

測試裝置與被測設備需要共同經歷抗震試驗。依據標準，試驗中包括5次OBE（操作基準地震）和1次SSE（安全停堆地震）試驗，參考幾個核電項目的樓層反應譜，并包絡最嚴酷的工況，其參數為：5~100Hz頻率，0.3~0.5g的加速度，持續30s。

3　自動測試的需求分析

實現按鍵、開關、鍵盤、觸摸屏的自動操作，需要模擬人員的操作模擬，保證X、Y、Z三個空間坐標覆蓋被測對象，并且保證控制范圍和精度滿足常規的測試需求。此外，還需要模擬人員的操作步驟，按照按鍵的操作順序逐步進行。

3.1　控制范圍

對于按鍵、開關、鍵盤、觸摸屏等人機接口的控制設備的自動操作，需要實現X、Y兩軸向的坐標控制以及Z軸方向的按壓控制。

根據被測對象產品特點，尺寸較大的物體包括：盤臺按鍵控制區、安全級觸摸屏和安全級鍵盤。上述產品中需要測試按鍵的尺寸分布如下：

（1）盤臺按鍵控制區

以某堆型的盤臺為例，如圖2所示。

圖2 某堆型的盤臺

在鑒定試驗中選取的被測按鈕區域的實際尺寸為15cm×25cm。（注：根據鑒定型式試驗原則，在試驗應力下測試的按鈕應覆蓋各類型被測產品進行驗證，因此無需在試驗中對盤臺上所有的按鍵全部進行測試。）

（2）安全級鍵盤

以某堆型安全級鍵盤為例，其按鍵范圍為35cm×25cm。

（3）安全級觸摸屏

以規格較大的19寸安全級觸摸屏為參考，尺寸為40.9cm×25.5cm，如圖3所示。

圖3 安全級觸摸屏

綜上所述，X、Y軸向的控制范圍在40cm×30cm范圍內，可滿足常規的鑒定試驗要求。

3.2　控制精度

對于控制精度，需要考慮被測按鍵及旋鈕的大小。常規觸摸屏按鍵或安全級鍵盤按鍵直徑（或邊長）不小于1cm。根據實際測試，對于直徑（或邊長）1cm的按鍵，在其中心位置±1.5mm范圍內，可保證控制精度，如圖4所示。

圖4 觸摸屏按鍵的位置精確度要求示意圖

因此，X、Y每個軸向的控制精度小于1mm可滿足要求。

3.3　與被測對象的固定

用于測試的輔助裝置不應破壞被測設備的功能和結構，并應在各類試驗中保證正常運行及控制精度。在此前提下需要保證測試設備與被測設備牢靠安裝，對于某些被測樣品，需要測試裝置90度垂直安裝，如圖5所示。

圖5 某堆型盤臺的測試裝置安裝角度

安裝的機械強度應滿足第2章節的機械振動和抗震試驗要求。

3.4　控制流程

由于被測對象包括DCS的觸摸屏或鍵盤，自動測試應可以連續操作多個按鍵。例如通過菜單逐級操作，進入到某個控制現場設備的界面。因此需要實現對多個位置按鍵按照一定順序進行操作。根據鑒定的原則，在試驗中應能實現對典型功能的測試，依據測試經驗最多實現的位置（按鍵）數量不少于16個，按鍵操作步驟不低于10步。

測試示例如圖6所示：

（1）點擊上方的大號“Safety Injection Control Valve”按鍵；

（2）點擊“AUTO MANU”按鍵，使左側的“MANU”顯示激活狀態；

（3）連續點擊向上“Δ”按鍵，使指示數字由0遞增到100%，測試DCS的實際輸出信號；

（4）連續點擊向下“▽”按鍵，使指示數字由100%遞減到0，測試DCS的實際輸出信號。

圖6某堆型盤臺操作界面示意圖

3.5　抗試驗應力要求

依據上一章節的結論，測試設備需要滿足的防護要求如下：

高溫、高濕：65℃，95%RH；

低溫：-5℃；

機械振動：頻率10~500Hz，加速度0.1g；

輻射抗擾度試驗：幅值10V/m；頻率80MHz~6GHz；

工頻磁場抗擾度試驗：頻率50Hz，執行5次；穩定磁場30A/m，持續時間30s；短時磁場300A/m，持續時間3s；

脈沖磁場抗擾度試驗：脈沖磁場300A/m，脈沖間隔10s；

阻尼磁場抗擾度試驗：頻率100kHz和1MHz；阻尼磁場30A/m，持續時間2。

抗震試驗：頻率5~100Hz，加速度0.3~0.5g，持續時間30s。

4　設計實現及應用

基于上述需求分析，對測試裝置的研制需要在實現功能的基礎上滿足在鑒定試驗的各項指標下運行。對裝置的設計，需要從機械、電子控制和軟件編程幾個方面入手，再進行綜合設計，滿足各方面需求。

4.1　機電設計

用于測試按鍵或觸摸屏的自動機械臂，由X軸步進電機帶動Y軸步進電機、絲杠及電磁鐵在X軸精確位移；Y軸步進電機帶動Y軸絲杠及電磁鐵在Y軸向上的精密位移，這樣就保證了電磁鐵在X、Y軸的精確位移。在此基礎上，通過對電磁鐵的控制，使電磁鐵的鐵芯模擬人手指對多個按鍵、觸摸屏、鍵盤的操作。其機械結構實現方式原理如圖7所示。

圖7 由兩軸步進電機組成的自動操作機械臂

圖7中：A為X、Y軸步進電機；B為X、Y軸限位開關；C為X、Y軸絲杠（活動范圍優于40cm×30cm）；D為X、Y軸滑臺；E為X、Y軸滑臺支架；F為電磁鐵：模擬人手指對各類按鍵或鍵盤的操作。

4.2　電子控制原理

上述設備的電氣控制原理如圖8所示。

圖8 設備的電氣控制原理圖

（1）可編程控制器的功能如下：

·可對控制器進行編程，包括多個操作序列，每個序列中實現對多個按鍵按照順序進行操作。該控制器可存儲16個操作序列，可最多存儲500個操作位置。

·2個步進電機控制口，實現X、Y兩軸的位置、方向和速度的控制。

·1個通信端口，可接收上位機控制電腦的指令，上位機的指令對應控制器預先編制的各個測試序列。

·1個數字量輸出通道，通過繼電器增加驅動能力，實現對電磁鐵的控制。

·4個數字量采集通道，分別對X軸步進電機和Y軸步進電機實現正反兩個方向的位置保護（防止電機在失控狀態下位置跑飛，造成設備損壞）。

（2）步進電機驅動器：其設置為2A的電流輸出，以及32細分的控制精度。采用2A的輸出可滿足步進電機對負載的移動，32細分的控制精度配合螺距2mm的絲杠，可使理論上控制精度達到0.0625mm。

（3）步進電機：與驅動器配合，實現2A的最大輸出電流和32細分的控制精度。與絲杠、滑臺、電磁鐵等負載安裝后，實際測試的控制精度可達到0.3mm，滿足1mm的控制精度要求。

4.3　控制編程

當設備上電時，X軸和Y軸步進電機帶動電磁鐵運動到原點位置進行機械尋零操作。

進入運行模式后，可編程控制器等待接收上位機的指令。在接收到上位機控制信號時，首先X軸和Y軸步進電機帶動電磁鐵運動到該信號的對應坐標位置（事先在編程過程中確定），然后觸發電磁鐵激發被測按鍵或開關，再運動到下一位置進行同樣操作，這樣就可實現多個位置的系列操作。

說明：

（1）子程序101執行復位功能，將管式電磁鐵位移到指定的預設位置；

（2）子程序505執行對管式電磁鐵的操作，通過對電磁鐵的得電→延時→失電控制，模擬人指對按鍵的操作；

（3）當控制器接收到某一操作控制指令（對應一個系列）后，按照預先設置的順序執行本序列的按鍵操作，即：復位→位置1→按鍵→位置2→按鍵→位置3→按鍵→……→位置n→按鍵→復位；

（4）在某一序列結束后，等待下一個數字量采集到控制指令或程序結束指令。

圖9 機械臂的自動控制程序

4.4　試驗應力防護設計

對于抗震和機械振動應力，試驗采用模塊化主體框架方式，將步進電機、絲杠、滑臺和電磁鐵等器件進行組合。除螺栓安裝外，當被測設備為鐵或鋼制結構并不能被破壞時，采用四組強力磁鐵在各邊固定，也可滿足抗震試驗要求。

圖10 機械臂與被測對象的固定示意圖

對設備進行抗震試驗的現場照片如圖11所示。

圖11 對自動機械臂進行抗震試驗環境下功能驗證的現場照片

選型的步進電機為工業級產品，經過實際測試，在65℃的環境中運行2小時測試未發生損壞。考慮其在高溫高濕試驗中易受溫濕應力的共同侵蝕而損壞，通過在絲杠與電機之間填充憎水類油脂，實現電機內部與外部環境中的水蒸氣的隔絕。采用兩個對開的擋板，將憎水類油脂限制在電機與絲杠形成的凹槽內，如圖12所示。

圖12 對絲杠和步進馬達實現防護的憎水導熱硅脂擋板

由于步進電機控制器和驅動器可采用長導線連接，并對設備和線纜進行屏蔽接地處理，而步進電機本身帶有屏蔽外殼，對電磁輻射干擾不敏感，因此在各項輻射抗擾試驗中，裝置可正常運行，沒有受到干擾。

經過上述設計的自動測試裝置應用于陽江、紅沿河等項目的安全級盤臺鑒定試驗中，在環境、EMC及抗震試驗中執行對被測對象的測試，實現了測試自動化并且未發生損壞。本裝置的投入，可驗證被測對象在各種極端環境下是否正常，提高了測試效率。

圖13 機械臂在高溫高濕環境下對EUT進行驗證的現場照片

5　結論及展望

本文所述的測試裝置實現了在嚴酷的核電安全級設備鑒定試驗環境下，對被測按鍵、觸摸屏、鍵盤的自動測試，不僅提高了測試的充分性，也避免了試驗人員進入嚴酷環境所帶來的健康損害。該設備應用于核電DCS的型式試驗中，獲得了很好的效果。本文的應用成果可擴展到電子設備自動化測試領域。

作者簡介：

時建綱（1974-），男，北京人，高級工程師，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事鑒定檢驗工作。

參考文獻：

 [1] GB /T18271.1-2017. 過程測量和控制裝置通用性能評定方法和程序[S].

[2] NB/T 20344-2015. 核電廠安全級電子設備鑒定規程[S].

[3] 時建綱, 張亞棟, 高玉斌, 等. 一種用于多按鍵電子設備的自動測試裝置及方法: CN110726894B[P]. 2022-12-06.

摘自《自動化博覽》2024年9月刊