久久久91-久久久91精品国产一区二区-久久久91精品国产一区二区三区-久久久999国产精品-久久久999久久久精品

★北京廣利核系統(tǒng)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?zhí)煸?/p>

關(guān)鍵詞：DCS系統(tǒng)；步進(jìn)電機；設(shè)備鑒定；自動測試裝置

DCS系統(tǒng)中人機接口的控制設(shè)備包括：按鍵、開關(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。對其進(jìn)行測試，是核電廠安全級DCS實現(xiàn)過程中不可缺少的質(zhì)量環(huán)節(jié)。

依據(jù)設(shè)備鑒定的主要標(biāo)準(zhǔn)《核電廠安全級電氣設(shè)備鑒定》（GB/T 12727-2017），新設(shè)計和選型的產(chǎn)品應(yīng)用于核電中需要進(jìn)行型式試驗，試驗中需要滿足規(guī)定的運行條件和環(huán)境。對于人機接口的控制設(shè)備的鑒定試驗，需要在規(guī)定的運行條件和環(huán)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(xùn)，在地震等異常工況造成的高溫、強電磁輻射等嚴(yán)酷環(huán)境下，驗證人機設(shè)備的控制功能及性能是十分重要的。

在核電廠安全級設(shè)備鑒定中，型式試驗所要求的“規(guī)定的運行條件和環(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(shè)備，例如緊急停堆和安全專設(shè)盤中的按鈕、開關(guān)，由測試人員在嚴(yán)酷的高溫及高濕環(huán)境下對設(shè)備進(jìn)行操作。在高溫高濕的測試環(huán)境下由測試人員操作設(shè)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(fā)，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(shè)備的。按照以往的測試方法，很難驗證人機控制設(shè)備在試驗應(yīng)力下是否正常，只能在試驗前后驗證一下試驗應(yīng)力是否破壞設(shè)備；或者對個別重要的按鍵、開關(guān)，采用電磁鐵固定在被測設(shè)備臺面上進(jìn)行遠(yuǎn)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(huán)境特性

GB/T 12727中規(guī)定的型式試驗應(yīng)力包括：“環(huán)境溫度和壓力、相對濕度、輻照水平、運行基準(zhǔn)地震和非地震性振動、運行周期、電負(fù)荷和信號、凝露、化學(xué)噴淋和浸沒、電磁兼容（EMC）”等條件。儀控設(shè)備在安全殼外的環(huán)境下運行，不涉及“輻照”“化學(xué)噴淋和浸沒”“鹽霧”等試驗條件。在GB/T 12727的基礎(chǔ)上，國內(nèi)核電DCS行業(yè)綜合考慮了美國標(biāo)準(zhǔn)體系及歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系對設(shè)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(shè)備鑒定規(guī)程》（NB/T 20344-2015）。該標(biāo)準(zhǔn)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(jù)實際執(zhí)行特點，這三類試驗歸納為“基準(zhǔn)試驗”“環(huán)境試驗”“EMC試驗”“抗震試驗”，除基準(zhǔn)試驗外，其它試驗項需要在嚴(yán)酷環(huán)境下執(zhí)行測試。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，對測試裝置在鑒定試驗中的應(yīng)力進(jìn)行分析：

（1）環(huán)境試驗

由于測試設(shè)備需要與被測對象一起在試驗應(yīng)力下進(jìn)行試驗，因此測試設(shè)備需要滿足防護(hù)要求綜合考慮環(huán)境試驗的高/低、溫運行，以及環(huán)境濕熱試驗，其極限環(huán)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(shè)備的測試裝置不受電源線和信號線傳導(dǎo)應(yīng)力的影響，但需要考慮其與被測設(shè)備共同暴露的電磁環(huán)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(zhí)行5次；穩(wěn)定磁場30A/m，持續(xù)時間30s；短時磁場300A/m，持續(xù)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(xù)時間2s。

（3）抗震

測試裝置與被測設(shè)備需要共同經(jīng)歷抗震試驗。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，試驗中包括5次OBE（操作基準(zhǔn)地震）和1次SSE（安全停堆地震）試驗，參考幾個核電項目的樓層反應(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　自動測試的需求分析

實現(xiàn)按鍵、開關(guān)、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(biāo)覆蓋被測對象，并且保證控制范圍和精度滿足常規(guī)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(jìn)行。

3.1　控制范圍

對于按鍵、開關(guān)、鍵盤、觸摸屏等人機接口的控制設(shè)備的自動操作，需要實現(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)被測對象產(chǎn)品特點，尺寸較大的物體包括：盤臺按鍵控制區(qū)、安全級觸摸屏和安全級鍵盤。上述產(chǎn)品中需要測試按鍵的尺寸分布如下：

（1）盤臺按鍵控制區(qū)

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(qū)域的實際尺寸為15cm×25cm。（注：根據(jù)鑒定型式試驗原則，在試驗應(yīng)力下測試的按鈕應(yīng)覆蓋各類型被測產(chǎn)品進(jìn)行驗證，因此無需在試驗中對盤臺上所有的按鍵全部進(jìn)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(guī)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(nèi)，可滿足常規(guī)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(guī)觸摸屏按鍵或安全級鍵盤按鍵直徑（或邊長）不小于1cm。根據(jù)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(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(yīng)破壞被測設(shè)備的功能和結(jié)構(gòu)，并應(yīng)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(shè)備與被測設(shè)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(yīng)滿足第2章節(jié)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(yīng)可以連續(xù)操作多個按鍵。例如通過菜單逐級操作，進(jìn)入到某個控制現(xiàn)場設(shè)備的界面。因此需要實現(xiàn)對多個位置按鍵按照一定順序進(jìn)行操作。根據(jù)鑒定的原則，在試驗中應(yīng)能實現(xiàn)對典型功能的測試，依據(jù)測試經(jīng)驗最多實現(xiàn)的位置（按鍵）數(shù)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(cè)的“MANU”顯示激活狀態(tài)；

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

（4）連續(xù)點擊向下“▽”按鍵，使指示數(shù)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(yīng)力要求

依據(jù)上一章節(jié)的結(jié)論，測試設(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(zhí)行5次；穩(wěn)定磁場30A/m，持續(xù)時間30s；短時磁場300A/m，持續(xù)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(xù)時間2。

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

4　設(shè)計實現(xiàn)及應(yīng)用

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

4.1　機電設(shè)計

用于測試按鍵或觸摸屏的自動機械臂，由X軸步進(jìn)電機帶動Y軸步進(jìn)電機、絲杠及電磁鐵在X軸精確位移；Y軸步進(jìn)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(chǔ)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)方式原理如圖7所示。

圖7 由兩軸步進(jìn)電機組成的自動操作機械臂

圖7中：A為X、Y軸步進(jìn)電機；B為X、Y軸限位開關(guān)；C為X、Y軸絲杠（活動范圍優(yōu)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(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：

·可對控制器進(jìn)行編程，包括多個操作序列，每個序列中實現(xiàn)對多個按鍵按照順序進(jìn)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(jìn)電機控制口，實現(xiàn)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(yīng)控制器預(yù)先編制的各個測試序列。

·1個數(shù)字量輸出通道，通過繼電器增加驅(qū)動能力，實現(xiàn)對電磁鐵的控制。

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

（2）步進(jìn)電機驅(qū)動器：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)電機對負(fù)載的移動，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：與驅(qū)動器配合，實現(xiàn)2A的最大輸出電流和32細(xì)分的控制精度。與絲杠、滑臺、電磁鐵等負(fù)載安裝后，實際測試的控制精度可達(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，X軸和Y軸步進(jìn)電機帶動電磁鐵運動到原點位置進(jìn)行機械尋零操作。

進(jìn)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(jìn)電機帶動電磁鐵運動到該信號的對應(yīng)坐標(biāo)位置（事先在編程過程中確定），然后觸發(fā)電磁鐵激發(fā)被測按鍵或開關(guān)，再運動到下一位置進(jìn)行同樣操作，這樣就可實現(xiàn)多個位置的系列操作。

說明：

（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(dāng)控制器接收到某一操作控制指令（對應(yīng)一個系列）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，等待下一個數(shù)字量采集到控制指令或程序結(jié)束指令。

圖9 機械臂的自動控制程序

4.4　試驗應(yīng)力防護(hù)設(shè)計

對于抗震和機械振動應(yīng)力，試驗采用模塊化主體框架方式，將步進(jìn)電機、絲杠、滑臺和電磁鐵等器件進(jìn)行組合。除螺栓安裝外，當(dāng)被測設(shè)備為鐵或鋼制結(jié)構(gòu)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(shè)備進(jìn)行抗震試驗的現(xiàn)場照片如圖11所示。

圖11 對自動機械臂進(jìn)行抗震試驗環(huán)境下功能驗證的現(xiàn)場照片

選型的步進(jìn)電機為工業(yè)級產(chǎn)品，經(jīng)過實際測試，在65℃的環(huán)境中運行2小時測試未發(fā)生損壞。考慮其在高溫高濕試驗中易受溫濕應(yīng)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(xiàn)電機內(nèi)部與外部環(huán)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(nèi)，如圖12所示。

圖12 對絲杠和步進(jìn)馬達(dá)實現(xiàn)防護(hù)的憎水導(dǎo)熱硅脂擋板

由于步進(jìn)電機控制器和驅(qū)動器可采用長導(dǎo)線連接，并對設(shè)備和線纜進(jìn)行屏蔽接地處理，而步進(jìn)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(jīng)過上述設(shè)計的自動測試裝置應(yīng)用于陽江、紅沿河等項目的安全級盤臺鑒定試驗中，在環(huán)境、EMC及抗震試驗中執(zhí)行對被測對象的測試，實現(xiàn)了測試自動化并且未發(fā)生損壞。本裝置的投入，可驗證被測對象在各種極端環(huán)境下是否正常，提高了測試效率。

圖13 機械臂在高溫高濕環(huán)境下對EUT進(jìn)行驗證的現(xiàn)場照片

5　結(jié)論及展望

本文所述的測試裝置實現(xiàn)了在嚴(yán)酷的核電安全級設(shè)備鑒定試驗環(huán)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(jìn)入嚴(yán)酷環(huán)境所帶來的健康損害。該設(shè)備應(yīng)用于核電DCS的型式試驗中，獲得了很好的效果。本文的應(yīng)用成果可擴展到電子設(shè)備自動化測試領(lǐng)域。

作者簡介：

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

參考文獻(xiàn)：

 [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(shè)備鑒定規(guī)程[S].

[3] 時建綱, 張亞棟, 高玉斌, 等. 一種用于多按鍵電子設(shè)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