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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司時(shí)建綱，武方杰，曹宗生

★遼寧紅沿河核電有限公司張?zhí)煸?/p>

關(guān)鍵詞：DCS系統(tǒng)；步進(jìn)電機(jī)；設(shè)備鑒定；自動(dòng)測(cè)試裝置

DCS系統(tǒng)中人機(jī)接口的控制設(shè)備包括：按鍵、開(kāi)關(guān)、鍵盤、觸摸屏等，起到緊急停堆及專設(shè)等安全控制重要作用。對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，是核電廠安全級(jí)DCS實(shí)現(xiàn)過(guò)程中不可缺少的質(zhì)量環(huán)節(jié)。

依據(jù)設(shè)備鑒定的主要標(biāo)準(zhǔn)《核電廠安全級(jí)電氣設(shè)備鑒定》（GB/T 12727-2017），新設(shè)計(jì)和選型的產(chǎn)品應(yīng)用于核電中需要進(jìn)行型式試驗(yàn)，試驗(yàn)中需要滿足規(guī)定的運(yùn)行條件和環(huán)境。對(duì)于人機(jī)接口的控制設(shè)備的鑒定試驗(yàn)，需要在規(guī)定的運(yùn)行條件和環(huán)境下驗(yàn)證其功能和性能。

1　問(wèn)題提出及分析

吸取日本福島核事故的教訓(xùn)，在地震等異常工況造成的高溫、強(qiáng)電磁輻射等嚴(yán)酷環(huán)境下，驗(yàn)證人機(jī)設(shè)備的控制功能及性能是十分重要的。

在核電廠安全級(jí)設(shè)備鑒定中，型式試驗(yàn)所要求的“規(guī)定的運(yùn)行條件和環(huán)境”包括極端嚴(yán)酷條件（例如：高溫、高濕、低溫、電磁輻射、地震及機(jī)械振動(dòng)等）。在上述條件下，目前的通用做法是：對(duì)于個(gè)別安全重要設(shè)備，例如緊急停堆和安全專設(shè)盤中的按鈕、開(kāi)關(guān)，由測(cè)試人員在嚴(yán)酷的高溫及高濕環(huán)境下對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。在高溫高濕的測(cè)試環(huán)境下由測(cè)試人員操作設(shè)備，除了容易對(duì)人員的皮膚、眼睛造成灼傷外，由于高溫使被測(cè)對(duì)象中的有機(jī)物更易揮發(fā)，也容易對(duì)人員的呼吸道造成傷害，甚至中毒。此外，在抗震試驗(yàn)、機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)、電磁兼容（EMC）試驗(yàn)中，是不允許人員靠近設(shè)備的。按照以往的測(cè)試方法，很難驗(yàn)證人機(jī)控制設(shè)備在試驗(yàn)應(yīng)力下是否正常，只能在試驗(yàn)前后驗(yàn)證一下試驗(yàn)應(yīng)力是否破壞設(shè)備；或者對(duì)個(gè)別重要的按鍵、開(kāi)關(guān)，采用電磁鐵固定在被測(cè)設(shè)備臺(tái)面上進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如圖1所示。

圖1 用于抗震試驗(yàn)中測(cè)試盤臺(tái)按鍵的原始方案

2　型式試驗(yàn)的環(huán)境特性

GB/T 12727中規(guī)定的型式試驗(yàn)應(yīng)力包括：“環(huán)境溫度和壓力、相對(duì)濕度、輻照水平、運(yùn)行基準(zhǔn)地震和非地震性振動(dòng)、運(yùn)行周期、電負(fù)荷和信號(hào)、凝露、化學(xué)噴淋和浸沒(méi)、電磁兼容（EMC）”等條件。儀控設(shè)備在安全殼外的環(huán)境下運(yùn)行，不涉及“輻照”“化學(xué)噴淋和浸沒(méi)”“鹽霧”等試驗(yàn)條件。在GB/T 12727的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)核電DCS行業(yè)綜合考慮了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系及歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)設(shè)備鑒定的要求，由國(guó)家核安全局頒布了《核電廠安全級(jí)電子設(shè)備鑒定規(guī)程》（NB/T 20344-2015）。該標(biāo)準(zhǔn)將鑒定試驗(yàn)條件分為“老化”“極限運(yùn)行條件”和“事故工況”三類。根據(jù)實(shí)際執(zhí)行特點(diǎn)，這三類試驗(yàn)歸納為“基準(zhǔn)試驗(yàn)”“環(huán)境試驗(yàn)”“EMC試驗(yàn)”“抗震試驗(yàn)”，除基準(zhǔn)試驗(yàn)外，其它試驗(yàn)項(xiàng)需要在嚴(yán)酷環(huán)境下執(zhí)行測(cè)試。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)測(cè)試裝置在鑒定試驗(yàn)中的應(yīng)力進(jìn)行分析：

（1）環(huán)境試驗(yàn)

由于測(cè)試設(shè)備需要與被測(cè)對(duì)象一起在試驗(yàn)應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，因此測(cè)試設(shè)備需要滿足防護(hù)要求綜合考慮環(huán)境試驗(yàn)的高/低、溫運(yùn)行，以及環(huán)境濕熱試驗(yàn)，其極限環(huán)境包括：

高溫/高濕：65℃，95%RH；

低溫：-5℃；

機(jī)械振動(dòng)：頻率10~500Hz，加速度0.1g。

（2）電磁兼容

在EMC試驗(yàn)中，用于驗(yàn)證人機(jī)設(shè)備的測(cè)試裝置不受電源線和信號(hào)線傳導(dǎo)應(yīng)力的影響，但需要考慮其與被測(cè)設(shè)備共同暴露的電磁環(huán)境部分，包括：

輻射抗擾度試驗(yàn)：幅值10V/m；頻率80MHz~6GHz；

工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)：頻率50Hz，執(zhí)行5次；穩(wěn)定磁場(chǎng)30A/m，持續(xù)時(shí)間30s；短時(shí)磁場(chǎng)300A/m，持續(xù)時(shí)間3s；

脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)：脈沖磁場(chǎng)300A/m，脈沖間隔10s；

阻尼磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)：頻率100kHz和1MHz；阻尼磁場(chǎng)30A/m，持續(xù)時(shí)間2s。

（3）抗震

測(cè)試裝置與被測(cè)設(shè)備需要共同經(jīng)歷抗震試驗(yàn)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)中包括5次OBE（操作基準(zhǔn)地震）和1次SSE（安全停堆地震）試驗(yàn)，參考幾個(gè)核電項(xiàng)目的樓層反應(yīng)譜，并包絡(luò)最嚴(yán)酷的工況，其參數(shù)為：5~100Hz頻率，0.3~0.5g的加速度，持續(xù)30s。

3　自動(dòng)測(cè)試的需求分析

實(shí)現(xiàn)按鍵、開(kāi)關(guān)、鍵盤、觸摸屏的自動(dòng)操作，需要模擬人員的操作模擬，保證X、Y、Z三個(gè)空間坐標(biāo)覆蓋被測(cè)對(duì)象，并且保證控制范圍和精度滿足常規(guī)的測(cè)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(jìn)行。

3.1　控制范圍

對(duì)于按鍵、開(kāi)關(guān)、鍵盤、觸摸屏等人機(jī)接口的控制設(shè)備的自動(dòng)操作，需要實(shí)現(xiàn)X、Y兩軸向的坐標(biāo)控制以及Z軸方向的按壓控制。

根據(jù)被測(cè)對(duì)象產(chǎn)品特點(diǎn)，尺寸較大的物體包括：盤臺(tái)按鍵控制區(qū)、安全級(jí)觸摸屏和安全級(jí)鍵盤。上述產(chǎn)品中需要測(cè)試按鍵的尺寸分布如下：

（1）盤臺(tái)按鍵控制區(qū)

以某堆型的盤臺(tái)為例，如圖2所示。

圖2 某堆型的盤臺(tái)

在鑒定試驗(yàn)中選取的被測(cè)按鈕區(qū)域的實(shí)際尺寸為15cm×25cm。（注：根據(jù)鑒定型式試驗(yàn)原則，在試驗(yàn)應(yīng)力下測(cè)試的按鈕應(yīng)覆蓋各類型被測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，因此無(wú)需在試驗(yàn)中對(duì)盤臺(tái)上所有的按鍵全部進(jìn)行測(cè)試。）

（2）安全級(jí)鍵盤

以某堆型安全級(jí)鍵盤為例，其按鍵范圍為35cm×25cm。

（3）安全級(jí)觸摸屏

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

圖3 安全級(jí)觸摸屏

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

3.2　控制精度

對(duì)于控制精度，需要考慮被測(cè)按鍵及旋鈕的大小。常規(guī)觸摸屏按鍵或安全級(jí)鍵盤按鍵直徑（或邊長(zhǎng)）不小于1cm。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，對(duì)于直徑（或邊長(zhǎng)）1cm的按鍵，在其中心位置±1.5mm范圍內(nèi)，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(gè)軸向的控制精度小于1mm可滿足要求。

3.3　與被測(cè)對(duì)象的固定

用于測(cè)試的輔助裝置不應(yīng)破壞被測(cè)設(shè)備的功能和結(jié)構(gòu)，并應(yīng)在各類試驗(yàn)中保證正常運(yùn)行及控制精度。在此前提下需要保證測(cè)試設(shè)備與被測(cè)設(shè)備牢靠安裝，對(duì)于某些被測(cè)樣品，需要測(cè)試裝置90度垂直安裝，如圖5所示。

圖5 某堆型盤臺(tái)的測(cè)試裝置安裝角度

安裝的機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)滿足第2章節(jié)的機(jī)械振動(dòng)和抗震試驗(yàn)要求。

3.4　控制流程

由于被測(cè)對(duì)象包括DCS的觸摸屏或鍵盤，自動(dòng)測(cè)試應(yīng)可以連續(xù)操作多個(gè)按鍵。例如通過(guò)菜單逐級(jí)操作，進(jìn)入到某個(gè)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的界面。因此需要實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)位置按鍵按照一定順序進(jìn)行操作。根據(jù)鑒定的原則，在試驗(yàn)中應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)典型功能的測(cè)試，依據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)最多實(shí)現(xiàn)的位置（按鍵）數(shù)量不少于16個(gè)，按鍵操作步驟不低于10步。

測(cè)試示例如圖6所示：

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

（2）點(diǎn)擊“AUTO MANU”按鍵，使左側(cè)的“MANU”顯示激活狀態(tài)；

（3）連續(xù)點(diǎn)擊向上“Δ”按鍵，使指示數(shù)字由0遞增到100%，測(cè)試DCS的實(shí)際輸出信號(hào)；

（4）連續(xù)點(diǎn)擊向下“▽”按鍵，使指示數(shù)字由100%遞減到0，測(cè)試DCS的實(shí)際輸出信號(hào)。

圖6某堆型盤臺(tái)操作界面示意圖

3.5　抗試驗(yàn)應(yīng)力要求

依據(jù)上一章節(jié)的結(jié)論，測(cè)試設(shè)備需要滿足的防護(hù)要求如下：

高溫、高濕：65℃，95%RH；

低溫：-5℃；

機(jī)械振動(dòng)：頻率10~500Hz，加速度0.1g；

輻射抗擾度試驗(yàn)：幅值10V/m；頻率80MHz~6GHz；

工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)：頻率50Hz，執(zhí)行5次；穩(wěn)定磁場(chǎng)30A/m，持續(xù)時(shí)間30s；短時(shí)磁場(chǎng)300A/m，持續(xù)時(shí)間3s；

脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)：脈沖磁場(chǎng)300A/m，脈沖間隔10s；

阻尼磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)：頻率100kHz和1MHz；阻尼磁場(chǎng)30A/m，持續(xù)時(shí)間2。

抗震試驗(yàn)：頻率5~100Hz，加速度0.3~0.5g，持續(xù)時(shí)間30s。

4　設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

基于上述需求分析，對(duì)測(cè)試裝置的研制需要在實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上滿足在鑒定試驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)下運(yùn)行。對(duì)裝置的設(shè)計(jì)，需要從機(jī)械、電子控制和軟件編程幾個(gè)方面入手，再進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，滿足各方面需求。

4.1　機(jī)電設(shè)計(jì)

用于測(cè)試按鍵或觸摸屏的自動(dòng)機(jī)械臂，由X軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)Y軸步進(jìn)電機(jī)、絲杠及電磁鐵在X軸精確位移；Y軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)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(chǔ)上，通過(guò)對(duì)電磁鐵的控制，使電磁鐵的鐵芯模擬人手指對(duì)多個(gè)按鍵、觸摸屏、鍵盤的操作。其機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式原理如圖7所示。

圖7 由兩軸步進(jìn)電機(jī)組成的自動(dòng)操作機(jī)械臂

圖7中：A為X、Y軸步進(jìn)電機(jī)；B為X、Y軸限位開(kāi)關(guān)；C為X、Y軸絲杠（活動(dòng)范圍優(yōu)于40cm×30cm）；D為X、Y軸滑臺(tái)；E為X、Y軸滑臺(tái)支架；F為電磁鐵：模擬人手指對(duì)各類按鍵或鍵盤的操作。

4.2　電子控制原理

上述設(shè)備的電氣控制原理如圖8所示。

圖8 設(shè)備的電氣控制原理圖

（1）可編程控制器的功能如下：

·可對(duì)控制器進(jìn)行編程，包括多個(gè)操作序列，每個(gè)序列中實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)按鍵按照順序進(jìn)行操作。該控制器可存儲(chǔ)16個(gè)操作序列，可最多存儲(chǔ)500個(gè)操作位置。

·2個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制口，實(shí)現(xiàn)X、Y兩軸的位置、方向和速度的控制。

·1個(gè)通信端口，可接收上位機(jī)控制電腦的指令，上位機(jī)的指令對(duì)應(yīng)控制器預(yù)先編制的各個(gè)測(cè)試序列。

·1個(gè)數(shù)字量輸出通道，通過(guò)繼電器增加驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵的控制。

·4個(gè)數(shù)字量采集通道，分別對(duì)X軸步進(jìn)電機(jī)和Y軸步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反兩個(gè)方向的位置保護(hù)（防止電機(jī)在失控狀態(tài)下位置跑飛，造成設(shè)備損壞）。

（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：其設(shè)置為2A的電流輸出，以及32細(xì)分的控制精度。采用2A的輸出可滿足步進(jìn)電機(jī)對(duì)負(fù)載的移動(dòng)，32細(xì)分的控制精度配合螺距2mm的絲杠，可使理論上控制精度達(dá)到0.0625mm。

（3）步進(jìn)電機(jī)：與驅(qū)動(dòng)器配合，實(shí)現(xiàn)2A的最大輸出電流和32細(xì)分的控制精度。與絲杠、滑臺(tái)、電磁鐵等負(fù)載安裝后，實(shí)際測(cè)試的控制精度可達(dá)到0.3mm，滿足1mm的控制精度要求。

4.3　控制編程

當(dāng)設(shè)備上電時(shí)，X軸和Y軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)電磁鐵運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn)位置進(jìn)行機(jī)械尋零操作。

進(jìn)入運(yùn)行模式后，可編程控制器等待接收上位機(jī)的指令。在接收到上位機(jī)控制信號(hào)時(shí)，首先X軸和Y軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)電磁鐵運(yùn)動(dòng)到該信號(hào)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)位置（事先在編程過(guò)程中確定），然后觸發(fā)電磁鐵激發(fā)被測(cè)按鍵或開(kāi)關(guān)，再運(yùn)動(dòng)到下一位置進(jìn)行同樣操作，這樣就可實(shí)現(xiàn)多個(gè)位置的系列操作。

說(shuō)明：

（1）子程序101執(zhí)行復(fù)位功能，將管式電磁鐵位移到指定的預(yù)設(shè)位置；

（2）子程序505執(zhí)行對(duì)管式電磁鐵的操作，通過(guò)對(duì)電磁鐵的得電→延時(shí)→失電控制，模擬人指對(duì)按鍵的操作；

（3）當(dāng)控制器接收到某一操作控制指令（對(duì)應(yīng)一個(gè)系列）后，按照預(yù)先設(shè)置的順序執(zhí)行本序列的按鍵操作，即：復(fù)位→位置1→按鍵→位置2→按鍵→位置3→按鍵→……→位置n→按鍵→復(fù)位；

（4）在某一序列結(jié)束后，等待下一個(gè)數(shù)字量采集到控制指令或程序結(jié)束指令。

圖9 機(jī)械臂的自動(dòng)控制程序

4.4　試驗(yàn)應(yīng)力防護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)于抗震和機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力，試驗(yàn)采用模塊化主體框架方式，將步進(jìn)電機(jī)、絲杠、滑臺(tái)和電磁鐵等器件進(jìn)行組合。除螺栓安裝外，當(dāng)被測(cè)設(shè)備為鐵或鋼制結(jié)構(gòu)并不能被破壞時(shí)，采用四組強(qiáng)力磁鐵在各邊固定，也可滿足抗震試驗(yàn)要求。

圖10 機(jī)械臂與被測(cè)對(duì)象的固定示意圖

對(duì)設(shè)備進(jìn)行抗震試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖11所示。

圖11 對(duì)自動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行抗震試驗(yàn)環(huán)境下功能驗(yàn)證的現(xiàn)場(chǎng)照片

選型的步進(jìn)電機(jī)為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，在65℃的環(huán)境中運(yùn)行2小時(shí)測(cè)試未發(fā)生損壞。考慮其在高溫高濕試驗(yàn)中易受溫濕應(yīng)力的共同侵蝕而損壞，通過(guò)在絲杠與電機(jī)之間填充憎水類油脂，實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)部與外部環(huán)境中的水蒸氣的隔絕。采用兩個(gè)對(duì)開(kāi)的擋板，將憎水類油脂限制在電機(jī)與絲杠形成的凹槽內(nèi)，如圖12所示。

圖12 對(duì)絲杠和步進(jìn)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)防護(hù)的憎水導(dǎo)熱硅脂擋板

由于步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器可采用長(zhǎng)導(dǎo)線連接，并對(duì)設(shè)備和線纜進(jìn)行屏蔽接地處理，而步進(jìn)電機(jī)本身帶有屏蔽外殼，對(duì)電磁輻射干擾不敏感，因此在各項(xiàng)輻射抗擾試驗(yàn)中，裝置可正常運(yùn)行，沒(méi)有受到干擾。

經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試裝置應(yīng)用于陽(yáng)江、紅沿河等項(xiàng)目的安全級(jí)盤臺(tái)鑒定試驗(yàn)中，在環(huán)境、EMC及抗震試驗(yàn)中執(zhí)行對(duì)被測(cè)對(duì)象的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試自動(dòng)化并且未發(fā)生損壞。本裝置的投入，可驗(yàn)證被測(cè)對(duì)象在各種極端環(huán)境下是否正常，提高了測(cè)試效率。

圖13 機(jī)械臂在高溫高濕環(huán)境下對(duì)EUT進(jìn)行驗(yàn)證的現(xiàn)場(chǎng)照片

5　結(jié)論及展望

本文所述的測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)了在嚴(yán)酷的核電安全級(jí)設(shè)備鑒定試驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)被測(cè)按鍵、觸摸屏、鍵盤的自動(dòng)測(cè)試，不僅提高了測(cè)試的充分性，也避免了試驗(yàn)人員進(jìn)入嚴(yán)酷環(huán)境所帶來(lái)的健康損害。該設(shè)備應(yīng)用于核電DCS的型式試驗(yàn)中，獲得了很好的效果。本文的應(yīng)用成果可擴(kuò)展到電子設(shè)備自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域。

作者簡(jiǎn)介：

時(shí)建綱（1974-），男，北京人，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事鑒定檢驗(yàn)工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年9月刊